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(西安愛生技術(shù)集團公司，陜西 西安 710065)

PM2.5是大氣中一種固體顆粒，直徑為2.5 μm，其含有鉛鉻砷等重金屬有毒、有害物成份，因PM2.5及其微小，人體對其無任何阻攔、過濾能力，可直接進入支氣管，刺激呼吸道，干擾肺部的氣體交換，從而引發(fā)呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的一系列疾病，對人體有極大危害[1-2]?？諝赓|(zhì)量的惡化，陰霾天氣現(xiàn)象增多，危害現(xiàn)象加重，不少國家和地區(qū)把陰霾天氣現(xiàn)象并入霧一起作為災(zāi)害性天氣預警預報，統(tǒng)稱為“霧霾天氣”[3]。PM2.5檢測手段的提高可實時、準確獲取環(huán)境的PM2.5含量，采取有效的防霾措施，可以減少PM2.5對人類健康的威脅。

1 GP2Y1010AU0F粉塵傳感器

GP2Y1010AU傳感器是一種體積小巧、安裝維護方便灰塵傳感器，常用于室內(nèi)環(huán)境中粉塵、煙氣、花粉等濃度的檢測[4]。因其內(nèi)置氣流發(fā)生器，可以自行吸入外部空氣，可快速準確的檢測出單位體積粒子的絕對個數(shù)。GP2Y1010AU傳感器具有壽命長、靈敏度高、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點[5]。在其內(nèi)對角位置配置有紅外檢測收發(fā)對管，能夠探測到被測氣體中的塵埃物質(zhì)，可探測到0.8 μm的細小的固體顆粒，目前其在空氣凈化系統(tǒng)中應(yīng)用較多。GP2Y1010AU傳感器功耗極低，正常工作時電流為11 mA，其輸出為模擬信號，信號電壓幅度與粉塵濃成正比。主要參數(shù)如表1所示。

表1 GP2Y1010AU傳感器性能指標

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)主要由AT89S52單片機為控制核心，外圍單元電路采用模塊化結(jié)構(gòu)。主要有PM2.5數(shù)據(jù)采集模塊、LCD液晶模塊、報警模塊、鍵控模塊、污染級別提醒模塊，圖1為系統(tǒng)方案框圖。工作原理：系統(tǒng)中GP2Y1010AU0F感知被測氣體中PM2.5的濃度數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送單片機AT89C52處理后，在LCD1602液晶上顯示，并且設(shè)置極限報警值，當被測的PM2.5濃度值超過報警值后，蜂鳴器報警。

系統(tǒng)中核心處理器AT89S52是一個高性能、低功耗的單片機，其采用高密度、非易失性存儲技術(shù)制造。兼容80C51引腳結(jié)構(gòu)和標準MCS-51指令系統(tǒng)，其基本功能：256字節(jié)RAM，8k字節(jié)Flash，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

3 系統(tǒng)接口電路

3.1 單片機最小系統(tǒng)

圖2為單片機的最小系統(tǒng)，包括單片機、復位電路、時鐘電路、輸入/輸出設(shè)備等[6]。時鐘電路，采用的是內(nèi)時鐘模式，在XTAL1、XTAL2 的引腳上外接定時元件(一個石英晶體和兩個電容)，內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。晶振選用12 M的石英晶振，電容選取陶瓷電容，容量20～40 pF均可。復位電路常用的復位電路有開關(guān)復位和上電自動復位兩種基本形式，上電時電容兩端電壓不能突變，單片機復位端與電容的負極相連，電壓全部加在了電阻上，RESET 的輸入為高，芯片被復位。隨著+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0，芯片正常工作。

圖2 單片機的最小系統(tǒng)

3.2 傳感器接口電路

GP2Y1010AU粉塵傳感器感知空氣中的PM2.5的值，并將其轉(zhuǎn)換成與之成正比的電信號輸出，接口電路如圖3所示。該傳感器有6管腳，1為分別電源端(紅外電路)，2為接地端，3為紅外端，4為接地端，5為模擬信號輸出端，6為分別電源端。粉塵傳感器GP2Y1010AU通過對空氣粉塵顆粒濃度的檢測輸出模擬電壓。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832接口電路

ADC0832 是一種雙通道、八位分辨率模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。由于它兼容性強，體積小，轉(zhuǎn)換速率快(轉(zhuǎn)換時間僅為 32 μs)，準確率高(雙數(shù)據(jù)輸出作為數(shù)據(jù)校驗)，并且穩(wěn)定性好[7]。完全適合本系統(tǒng)模擬量轉(zhuǎn)換要求。通過 DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。另具有獨立的輸入使能端，使處理器控制和多器件掛接更為方便。接口電路設(shè)計如圖4所示：

圖3 GP2Y1010AU傳感器接口電路

圖4 ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路

3.4 液晶顯示LCD1602接口電路

系統(tǒng)中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。與傳統(tǒng)的LED數(shù)碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點，而且不需要外加驅(qū)動電路[8]。根據(jù)各管腳的功能，LCD1602接口電路設(shè)計如圖5所示：

圖5 ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路

3.5 按鍵電路

按鍵電路主要完成PM2.5上下限報警值的設(shè)置，對應(yīng)有三個按鍵，K1為自增鍵，K2為自減鍵，K3為設(shè)置鍵。K1、K2、K3按鍵分別對應(yīng)單片機P3.3、P3.4、P3.5三個端口，另外K1、K2、K3三個按鍵各接一個10 kΩ的上拉電阻。鍵控接口電路設(shè)計如圖6所示：

圖6 鍵控接口電路

3.6 報警電路和污染級別提醒電路

系統(tǒng)的報警電路由NPN型三極管9013驅(qū)動，基極接一個5.6 kΩ偏置電阻，其通過單片機的P2.4端口控制輸出，電路見圖5。根據(jù)不同的濃度范圍提醒當前污染級別的電路，采用了綠，黃，紅三個LED燈，每個LED指示燈串入一個1 kΩ電阻，避免過流燒毀，通過單片機的P2.0，P2.1，P2.1端口控制，當檢測PM2.5濃度值在0～0.1，綠燈亮(環(huán)境良好)；當檢測PM2.5濃度值在0.1～0.3，黃燈亮(環(huán)境輕度污染)；當檢測PM2.5濃度值在0.3以上，紅燈亮(重度污染)。聲光報警電路如圖7所示。

圖7 聲光報警接口電路

4 程序設(shè)計及軟件應(yīng)用

完成系統(tǒng)整體硬件安裝后，同時進行軟件設(shè)計。采用C 語言進行編寫程序，軟件編譯環(huán)境采用Keil4。程序編寫也采用模塊化結(jié)構(gòu)，主函數(shù)和子函數(shù)，主函數(shù)包括：系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)緩存，串行通信接口、I/O 接口設(shè)置，傳感器、定時器、顯示器的初始化設(shè)置等。除主程序外，程序設(shè)計中還定義了一些函數(shù)，方便主程序調(diào)用，主要有液晶初始化程序，顯示函數(shù)，報警顯示，報警子函數(shù)，按鍵檢測函數(shù)，A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)，中值濾波等。系統(tǒng)軟件程序編寫完成后，進行系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào)，直至系統(tǒng)功能實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件設(shè)計主流程圖

5 系統(tǒng)測試

PM2.5濃度檢測儀可用于室內(nèi)和戶外的空氣質(zhì)量(主要是PM2.5)的檢測，可調(diào)節(jié)的報警濃度的設(shè)計，可用于長期檢測和提醒PM2.5濃度。PM2.5標準值采用精度較高的手持式DT-96B粉塵顆粒物濃度儀檢測，其檢測精度遠高于市場同類型產(chǎn)品，監(jiān)測地點實訓大樓前。監(jiān)測時間早8點至晚18點，每2小時測量1次PM2.5的值，PM2.5測量結(jié)果見表2。通過表2的數(shù)據(jù)對比可以得出，PM2.5濃度的誤差在 +3.5%～-3.5%。該多功能環(huán)境檢測系統(tǒng)具有很高的精確性。另外可選擇不同測試環(huán)境(室內(nèi)室外、人流量、車流量不一的多個地點)，驗證系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)的準確性。

表2 PM2.5值檢測結(jié)果

6 結(jié) 論

隨著現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)展，石化能源在大量消耗，使得環(huán)境惡化，霧霾越來越嚴重。系統(tǒng)以GP2Y1010AU0F作為PM2.5數(shù)據(jù)采集傳感器，以單片機為控制核心，設(shè)計了一套PM2.5濃度檢測裝置，并集液晶顯示、一鍵語音播報雙重感知功能于一體。其使用簡單、實用性強、性能穩(wěn)定。經(jīng)試驗表明：具有較高測量精度，而且性能穩(wěn)定，該裝置在不同的污染程度下，均有較好的檢測效果?？捎糜谵k公室空氣檢測和提醒，公共場合控煙，空調(diào)和通風口處監(jiān)測，氣象臺，觀測站，檢測汽車尾氣質(zhì)量。