基于单片机的空气质量检测仪设计
2021-10-11咸阳师范学院郝海燕
◇咸阳师范学院 郝海燕 龚 杰
如今,在经济的带动下,人们的生活水平是越来越好。但也滋生了许许多多的问题,大气污染便是其中问题之一。令我们忧心的是,大气的污染不仅会带来诸多的恶劣天气,更会影响到我们的身体健康,基于此原因,本文利用单片机来制作一款可以检测空气质量的仪器。利用此仪器可以方便、快捷、准确的检测出当前的空气质量,以便人们对此做出相应的准备,从而应对大气污染。
一直以来,煤炭是我国主要的能源之一,由于长期开采和使用,因此也变成了大气污染的主要成因之一。随着工业化的快速发展,我国的大气环境越来越差,不仅威胁到人们的健康还存在发生环境灾变的隐患。
1 系统总体方案
本次设计主要是结合单片机理论知识和实践的可行性,在此基础上设计一款空气质量检测仪。该设计主要由主控芯片模块、功能显示模块、功能报警模块、功能按键模块、功能信号采集模块、功能净化模块组成。各部分相互依存、相互影响共同构成了空气质量检测仪系统。各大模块的具体构成包括有:主控芯片模块包括主控芯片,晶振电路和复位信号电路;功能显示模块主要包括LED显示电路和LCD的显示电路;功能报警模块包括蜂鸣器报警电路;功能信号采集模块包括PM2.5检测电路和A/D转换电路;功能按键模块包括独立按键电路和开关按键电路;功能净化模块包括负离子净化电路。重点在于主控芯片,功能显示和信号采集的各器件的选择。
图1 空气质量检测仪系统总体方案
2 系统硬件设计
2.1 主控芯片的选择
选择STC89C51单片机控制芯片作为主控芯片,该主控芯片共有两个定时计数器和两个外部中断。它具有成本低廉、结构相对简单、容易控制等优点,其性能价格比远高于同类芯片。
基于本次设计要求,通过对比市面上的多种芯片,考虑到成本、实时性、操作性强等问题。此芯片不仅可以满足本次设计的要求,而且外围电路简单、硬件设计方便。
2.2 模数转换模块的选择
采用ADC0881作为模数转换器,它是一种单片、快速的8位模数变换器,它具有集成度高,能够节省空间、减少体积、简化线路板的布线设计、优化系统的性能等优点,但不过成本较高、内部结构复杂且不易操作、实用性不强 。
基于本次设计的要求。考虑到经济适用、操作简单、可靠性好,且都能达到最终目的。综合考虑,最终便使用此模块。
2.3 传感器模块的选择
方案一:采用SDS011传感器作为空气的浓度检测模块,它能直接读出十六进制数,虽然测的灵敏度高,但成本比较高,操作比较复杂,一般不采用。
方案二:利用夏普粉尘传感器GP2Y10 10AU0F作为空气浓度的检测模块,它是一种粉尘烟雾传感器,能检测出非常细微的颗粒。其输出的是与空气中粉尘浓度成正比的电压模拟量,需通过A/D采集后转化成数字量显示浓度值。由于价格便宜、经济适用、灵敏度相对于其它的高,一般市场采用此传感器。
通过对上述方案的比较,都能够实现检测空气中的浓度,不过综合考虑选择方案二。
2.4 显示模块的选择
使用LCD1602液晶作为显示模块。他显示的内容为16×2,既可以显示两行,每行16个字符。它具有背光调节功能,只需要调节外部电位器便可时时调节背光、改变对比度,来控制显示的亮度,同时单片机的I/O引脚的驱动电流既可驱动LCD1602,而且价格便宜、可插拔性强、功耗较低、显示内容多样性、外表美观、体积小等优点,这些优点是其他显示器无法相比的。
2.5 净化模块的选择
使用负离子净化器。它的原理是强电场产生负离子与颗粒污染物相结合,使其沉淀或者吸附在物体表面,其优点是杀灭细菌,净化效果比较好。
通过一系列的比较比较,使用此种进化模块的实用性强,能更好的净化空气。
2.6 按键模块的选择
方案一:选用矩阵键盘,可以更大程度上的使用上面的I/O端口,但程序比较复杂,多用于按键比较多的电路。
方案二:选用独立按键式,每个端口独立工作。程序编写简单,操作简单。
通过上述两个方案比较,由于此次设计的按键个数不多,又能满足要求,综合考虑选择方案二。
3 系统软件设计
系统主程序的入口为main()函数,先对系统进行初始化,然后进入主程序,当按下菜单按键,LCD显示菜单功能界面。根据设置的报警值,判断测得的浓度是否达到报警值以及开启净化器。利用1602实时反应整个检测装置的运行。主要程序流程图如图2所示。
图2 主程序流程图
4 系统仿真与测试
4.1 仿真
首先进行keil的仿真,对于单片机来说,keil软件是必不可少的,它有着强大的仿真和编辑功能。再利用Proteus进行仿真,其具体过程如下所示。
当按下设置键后,通过加减键设置参考值为300 μg/m3时,调节可变电阻使得实际测量值为125 μ g/m3时,小于设定值的一半时,绿色LED灯亮,表示空气质量良好。当按下设置键后,通过加减键设置参考值为300 μg /m3时,调节可变电阻使得实际测量值为180 μ g/m3时,大于设定值的一半且小于参考值时,黄色LED灯亮,表示空气质量一般。当按下设置键后,通过加减键设置值设定为300 μ g/m3时,调节可变电阻使得实际测量值为320 μ g/m3时,大于设置设定值,红色LED灯亮,并且蜂鸣器报警,表示空气质量差,然后紫色LED亮,表示开启净化器。电路仿图结果如图3所示。
图3 实物设计图
4.2 实物调试
在预测功能上,经过一系列的仿真之后,实现预测的功能,最后便是购买器件在进行焊接调试,经过调试后,预测的功能在实物图已经实现。调试前的如图4所示。
图4 实物图
5 结语
该设计的难度就是在传感器的选择和A/D转换器的选择上,经过翻阅和查找相关资料,终于找到的了日本公司生产的夏普粉尘传感器GP2Y1010AU0F和美国公司生产的ADC0832转换器,由于它们比较经济使用,便于操作,有利于我们做空气质量检测仪的元器件。笔者学习了它们的原理和用法,不仅对本次设计有所帮助,也提高了笔者的操作能力和运用知识的能力。