基于51单片机的空气质量检测系统

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电子电路设计与方案

2.方案设计

■■2.1■粉尘浓度测量的方法与原理■

目前国内外对空气中粉尘浓度测量的方式主要有几种

种：电容法、β射线法和光散射法等。其中电容法中测量的

电容值并非与浓度是线性关系且易受到其他因素的变化而

波动，无法精准的检测出结果；β射线法可以虽可以较为精准的测出数值，但其需要对粉尘进行采样获得采样本再进行对比测量来得出结果，无法做到迅速地检测出空气中的粉尘浓度；其他几种未提及的方法还处于正在研究的阶段，上市产品较少。当前，上市中的检测仪器运用的原理大多数光散射法和摩擦法来对粉尘浓度进行测定。

本设计检测原理基于光散射吸收原理，将光透过被检测区域，由于光被空气中的粉尘散射吸收而导致光强减弱，我们可以通过测定光在通过检测区域前后的光强再将之作比较来测定空气中粉尘的浓度。■■2.2■系统硬件设计框图

本设计要求系统能自动的获取当前空气的粉尘浓度的

同时还要准确的在液晶屏上将其显示出来；当检测的空气区域中的粉尘浓度达到某一程度时启动应对电路。

本系统的核心器件为单片机，本设计系统各部件的信息

主要由它来进行计算处理。外围电路有：粉尘传感器模块、

EEPROM 存储器模块、LCD 显示电路、报警电路。如图1所示。

图1 系统硬件设计框图

打开电源后系统开始工作，当给一个0V ～5V 的信号（传

感器检测到的信号）时，单片机自带的数模转换器将模拟信号转换成数字信号后显示在LCD 液晶屏上，然后与预设值

作比较，当接收到的浓度值大于预设值时单片机启动报警电路。报警电路在本设计中是亮红灯并驱动换气装置。

1.绪论

■■1.1■设计的背景和意义

在工业生产的过程中会产生一种固体颗粒，其能较长时

间在大气中悬浮,被人们称为粉尘。多数工厂在生产的过程

中会产生一种细微的粉尘，这些粉尘也被称为可吸入颗粒物，其能在人类呼吸生活的大气中漂浮很长一段时间当人生活在高粉尘的环境时，这些粉尘会进入人体的呼吸道和肺部，且不易随着人体新陈代谢而被排除体外，从而长时间停留在人体内，对人体生理机能将有很大危害[1]。在工业上粉

尘浓度过高可能导致粉尘爆炸危害到工人的生命[2]。 而便携式粉尘测试仪的普及，可方便粉尘浓度超标环境的及时检测和处理，有效保障工人的安全和健康。

目前，国外大多采用直读式粉尘浓度检测仪，其原理是基于光照和光穿透原理，可以在短时间内得到较为精准的浓度值。可是国内大部分的粉尘作业场所仍然使用价格高昂且体型笨重的仪器来对作业场所进行粉尘检测。显然，大众人群在日常生活中并不方便使用这样的仪器来对其生活区域作粉尘浓度检测。而本课题的研究对象是便携式空气质量报警器，更适用于大众人群，具有携带便利、成本低廉、测量精确迅速的特点。

■■1.2■研国内外粉尘检测仪的研究现状

目前，世界各国对于大气污染的问题都极其重视并对空气质量检测方面付诸了大量研究，研制了一系列空气质量检测装置，如粉尘采样器、直读式测尘仪、粉尘浓度传感器等。这些检查仪器的成功研制，方便了相关部门对空气中粉尘浓度的检测以及实现了各类检测仪器做到实时检测粉尘浓度。

目前世界各国都参与对粉尘传感器研究，其制作原理多数采用光散射法。

国内对于粉尘浓度传感器方面的研究较国外起步较晚，

最近几年，随着国内电子信息技术以及对该领域研究的高速发展，国内其他厂家也陆续引进和开发出了粉尘浓度传感器。我国目前生产的传感器的测量原理与国外大致相同，大多数

是基于光散射法，但由于国内技术不足，在其质量和性能上略差于国外。在检测范围、检测精度和仪器的工作电流上各有

差别。相对国外来说国内的检测精度低、功率大、检测粒径宽。

基于51单片机的空气质量检测系统

作者/龚正鹏、何承阳，陆航学院

摘要：本文主要介绍一款基于单片机的空气质量报警器的设计。本设计以单片机为核心，运用C语言来进行单片机程序的编写来达到对粉尘传感器、LCD液晶显示屏等模块的控制，最终完成了对粉尘浓度实时检测及报警功能。本设计主要是用于测量环境中的粉尘灰尘浓度，适用于工矿企业的工作现场对粉尘浓度的测定，预防了作业场所粉尘浓度过高而对人体产生的危害。

关键词：粉尘浓度；单片机；传感器；显示；报警

的信号进行数模转换。

单片机的最小系统在整个系统电路中是必不可少的中枢部分。它是单片机正常工作所需的最简单的电路系统，没有它，整个单片机系统将无法正常工作。对于本系统，我采用的晶振频率为12MHz。晶振的两个引脚接在单片机的X1和X2脚上，然后两引脚再各接一个30pF的电容后接地。晶振两引脚各接一个电容的作用是是稳定频率并在一定范围内调整振荡频率。

该单片机采用多种初始化方式供选择的复位电路，它的外部有一个RST复位引脚，我们可以通过拉高这个引脚的电平且维持一段时间就可使系统复位，当复位引脚恢复到低电平时，复位状态结束并开始正常工作。

■■3.3■粉尘传感器GP2Y1010AU0F

粉尘传感器是本仪器的核心元器件之一。它的精准与否直接决定了本设计系统的实用性和准确性。在选择传感器的时候还需考虑到其适用电压。 本系统中使用了夏普有限公司所研制的GP2Y1010AU0F传感器，其实物图如2所示。以下是该传感器电器特性：

（1）输入电压范围：DC5±2V；电流消耗：≤20mA。（2）量程：0～0.8mg/ m³；可检测到最小粒子直径：0.8um。（3）工作环境温度：−10℃～+65℃。

传感器的工作原理是其内部对角存在两个器件，一个发光二极管，一个光晶体管，在检测区域没有粉尘的情况，光晶体管接受到的光强与发出的光强基本一致。当检测区域存在粉尘时在光透过被检测区域后，由于光被空气中的粉尘散 图2 GP2Y1010AU0F实物图

图3 粉尘传感器的引脚连接

■■3.4■存储器24C02

本系统选择了24C02存储器来储存系统预设数据。因其体积小巧、接口通用，且断电时不丢失数据的特点而被各种电路系统广泛应用。本系统中添加了该元器件就可以做到当系统因某些因素断电关机死机时不会丢失数据。图4为该存储器在本系统电路中的连接图。

图4 24C02存储器引脚分配

4.软件设计

我选择了C语言来作为本系统的编程语言，它是一种结构化的语言，它层次清晰，便于按模块化的方式组织程序，易于调试和维护，语言简洁，紧凑，使用方便灵活。

软件程序是一个电路系统的灵魂，正是有了软件程序才能让系统完成多样的操作和功能，在本系统中它主要要起到如下的作用：

（1）让单片机能实时准确的处理从传感器传回的浓度信号。

（2）使LCD显示器能实时的显示处理而得的当前粉尘浓度以及预设粉尘浓度。

14 | 电子制作 2017年12月