简易粉尘浓度监测系统设计

淮南师范学院电子工程学院 王留留 沈晓波

1.绪论

由于环境的变化、气候的异常，空气污染问题也随之而来，空气中的PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质，对人体健康和大气环境质量的影响很大。设计出来一款小巧的室内粉尘浓度监测系统，对室内空气粉尘浓度进行实时测量，能够帮助人们了解周围环境的具体状况，并及时进行报警提醒，从而让人们拥有一个安全健康的居住环境[1]。

2.系统硬件构成

本次计采用AT89S52单片机作为主控芯片，GP2Y1010AU0F作为粉尘传感器，利用ADC0832模数转换器模块、LCD1602液晶显示器模块、蜂鸣器报警模块和按键模块等实现对粉尘浓度的监测。[2]GP2Y1010AU 粉尘传感器先采集粉尘的浓度，AT89S52单片机实时通过 ADC0832转换芯片收集粉尘的浓度，经过单片机的数据转换分析处理后会在液晶屏上显示当前空气中PM2.5的浓度，当测得的空间中的粉尘浓度大于预设的粉尘浓度值时，蜂鸣器将会发出声音报警，小灯也会随之闪烁进行报警。粉尘的浓度报警值可以通过按键进行设置。

本设计还附加了温湿度传感模块，用来显示当前环境下的温度和湿度，使室内的空气质量更加一目了然。另外，还增设了排风扇系统，当空间中粉尘浓度过高时，使空间的粉尘浓度降低，加强空气交换的流量，使得所测量的粉尘浓度值更加准确。

系统框图如图1所示。

图1 简易粉尘浓度监测系统框图

2.1 主控模块

设计采用AT89S52作为主控芯片，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。[3]

2.2 传感检测模块

本次设计采用粉尘传感器对粉尘的浓度进行检测，GP2Yl010AUOF日本夏普公司生产的一款光学空气质量传感器。它被设计用来感应空气中的尘埃粒子，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光，即使非常细小的如烟草烟雾颗粒也能够被检测到。[4]

GP2Yl010AUOF粉尘传感器的性能特点：灵敏度高，体积小，重量轻，便于信号处理内藏气流发生器，可以自行吸引外部大气保养简单，输出电压为0.9V 。无尘时，从输出电压的变化量来做判定。另外，可以根据输出电平时间上的变化来对检出对象物的种别进行判别。

2.3 显示模块

显示模块采用1602字符型LCD液晶显示模块，是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，本设计采用16列2行的字符型LCD1602带背光的液晶显示屏。具有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等特点。

2.4 报警模块

报警模块主要采取两种方式，闪光报警和声音报警，分别由发光二极管和蜂鸣器实现。蜂鸣器的正极接到三极管的集电极上面，蜂鸣器的负极接到GND上，三极管的基级B经过限流电阻后由单片机的引脚控制，当输出高电平时，三极管截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声，发光二极管不发光；当引脚输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，声光报警停止工作。因此，我们可以通过程序控制单片机引脚的电平来控制报警的启动与关闭。

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型，本次设计主要使用电磁式蜂鸣器，接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

2.5 排风扇模块

执行模块采用排风扇[5]，及时进行通风换气，来实现降尘的功能。空气中的粉尘浓度被采集后处理后，将处理后的信号传递给单片机，单片机根据现场粉尘数据产生处理指令，传递给电机驱动模块产生驱动指令驱动排风扇运转，及时降低的粉尘浓度。

3.系统软件设计

启动后根据首选判断是否用按键设置粉尘浓度报警值，然后将读取的传感器数值进行换算，最后判断浓度是否超出预设值，驱动蜂鸣器报警或者执行下一循环。

程序能够显示PM2.5的浓度值，报警函数，实现了基本的监视和测量功能，按键函数设置报警温度值，最后利用循环语句，使检测系统可以不断执行下去。

4.实物测试与分析

在室内环境下，点燃一支烟，让监测系统置于烟雾下，打开实物开关进行检测，几秒后，仔细观察显示屏，看显示屏上的粉尘浓度值是否能够正常显示，按键设置一个粉尘浓度报警值，观察粉尘浓度到达该值时，系统会不会发出声光报警，同时判断按键是否能正常使用。其次对排风扇进行检测，当粉尘浓度达到报警值时，检验排风扇是否能够正常启动。经测试，本次设计的各个模块都能正常工作，功能基本完善，达到了预期要求。实物系统如图2。

图2 系统测试

图3 24小时内粉尘浓度测试数据

将系统置于空气中，从早上五点到次日凌晨四点，每隔一个小时打开系统测量一次粉尘的浓度值，记录一天24小时内的粉尘浓度变化情况，绘制出粉尘浓度随着时间变化的折线图，以时间为横轴，粉尘浓度为纵轴，如上图3。从折线图中可以清楚的看出粉尘浓度在一天的时间内的变化情况，该测量系统能够清晰的测量出某一时刻的粉尘浓度值，该系统的检测功能基本实现。

5.总结

随着工业化社会的快速发展，粉尘污染逐年增多，其中PM2.5粉尘污染尤为严重，深入到各种室内环境，影响生活健康，为此设计了一款新型粉尘浓度监测系统，实时探测保障生活安全。该系统由AT89S52主控单元、检测模块、模数转换模块、显示模块、执行模块组成，通过GP2Y1010AU粉尘传感器采集室内粉尘的浓度，经A/D转换传输给单片机，单片机处理后在液晶屏上显示粉尘浓度值，通过按键设置粉尘浓度报警阈值，大于预设阈值，蜂鸣器报警，排风扇降尘。经测试系统稳定，能够满足实际监测要求。该设计结合不同情形下的粉尘浓度变化情况[6]，可以改善空气污染问题。

[1]谢心庆,郑薇.国内外pm2.5研究进展综述[J].电力科学与环保,2015,31(4):17-20.

[2]黎世静等.粉尘浓度传感器在粮食系统中的应用[J].电子世界,2017(4):129.

[3]武庆生,仇梅.单片机原理与应用[M].成都:电子科技大学出版社,1998.

[4]GP2Y1010AU0F 粉尘传感器[OL].http://www.docin.com/p-855407734.html.

[5]魏鑫.基于单片机的智能排风扇系统设计[J].探索与观察,2016(3):79-82.

[6]卢鹏,何杰.PM2.5的时间分布与演变扩散研究[J].西南民族大学报,2014(40):66-71.