肖祥威 張皓云 李思熠 吳微 李強(qiáng)

【摘? 要】本文針對空氣污染與監(jiān)測問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出以單片機(jī)為控制核心，利用各種傳感器來檢測周圍溫度、有害氣體以及PM2.5漂浮物的粉塵，并用藍(lán)屏LCD12864顯示出檢測到的可燃?xì)怏w、PM2.5的濃度和溫度。為了及時(shí)監(jiān)測PM2.5濃度和甲烷等參數(shù)還設(shè)置了一個(gè)閥值，當(dāng)實(shí)測值超過閥值就通過蜂鳴器報(bào)警并利用藍(lán)牙透傳到手機(jī)上以便實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程了解室內(nèi)的環(huán)境變化，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)空氣質(zhì)量的具體參數(shù)采集和檢測。該設(shè)計(jì)輕便、功耗可控，符合儀器小型化的特點(diǎn)，也為以后開發(fā)功能更齊全的系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】空氣污染與監(jiān)測;傳感器;藍(lán)牙;遠(yuǎn)程監(jiān)測;儀器小型化

引言

21世紀(jì)，人類面臨著繼“煤煙污染”和“光化學(xué)煙霧污染”之后出現(xiàn)的室內(nèi)空氣污染。其中PM2.5聚集形成的“霧霾”是最危險(xiǎn)、最嚴(yán)重的污染，它對人類健康和全球環(huán)境都是有害的，與較粗的大氣顆粒相比，細(xì)顆粒尺寸小，有毒有害物質(zhì)豐富，與大氣中的霧結(jié)合形成霧霾。

根據(jù)上述現(xiàn)狀，有必要設(shè)計(jì)一種可以隨時(shí)知道PM2.5含量，可燃?xì)怏w泄漏和報(bào)警的檢測裝置?？諝赓|(zhì)量檢測系統(tǒng)適用于家庭和社區(qū)的醫(yī)療保健，能實(shí)時(shí)了解室內(nèi)空氣質(zhì)量。它可以監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境參數(shù)并反饋報(bào)警，以確保最佳的生活環(huán)境。可以通過手機(jī)了解室內(nèi)空氣質(zhì)量變化，確保室內(nèi)環(huán)境健康、安全，使人們生活更美好。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用硬軟件相結(jié)合的方式。將整個(gè)硬件電路正確設(shè)計(jì)出來，然后再寫入正確的程序，使整個(gè)系統(tǒng)正確的運(yùn)行，達(dá)到預(yù)期的功能。整個(gè)設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6芯片為控制核心，連接檢測各種數(shù)據(jù)的傳感器，包括采集溫度的DS18B20傳感器，負(fù)責(zé)采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)并發(fā)送給單片機(jī)。使用粉塵傳感器（GP2Y1014uf）對PM2.5的檢測，使用MQ-2煙霧傳感器模塊采集可燃?xì)怏w。負(fù)責(zé)將采集到的室內(nèi)可燃?xì)怏w（甲烷）發(fā)給單片機(jī);藍(lán)牙模塊使用的是主從一體的HC-O5型號負(fù)責(zé)將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)傳輸給手機(jī)端;顯示設(shè)備為LCD12864液晶屏;報(bào)警采用有源蜂鳴器報(bào)警，電源采用5V電源供電。

2.實(shí)測方法

2.1可燃?xì)怏w檢測技術(shù)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，采用MQ-2煙霧氣體傳感器。該傳感器可檢測甲烷氣體，所用的氣敏材料是在空氣中具有低導(dǎo)電性的二氧化錫（SnO2）。它是一種N型半導(dǎo)體，當(dāng)溫度處于200～300度時(shí)，SnO2會吸收空中的氧氣，形成帶負(fù)電荷的離子，降低了導(dǎo)體電子密度并增加了電阻，當(dāng)遇到可燃性氣體（如CH4）時(shí)，形成了正離子狀態(tài)吸附在氧化錫半導(dǎo)體的表面上，降低了電阻值。當(dāng)空氣中沒有煙霧時(shí)，電阻值增加到初始狀態(tài)。當(dāng)半導(dǎo)體煙霧傳感器不使用存放一段時(shí)間后，該元件在通電之后不能馬上工作，因?yàn)闊熿F傳感器中的兩個(gè)氧化錫在不帶電時(shí)會吸附空氣中的水蒸氣，所以當(dāng)再次工作時(shí)，要進(jìn)行預(yù)熱，一段時(shí)間后讓水蒸氣蒸發(fā)，氣敏電阻才可以正常工作。

2.2 PM2.5檢測技術(shù)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的光學(xué)粉塵傳感器（G2Y1014AU0F）檢測空氣中PM2.5含量，能夠檢測非常細(xì)的顆粒。在該裝置中間有一個(gè)通孔，對向布置有紅外發(fā)射的雙管和光電晶體管，當(dāng)通孔中間有細(xì)小顆粒存在時(shí)，折射LED發(fā)射出的光線，然后檢測空氣中的反射光。該傳感器具有低電流消耗（大20mA，典型的11毫安），并且可以承載傳感器的7vDC，靈敏度為0.5V/0.1mg/M3。

3.系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

3.1主流程圖

本設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)要通過主程序?qū)ψ映绦虻恼{(diào)用，從而達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，能否讓硬件有序規(guī)則的實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能依賴于主程序能否有效實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用STM32 F103C8T6作為控制核心，對LCD12864進(jìn)行初始化，再進(jìn)行報(bào)閥值初始化，接下來是各個(gè)傳感器的初始化，最后，進(jìn)入一個(gè)循環(huán)處理過程，包括讀取由DS18B20溫度傳感器檢測到的溫度，并檢測由MQ-2煙霧傳感器檢測到的甲烷濃度以及GP2Y1014傳感器檢測到的PM2.5濃度。在LCD12864液晶上面顯示出來，最后判斷數(shù)據(jù)是否大于設(shè)定的報(bào)警值，若是，則通過蜂鳴器報(bào)警并且通過藍(lán)牙傳到手機(jī)藍(lán)牙助手，隨時(shí)掌握數(shù)據(jù)的動態(tài)變化，然后開始新一輪的檢測、顯示、判斷。具體程序流程如圖1所示：

3.2 傳感器模塊

本設(shè)計(jì)采用外部供電的方式驅(qū)動，電路簡單，穩(wěn)定性好。需要加一個(gè)5K左右的電阻提高電平的穩(wěn)定性，DS18B20溫度傳感器有3個(gè)引腳，其中一個(gè)連接到電源VCC，一個(gè)引腳總線接單片機(jī)I/O口PA3引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，還有一個(gè)引腳接地GND。

本系統(tǒng)采用的是MQ-2煙霧氣體傳感器是一款集成模塊，只需要將其外設(shè)引腳與單片機(jī)相連即可，第4引腳與單片機(jī)的PA5相連，第3引腳空置，第2引腳接地，第2引腳接電。

3.3 顯示程序流程

顯示模塊使用LCD12864 ，它具有自己的字體庫，可以直接調(diào)用。本設(shè)計(jì)LCD12864液晶采用的是串行連接，無論是串行還是并行連接引腳定義不同但工作原理一樣。因?yàn)樗谴卸丝谶B接，所以LCD12864第15引腳PSB為高電平。具體流程如圖2所示：

4.結(jié)語

（1）根據(jù)實(shí)際情況和目的功能，首先確定各功能模塊的主要元器件，兼顧經(jīng)濟(jì)和高效的標(biāo)準(zhǔn)選擇了合適的32單片機(jī)控制器，對溫度模塊、甲烷檢測模塊、PM2.5檢測模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（2）在確定系統(tǒng)的硬件部分以后，根據(jù)目的功能，編寫了相應(yīng)的程序，并進(jìn)行了調(diào)試，確定各功能模塊都能正常工作。

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本文基金：四川省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S201910616133）