李錫渝 李金璐

摘要：利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)空氣中PM2.5及甲烷值的檢測。選用了STC51單片機(jī)，制成的一個(gè)簡單便攜的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對空氣中甲烷（CH4）和PM2.5（粉塵濃度）的檢測，檢測結(jié)果在LCD1602顯示，當(dāng)檢測值超出標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)峰鳴警報(bào)。設(shè)備完成軟、硬件調(diào)試后能夠?qū)崟r(shí)測到甲烷及PM2.5的值，結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：STC89C51；瓦斯（甲烷）；可吸入顆粒物；液晶；傳感器

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）12-0255-03

Realization of PM2.5 Detection With Single Chip Microcomputer

LI Xi-yu， LI Jin-lu

（Computer College of China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China）

Abstract： Detection of PM2.5 and methane in air by using single chip microcomputer. A simple and portable air quality testing system based on STC 51 microcomputer is used to detect air methane （ CH4 ） and PM 2.5 dust concentration detection， test results in the LCD1602 show that when the detection value exceeds the standard value ，the alarm will sound. After the equipment is debugged the value of methane andPM2.5can be measured in real time， and the result meets the design requirements.

Key words：1：STC89C512：Gas（methane）3：PM2；LCD；sensorp

當(dāng)下的空氣污染現(xiàn)在已經(jīng)嚴(yán)重到影響人們的日常生活，并且對于人類的健康造成的危害越來越嚴(yán)重，并且隨著時(shí)代的進(jìn)步人們對空氣污染的意識越來越嚴(yán)重，同時(shí)也更加注重自己的身體健康。

在設(shè)計(jì)中嘗試?yán)酶袘?yīng)裝置采集空氣中可吸入顆粒物的濃度及瓦斯的電信號，通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信后利用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)值處理后的輸出?？諝庵锌晌腩w粒物（文中稱PM2.5）的檢測以及瓦斯（文中稱為甲烷或CH4）氣體濃度的檢測，當(dāng)空氣中CH4濃度在5%～15%時(shí)存在爆炸的隱患。

1總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用單片機(jī)為主要元件，檢測空氣中的甲烷含量和PM2.5數(shù)值，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取PM2.5數(shù)值；其中由于甲烷傳感器的特殊性，需要大約1分鐘的預(yù)熱時(shí)間后才能實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)；通過對按鍵的切換，實(shí)現(xiàn)對甲烷、PM2.5實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測，其中當(dāng)甲烷指數(shù)超標(biāo)則蜂鳴報(bào)警。

設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)基于單片機(jī)及I/O的進(jìn)行的設(shè)計(jì)，首先需要對硬件進(jìn)行選擇，要求各元件之間能夠相互配合完成設(shè)計(jì)要求；軟件設(shè)計(jì)部分首先是信號的感應(yīng)、數(shù)據(jù)采集、A/D數(shù)值的轉(zhuǎn)換、按鍵的控制、最后通過LCD顯示檢測數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)涉及了串口通信的協(xié)議，檢測得到的數(shù)據(jù)可以通過串口在PC機(jī)上顯示。

電路通過A/D轉(zhuǎn)換將電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號輸入到單片機(jī)中，傳感器原件外接到單片機(jī)上，單片機(jī)對采樣值進(jìn)行處理后然后經(jīng)過通道進(jìn)行傳輸，然后單片機(jī)根據(jù)得到的信號處理后輸出檢測值；在檢測甲烷時(shí)當(dāng)采樣值超過指標(biāo)后的報(bào)警檢測，這部分需要將設(shè)定值與測量值進(jìn)行比較。

2 硬件設(shè)計(jì)

MCU選擇的是可靠性及擴(kuò)展性成熟的STC89C51單片機(jī)。該單片機(jī)具有4K的可重擦閃存存儲器，并且具有良好的可兼容性，由于本身的產(chǎn)品指令和引腳，時(shí)鐘頻率在0Hz-24MHz具有三級的加密存儲器，有兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，I/O接口線可編程的有32個(gè)，具有6個(gè)中斷源，并且低功耗的空閑和掉電模式，需要穩(wěn)定的電壓供給，并且有復(fù)位信號線，但輸入的信號連續(xù)為兩個(gè)高電平時(shí)有效，兩個(gè)高電平時(shí)復(fù)位信號才能夠正常的顯示，全雙工串行的UART通道，中斷可以從空閑的模式中喚醒系統(tǒng)，靈活的在線系統(tǒng)編程。

MCU晶振電路由一個(gè)晶體振蕩器和兩個(gè)22pF的瓷片電容組成，時(shí)鐘電路主要是能夠產(chǎn)生在單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號，時(shí)序的主要功能是研究指令在執(zhí)行的過程中存在的相互之間的關(guān)系。

5l 單片機(jī)的復(fù)位引腳RST（第9 管腳）出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作，當(dāng)單片機(jī)的引腳持續(xù)為高電平的，此時(shí)單片機(jī)的狀態(tài)就是復(fù)位的循環(huán)狀態(tài)。

按下復(fù)位按鍵RS1時(shí)就會將電容短路，C11兩端就會形成回路，然后電容被短路，快速放電接近了0V，然后按鍵點(diǎn)就形成了高電平復(fù)位的信號，單片機(jī)就開始復(fù)位，松開按鍵后，電容C11就又開始充電，充電過程相當(dāng)于系統(tǒng)加電，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位。

圖2描述了各個(gè)原件之間的引腳相連，在這個(gè)圖中可以看出的是各個(gè)原件之間的鏈接順序，以控制器為核心經(jīng)過控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后通過控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

氣體傳感器主要以半導(dǎo)體和電化學(xué)型為比較普遍。從傳感器采集到的信號必須要經(jīng)過采集、放大、過濾、轉(zhuǎn)換才能夠在單片機(jī)上進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)中應(yīng)用甲烷傳感器MQ5和粉塵傳感器GP2Y1010AU0F。

MQ5傳感器的工作原理：該氣敏傳感器MQ5主要是半導(dǎo)體器皿傳感器，是利用待測的氣體與半導(dǎo)體體表面接觸式，產(chǎn)生的電導(dǎo)率的物性變化來對氣體進(jìn)行的檢測。

甲烷采集用傳感器MQ5具有以下特性：

（1）當(dāng)空氣中的氣體比較清潔時(shí)，此時(shí)對于元件本身的電導(dǎo)率就是比低的狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)其他可燃的氣體時(shí)，氣體的濃度增加，電導(dǎo)率就發(fā)生變化，使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。

（2）傳感器對一些可燃性氣體例如（丁烷、丙烷、甲烷）的靈敏度高，而且對甲烷和丙烷的兼顧性比較。這種傳感器能夠檢測多種可燃性氣體，傳感器本身來說是一個(gè)比較成本比較低的傳感器。

圖3是MQ5傳感器的基本測試電路。在測試時(shí)需要給傳感器施加兩個(gè)電壓：加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）。其中VH是提供傳感器所需要的工作溫度。VC 則是用于測量負(fù)載電阻的電壓。

粉塵采集傳感器GP2Y1010AU0F可以測量0.8微米的以上的微小粒子，可以感知煙草的等空氣中存在的細(xì)小顆粒，由于體積小便于安裝的特點(diǎn)，并且檢測的靈敏程度比較高，所以選擇這款傳感器檢測粉塵。

圖4 GP2Y1010AU0F傳感器內(nèi)部圖

GP2Y1010AU0F傳感器對較小的顆粒比較敏感。粉塵傳感器的工作原理是利用光的散射原理對空氣中細(xì)小的顆粒的濃度進(jìn)行感應(yīng)，當(dāng)細(xì)小顆粒附著在感應(yīng)器上后，就引起電信號的變化，電信號傳送給控制器通過A/D轉(zhuǎn)換傳給單片機(jī)。

ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有8位分辨率、A/D轉(zhuǎn)換的雙通道、TTL/CMOS與輸入輸出電平相兼容、當(dāng)工作電壓在0～5v之間時(shí)工作電壓為5v、工作頻率在大約處于250KHZ左右、轉(zhuǎn)換時(shí)間比較短為32微妙，功耗比較低為15MW的優(yōu)點(diǎn)。

顯示模塊LCD1602用作數(shù)據(jù)顯示器，其字符尺寸2.95×4.35mm，能夠顯示的容量是32個(gè)字符，芯片的工作電壓主要是在4.5～5.5V之間，工作電流主要是2.0mA，是在工作電壓5V的情況下，同時(shí)能夠最佳的體現(xiàn)芯片的功能的工作電壓是5V，引腳功能對于LCD1602來說，采用的會是14腳或16腳接口，分別是無背光、帶背光，下面是各引腳的接口說明。

壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在銀電極兩端的陶瓷涂層，并經(jīng)過極化處理后，用黃銅或者不銹鋼片粘在一起。

按鍵模塊設(shè)計(jì)中使用五個(gè)按鍵，其中一個(gè)按鍵是復(fù)位按鍵，其他是對數(shù)據(jù)甲烷測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試、切換甲烷和粉塵的檢測。按下K1鍵第一次設(shè)置MQ5報(bào)警上線K2+，K3--，按下K1鍵第二次退出設(shè)置。K4鍵用于切換顯示，開機(jī)顯示甲烷檢測數(shù)據(jù)，按下K4顯示粉塵檢測數(shù)據(jù)，再按K4顯示甲烷檢測數(shù)據(jù)。

串口通信電路設(shè)計(jì)中使用Max232芯片實(shí)現(xiàn)串行單工通信方式，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)向PC機(jī)發(fā)送信息，在PC機(jī)中能夠查看采集的數(shù)據(jù)。Max232芯片是可以兼容多種通信的，供電電流5mA，其兼容性使其符合所有的RS-232的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V-，對于Max232芯片的主要供電只需要+5V電源供電即可，具有比較高的集成度，片外最低只需4個(gè)電容即可工作，比較方便控制，同時(shí)在內(nèi)部有兩個(gè)RS-232的驅(qū)動，這個(gè)芯片主要是為電腦的RS-232的標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口芯片，電荷泵電路，主要是由1、2、4、3、6、5和四個(gè)電容組成，功能主要是提供RS-232的串口電平的需要，由于Max232的主要功能是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所以，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道是7、9、10、8、11、14、12、13，構(gòu)成的兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，其中第一數(shù)據(jù)通道，13（R1IN）、12（R1out）、11（t1in）、14（T1OUT）位為第一數(shù)據(jù)通道，8（R2IN）、9（R2out）、10（t2in）、7（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道.，最后一部分是供電部分15引腳DNG、16引腳VCC，工作原理TTl/CMOS數(shù)據(jù)從T1in、T2out輸入準(zhǔn)換成RS-232數(shù)據(jù)然后從T1out、T2out送到電腦中，然后插頭中的額數(shù)據(jù)RS232從R1in、R2in轉(zhuǎn)換成TTl/CMOS從R1OUT、R2OUT出去。

RS-232是PC機(jī)上多串行接口的協(xié)議，RS-232是PC串口和設(shè)備間點(diǎn)對點(diǎn)的通信協(xié)議。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分使用基于51單片機(jī)的KEIL軟件，由于代碼過于煩瑣且文章限于電路部分設(shè)計(jì)就不再對代碼設(shè)計(jì)展開，讀者可以根據(jù)自己的實(shí)際需求和不同代碼平臺的掌握程度，根據(jù)業(yè)務(wù)流圖完成自己的代碼設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

在基于單片機(jī)的空氣顆粒物檢測的設(shè)計(jì)中，首先是選擇低功耗元件，從單片機(jī)、LCD、及其他電路設(shè)計(jì)中，基本上選擇功耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)的設(shè)備，與同類設(shè)計(jì)及產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)相比，用51單片機(jī)的PM2.5的檢測實(shí)現(xiàn)了簡單易用、成本低、線路簡單、體積小、易于維護(hù)的特點(diǎn)。由于甲烷MQ5傳感器檢測前需要一分鐘預(yù)熱時(shí)間，其他工作基本實(shí)現(xiàn)開機(jī)即可檢測。

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