劉佩森 鄭翔鵬 楊延蓉 趙雪蓓

摘要：空氣質(zhì)量問題日益受到關注，對空氣質(zhì)量進行實時的、便攜的檢測有更大需求。提出一款基于STC89C52單片機為核心控制器的小型空氣質(zhì)量檢測儀的解決方案，具有成本低、積較小、功耗低和操作簡單等優(yōu)點。設計過程包括硬件設計和軟件設計，均采用模塊化設計思想，包括微控制器模塊、粉塵檢測模塊和溫濕度檢測模塊、模數(shù)轉換模塊、液晶顯示模塊和按鍵模塊等。比較詳細地敘述了各個模塊的功能及設計原理，并給出了單片機程序流程圖。

關鍵詞：空氣檢測；PM2. 5 檢測；溫濕度檢測；單片機應用

中圖分類號：TH89文獻標志碼：A

文章編號：2095-5383（2019）01-0024-04

Design of Small Air Quality Detector

LIU Peisen， ZHENG Xiangpeng， YANG Yanrong， ZHAO Xuebei

（College of Mechanical Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China）

Abstract：Air quality issues are attracting more and more attention， and there is a greater demand for realtime and portable detection of air quality. A solution for small air quality detector based on STC89C52 MCU was proposed， which has the advantages of low cost， small volume， low power consumption and simple operation. The design of air quality detector contains hardware design and software design， including MCU module， dust detection module， temperature and humidity detection module， AD conversion module， LCD module and key module. Modular design idea was adopted in all design process. The function and design principle of each module were described in detail， and the program flow chart of MCU was given.

Keywords：air detection； PM2. 5 measurement； temperature and humidity measurement； MCU application

現(xiàn)代醫(yī)學研究表明，肺部及呼吸類疾病的發(fā)病率與空氣中懸浮顆粒物的濃度有密切關系[1]。懸浮顆粒物是指懸浮在大氣中的固體、液體顆粒物質(zhì)的總稱，其粒徑從0001 μm至1 000 μm以上。PM25是指粒徑小于25 μm的細顆粒物（Fine Particulate Matter），目前作為大氣污染與疾病負擔評估的特征指標[2]。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的《空氣質(zhì)量準則》研究表明，建議PM25年均值不超過10 μg/m3。近年來，我國空氣污染問題逐漸凸顯，空氣質(zhì)量日益受到關注，對空氣質(zhì)量檢測，尤其是實時的、便攜的檢測需求越來越大。

市場上現(xiàn)有的空氣檢測儀雖然具備較多功能，但是價格昂貴、體積較大。本文針對空氣質(zhì)量實時的、便攜的檢測需求，研制一款小型空氣檢測儀。小型空氣檢測儀設計小巧，便于攜帶，具備實時的溫度檢測、濕度檢測以及PM25檢測。

1系統(tǒng)硬件設計

空氣監(jiān)測儀的設計包括系統(tǒng)硬件設計和系統(tǒng)軟件設計兩部分。系統(tǒng)硬件設計采用模塊化設計思想，通過參考成熟設計逐步實現(xiàn)。模塊化設計思路清晰，易于查錯和更改，有利于擴充系統(tǒng)功能[3]。系統(tǒng)硬件包括微控制器模塊、粉塵檢測模塊、溫濕度檢測模塊、A/D模數(shù)轉化模塊、液晶顯示模塊和按鍵模塊等，小型空氣質(zhì)量檢測儀硬件系統(tǒng)模塊如圖1所示。系統(tǒng)硬件設計在Altium Designer軟件中設計，包括原理圖和PCB圖設計。

11微控制器模塊

微控制器模塊是小型空氣質(zhì)量檢測儀的控制核心。采用STC公司生產(chǎn)的STC89C52單片機，該單片機是一種高性能的8位低功耗微控制器，擁有8 k字節(jié)容量的程序存儲，512字節(jié)的RAM，以及豐富的外設，包括32個I/O口、看門狗、定時器、計數(shù)器以及4個外部中斷等。

除了STC89C52單片機之外，微控制器模塊要能夠正常工作，還包括：電源電路、程序下載電路、復位電路和晶振電路等。單片機晶振電路采用12 MHz晶振，起振電容20 pF，微控制器模塊電路原理如圖2所示。

12粉塵檢測模塊

粉塵檢測是小型空氣質(zhì)量檢測儀的關鍵部分，采用夏普公司生產(chǎn)的型號為GP2Y101 4AU0F的粉塵傳感器[4]。粉塵檢測模塊由粉塵傳感器和控制板組成，經(jīng)過精確標定后，能夠檢測空氣中的粉塵濃度。GP2Y1014AU0F傳感器是利用光學檢測原理，其內(nèi)部安裝有紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，并且對角布置，通過檢測灰塵的反射光判斷懸浮顆粒物的濃度，具有實用性、準確性和靈敏度高的特點，實物如圖3所示。

粉塵傳感器允許的輸入電壓范圍是5～7 V（DC），電流消耗不超過20 mA（典型值為11 mA），功耗較低。輸出是一個與所測粉塵濃度成正比的模擬電壓量，敏感度為05 V/（01 mg/m3）；可檢測的最小粒子直徑是08 μm，工作環(huán)境溫度范圍是-10～+65 ℃。

控制板與粉塵傳感器集成在一起，有6個引腳。1引腳為傳感器內(nèi)部發(fā)光二極管供電，外接+5 V（DC）電源，但是注意需要添加一個150 Ω電阻和220 μF電解電容用于電源濾波。引腳2和引腳4接地端（GND）。引腳3接單片機P13口，用于控制內(nèi)部發(fā)光二極管亮滅。5引腳為輸出端，輸出模擬電壓信號，與AD模數(shù)轉換模塊通道0相接。6引腳接+5 V（DC）電源。粉塵檢測模塊電路原理如圖4所示。

粉塵檢測模塊輸出電壓判定值為：

V=C÷10×K+V0

（1）

式中：V表示輸出模擬電壓值，V；C表示檢出濃度，mg/m3；K表示傳感器系數(shù)，V/（01 mg/m3）；V0表示無塵時輸出電壓值。

由式（1）可得出檢出濃度值：

C=（V-V0）÷K×10（2）

13溫濕度檢測模塊

溫度和濕度指標作為空氣質(zhì)量的重要參數(shù)，需要被檢測。為了盡可能節(jié)省單片機有限的I/O口資源，溫濕度檢測模塊采用DHT11溫濕度集成傳感器。DHT11是數(shù)字式傳感器，是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，不僅能夠測量空氣的溫度和相對濕度，還可將測量的結果轉換成數(shù)字信號，直接輸送到單片機進行處理，無需進行模數(shù)轉換[5-6]。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器主要由一個電阻元器件和一個溫度測量元件（NTC）組成，其校準系數(shù)以程序的形式存在其內(nèi)部的OTP數(shù)據(jù)存儲器中。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器共有4個引腳，1引腳和4引腳分別直接與電源和地相連接，3引腳空置，2引腳接單片機P32口，用于接收溫度和濕度數(shù)據(jù)，如圖5所示。

14模數(shù)轉換模塊

模數(shù)轉換模塊主要用于模擬量向數(shù)字量的轉換。由于粉塵檢測模塊輸出的是模擬量電壓信號，單片機無法直接處理，需要將其先轉換為數(shù)字信號。模數(shù)轉換模塊采用ADC0832芯片，是一款8位分辨率、雙通道模數(shù)轉換芯片。具有體積小、兼容性好和性價比高等優(yōu)點。

ADC0832芯片共有8個引腳，有兩路通道輸入。粉塵檢測模塊輸出的模擬量電壓信號接入通道0。模數(shù)轉換模塊電路原理如圖6所示。

針對其他模塊，系統(tǒng)采用有源蜂鳴器[7]作為聲音報警模塊；采用紅、黃、綠3種顏色的LED燈作為空氣質(zhì)量檢測等級標識；采用帶有中英文字庫的液晶顯示屏LCD1602作為液晶顯示模塊；根據(jù)需求，設置3個獨立式按鍵作設置鍵；這些模塊都有成熟的設計電路供參考。

2系統(tǒng)軟件設計

21主程序設計

單片機程序設計采用C語言在Keil軟件中編程。主程序是整個軟件的核心部分，單片機主程序流程如圖7所示。系統(tǒng)上電后，對定時器、液晶、溫濕度檢測和粉塵檢測等模塊進行初始化。初始化完成后，主程序使用無條件循環(huán)語句while（1），并且調(diào)用各部分的子程序，來實現(xiàn)刷新溫度、濕度和粉塵值。在每一個周期，粉塵檢測模塊檢測一次空氣中的粉塵濃度，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器檢測一次空氣的溫度和相對濕度。并且將檢測數(shù)值通過顯示程序，顯示到LCD液晶屏上指定位置。

單片機會對粉塵濃度進行判斷，粉塵傳感器得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過ADC轉換，放入數(shù)組里，和設定值進行比較。如果大于設定的值，蜂鳴器會發(fā)出響聲進行報警；如果低于設定的值，則相應的濃度燈就會進行顯示，提示其濃度的范圍，如重度污染（紅燈）、輕度污染（黃燈）、無污染（綠燈）等。

22子程序設計

為了使程序具備更好的可讀性和移植性，并且體現(xiàn)模塊設計思想，系統(tǒng)軟件設計時按功能模塊編寫為子程序。小型空氣質(zhì)量檢測儀系統(tǒng)軟件包括：短延時子程序、長延時子程序、顯示數(shù)據(jù)子程序、顯示命令子程序、外部中斷子程序、模數(shù)轉換子程序、溫濕度檢測子程序和粉塵檢測子程序等。子程序的編寫通常參考芯片手冊和時序圖，子程序調(diào)用方便，提升了程序執(zhí)行效率。這里以溫濕度檢測子程序為例進行介紹。

溫濕度檢測采用DHT11傳感器，由單片機控制器（主機）控制。根據(jù)DHT11時序圖可知，首先主機I/O口是輸出狀態(tài)，至少保持低電平18 ms，當檢測到有起始信號時，進入待命狀態(tài)，主機拉高20～40 μs啟動了DHT11，等待DHT 11應答，此時主機I/O口變?yōu)檩斎霠顟B(tài)，等待傳輸數(shù)據(jù)。當DHT11檢測信號后，首先將總線拉低（低電平）80 μs然后再拉高（高電平）作為應答。這里要設置1個超時語句，當?shù)却臅r間超過了超時程序的

時

間，就認為出現(xiàn)了故障，DHT11會反饋1個異常信息給單片機，避免單片機一直在這里檢索浪費資源。

此后DHT11開始將溫濕度數(shù)據(jù)傳送給單片機控制器。DHT11連續(xù)輸出5個字節(jié)數(shù)據(jù)（5個8位二進制數(shù)據(jù)）給單片機，前4字節(jié)為濕度和溫度的整數(shù)和小數(shù)部分，分別為溫度高8位數(shù)據(jù)、溫度低8位數(shù)據(jù)、濕度高8位數(shù)據(jù)和濕度低8位數(shù)據(jù)，最后1個字節(jié)為校驗數(shù)據(jù)。對于每個字節(jié)數(shù)據(jù)，需要使用for循環(huán)語句把每位數(shù)據(jù)預存到臨時變量中，完成了1個字節(jié)的傳輸。

3結語

系統(tǒng)硬件設計完成后，將設計的PCB圖進行加工得到硬制電路板，將電子元器件焊接后完成電路板硬件制作。系統(tǒng)軟件設計完成后，通過Keil軟件轉換成單片機可以識別的二進制Hex文件，并通過程序下載電路下載至單片單片機系統(tǒng)中。將調(diào)試好的程序下載到電路的單片機中，然后上電進行聯(lián)合調(diào)試[8]，檢測是否能實現(xiàn)預想的功能。

通過測試，系統(tǒng)各項功能均達到預期目標。粉塵檢測、溫濕度檢測、LCD顯示、按鍵、指示燈等均能夠正常工作。液晶屏第1行實時顯示出PM25數(shù)值，并經(jīng)過系統(tǒng)判斷確定為輕度污染（黃燈亮起）；第2行顯示出溫度值和相對濕度值。小型空氣質(zhì)量檢測儀實物如圖8所示。

小型空氣質(zhì)量檢測儀采用STC89C52單片機控制，選用性價比高的粉塵檢測傳感器和溫濕度傳感器，盡可能的做到小型化、便攜化和低成本。經(jīng)過測試，各項功能符合預期，后期還需完成產(chǎn)品的工業(yè)設計，以使其能走向市場和推廣應用。

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