空氣粉塵濃度檢測器電路設(shè)計與軟件編程

　隨著人類工業(yè)和經(jīng)濟的快速發(fā)展，我們的環(huán)境污染越來越嚴重。除廢氣、廢水外，顆粒狀粉塵、煙塵向大氣排放所造成的污染已成為一個十分突出的問題。PM2.5，PM10，PM0.1及其吸附的重金屬粒子是霧霾的重要組成部分[1]。2012年2月，《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》新增了對PM2.5的檢測指標，PM2.5成為空氣質(zhì)量標準之一。數(shù)據(jù)表明，我國空氣質(zhì)量標的城市中68%都存在可吸入顆粒物的問題[2]。由此可以看出粉塵對人類健康和生產(chǎn)的危害十分嚴重。所以，粉塵濃度的檢測和控制具有重要的意義。 
　　本文介紹一種簡易粉塵濃度檢測器的設(shè)計，能夠?qū)諝夥蹓m進行采樣分析，可以測量出空氣中的粉塵濃度，測量數(shù)據(jù)直觀易懂，測量結(jié)果可靠。 
　　1 系統(tǒng)工作原理 
　　單片機選用ATmega328p，粉塵濃度傳感器選用夏普GP2Y1010AU0F灰塵傳感器，按鍵部分通過電阻與按鍵串聯(lián)將信號輸入模擬口，通過讀取模擬值的不同判斷按鍵值，顯示部分采用LCD1602并用采取I2C總線的8位遠程I/O擴展口芯片PCF8574進行引腳簡化。 
　　將粉塵檢測器電源開關(guān)打開，當傳感器得到一個由粉塵濃度轉(zhuǎn)換得來的0～5V的電壓信號時，進入單片機，經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槭M制數(shù)通過I/O口在顯示屏上顯示出數(shù)值。數(shù)值量隨輸入電壓的擾動而變化。同時鍵盤設(shè)定預(yù)警值送入單片機，與測量值一同顯示出來。當采集的當前粉塵濃度大于預(yù)警值時，單片機驅(qū)動蜂鳴器報警。 
　　2 系統(tǒng)電路設(shè)計 
　　2.1 電路總體設(shè)計 
　　以ATmega328p單片機為核心，主要包括單片機處理模塊，信號采集模塊，獨立按鍵模塊，顯示模塊和蜂鳴器報警模塊。系統(tǒng)通過信號采集模塊采集空氣中的粉塵，得到0～5V的電壓信號后，由單片機內(nèi)部自帶的10位ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到粉塵濃度，與此同時，通過獨立按鍵模塊設(shè)定濃度預(yù)警值，通過液晶顯示模塊將粉塵濃度和預(yù)警值同時顯示在顯示屏上。當檢測值大于預(yù)警值時就會自動通過蜂鳴器報警模塊報警。整個系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖所示： 
　　2.2 單片機處理模塊 
　　設(shè)計選用ATmega328p單片機，該單片機配合Arduino uno使用，可以更加方便的用外接模塊進行拓展，如wifi模塊、SD卡接口模塊、基于w5100芯片的Ethernet模塊等，并且其內(nèi)部自帶10位六通道ADC可以用來轉(zhuǎn)換傳感器輸出的信號，從而得到粉塵濃度。 
　　2.3 信號采集模塊 
　　GP2Y1010AUOF是一款由日本夏普公司開發(fā)的光學濃度檢測傳感器。此傳感器內(nèi)部成對角線分布的紅外發(fā)光管和光電晶體管，利用光敏原理來工作，依靠輸出脈沖的高度來判斷顆粒物濃度。同時，傳感器內(nèi)部有信號放大電路，可以對光電信號進行放大。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示： 
　　傳感器內(nèi)，紅外發(fā)光二極管和光電晶體管按對角位置布置，利用發(fā)光二極管發(fā)射光線，利用晶體管接受二極管發(fā)射的光，從而引起電壓的變化，這時傳感器里的空氣傳導(dǎo)設(shè)備就會產(chǎn)生一定的作用使空氣流通。此設(shè)計能夠檢測到小的微粒，甚至非常小的煙草顆粒，測量結(jié)果比較。 
　　由于GP2Y1010AUOF對驅(qū)動的LED的脈沖要求較高，輸入信號采樣周期為10ms±1ms；輸入高脈沖的寬度為0.32ms±0.02ms。所以對于采樣信號，需要等待輸入信號出現(xiàn)高脈沖以后再計時0.28ms進行采樣[3]。 
　　2.4 獨立按鍵模塊 
　　按鍵部分是通過電阻與按鍵串聯(lián)將信號輸入模擬口，通過讀取模擬值的不同判斷按鍵值。因為A/D轉(zhuǎn)換是將模擬的0～5V電壓轉(zhuǎn)換成八個二進制位，八個二進制轉(zhuǎn)換成十進制的范圍為0～255，所以只需設(shè)置三個獨立按鍵分別獨立輸入預(yù)警值的百位，十位，個位。鍵盤每按下一次則相應(yīng)位上數(shù)據(jù)增加1，當數(shù)據(jù)設(shè)定完成后通過I/O口輸入單片機，通過單片機的處理轉(zhuǎn)換為三位十進制的濃度預(yù)警值，然后顯示在顯示屏上。 
　　2.5 顯示模塊 
　　顯示模塊采用LCD1602并用采取I2C總線的8位遠程I/O擴展口芯片PCF8574進行引腳簡化。LCD1602是工業(yè)字符型液晶，可同時顯示16×2即2行，每行顯示16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。因為要同時顯示粉塵濃度的檢測值和預(yù)警值，所以LCD1602的兩行顯示功能已經(jīng)滿足設(shè)計。 
　　2.6 蜂鳴器報警模塊 
　　當采集到的環(huán)境中的粉塵濃度大于預(yù)警值時，單片機就會驅(qū)動蜂鳴器報警，然后采取相應(yīng)措施降低粉塵濃度或者使人員撤離工作現(xiàn)場。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機的I/O口是無法直接驅(qū)動的，所以要利用放大電路來驅(qū)動。我們采用三極管來放大電流。 
　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 
　　軟件系統(tǒng)設(shè)計主要分為系統(tǒng)初始化模塊、驅(qū)動傳感器模塊，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，粉塵濃度計算和顯示等模塊，單片機通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)對硬件設(shè)備的控制，測量并顯示粉塵濃度。軟件部分設(shè)計需要利用單片機所產(chǎn)生的周期為10ms的脈沖波形驅(qū)動傳感器內(nèi)部的LED發(fā)光，并對信號進行A/D轉(zhuǎn)換，同時進行LCD1602的顯示和定時器定時。單片機產(chǎn)生的脈沖波形加在GP2Y1010AU0F上，傳感器將輸出一個0～5V電壓，可通過A/D轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的粉塵濃度值，后通過LCD1602顯示出來，如果空氣粉塵濃度過了預(yù)警值，系統(tǒng)將會報警。 
　　4 總結(jié) 
　　本文主要介紹了簡易粉塵檢測器的設(shè)計，在單片機的控制下，完成數(shù)據(jù)的采集、顯示、預(yù)警值設(shè)置及蜂鳴器預(yù)警等系統(tǒng)分模塊的程序設(shè)計，然后結(jié)合各模塊的硬件電路來實現(xiàn)每個模塊的功能，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。結(jié)果表明，該粉塵檢測儀測量結(jié)果可靠。