基于单片机的PM2.5检测仪设计

摘 要：我国不少地区把阴霾天气现象并入雾，统称为“雾霾天气”作为灾害性天气预警预报。雾霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金属镍砷铬铅等颗粒组成。本设计以STC89C51单片机为控制中心，由GP2Y1010AU0F灰尘传感器测量空气粉尘浓度，LCD1602显示屏显示当前空气粉尘浓度，并会根据设置好的报警值报警提示，对应颜色指示灯点亮。该系统电路简单、调试方便，测试精度高，具有一定的实用价值。

关键词：PM2.5；单片机；粉尘浓度；GP2Y1010AU0F

一、 设计背景

世界卫生组织发布的报告显示，无论是发达国家还是发展中国家，目前大多数城市和农村人口都遭受到颗粒物对健康的影响。粒径10微米以上的颗粒物会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5微米～10微米之间的颗粒物，能够进入人的上呼吸道；人体的生理结构决定了对PM2.5没有任何过滤、阻拦能力。PM2.5被人体吸入后直接进入支气管，引发咳嗽、呼吸困难、哮喘、慢性支气管炎等呼吸系统疾病，并导致一些心血管方面的疾病。气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至大于沙尘暴。因此，对PM2.5的监测与治理便显得越来越重要。

二、 硬件设计

本电路是以STC89C51单片机为控制核心，由6个模块电路构成，分别是复位电路、粉尘传感器模块、A/D转换模块、LCD显示模块、蜂鸣器电路模块、LED指示电路模块。GP2Y1010AU0F粉尘传感器采集空气中PM2.5的浓度值，经过STC89C51单片机处理后，在LCD1602液晶上显示浓度，浓度超出设定值指示灯亮并且蜂鸣器报警。系统的结构框图如图1所示：

复位电路模块：复位操作有两种形式：开关复位和上电自动复位。当没有按下复位按键时，通电后，电路可实现上电复位；在芯片正常工作后，按下并联在电容的两端复位按键使RST管脚出现高电平，电路复位，达到手动复位。

粉尘传感器模块：灰尘传感器GP2Y1010AUOF，灵敏度较高，体积小，稳定性好。可以测量0.8微米以上的微小粒子，可检测烟气、粉尘等的浓度。内部对角放置红外线发光二极管和光电晶体管，能够探测到空气中尘埃反射光；内置气流发生器，可自行吸入外部空气，通常应用在空气净化系统中。通过对空气粉尘颗粒浓度的检测输出模拟电压，其值与粉尘浓度成正比，该电压值送入到A/D转换器转换成数字信号送人单片机中。

A/D轉换模块：采用ADC0832芯片，它是8位分辨率A/D转换芯片，其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5V之间，转换速度快且稳定性能强。

LCD显示模块：系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块的优点是体积小、功耗低、显示内容丰富等，而且不需要外加驱动电路。液晶显示模块电路图如图2所示：

蜂鸣器电路模块：该设计有报警电路，当浓度超过设置的报警上限时，单片机控制蜂鸣器鸣响提醒超限，控制引脚接在P3.7引脚上，用三极管做开关电路可以保护单片机，还可以起到放大电流的作用，当三极管基极为高电平时，发射极截止，为低电平时，发射极导通，蜂鸣器报警。

LED指示电路模块：红黄绿指示灯与单片机的P2.0口P2.1口和P3.1口连接。LED的正极都接电源，当单片机IO口输出低电平时，对应的LED就会点亮。LED的电路原理图如图3所示：

三、 软件设计

在主程序中先将各模块程序初始化，开始读取AD数值，将每一次读出的数值与上一次读出数值相加，读50次取平均值保证数据准确性。将得到的数值显示在液晶上。如果读出来的值达到预设报警值的一半时，黄灯亮、超过预设报警值时，红灯亮并且蜂鸣器开始报警。主程序流程如图4所示：

LCD1602液晶显示程序用LCD动态扫描显示方式。先将单片机的P2.6口连接使能端口E。P2.7口连接数据/命令选择端RS，P0口连接数据端D0～D7，然后将要显示的数字的值发送给P0口。将P2.6口拉低，P2.7口拉高，写指令、将P2.6口拉高，P2.7口拉高，写数据，直到要显示的数值全部显示在液晶上。

使用三个按键来设置报警值，第一个按键按下时进入设置状态，再次按下时退出设置状态，第二个按键按下时预设值+10，第三个按键按下时预设值-10。预设值最大为1000，最小为0。在第一个按键没按下时，第二与第三个按键无法响应。从而达到能自由设置PM2.5报警值。

单片机对ADC0832的控制原理：

A/D转换函数的设计，电路设计时将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时，它的CS输入端应该为高电平，此时芯片状态为禁用，CLK和DO/DI的电平可以任意。当要进行A/D转换时，先将CS使能端置于低电平，并且保持低电平直到转换完全结束。

四、 系统调试

设计完成后，对电路进行调试，经调试，该设计可以实时显示所处环境中的PM2.5浓度，超过设定浓度可以实现相应的报警。该设计简便易用，性能稳定，对PM2.5的检测准确度高，有一定的实用价值。

参考文献：

[1]刘宏斌.我国PM2.5的现状与防治对策[J].武汉：湖北经济学院学报，2012.

[2]王幸之，钟爱琴.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

作者简介：

刘静静，江苏省苏州市，苏州高等职业技术学校。