空气质量检测系统设计方案

由粉尘传感器测量空气粉尘浓度，转换成数字量送单片机，单片机分析处理转换成浓度值再与设定浓度值比较；显示器显示空气中粉尘测量浓度和设定浓度；当粉尘浓度超限时，声光报警。

0 引言

空气污染是城市面临的共同问题。从伦敦、洛杉矶烟雾事件到近年我国雾霾。PM2.5是大气污染关键污染物，污染物浓度是衡量空气污染程度的重要指标。大气灰霾已成为重大民生问题。PM2.5逐渐进入环境空气质量标准。

颗粒物大小：大于10微米的颗粒物可以被鼻子和咽喉截住，而不会进入肺部。5到10微米的颗粒物可以在咽喉通过物理机制去除。小于5微米的颗粒物会到达支气管。直径小于2.5微米的颗粒物会通过呼吸进入肺部最深处。所以从人类健康讲是最受关注的颗粒物种类。PM是指英文颗粒物，25是指大气中直径小于等于 2.5微米的颗粒物。也称可入肺颗粒物。它是导致空气质量差、能见度低的罪魁祸首。因此，检测PM2.5对于观测、防治大气污染有重要意义。本文采用粉尘传感器检测PM2.5的浓度，经过单片机处理显示PM2.5的浓度，有超限报警功能。

1 硬件电路设计

如图1所示，空气质量检测系统由STC89C52单片机最小系统、GP2Y1010AU粉尘传感器、ADC0832模数转换器模块、LCD1602液晶模块、电源模块、蜂鸣器报警模块和按键模块组成。

系统原理图如下：

图1：电路设计框图

图2：空气质量检测系统

1.1 粉尘传感器和A/D模数转换电路

PM2.5的测量方法

根据PM2.5检测网的空气质量新标准，24小时平均值标准值分布如下：

表1：24小时平均值标准值

夏普公司灰尘传感器GP2Y1010AU(如图3粉尘传感器内部构造)，灵敏度高，可以用来测量0.8微米以上的微小粒子，可用于室内环境中烟气、粉尘、花粉等浓度的检测。以检测出单位体积粒子的绝对个数，而且内置气流发生器，可以自行吸入外部空气。其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光，即使非常细小的如烟草烟雾颗粒也能够被检测到，该传感器具有非常低的电流消耗(最大20mA，典型值11mA)，可使用高达 7VDC。该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓成正比。

图3：粉尘传感器内部构造

主要参数：
灵敏度：0.5V/(0.1mg/m3)
输出电压：0.9V(TYP)
消耗电流：11mA
工作温度：-10～65口
存储温度：-20～80口
显示数据实时值+12分钟均值

图4：粉尘传感器外部接线电路

图5：传感器和A/D转换电路

粉尘传感器GP2Y1010AU通过对空气粉尘颗粒浓度的检测输出模拟电压值与粉尘浓度成正比。故在仿真原理图中，我们用可变电阻设计的局部限压电路代替传感器ADC0832模数转换时序说明如图6所示：

图6：ADC0832模数转换时序

当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用。

当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平，并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，用DI端输入通道功能选择的数据信号，DI端1位高电平启始信号，2、3位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。3位后数据输出 DO进行转换数据的读取。4、11位(8、19)数据输出完成，A/D转换的结束。单片机将转换后的数据进行处理。

1.2 单片机和LCD显示模块

采用STC89S52单片机为控制核心，采用1602LCD显示粉尘测量浓度和设定浓度：

单片机处理算法如下：
关于烟的检出、判定值相当于香烟的烟那样的检出物，按如下表示。
可以检出的范围(输出电压可变范围(V))=输出电压范围：VOH(V)-无尘
时输出电压：Voc(V)。

将此换算成粉尘浓度：
检出粉尘浓度范围(mg/m3)=检出可能范围(输出电压可变范围(V))÷检出感度：K(V/(0.1 mg/m3)。
烟检出的情况下，其判定值如下：

判定值=检出浓度(mg/m3)+10xK(V/(0.1mg/m3)+无尘时输出电压(V))

[例]
检出浓度：0.2(mg/m3)来判定时
1)K：TYP0.5(V/(0.1mg/m3)
2)无尘时输出电压：0.9(V)的情况下
判定值=(0.2x 10)x0.5+0.9=1.9V

[灰尘的检出]
显示器显示粉尘浓度测量值和设定值。

1. 3 报警和污染级别提醒电路模块

当测量浓度值超过设置值时，声光报警；
等级指示灯状态：
绿灯：空气质量优 (数值0—35)
黄灯：空气质量良 (数值35—75)
红灯：轻度污染 (数值75—115)

1.4 按键模块

功能：浓度报警值设置；

图7：按键电路

检测P3.3、P3.4、P3.5，都是高电平表示无按键按下；当检测到低电平时，表示有按键按下；
按下设置键一次，LCD上浓度闪烁；表示进入浓度设置状态，此时每按加键一次，报警值增加0.01mg；每按减键一次，减0.01mg，二次按下设置键，设置结束。

2 软件主程序框图如图8所示：

图8：主程序框图

3 结束语

基于单片机空气质量检测系统实现TPROTEUS仿真；据此制作的产品能够检测PM2.5。因为造价低能够实现家庭普及配置；对于提高全民空气质量意识有积极作用。