基于GP2Y1010AU0F传感器的PM2.5检测仪设计

仲

(西安爱生技术集团公司，陕西 西安 710065)

PM2.5是大气中一种固体颗粒，直径为2.5 μm，其含有铅铬砷等重金属有毒、有害物成份，因PM2.5及其微小，人体对其无任何阻拦、过滤能力，可直接进入支气管，刺激呼吸道，干扰肺部的气体交换，从而引发呼吸系统和心血管系统的一系列疾病，对人体有极大危害[1-2]。空气质量的恶化，阴霾天气现象增多，危害现象加重，不少国家和地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报，统称为“雾霾天气”[3]。PM2.5检测手段的提高可实时、准确获取环境的PM2.5含量，采取有效的防霾措施，可以减少PM2.5对人类健康的威胁。

1 GP2Y1010AU0F粉尘传感器

GP2Y1010AU传感器是一种体积小巧、安装维护方便灰尘传感器，常用于室内环境中粉尘、烟气、花粉等浓度的检测[4]。因其内置气流发生器，可以自行吸入外部空气，可快速准确的检测出单位体积粒子的绝对个数。GP2Y1010AU传感器具有寿命长、灵敏度高、精度高、稳定性好等优点[5]。在其内对角位置配置有红外检测收发对管，能够探测到被测气体中的尘埃物质，可探测到0.8 μm的细小的固体颗粒，目前其在空气净化系统中应用较多。GP2Y1010AU传感器功耗极低，正常工作时电流为11 mA，其输出为模拟信号，信号电压幅度与粉尘浓成正比。主要参数如表1所示。

表1 GP2Y1010AU传感器性能指标

2 系统设计方案

系统主要由AT89S52单片机为控制核心，外围单元电路采用模块化结构。主要有PM2.5数据采集模块、LCD液晶模块、报警模块、键控模块、污染级别提醒模块，图1为系统方案框图。工作原理：系统中GP2Y1010AU0F感知被测气体中PM2.5的浓度数据，经A/D转换送单片机AT89C52处理后，在LCD1602液晶上显示，并且设置极限报警值，当被测的PM2.5浓度值超过报警值后，蜂鸣器报警。

系统中核心处理器AT89S52是一个高性能、低功耗的单片机，其采用高密度、非易失性存储技术制造。兼容80C51引脚结构和标准MCS-51指令系统，其基本功能：256字节RAM，8k字节Flash，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器。

图1 系统方案框图

3 系统接口电路

3.1 单片机最小系统

图2为单片机的最小系统，包括单片机、复位电路、时钟电路、输入/输出设备等[6]。时钟电路，采用的是内时钟模式，在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件(一个石英晶体和两个电容)，内部振荡器便能产生自激振荡。晶振选用12 M的石英晶振，电容选取陶瓷电容，容量20～40 pF均可。复位电路常用的复位电路有开关复位和上电自动复位两种基本形式，上电时电容两端电压不能突变，单片机复位端与电容的负极相连，电压全部加在了电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位。随着+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。

图2 单片机的最小系统

3.2 传感器接口电路

GP2Y1010AU粉尘传感器感知空气中的PM2.5的值，并将其转换成与之成正比的电信号输出，接口电路如图3所示。该传感器有6管脚，1为分别电源端(红外电路)，2为接地端，3为红外端，4为接地端，5为模拟信号输出端，6为分别电源端。粉尘传感器GP2Y1010AU通过对空气粉尘颗粒浓度的检测输出模拟电压。

3.3 A/D转换芯片ADC0832接口电路

ADC0832 是一种双通道、八位分辨率模/数转换芯片。由于它兼容性强，体积小，转换速率快(转换时间仅为 32 μs)，准确率高(双数据输出作为数据校验)，并且稳定性好[7]。完全适合本系统模拟量转换要求。通过 DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。另具有独立的输入使能端，使处理器控制和多器件挂接更为方便。接口电路设计如图4所示：

图3 GP2Y1010AU传感器接口电路

图4 ADC0832模数转换接口电路

3.4 液晶显示LCD1602接口电路

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，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路[8]。根据各管脚的功能，LCD1602接口电路设计如图5所示：

图5 ADC0832模数转换接口电路

3.5 按键电路

按键电路主要完成PM2.5上下限报警值的设置，对应有三个按键，K1为自增键，K2为自减键，K3为设置键。K1、K2、K3按键分别对应单片机P3.3、P3.4、P3.5三个端口，另外K1、K2、K3三个按键各接一个10 kΩ的上拉电阻。键控接口电路设计如图6所示：

图6 键控接口电路

3.6 报警电路和污染级别提醒电路

系统的报警电路由NPN型三极管9013驱动，基极接一个5.6 kΩ偏置电阻，其通过单片机的P2.4端口控制输出，电路见图5。根据不同的浓度范围提醒当前污染级别的电路，采用了绿，黄，红三个LED灯，每个LED指示灯串入一个1 kΩ电阻，避免过流烧毁，通过单片机的P2.0，P2.1，P2.1端口控制，当检测PM2.5浓度值在0～0.1，绿灯亮(环境良好)；当检测PM2.5浓度值在0.1～0.3，黄灯亮(环境轻度污染)；当检测PM2.5浓度值在0.3以上，红灯亮(重度污染)。声光报警电路如图7所示。

图7 声光报警接口电路

4 程序设计及软件应用

完成系统整体硬件安装后，同时进行软件设计。采用C 语言进行编写程序，软件编译环境采用Keil4。程序编写也采用模块化结构，主函数和子函数，主函数包括：系统的初始化、数据缓存，串行通信接口、I/O 接口设置，传感器、定时器、显示器的初始化设置等。除主程序外，程序设计中还定义了一些函数，方便主程序调用，主要有液晶初始化程序，显示函数，报警显示，报警子函数，按键检测函数，A/D转换函数，中值滤波等。系统软件程序编写完成后，进行系统软硬件联调，直至系统功能实现。系统软件实现流程图如图8所示。

图8 系统软件设计主流程图

5 系统测试

PM2.5浓度检测仪可用于室内和户外的空气质量(主要是PM2.5)的检测，可调节的报警浓度的设计，可用于长期检测和提醒PM2.5浓度。PM2.5标准值采用精度较高的手持式DT-96B粉尘颗粒物浓度仪检测，其检测精度远高于市场同类型产品，监测地点实训大楼前。监测时间早8点至晚18点，每2小时测量1次PM2.5的值，PM2.5测量结果见表2。通过表2的数据对比可以得出，PM2.5浓度的误差在 +3.5%～-3.5%。该多功能环境检测系统具有很高的精确性。另外可选择不同测试环境(室内室外、人流量、车流量不一的多个地点)，验证系统的检测数据的准确性。

表2 PM2.5值检测结果

6 结 论

随着现代工业化发展，石化能源在大量消耗，使得环境恶化，雾霾越来越严重。系统以GP2Y1010AU0F作为PM2.5数据采集传感器，以单片机为控制核心，设计了一套PM2.5浓度检测装置，并集液晶显示、一键语音播报双重感知功能于一体。其使用简单、实用性强、性能稳定。经试验表明：具有较高测量精度，而且性能稳定，该装置在不同的污染程度下，均有较好的检测效果。可用于办公室空气检测和提醒，公共场合控烟，空调和通风口处监测，气象台，观测站，检测汽车尾气质量。