PM2.5空气质量检测报警器的设计

【摘要】    本文重点介绍了单片机、粉尘传感器、按键以及声光报警、LCD液晶显示屏等各个工作模块的特点和工作原理以及软件的设计。经测试研究表明PM2.5空气质量检测报警器可用作检测大气环境中PM2.5的浓度，适用于企业和个人等对生产现场粉尘浓度的检测以及监管部门对环境的检测的调查。

【关键词】    PM2.5    空气质量检测    报警器

引言：

隨着生产力的快速发展，工业化程度的不断提高，大气环境质量在不断下降，空气污染变得越来越严重，PM2.5超标亟待解决[1]。PM2.5是由直接排入空气中的一次微粒和空气中的气态污染物混合而成的复合型污染物其中最主要的污染为粉尘污染，其粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等）。PM2.5超标污染的空气可以直接进入支气管，对肺部气体互换产生影响，诱发包括哮喘、支气管炎等多方面的疾病[2]。因此，PM2.5的检测变得越发重要，已成为空气环境污染的主要指标之一。单片机具有体积小、结构简单、操作性强等特点，为此设计了一种以单片机为主的控制系统的PM2.5空气质量检测报警器，可以实现对空气中PM2.5浓度的实时监测。PM2.5空气质量检测报警器的设计可以方便地对大气质量做出检测，为空气超标的地方做出修正意见[3]。

本设计是基于单片机便携式PM2.5空气质量检测报警器，通过粉尘传感器收集数据经单片机自带模数转化在液晶上显示当前PM2.5值以及我们的设定值。超过设定值产生报警这一功能来达到对当前空气质量的检测。其特点是使用方便，便于携带测量准确。

一、系统总体方案设计

1.1  每个模块说明

1.PM2.5粉尘传感器模块：收集空气中PM2.5浓度。

2.STC12C5A60S2：自带模数转换的功能，将数据在液晶显示模块上显示。

3.液晶显示器：显示当前PM2.5浓度和报警浓度值。

4.报警电路：超过我们设定值报警LED灯亮。

5.按键电路：调整报警值。

6.供电电路：对系统进行供电。

二、软件程序设计

2.1 KEIL uVision4软件介绍

本设计中采用的是KEIL公司的uVision4作为软件的开发环境。KEIL uVision4，同时支持现有的2大语言的开发包括C和汇编语言的开发，它有着简介方便的窗口管理系统方便开发者进行监控。除此之外该软件还为开发者提供了一个清洁高效稳定的开发环境，可以完成一整套的流程开发。

2.2软件总体设计

2.2.1软件部分设计

软件设计也是总体设计中非常重要的部分我们通过用C语言进行软件编程各个模块的控制使他们之间相互联系实现我们设计任务所达到的要求，本次设计软件的功能需要达到的要求为：

1.读出粉尘传感器收集的数据。

2.数据收集后模数转化显示在LCD上

3.用按键来控制设定值和复位。

4.当显示值超过设定值蜂鸣器报警LED发光，随后风扇启动净化功能。

我们总体的设计过程是将整个模块分成各个模块来编写。以各个模块的软件程序的实现，来达到整体的功能。

3.2.2 系统软件程序

1.软件总体框图，如图2所示。

1.系统编程分四个部分：

1）主控程序

2）LCD显示程序

3）粉尘收集程序

4）按键程序

5）中断及定时程序

2.2.3 主程序设计

系统主题流程图如图3所示，系统通电进行初始化，初始化的目的对各个模块赋初值。系统上电初始化后，开始载入我们所设定的报警值，接着粉尘传感器开始采集数据，进行A/D转换，转换成数字信号。周而复始的完成10次采集的工作。对数据进行处理。数据处理的流程是：

1.使用取中值法，为了使数据更准确粉尘传感器先收集十次数据通过软件编程将这10个数据依次从小到大按照顺序进行排列，取最中间值为最准确的值返回。

2.将返回值转化成电压值。

3.根据电压与粉尘浓度的线性关系计算出PM2.5的浓度值。

三、软件与硬件调试

通过前部分的叙述我们基本上完成了对PM2.5空气质量检测报警器的整体设计。本章我们介绍是软硬件联合调试我们依然使用KEIL uVision4进行软件调试[10]。

3.1程序的编译与下载

3.1.1 KEIL uVision4的使用过程

刚开始点击project新建一个工程，点击设置。

将晶振频率设为11.0592达到我们所要的标准。

勾出输出标签页的“生成HEX文件” ，保存退出设置菜单。

点击编译，然后点击建立目标文件，生成HEX文件。

3.1.2 STC-ISP芯片烧录软件的使用

1.安装好连接驱动程序，连接单片机到电脑，打开STC-ISP。

2.选择单片机类型为STC12C5A60S2。

3.打开刚才Keil uVision4生成的hex文件。

4.在我们所需要的COM中，我们需要查看设备管理器找到对应的COM口这样我们才能和单片机的通讯口进行通信，默认波特率，点击下载即可

这次设计中软件设计部分通过在KEIL uVision4调试完成。

3.2硬件调试

电路设计完成之后我们需要自己动手根据我们所设计的电路图进行焊接电路进行焊接电路，电路焊接完成后我们需要对电路板进行硬件的调试，以防止我们在焊接的过程中电路出现短路或者虚焊的现象排除硬件故障实现硬件功能，我们分步骤对各个硬件模块进行调试

3.2.1供电电路调试

在供电电路这一模块中焊接完上电开始检测，VCC接电源电压GND接地，完成后发现电源开关的指示灯不亮，接着用万用表检查各个焊接点的通断情况，发现是供电口的1脚的位置漏焊了，用电烙铁焊接完成后再进行调试后发现电源指示灯正常工作了。

3.2.2液晶显示电路的调试

将液晶显示器LCD1602接入到电路中上电进行调试刚开始上电时候发现显示屏上一片空白没有任何的文字符号仔细检查发现是因为液晶显示灰度没有调节，用螺丝刀调节了电位器，发现液晶显示屏上的字符可以正常显示了。

3.2.3按键电路调试

将按键按照硬件电路设计图的步骤连接好通电进行调试试着去改变液晶显示屏上的数据值发现没有作用用万用表检查后发现按键电路的一个引脚没有和液晶模块相连接，用导线焊接完成后，功能正常了。

3.2.4报警电路调试

报警电路由蜂鸣器 LED灯和三极管组成，上电调试后蜂鸣器不工作了，仔细检查后发现引脚接反了，纠正位置后可以正常工作了。

四、结束语

本设计是粉尘传感器收集粉尘pm2.5的浓度再将收集到的数据送入自带模数转换的单片机进行模数转换，单片机将模数转换的数据在液晶显示屏上显示出来。通过键盘来增减或者减少我们所设定的浓度值。复位键盘起到复位的作用。如果我们收集到的数据值超过了我们的所设定的值蜂鸣器报警LED灯亮。用keil软件编制了c语音程序，来验证设计的程序。

参考文献

[1] 陈卫红，邢景才，史廷明等.粉尘的危害与控制[M].北京：化学工业出版社，2005年.

[2] Jones T B， King J L， Yablonsky J F. Powder Handling and Electrostatics Understanding and Preventing Hazards [M].US：CRC Press，1991.

[3] 焦敬品，张强.便携式粉尘测试仪的研制[J].仪表技术与传感器，2009.

熊亮（1994年6月20日）汉族男，安徽芜湖市，助力工程师，研究方向：通信工程：