小型空气质量检测仪设计

刘佩森 郑翔鹏 杨延蓉 赵雪蓓

摘要：空气质量问题日益受到关注，对空气质量进行实时的、便携的检测有更大需求。提出一款基于STC89C52单片机为核心控制器的小型空气质量检测仪的解决方案，具有成本低、积较小、功耗低和操作简单等优点。设计过程包括硬件设计和软件设计，均采用模块化设计思想，包括微控制器模块、粉尘检测模块和温湿度检测模块、模数转换模块、液晶显示模块和按键模块等。比较详细地叙述了各个模块的功能及设计原理，并给出了单片机程序流程图。

关键词：空气检测；PM2. 5 检测；温湿度检测；单片机应用

中图分类号：TH89文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2019）01-0024-04

Design of Small Air Quality Detector

LIU Peisen， ZHENG Xiangpeng， YANG Yanrong， ZHAO Xuebei

（College of Mechanical Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China）

Abstract：Air quality issues are attracting more and more attention， and there is a greater demand for realtime and portable detection of air quality. A solution for small air quality detector based on STC89C52 MCU was proposed， which has the advantages of low cost， small volume， low power consumption and simple operation. The design of air quality detector contains hardware design and software design， including MCU module， dust detection module， temperature and humidity detection module， AD conversion module， LCD module and key module. Modular design idea was adopted in all design process. The function and design principle of each module were described in detail， and the program flow chart of MCU was given.

Keywords：air detection； PM2. 5 measurement； temperature and humidity measurement； MCU application

现代医学研究表明，肺部及呼吸类疾病的发病率与空气中悬浮颗粒物的浓度有密切关系[1]。悬浮颗粒物是指悬浮在大气中的固体、液体颗粒物质的总称，其粒径从0001 μm至1 000 μm以上。PM25是指粒径小于25 μm的细颗粒物（Fine Particulate Matter），目前作为大气污染与疾病负担评估的特征指标[2]。根据世界卫生组织的《空气质量准则》研究表明，建议PM25年均值不超过10 μg/m3。近年来，我国空气污染问题逐渐凸显，空气质量日益受到关注，对空气质量检测，尤其是实时的、便携的检测需求越来越大。

市场上现有的空气检测仪虽然具备较多功能，但是价格昂贵、体积较大。本文针对空气质量实时的、便携的检测需求，研制一款小型空气检测仪。小型空气检测仪设计小巧，便于携带，具备实时的温度检测、湿度检测以及PM25检测。

1系统硬件设计

空气监测仪的设计包括系统硬件设计和系统软件设计两部分。系统硬件设计采用模块化设计思想，通过参考成熟设计逐步实现。模块化设计思路清晰，易于查错和更改，有利于擴充系统功能[3]。系统硬件包括微控制器模块、粉尘检测模块、温湿度检测模块、A/D模数转化模块、液晶显示模块和按键模块等，小型空气质量检测仪硬件系统模块如图1所示。系统硬件设计在Altium Designer软件中设计，包括原理图和PCB图设计。

11微控制器模块

微控制器模块是小型空气质量检测仪的控制核心。采用STC公司生产的STC89C52单片机，该单片机是一种高性能的8位低功耗微控制器，拥有8 k字节容量的程序存储，512字节的RAM，以及丰富的外设，包括32个I/O口、看门狗、定时器、计数器以及4个外部中断等。

除了STC89C52单片机之外，微控制器模块要能够正常工作，还包括：电源电路、程序下载电路、复位电路和晶振电路等。单片机晶振电路采用12 MHz晶振，起振电容20 pF，微控制器模块电路原理如图2所示。

12粉尘检测模块

粉尘检测是小型空气质量检测仪的关键部分，采用夏普公司生产的型号为GP2Y101 4AU0F的粉尘传感器[4]。粉尘检测模块由粉尘传感器和控制板组成，经过精确标定后，能够检测空气中的粉尘浓度。GP2Y1014AU0F传感器是利用光学检测原理，其内部安装有红外发光二极管和光电晶体管，并且对角布置，通过检测灰尘的反射光判断悬浮颗粒物的浓度，具有实用性、准确性和灵敏度高的特点，实物如图3所示。

粉尘传感器允许的输入电压范围是5～7 V（DC），电流消耗不超过20 mA（典型值为11 mA），功耗较低。输出是一个与所测粉尘浓度成正比的模拟电压量，敏感度为05 V/（01 mg/m3）；可检测的最小粒子直径是08 μm，工作环境温度范围是-10～+65 ℃。

控制板与粉尘传感器集成在一起，有6个引脚。1引脚为传感器内部发光二极管供电，外接+5 V（DC）电源，但是注意需要添加一个150 Ω电阻和220 μF电解电容用于电源滤波。引脚2和引脚4接地端（GND）。引脚3接单片机P13口，用于控制内部发光二极管亮灭。5引脚为输出端，输出模拟电压信号，与AD模数转换模块通道0相接。6引脚接+5 V（DC）电源。粉尘检测模块电路原理如图4所示。

粉尘检测模块输出电压判定值为：

V=C÷10×K+V0

（1）

式中：V表示输出模拟电压值，V；C表示检出浓度，mg/m3；K表示传感器系数，V/（01 mg/m3）；V0表示无尘时输出电压值。

由式（1）可得出检出浓度值：

C=（V-V0）÷K×10（2）

13温湿度检测模块

温度和湿度指标作为空气质量的重要参数，需要被检测。为了尽可能节省单片机有限的I/O口资源，温湿度检测模块采用DHT11温湿度集成传感器。DHT11是数字式传感器，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，不仅能够测量空气的温度和相对湿度，还可将测量的结果转换成数字信号，直接输送到单片机进行处理，无需进行模数转换[5-6]。

DHT11数字温湿度传感器主要由一个电阻元器件和一个温度测量元件（NTC）组成，其校准系数以程序的形式存在其内部的OTP数据存储器中。DHT11数字温湿度传感器共有4个引脚，1引脚和4引脚分别直接与电源和地相连接，3引脚空置，2引脚接单片机P32口，用于接收温度和湿度数据，如图5所示。

14模数转换模块

模数转换模块主要用于模拟量向数字量的转换。由于粉尘检测模块输出的是模拟量电压信号，单片机无法直接处理，需要将其先转换为数字信号。模数转换模块采用ADC0832芯片，是一款8位分辨率、双通道模数转换芯片。具有体积小、兼容性好和性价比高等优点。

ADC0832芯片共有8个引脚，有两路通道输入。粉尘检测模块输出的模拟量电压信号接入通道0。模数转换模块电路原理如图6所示。

针对其他模块，系统采用有源蜂鸣器[7]作为声音报警模块；采用红、黄、绿3种颜色的LED灯作为空气质量检测等级标识；采用带有中英文字库的液晶显示屏LCD1602作为液晶显示模块；根据需求，设置3个独立式按键作设置键；这些模块都有成熟的设计电路供参考。

2系统软件设计

21主程序设计

单片机程序设计采用C语言在Keil软件中编程。主程序是整个软件的核心部分，单片机主程序流程如图7所示。系统上电后，对定时器、液晶、温湿度检测和粉尘检测等模块进行初始化。初始化完成后，主程序使用无条件循环语句while（1），并且调用各部分的子程序，来实现刷新温度、湿度和粉尘值。在每一个周期，粉尘检测模块检测一次空气中的粉尘浓度，DHT11数字温湿度传感器检测一次空气的温度和相对湿度。并且将检测数值通过显示程序，显示到LCD液晶屏上指定位置。

单片机会对粉尘浓度进行判断，粉尘传感器得到的数据经过ADC转换，放入数组里，和设定值进行比较。如果大于设定的值，蜂鸣器会发出响声进行报警；如果低于设定的值，则相应的浓度灯就会进行显示，提示其浓度的范围，如重度污染（红灯）、轻度污染（黄灯）、无污染（绿灯）等。

22子程序设计

为了使程序具备更好的可读性和移植性，并且体现模块设计思想，系统软件设计时按功能模块编写为子程序。小型空气质量检测仪系统软件包括：短延时子程序、长延时子程序、显示数据子程序、显示命令子程序、外部中断子程序、模数转换子程序、温湿度检测子程序和粉尘检测子程序等。子程序的编写通常参考芯片手册和时序图，子程序调用方便，提升了程序执行效率。这里以温湿度检测子程序为例进行介绍。

温湿度检测采用DHT11传感器，由单片机控制器（主机）控制。根据DHT11时序图可知，首先主机I/O口是输出状态，至少保持低电平18 ms，当检测到有起始信号时，进入待命状态，主机拉高20～40 μs启动了DHT11，等待DHT 11应答，此时主机I/O口变为输入状态，等待传输数据。当DHT11检测信号后，首先将总线拉低（低电平）80 μs然后再拉高（高电平）作为应答。这里要设置1个超时语句，当等待的时间超过了超时程序的

时

间，就认为出现了故障，DHT11会反馈1个异常信息给单片机，避免单片机一直在这里检索浪费资源。

此后DHT11开始将温湿度数据传送给单片机控制器。DHT11连续输出5个字节数据（5个8位二进制数据）给单片机，前4字节为湿度和温度的整数和小数部分，分别为温度高8位数据、温度低8位数据、湿度高8位数据和湿度低8位数据，最后1个字节为校验数据。对于每个字节数据，需要使用for循环语句把每位数据预存到临时变量中，完成了1个字节的传输。

3结语

系统硬件设计完成后，将设计的PCB图进行加工得到硬制电路板，将电子元器件焊接后完成电路板硬件制作。系统软件设计完成后，通过Keil软件转换成单片机可以识别的二进制Hex文件，并通过程序下载电路下载至单片单片机系统中。将调试好的程序下载到电路的单片机中，然后上电进行联合调试[8]，检测是否能实现预想的功能。

通过测试，系统各项功能均达到预期目标。粉尘检测、温湿度检测、LCD显示、按键、指示灯等均能够正常工作。液晶屏第1行实时显示出PM25数值，并经过系统判断确定为轻度污染（黄灯亮起）；第2行显示出温度值和相对湿度值。小型空气质量检测仪实物如图8所示。

小型空气质量检测仪采用STC89C52单片机控制，选用性价比高的粉尘检测传感器和温湿度传感器，尽可能的做到小型化、便携化和低成本。经过测试，各项功能符合预期，后期还需完成产品的工业设计，以使其能走向市场和推广应用。

参考文献：

[1]徐伟，刘志坚. 现代建筑室内空气检测技术[M]. 天津：天津大学出版社，2016.

[2]COHEN A J， BRAUER M， BURNETT R， et al. Estimates and 25year trends of the global burden of disease attributable to ambient air pollution： an analysis of data from the Global Burden of Diseases Study 2015[J]. Lancet， 2017， 389 （10082） ：19071918.

[3]劉佩森，王成栋，郭庆丰. 小型消费卡管理系统应用研究[J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2014， 14（1）：6164.

[4]何强，文卉. 基于单片机和DSM501测量PM 2. 5[J]. 电子世界， 2014（16）：2728.

[5]范红刚，魏学海. 51单片机自学笔记[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社，2010：37168.

[6]杨将新，李华军. 单片机程序设计及应用从基础到实践[M]. 北京：机械工业出版社，2006： 55173.

[7]李维提，郭强. 液晶显示应用技术[M] 北京： 电子工业出版社，2006：4598.

[8]郑锋，王巧芝. 51单片机应用系统典型模块开发大全[M]. 北京：中国铁道出版社，2011：155186.