检测环境PM 值灰粉尘报系统设计

2021-03-16孙平波蒋金洪

装备制造技术 2021年11期

孙平波，蒋金洪

（北海职业学院，广西北海 536000）

0 引言

近年来，家居环境污染给人们日常生活带来了严重的伤害，这也使得家居环境质量问题得到了人们的广泛关注[1]。PM 值、细菌病毒等悬浮物会随着呼吸进入人体肺部，造成免疫系统的伤害，严重危害身体健康。为了解决家居环境问题，对环境内部空气质量进行监测势在必行[1]。高速发展的大数据技术、通信技术等为粉尘检测系统的研究及设计提供了有力平台，促进粉尘检测技术科学化、智能化。及时监测环境内有害气体的浓度是否超标，并及时发出警示，对人们健康生活具有重要的实际应用价值。

设计了一款基于单片机控制，实现环境检测PM 值灰粉尘的简单易操作的家居环境监测系统。系统可以对环境中PM 值的测量并实时显示，且在检测到的PM 值浓度超阈值情况下，及时启动报警、提示功能及自动开启通风功能[2]。

1 系统方案设计

综合现有PM 值灰粉尘报系统的特点和不足，提出了无线环境检测PM 值灰粉尘报系统的功能需求：（1）能实时检测当前环境的粉灰尘PM 浓度，和及时反馈环境情况，并给出提示；（2）检测结果参数可通过蓝牙传输到手机，便于用户查看[2]；（3）粉尘浓度设定值可直接和通过无线调整控制[2，3]，同时当检测粉尘浓度值高于设定值，能开启通风系统；（4）实现粉尘浓度和设定报警浓度实时显示[3]；（5）外接AT24C02，确保有掉电保存数据功能。

1.1 系统总体设计

设计无线环境检测PM 值灰粉尘报系统主要由单片机STC85C52 主控电路、蓝牙模块、PM2.5 传感器、模数转换器、继电器模块、液晶显示模块和指示灯组成。单片机STC85C52 主控电路处理分析PM2.5 传感器的检测情况，并将其呈现于液晶界面，同时将相关数据通过蓝牙发送到手机，实现用户及时监控；系统中可以通过按键来设定报警阈值，当实时检测的浓度超过阈值时，系统报警电路启动，LED 指示灯显示相应的颜色状态灯来作提醒，同时启动继电器来打开风扇进行通风，且系统在掉电情况下，具有自动保存数据功能。

图1 系统整体框图

1.2 部分功能模块设计

蓝牙模块：采用BC417 芯片作为核心控制器，其采用蓝牙4.0 协议[2]。蓝牙模块通过通用异步收发器（UART）串口的形式与单片机进行通信[4]，单片机控制器以无线形式把其处理分析PM2.5 传感器监测到的环境粉灰尘情况的数据信息通过天线发射出去，同时转换接受到的信息以串口反馈给单片机[5]。在蓝牙通信程序设计中需要将检测到的数据通过蓝牙传输到手机。

PM2.5 模块：系统中的粉尘传感器选用的是GP2Y1010AU0F 传感器，可以检测直径大于0.8 μm 灰粉尘颗粒浓度，其工作原理是利用挂光电技术实现对空气内部PM2.5 进行相应检测操作[2，6]。

指示灯电路设计：采用三种颜色的LED 灯，红黄绿来分别表示当前环境的状态，环境良好绿色LED 灯亮，环境一般黄色LED 亮，环境不合格红色LED 亮。

存储电路设计：采用AT24C02 这个芯片，单片机通过两线式串联总线控制协议，将需要保存的数据通过芯片的SCL 和SDA 引脚传输到芯片里面[5]，从而当系统重新启动后，数据从AT24C02 芯片中再被读取出来，实现数据掉电保存的功能[7]。

2 系统测试

基于以上设计，开发的环境检测PM 值灰粉尘报系统如图2 所示。在春季和冬季南方，一些小区的室内外进行测试。（1）分别测量中小雨天气下，室内外的空气粉灰尘PM 值；（2）分别测抽烟情况及无抽烟情况，室内外的空气粉灰尘PM 值。每种环境检测次数20 次以上，测量值求平均数。系统测试过程图2、图3 所示。

图2 无线环境检测PM 值灰粉尘报系统实物图

图3 测试过程图（室内有人抽烟时PM2.5 值）

通过测试发现，其实现了不同环境下PM2.5 浓度的实时检测、液晶的显示和数据的蓝牙的传输。表1 为测试的部分结果。设定报警阈值为100 μg/m3后，当高于该阈值时，指示灯变红色，蜂鸣器发出响声，继电器能开启，风扇可启动进行通风。

表1 不同环境的PM2.5 值

在无线监控PM 值过程中，使用一款功能强大手机APP 蓝牙调试器软件，支持BLE 型蓝牙串口模块，有助于客户进行无线控制、参数调整以及数据反馈，测试蓝牙之间的数据交互等。本设计运用此手机调试器APP 与PM2.5 传感器蓝牙模块进行实时监测数据交互，实现无线监控环境PM 值灰粉尘情况。操作如下：用手机APP蓝牙调试器连接设备，显示可连接，如图4 左上角显示HC-08 已连接，测试显示连接距离可以达到6 m，图5为距离远之后，系统自动断开。图中展示了获取得到的数据。表明系统实现了无线蓝牙传输数据和手机端使用的功能。