一种多功能空气质量检测系统设计

一种多功能空气质量检测系统设计
兰羽; 方维奇
【期刊名称】《《机械与电子》》
【年(卷),期】2019(037)011
【总页数】4页(P54-57)
【关键词】PM2.5; 单片机STC89C52; PMS7003传感器; SHT11传感器
【作者】兰羽; 方维奇
【作者单位】陕西工业职业技术学院陕西咸阳712000
【正文语种】中文
【中图分类】TP274
0 引言
雾霾是一种直径微小的固体颗粒，广泛存在于大气中，其中PM2.5(直径2.5 μm)，其含有铅铬砷等重金属有毒、有害物成份，人体对其无任何阻拦、过滤能力，可直接进入支气管，刺激呼吸道，干扰肺部的气体交换，从而引发呼吸系统和心血管系统的一系列疾病，对人体有极大危害[1-3]。

目前，不少国家和地区把阴霾天气现
象并入雾，统称为“雾霾天气”[4-5]。

大气中的PM2.5，即雾霾，其危害程度与
大气温度、大气湿度密切相关。

实时、准确检测环境中PM2.5浓度值和大气温湿度，为减排防霾提供有效的依据，保证绿色环境的持续，从而减少PM2.5对人类
健康的威胁。

1 系统整体构架设计
多功能环境检测系统以单片机STC89C52为控制核心，包含PM2.5感知模块、温湿度感知模块、报警模块、液晶显示模块和键控模块。

系统整体功能框图如图1
所示。

检测系统对环境中的PM2.5浓度、温度值、湿度含量进行实时检测，系统
检测的上述参数值可以通过液晶屏实时显示，也可以通过按键设置环境PM2.5报
警上下限参数值。

其工作原理：系统中PMS7003感知被测气体中PM2.5的
图1 系统整体方案
浓度数据；SHT11温湿度传感器检测环境温度和湿度值；PMS7003,SHT11均为
数字传感器，其输出信息可直接由单片机AT89C52处理，在LCD1602液晶上显示，并且设置极限报警值，当被测的PM2.5浓度值超过报警值后，系统报警启动。

2 系统接口电路
2.1 单片机最小系统
单片机STC89C52的最小系统如图2所示，包括STC89C52芯片、复位电路、时钟电路、输入/输出设备等[6]。

复位电路常用的复位电路有开关复位和上电自动复位2种基本形式，上电时电容两端电压不能突变，单片机复位端与电容的负极相连，电压全部加在电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位[7]。

随着+5 V电源
给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0 V，芯片正常工作。

时钟电路采用的是内时钟模式，在XTAL1和XTAL2 的引脚上外接定时元件(1个石英晶体
和2个电容)，内部振荡器便能产生自激振荡。

晶振选用12 MHz的石英晶振，电容选取陶瓷电容，容量20～40 pF均可。

图2 单片机的最小系统
2.2 PMS7003传感器接口电路
PMS7003是一款数字式通用颗粒物浓度传感器，采用激光散射原理。

可连续采集
并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，即颗粒物浓度分布，进而换算成为质量浓度，并以通用数字接口形式输出。

令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，同时在某一特定角度收集散射光，得到散射光强随时间变化的曲线。

进而微处理器利用基于米氏(MIE)理论的算法，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量。

PMS7003传感器对各种直径的固体微粒都比较敏感，不仅可检测 PM2.5浓度，同时又可检测PM10浓度[8]。

系统在使用时，单片机STC89C52的P3.0，P3.1口和PMS7003传感器的RX,TX口连接，完成单片机STC89C52 和PMS7003传感器之间的数据通信。

PMS7003与单片机接口电路如图3所示。

PMS7003需要5 V供电，这是因为风机需要5 V驱动，但其他数据通讯和控制管脚均需要3.3 V作为高电平，因此与之连接通讯的主板MCU应为3.3 V供电。

如果主板MCU为5 V供电，则在通讯线(RXD和TXD)和控制线(SET和RESET)上应当加入电平转换芯片或电路。

图3 PMS7003与单片机接口电路
2.3 温湿度传感器模块
温湿度传感器采用SHT11传感器芯片，SHT11是一款数字温湿度传感器，在消费电子、自动控制、汽车等领域都有广泛应用。

SHT11集湿度检测、温度检测、
A/D转换和加热器于一体[9]。

工作时温度敏感元件和湿度敏感元件分别将温度和湿度转换成电信号，放大器进行放大送入14位的A /D转换器，经二线串行数字接口，输出数字信号送单片机处理[10]。

SHT11通过二线数字串行接口来访问，硬件接口电路非常简单。

STC89C52和SHT11接口比较方便，SHT11采用外部3.3 V电源供电，STC89C52单片机的P3.6，P3.7口与SHT11的SCK时钟线、数据线DATA连接，对SHT11传感器的温湿度数据进行读写操作。

需注意的是SCK信号使得SHT11和单片机之间保持通信同步。

当工作电压低于4.5 V时，SCK最高频率为1 MHz；当工作电压高于4.5 V时，SCK频率最高为10 MHz。

数据线DATA需接10 kΩ的上拉电阻，以保证数据传输的有效性。

硬件连接如图
4所示。

图4 SHT11与单片机接口电路
2.4 液晶显示LCD1602接口电路
系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。

与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路[11]。

根据各管脚的功能，LCD1602接口电路设计如图5所示。

图5 LCD1602接口电路
2.5 按键电路
按键电路主要完成PM2.5上下限报警值的设置，对应有3个按键：K1为自增键；K2为自减键；K3为设置键。

K1，K2，K3按键分别对应单片机P3.3，P3.4，
P3.5端口，另外K1，K2，K3按键各接1个10 kΩ的上拉电阻。

键控接口电路设计如图6所示。

图6 键控接口电路
2.6 报警电路和污染级别提醒电路
系统的报警电路由NPN型三极管9013驱动，基极接1个5.6 kΩ偏置电阻，其
通过单片机的P2.4端口控制输出，电路如图5所示。

根据不同的浓度范围提醒当前污染级别的电路，采用了绿，黄，红3个LED灯，每个LED指示灯串入1个1 kΩ电阻，避免过流烧毁，通过单片机的P2.0，P2.1，P2.1端口控制，当检测
PM2.5浓度值在0～0.1，绿灯亮(环境良好)；当检测PM2.5浓度值在0.1～0.3，黄灯亮(环境轻度污染)；当检测PM2.5浓度值在0.3以上，红灯亮(重度污染)。

声光报警接口电路如图7所示。

图7 声光报警接口电路
3 系统软件设计
完成系统整体硬件安装后进行软件设计。

采用C 语言进行编写程序，软件编译环
境采用Keil4。

程序编写也采用模块化结构，主函数和子函数。

子函数主要包括键控检测子程序、读温湿度数据子程序、读PM2.5数据子程序、显示子程序和报警
子程序等，以方便主程序调用。

系统运行时通过主程序调用子程序完成。

系统软件程序编写完成后，进行系统软硬件联调，直至系统功能实现。

系统软件实现流程如图8所示。

图8 系统软件设计主流程
4 系统测试
系统硬件软件安装好后，需要对其温度、湿度、PM2.5和PM10指标进行测试。

温度、湿度标准值选用精度较高THR-4型便携式数字温湿度仪，PM2.5和PM10标准值采用精度较高的手持式DT-96B粉尘颗粒物浓度仪检测。

通电完成自检后，通过按键设置的报警浓度的设定。

监测地点某工厂产品总装车间，监测时间为8时～18时，每隔2 h测量5次温湿度和PM2.5的值，计算出平均值，测量结果
如表1所示。

通过表1的数据对比可以得出，温度的相对误差在±1.5%之内，湿
度的相对误差在±1.0%之内， PM2.5浓度的相对误差在±3.5%之间。

该多功能环境检测系统具有很高的精确性。

另外可选择不同测试环境(室内室外、人流量、车
流量不一的多个地点)，验证系统的检测数据的准确性。

表1 系统测试结果序号测量时间温度测量值/℃温度标准值/℃温度相对误差/%湿
度测量值(RH)18时22.222.00.944.8210时27.828.0-0.748.3312时29.730.0-1.055.4414时32.432.01.262.5516时30.531.0-1.650.7618时29.429.01.449.5序号湿度标准值(RH)湿度相对误差/%PM2.5测量值/(μg·m-3)PM2.5标准值
/(μg·m-3)PM2.5相对误差/%145.0-0.42829-3.4248.00.63738-2.6356.0-
0.751502.0462.00.89092-2.2551.0-0.699972.1649.01.01071051.9
5 结束语
在气象环保、工农业和土木建筑等行业中，经常需要对现场大气质量和温湿度进行测量与控制。

系统以PMS7003作为PM2.5数据采集传感器，以单片机
STC89C52为控制核心，设计了一套大气质量检测装置，可检测PM2.5和PM10浓度值以及大气温度湿度值。

其使用简单、实用性强、性能稳定。

经试验表明，该检测装置具有较高的测量精度，性能稳定，且在不同的污染程度下，均有较好的检测效果。

参考文献：
【相关文献】
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[3] 王欢,黄晨.高精度无线环境温湿度测量系统设计研究[J].电子测量与仪器学报,2013,27(3):211-216.
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