PM2.5粉尘测量的设计

题目：PM2.5粉尘测量的设计
摘要
当前工业化水平不但发展，人民生活水平日益提高，可学技术产品的涌现为人们带来了很大便利。

但越来越多的环境问题日益凸显，逐渐成了人们关注的焦点。

环境污染问题首当其冲，治理污染的能力急需加强。

人们肆意的行为已经严重的影响了环境，为我们和我们的下一代的生活带了极大的挑战，而污染中最紧要的问题就是直径小于2.5微米的颗粒物，PM2.5对空气质量造成严重污染，对人体呼吸系统产生影响，对人体健康造成损伤，因此PM2.5的监测和治理就显得尤为重要。

本研究提出了PM2.5可吸入颗粒物测量的设计原理，控制核心为STC89C51单片机。

空气中粉尘浓度的测量由GP2Y1010AU0F灰尘传感器，然后将空气粉尘浓度显示在LCD1602显示器上，当峰值达并触发到设置好的和阶段报警值时，检测仪开始报警，测量人员可通过不同的指示灯颜色确定PM2.5的浓度。

最终电路实现空气质量PM2.5粉尘测量的数据，一次来显示当前空气中PM2.5浓度与空气质量。

关键词：PM2.5测量；STC89C51单片机；GP2Y1010AU0F灰尘传感器；LCD1602显示器。

Design of a Digital Frequency Measurement Circuit
Abstract
With the continuous development of modern science and technology, more and more products have been brought into people's lives, but more and more problems have arisen. Environmental pollution is the first problem, and the ability to control pollution needs to be strengthened urgently. People's indiscriminate behavior has seriously affected the environment and posed great challenges for us and our next generation's life. The most important problem of pollution is PM2.5 inhalable particulate matter, which is a kind of particulate matter that can be inhaled into the bronchus by human body less than 2.5mm in diameter. It is difficult to discharge after inhalation. Therefore, the measurement and treatment of PM2.5 is particularly important.
In this paper, the design idea and principle of PM2.5 dust measurement are presented. STC89C51 is the main control core, GP2Y1010AU0F dust sensor is used
to measure the concentration of air dust. LCD1602 displays the current concentration
of air dust, and according to the alarm value set, it can alarm the color of indicator lamp, debug conveniently, and measure accurately. It has high practical value.
The final circuit realizes the measurement data of PM2.5 dust in air quality to show the current PM2.5 concentration and air quality at one time.
Key words: PM2.5 measurement; STC89C51 microcontroller; GP2Y1010AU0F dust sensor; LCD1602 display.
目录
1绪论 (1)
1.1选题背景 (1)
1.2课题研究的目的和意义 (1)
1.3国内外研究现状 (2)
1.4本文的主要工作 (3)
2本设计系统的总体方案 (4)
2.1系统功能与技术指标 (4)
2.2工作原理 (4)
2.3程序的框图设计 (5)
2.4程序的主流程图的设计 (6)
6结总结与建议 (24)
6.1总结 (24)
6.2展望 (24)
7致谢 (25)
[11]夏普粉尘传感器GP2Y1010AU0F使用说明 (26)
毕业设计（论文）知识产权声明 (27)
毕业设计（论文）独创性声明 (28)
附录 (29)
1.主函数 (29)
2 .A/D转换函数 (30)
if(ADDO == 1) (31)
1绪论
1.1选题背景
PM2.5是一种直径小于2.5微米的颗粒物，又称可吸入颗粒物。

它是一种可以进入人体肺部，并难以排出体外的微小颗粒物，对人体的眼球、鼻腔、上呼吸道都有极大的危害，同时这种颗粒物可以畅通无阻的进入人体肺泡并且沉积非常长的时间，可导致心脑血管疾病。

可吸入颗粒物作为病毒和细菌的载体，一同散播在空气孔，让人防不胜防，很容易传染疾病。

社会生产中很多生产工作对它的粉尘浓度有着极为精确的要求，生产中很多颗粒物带有有害的化学物质，人长时间呼吸或者散落在人体表面上非常容易引起皮肤病甚至癌症。

由这几点我们可以得出颗粒物对人类的健康和发展有着非常大的危害，那一个常见的行业来举例子，煤矿下作业时，会产生非常多的可吸入颗粒物，再者井下作业条件通风能力不好，在工作时，它的浓度可以达到1000mg/m3以上。

在这样恶劣的作业环境中，就会不由自主的吸入各种各样的颗粒物，颗粒物长时间侵入人体，就会在肺泡中大量沉积，引发慢性职业病，严重时，会危及人的生命安全。

由此可见，我国的煤矿安全问题中，颗粒物是一个严重的问题，我们国家《煤矿安全规程》中这样规定：“游离的颗粒物浓度不得超过2mg/m3。

”因此需实时对井下的浓度进行检测，防止超标，对工人们的生命安全负责，由此可见，空气质量PM2.5粉尘测量器的意义是显而易见的。

1.2课题研究的目的和意义
本设计以单片机作为主控核心，可完成数据收集、显示、自动报警、参数设置以及智能降温系统各个模块的软件设计，配合每个模块的硬件设计以此来实现各个模块的功能，从而实现PM2.5粉尘的测量和收集。

随着绿色、低碳、环保等要素深入人心，人们对于环境的要求越来越苛刻，空气质量测量的重要性日益剧增，PM2.5粉尘测量器也应运而生，它对于PM2.5浓度的实时监测和预防上有极大的作用，方便测量，显示结果明显，制作工序简单，成本较低，是一个可批量投入生产的好设备，这使得测量仪的适用范围非常广泛，对于环境可持续发展有着非常重要的意义。

该粉尘测量仪是以STC89C51单片机作为主控核心，外接三个按键进行参考
值得设定，运用GP2Y1010AU0F粉尘传感器采集环境的PM2.5浓度，经过A/D 转化电路，将模拟信号转化为数字信号，然后通过STC89C51单片机进行处理，将当先的环境中可吸入颗粒物的浓度通过LCD1602显示出来，适用于工矿、卫生防疫站、环保监测等多个领域。

1.3国内外研究现状
至今为止,伴随着人类活动范围的不断扩展，科学技术的不断进步，人类对于自然地破坏也随之而加重。

在国际上更多的是采用更为先进的监测技术，有用β射线的原理，这种设计方法实收量只与吸收粉尘的重量有关，但是与吸收的物质种类没有关系，与称重法没有什么明显的差别，可以将空气中的粉尘浓度直接读取出来，此方法适用广泛，可用于多种采样装置，并对多种粉尘进行检测，如呼吸性粉尘的浓度及可吸入粉尘浓度。

与称重法作比较，它相关系数超过97%，相对偏差未超过10%。

此方法符合国家相关安全技术指标，可用于长期稳定的测量。

比之更加先进的技术应属集粉尘采样，浓度测定和粒度分布测量者三者集于一身的多功能测定仪，其在进行粉尘收集时可收集工作环境中的空气粉尘，将收集到的样本进行简单处理，便可在仪器上直接显示当前粉尘浓度，然后通过天平称重计算出力度分布，进而分析出滤膜粉尘的粒度分布，也可分析出其他粉尘的分散度。

粒度分布以及浓度测定的结果可以通过显示屏或者打印机来进行打印。

这种仪器还具有断电保护的功能，在断电之后还可以储存40多组粉尘浓度以及200多组粉尘浓度的精确数据。

第三种测量器时袖珍式激光粉尘器，它是以激光管作为主要光源、运用前向光散射的原理进行设计，这是一种具有国际先进设计水平的最新型的粉尘仪器，这种仪器能够适用在公共场所颗粒物浓度以及粉尘的快速检测，还可用于环境保护、工业生产、劳动卫生等多个方面的粉尘浓度检测。

在工矿企业中更加常见。

但制作成本与其它集中方法相比较高。

1.3.1粉尘测量的方法
根据粉尘测量方式的不同，其方法可分成三种，主要分为静电法测量、光学法测量、采样称重法测量。

（1）采样称重法与β射线法无法实时在线测量，这是它最大的短板。

（2）静电法非常容易收到干扰，并且如今国内的技术也不成熟，无法批量
生产。

（3）光学法又能分为散射法和浊度法，而当前国际上普遍用于检测浓度的方法是浊度法，我国的大多数企业也采用了此种方法，然而光学发也有他的缺点，就是只有保持光学镜头的清洁才能持续有效的测量，目前国际通用的光学镜头清洁法是通过微正压的新鲜保护风。

1.3.2粉尘测量仪性能与优点
根据如今国内外各个不同的粉尘测量仪可以总结出以下几种性能以及优点。

智能采样法以及去燥数字滤波的算法相互就和，在测量和信号处理灵活方面非常强大，因此在一套装置上可以进行不一样的变量和浓度的测定，也可以排除极个别的非正常值，计算平均值。

运用嵌入式单片机作为中控核心的技术，将单片机嵌入至烟尘及粉尘测量的环境要求中，通过充分考虑多方面因素，包括成本因素，环境因素，物理因素等方面，通过智能化控制，检测出各种形式的粉尘及可吸入颗粒物浓度，同时，还要考虑到软件、硬件、相关接口的电路设计。

通过内核主控技术，在较高层次上进行磁盘的读写；支持多个程序在同一时间同时运行，处理器可以同时处理所有程序。

通过粉尘浓度测量仪这个软件平台，运用GPRS网络技术，通过短信预警在内的各种通知方式，将测量信息及报警信息实时传输到网络系统，并进而传输到用户手中，形成全方位韩静监测系统。

运用中心控制软件，更方便快捷的输入用户参数、校准设施，并且可以输出储存过的测量数据。

1.4本文的主要工作
该传感器主要是依据光学原理测量光在透过被测得的物质之后，因为散射吸收而使得光强减弱，通过计算光束通过被测量的物质的前后光强之比以此来定量当前空气中等粉尘浓度。

本设计之中，单片机的主要功能在于在接收传感器传送的模拟信号之后，在单片机的内部完成A/D转化，同时根据LED的所需驱动要求，发出周期T等于10ms宽度等于0.32ms的脉冲信号，还需将数字信号发送的LCD1602显示屏上。

2本设计系统的总体方案
2.1系统功能与技术指标
（1）系统功能
（2）本设计中的传感器是SHARP-GP2Y1010AU0F灰尘传感器，其每隔10秒就进行一次数据的采集和检测，因此得到的数据更加准确。

本设计有两个按键可以快速调整预设报警值，可操作性非常高。

指示灯颜色鲜明，便于显示当前空气浓度。

LCD1602实时显示屏显示当前空气中PM2.5浓度，清晰直观。

（3）主要的技术指标：
（4）电源电压为：5-7V；
（5）工作温度为：-10-65℃；
（6）通过最大电流为：20mA；
（7）测量灵敏度为：0.001mg/m3；
2.2工作原理
2.2.1粉尘检测的工作原理
在实际运用状态下，粉尘检测器会基于激光、光散射、红外、交流电感等基础光电法则来实现粉尘成分的区分检测功能。

通过检测对象环境的空气过滤，对过滤膜上所获得的粒子进行成分组成分析，完成粉尘检测。

其中用到的两个光学原理分别为：Lambert-Beer定律和Mie理论。

本设计是根据光学中的浊度法而得到粒子浓度和直径。

根据Lambert-Beer定律测量的到光通过被测量的物质之后，因为散射吸收使得光强被减弱，根据前后光强之比来确定当前空气粉尘浓度。

它的原理如下所示：
将光强为I0的一束单色平行光，照射在具有PM2.5粉尘的区域后，由于可吸入颗粒物对光具有吸收和散射的作用，致使光强出现减弱的现象，根据Lambert-Beer定律，当一束平行光照射在分布均匀的粉尘例子区域时，其出射光的光强与入射光的光强呈一定的函数关系。

I=I0exp(-Q·N·A·L)=I0exp[-3QWL/(2ρd）]
式中：Q为消光系数，可根据Mie理论进行计算，消光系数Q与入射光的波长λ、粉尘的粒子直径d以及粉尘的物质折射率m有关。

N为粉尘的当前浓度A为粉尘颗粒物截面积，W为粉尘质量浓度；ρ是粉
尘质量密度。

若某种环境下分布的粉尘的直径是1粉尘浓度为w1的话，则有：
[exp 0I I =⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=∑=),,(111exp 0d m Q d w C I I M i λ 式子：C=3L/(2ρ),C 相对于检测系统为常数；m 为被测量粒子的直径分数档。

由以上两个公式可得：
),,(ln 11110d m Q d w I I M i λ∑== 上式中，的单色光的入射情况是这样得到的，采用不同波长的入射光，每段
波长λ都有对应的计算公式。

E=TW
[]T M I I I I I I E )/ln()/ln(,)/ln 02010 （=
式子中：E 是消光列向量，此时可通过测量各个波长所对应的I0以及I 测得：
M M ij t T )(=
式子中：T 成为消光系数的矩阵（计算机辅助粉尘浓度检测系统）。

T 中各
个元素tij=Q （λi,m,d1）/d1,T 可以由计算机预先算出来。

W=（W1,W2,……WM ）
T 是粉尘总共的质量吩咐的列向量。

求解上面的式子便可得出W 以及粉尘的总
的质量浓度。

由此可以看出，利用多波长光学测量法，对不同直径粉尘粒子质量
浓度进行测量，进而得到测量区域粉尘粒子总浓。

此方法还可同时测得监测区域
粉尘分散度。

2.2.2系统工作原理
本系统工作原理为：接通电源后，当给一个粉尘传感器传输的0～5V 模拟
信号是，单片机中的AD 转化电路可将其转化为八进制的数字信号进而输入单片
机中，经过单片机处理之后，将其转化为三位十进制的数字在LCD1602液晶显
示屏上出现精确的数值。

同时与按键输入的参考值进行对比，当数值小于黄灯参
考值的时候，黄灯亮起，代表当时的空气质量良好，PM2.5浓度符合国家相关安
全规定；当数据大于参考值的时候，红灯亮起，并且单片机会驱动蜂鸣报警器，
预警当时空气质量。

2.3程序的框图设计
ST
C89C51单片
机 LCD1602液
晶显示屏 蜂鸣器报警LED 灯电电源电路 按键电路
传感器电
图2- 1 程序逻辑设计
如图2-1所示，本系统的设计主要分为以下几个部分。

（1）信号收集程序：该程序主要是将传感器收集来的数据信号转化为数字信号输入单片机粒。

（2）LED显示的程序：这个程序设计是完成当前粉尘浓度的显示以及目前环境的状况提醒功能。

（3）看门狗程序：此程序是在死机或程序飞跑时完成系统的复位功能。

键盘输入程序：此程序是完成参考值的设定与修改功能。

声光报警程序：这个部分主要完成浓度大于参考值时进行报警警示的功能。

2.4程序的主流程图的设计
图2.2 程序主流程图
3 PM2.5粉尘测量仪硬件的设计
3.1单片机
3.1.1核心控制单片机的选择
单片机是系统运作的核心器件，其功能丰富，具有，完成数据收集、整理、处理、输出、显示、控制等多个功能。

PM2.5粉尘检测系统中，对硬件设施单片机的选择至关重要，是粉尘检测器的核心部件。

其中STC89C51单片机性能优越，功耗低,该单片机指令代码兼容性强，同时兼容MCS-51指令系统、80C51引脚结构，机器周期选择性灵活。

还有一点是选择51单片机的核心原因，该单片机具有非常良好的芯片结构，对编写与擦除数据的周期使用要求非常低，而实现效果却非常良好。

从性价比的角度来看是非常适合制作粉尘检测系统的核心控制主体。

3.1.2单片机技术指标
STC89C51单片工作电压：3.3V-5.5V，工作频率：0-40 MHZ，世纪工作频率可以达到48 ZHZ，具有6向量2级中断结构。

其中用户应用空间为4-64K字节，能够集成12080字节，或者集成512字节RAM，具有多个I/O口。

单片机在用户层接口方面，用户下载代码逻辑清晰代码结构简单，在真实场景下实现功能仅需毫秒单位，RxD/P3.0、TxD3.1串口则是实现单片机下载逻辑的通用端口。

在定时器模块中，16位定时器是基础数位格式，当然依据需要也可以转换为8位等端口数字。

51单片机作为基础单片机的元老，中断电路具有实时性与稳定性，可以完成对现有状态的保存与实时开始状态，用过下降沿触发中断的模式来触发中断，以结束中断信号结束中断并保持高电平。

51单片机在不断升级的过程中也逐步顺应时代添加了多类的人性化模式。

单片机本身质地精细且耐用性不高，其受损源头是由于长时间使用的元器件老化与电流冲击造成的设备损害。

而在新一代单片机中，可以实现当单片机空置的情况下自动调整为节电模式与睡眠模式，在该状态下除单片机外其他串口与存储等模块继续运行，防止运行数据丢失，然后将RAM存储中的所有数据进行转存，最后将其他结构如定时器、计时器等组件冻结，实现节能模式。

STC89C51单片机的电路引脚图如图所示3-1所示：
图3.1 STC89C51单片机的引脚电路图的设计
按照功能，STC89C51的引脚的功能可分为主电源、多功能的I/O接口、外接的晶体振荡以及振荡器、控制以及复位等。

（1）多功能I/O口：
STC89C51一共具有四个8位的并行I/O接口，分别为：P0、P1、P2、P3端口，与之一一对应引脚分别是P0.0 ～P0.7，P1.0 ～P1.7，P2.0 ～P2.7，P3.0 ～P3.7，共有32根I/O接线。

每根线作为输入或输出都可以单独使用。

①P0端口，该端口为双向I/O接口，具有8位漏极开路。

作为输出口时，每根引脚能自行带动TTL输入负载8个。

若例如将“1”写入到P0端口，其引脚就可当作高阻抗输入。

在特殊模式下，数据总线及多路复用低字节地址的功能可用P0端口实现，用于程序和存储器存取，P0口也具有了内部上拉电阻。

如果想要对Flash存储器进行编程时，P0就可以用于接收代码的字节；在校验时候，则输出代码的字节；但此时必须要外加一个上拉电阻才能办到。

②P1端口，P1口的输出缓冲器可驱动也就是吸收或输出电流方式有4个TTL 输入。

这个口是自身8位双向I/O的端口，带有内部上拉电阻。

对端口输入“1”的时候，可作为输入口时，其端口被内部的上拉电阻抬升至高电位。

P1口作输
入口进行使用时候，因为它有内部的上拉电阻，那些被外部的信号拉低的引脚以此同时会输出一个电流。

在对其内部的Flash编程和程序校验时候，P1口接收低8位的地址。

另外，P1.0与P1.1可以配置成为定时或者计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表2-1所示。

表3.1 P1口管脚复用功能
③P2端口，P2口的输出缓冲器可驱动也就是吸收或输出电流方式有4个TTL 输入。

这个口是自身8位双向I/O的端口，带有内部上拉电阻。

对端口输入“1”的时候，可作为输入口时，其端口被内部的上拉电阻抬升至高电位。

在其访问外部的程序存储器或着16位的外部数据的存储器的时候，P2的端口将会送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据的存储器的时候，P2口引脚上的内容也就是专用寄存器区中P2寄存器的内容的时候，在整个访问的期间都不会改变。

在对Flash的编程以及程序的校验期间，P2端口也会接收高位地址以及一些控制的信号。

④ P3端口，该端口是一个带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口，P3端口输出缓冲器可同时驱动也就是吸收或着输出电流方式有4个TTL输入。

对端口进行输入“1”的时候，通过它内部的上拉电阻将端口拉到高电位，此时这个端口就可以当作输入口。

若果将P3端口当作输入口进行使用时，因为它的内部有上拉电阻，而那些被外部信号所拉低的所有引脚就会输出一个电流。

在STC89C51中，同样的P3口还可以用在一些复用的功能上，如表2-2所列。

在对Flash的编程以及程序的校验期间，P3口还可以用于接收一些控制信号。

表2- 2 P3口管脚复用功能
3.1.3单片机的最小系统简介
STC89C51单片机的最小系统组成单元为：单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备等。

由此在制作本设计时，需逐步完成以下几点：
1.复位电路设计
单片机最常用的两种复位电路是上电复位电路和按键复位电路。

上电复位电路是微控制器上电时的复位状态，它能保证微控制器在通电后立即进入复位状态。

它是通过电容充电来实现的。

另一种按键复位电路：它不仅具有上电复位功能，而且具有操作简单的优点。

若要进行复位操作的话，只需要按下RESET 键即可完成复位操作。

它主要是利用电阻来进行分压进而实现复位功能的，它的电路如图3-2所示。

图3.2按键复位电路设计
复位电路的工作原理分为：当上电复位需要连接电源时，单片机会自动执行复位操作。

上电时，RESET引脚变为高电平，RESET引脚的高电随着电容C充电缓慢降低。

高电平的RESET引脚在两个机器周期内是智能的，微控制器可以执行复位操作。

复位电路对上电和按钮有效，可以在上电时自动复位，也可以在微控制器工作期间按RESET按钮完成复位操作。

（1）EA/VPP（31 脚）的功能和接法:
51 单片机EA/VPP（31 脚）可以同时作为选择脚管，可以同时用于外部程序和内部程序。

当单片机只访问外部存储器时，EA在低电平阶段为此不变。

但当单片机访问内部程序存储器时，EA则在在高电平阶段保持不变，目前，大多数单片机的内部程序存储器，需要较大的Flash容量。

因此内部存储器的直接使用显得尤为重要。

在PM2.5粉尘测量设计中，为只是用内部存储器，将EA 管脚接到VCC 上。

同时为避免执行程序出现错误，切忌EA脚管悬空。

（2）P0口外接上拉电阻:
该单片机的P0 端口内部无上拉电阻，为开漏输出型。

当V2作为场效应管，处于截止状态时，只有外接上拉电阻时才能处于正常的输出状态。

另外，若果想要避免输入时读取的数据出错，也需来外接一个上拉电阻。

以下是其原因：通常情况下，引脚及存储器处于输入状态下读取的信号具有一致性。

但特殊情况下，比如说，如果从内部总线输出低电平之后，锁存器Q0＝0，Q1 ＝1，端口线呈现低电平的状态，此时的场效应管V1 处于的状态为开通。

从引
脚反馈到单片机的信号保持低电平，不随端口线信号而变化。

因而端口引脚信号未能正确读出。

此外，如果总线总线将高电平输出后，场效应管V1 截止，锁存器Q0 ＝1, Q1 ＝0。

如果外接引脚将高电平信号输出时，从引脚上读入的信号就会与从锁存器读入的信号不同。

所以当P0 口作为通用I/O 接口来进行输入使用时，在输入数据前，我们应先向P0 口写“1”，此时锁存器的Q 端值应为“0”，要使输出级的两个场效应管V1、V2 同时截止,引脚处于悬浮状态，此时才可作高阻输入。

总结来说：为了能使P0 口在输出时能够有效的驱动NMOS 电路以及避免输入时读取数据会出错，需要外接一个上拉电阻。

在本设计中采用的是在外部多加一个10K 排阻。

除此之外，51 单片机在对端口P0到P3 的输入操作上，为了避免读错，也应先向电路中的锁存器写入“1”，以使得场效应管截止，以此来避免锁存器为“0”的时候对引脚读入的干扰。

（3）晶振电路的设计
在设计晶振电路之前，我们先要了解51单片机的晶振管脚
表2.3 18\19管脚功能
XTAL1 和XTAL2 作为相互独立的输入与输出的反相放大器，我们也可以将其配置为使用石英晶振方式的片内振荡器，或者是配置成器件直接由外部的其它晶振驱动。

本设计采用的是内晶振模式，也就是运用利用其自身的振荡电路，在XTAL1、XTAL2 的两个引脚上外接两个电容和一个石英晶体的时候，内部振荡器靠自身产生自激振荡。

通常来说，根据设计的自身需求，晶振的选择范围在1.2 ～12MHz 之间。

如有较高要求，也可达到或超过24MHZ。

但功耗也会随之增加。

本设计采用的适应晶振为11.0952MHZ,为达到频率微调目的，可以采用并联电容对震荡频率的微小影响来实现。

当采用石英晶振时候，根据设计的需要，可以在20 ～40pF 范围内选择电容，而本实验套件所使用的频率为30pF；若果采用陶瓷谐振的器件时，电容也需要随之而增大一些，一般处于30 ～50pF 之间。

这里我们选取的是电容为33pF的陶瓷电容。

需要注意的是，为减弱引线寄生电容，保证振荡器持续可靠的工作，在设计工程中，尽量使电容与警惕的单片级芯片靠近。

此外，可以利用观察示波器上的。