一种简易的空气质量PM2.5浓度检测仪器的制作方法

本实用新型涉及一种空气检测装置，尤其涉及一种简易的空气质量PM2.5浓度检测仪器。

背景技术：

随着社会体制的日新月异人们对提高生活质量的关注也越来越高，但也因为经济的发展所带来的各种环境污染问题也日渐严重。现有技术对于空气质量检测的设备种类繁多，本着精益求精的精神，需要不断的改进与创新。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种简易的空气质量PM2.5浓度检测仪器。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

本实用新型由单片机、键盘输入模块、复位电路、灰尘传感器、A/D转换、报警电路和显示模块组成，所述键盘输入模块与所述单片机的输入端连接，所述复位电路与所述单片机的复位电路端连接，所述灰尘传感器的信号输出端通过所述A/D转换与所述单片机的灰尘信号采集端连接，所述单片机的控制输出端与所述灰尘传感器的信号输入端连接，所述单片机的报警信号输出端与所述报警电路连接，所述单片机的显示信号输出端与所述显示模块连接。

具体地，所述单片机的型号为STC89C52最小系统。所述灰尘传感器为型号GP2Yl010AUOF的光学传感器。所述A/D转换的型号为ADC0832。所述显示模块为型号LCD1602的液晶显示屏。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型是一种简易的空气质量PM2.5浓度检测仪器，与现有技术相比，本实用新型通过应用单片机和传感器两者相结合从而实现。通过传感器检测，实时监控空气中粉尘浓度，当超过预先设定的目标值之后，通过蜂鸣器报警起到一个警示的作用。采用STC89C52型号的粉尘检测仪，能够通过键盘进行数据的录入，对参考值进行合理设置，通过粉尘传感器进行信息的采集和检测，利用粉尘检测仪加以分析和处理，并将检测结果显示在液晶显示屏上。该粉尘检测仪原理简单，能够对高浓度的粉尘进行测量，能够对检测条件中的粉尘含量进行测试，在公共卫生、安全防疫、劳动生产、工矿领域中广泛应用，也是污染调查、大气质量监测的主要手段，为环保检测工作的开展创造了有利条件。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构框图；

图2是本实用新型的单片机部分连接电路图；

图3是本实用新型的单片机引脚图；

图4是本实用新型的灰尘传感器的电路连接图；

图5是本实用新型的灰尘传感器的引脚图；

图6是本实用新型的A/D转换的引脚图；

图7是本实用新型的显示模块电路图；

图8是本实用新型的报警电路的电路图；

图9是本实用新型的供电电路图；

图10是本实用新型的工作流程图；

图11是本实用新型的键盘扫描流程图；

图12是本实用新型的中断工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示：本实用新型由单片机、键盘输入模块、复位电路、灰尘传感器、A/D转换、报警电路和显示模块组成，所述键盘输入模块与所述单片机的输入端连接，所述复位电路与所述单片机的复位电路端连接，所述灰尘传感器的信号输出端通过所述A/D转换与所述单片机的灰尘信号采集端连接，所述单片机的控制输出端与所述灰尘传感器的信号输入端连接，所述单片机的报警信号输出端与所述报警电路连接，所述单片机的显示信号输出端与所述显示模块连接。报警电路、LCD显示、复位电路、输入模块、数模转换、灰尘采集测量、单片机等共同构成了本发明。在整个系统中，最基础的结构就是单片机。PM2.5检测器能够检测空气中粒子的含量和浓度。通过数模转换电路，将采集到的模拟信息转换成数字信号。根据键盘中输入的信息，对报警值进行调整。测量值和报警值能够实时显示在液晶屏幕上。如果实测数据高于预设值，会自动发出报警信息。如果实际测试数据不高于设定值，报警电路会终止，并自动复位到原始状态。如图1所示。

具体地，所述单片机的型号为STC89C52最小系统。所述灰尘传感器为型号GP2Yl010AUOF的光学传感器。所述A/D转换的型号为ADC0832。所述显示模块为型号LCD1602的液晶显示屏。

系统功能

采用“粉尘传感器+报警器+显示屏+按键+单片机”的结构设计PM2.5粉尘检测系统。

选择STC89C52型号的单片机，能够实现数模转换，为实际使用提供便利条件。

粉尘传感器的型号为GP2Y1010AUOF，能够实现数模转换，更加方便、快捷。

通过按键能够对报警值进行调整，为实际使用提供方便。

与AT24C02相连，能够实现掉电保护。

如果粉尘浓度在预设值，能够看出空气状况很不错。

如果粉尘浓度远远高于预设值，声光报警装置会自动启动

LCD1602能够将报警浓度、粉尘浓度等信息显示在显示屏上，能够直接观看。

单片机技术指标：

电源电压：5-7V

工作温度：-10-65摄氏度

消耗电流：20mA最大

最小粒子检出值：0.8微米

灵敏度：0.5V/(0.1mg/m3)

清洁空气中电压：0.9V典型值

工作温度：-10～65℃

存储温度：-20～80℃

系统工作原理：

打开电源开关之后，能够根据测尘原理，把测量得到的浓度信息转换为电压信号，电压范围0-5V。利用ADC0832器件，能够把信号转换成二进制的数据，为8bit，输入到单片机内。进行处理，将其转换成十进制数据，为3bit，通过输入输出解耦库发送给液晶显示屏幕，能够将具体信息显示在显示屏上。

简易检测粉尘仪器系统硬件设计：

单片机部分：

MCU是拥有完整的一套系统并集成在芯片之上。它拥有的大部分部件：CPU、内部存储、内部总线系统及外部总线系统。将定时器、时钟、通讯接口等设备集成。单片机系统能够集成输出、输入、网络、图像、声音传输等多种功能，在一个单片机系统之上。粉尘检测器的关键结构就是CPU，能够采集、处理数据，并将处理结果显示在屏幕上，为仪器的运行提供保障，会对系统的工作活动带来直接影响。如图2所示，为STC89C52的电路图，其抗干扰能力强，功耗消耗少，运行速度快，效率高。

1.多功能I/O口

STC89C52共有四个输入输出端口，占8位：P0、P1、P2、P3端口，I/O线有32根。每一根线都可以完成输入和输出。其结构如图3所示。

RST复位输入端口。在振荡器运行的时候，端口引脚上出现2个高机器周期的高电平。如果看门狗定时器出现溢出，会导致单片机的管脚发生震荡。地址锁存信号ALE/PROG。在存取外部的存储器的时候，锁存低字节之中地址将用到了输出信号。在编程的时刻，这条引脚会被输入PROG。该条件下，通过ALE进行外部定时，通过6分频信号对振荡器的频率进行控制。会跳过一个ALE脉冲时并每次都会存取对外部数据存储器[5]。如有需要，SFR寄存器中8EH地址的位置会从0变为1，从而屏蔽ALE工作；这个时候ALE才会被激活必须依靠MOVX或MOVC的指令执行。当在单片机的外部执行命令时，对ALE位置1屏蔽，此时是完全没有。如果单片机外侧进行命令的执行，可以直接将ALE置为0。PSEN程序存储器能够输入信号。通过信号对存储器内的代码进行读取。它们可以把一个机器周期激活两次。EA/Vpp外部允许存取信号。把EA接到地端进行数据的读取和传输，在地址为0000H～FFFFH的存储器中将数据读取出来。EA接到Vcc，此时执行内部的程序。这时存储器进行编程的话，此端口上将接通12V电压。XTAL1和XTAL2分别为为反相放大器的输入和输出。

2.复位电路

复位电路能够把单片机重置到初始状态，对指令进行执行和启动。该条件下，为单片机接入电源，能够得到复位信号，启动单片机，让其保持正常的工作状态，并对信号进行识别。为单片机接入电源以后，能够得到复位信号，启动单片机，让其正常工作，并对信号进行识别和处理，让单片机开始运行和工作[6]。该条件下，单片机能够稳定运行，由于存在外界干扰，系统会出现问题和故障。通过复位电路，能够让单片机恢复初始状态，重新完成任务，并执行相应操作。

在整个单片机电路中，最关键的内容就是时钟电路，对单片机的运行速度和效率进行操控，使单片机保持在正常的工作状态。而时钟电路直接决定了其运行速度和效率。

空气质量传感器(灰尘传感器)

GP2Yl010AUOF是一种光学传感器，能够对空气质量、微粒含量和浓度进行检测。在其中内部对角的位置上一侧安放着光电晶体管，而另一侧安放着红外线二极管。这些器件所处的对角位置可以侦测空气中微粒的反射光线。由于空气具有流通性，在任何地方都能够对PM2.5的值进行测量，在空气环境比较优良的地方，所得到的最后的精准的数据。如图4所示，为典型电路。其引脚图如图5所示。

模数转换ADC0832

ADC0832为数模转换电路，拥有256级的高分辨率，一般的要求完全可以得到满足。使得芯片在0～5V模拟电压之间原因是其参考电压的复用和内部电压输入。独立的芯片输入可以使处理器控制变化的更便利。利用DI端口，能够输入数据，对通道功能进行选择。如图6所示，为芯片引脚图。

液晶显示模块

单片机采集到模拟信号后，经过运算处理转换，在液晶显示屏上面显示出来测量到的PM2.5值，电路图如图7所示。

LCD1602是一种液晶显示屏，主要应用于工业领域，最多能够显示32个字符，尺寸为2行，16列。液晶显示屏是极为常见的设备，在电子器件、仪器仪表等领域中得到广泛应用。家用电子设备、电子表中得到广发应用，能够进行图形、符号和数字的显示。单片机为人机交互提供了可视化界面，包括液晶显示器、LED数码管、发光管等。LED和发光管在各种设备中广泛应用。

将液晶显示器安装在单片机系统内，能够进行信号的传输，且具有下列特征：首先，向液晶显示器传输信号，能够提高亮度和色彩饱和度，始终对外发光，光源稳定，不会出现闪烁的现象，显示效果要好于CRT显示器。所以，其画面效果更佳，并不会出现闪烁的效果。液晶显示器为数码式显示器，能够直接连接到单片机系统之中，数据传输稳定，可靠性高[7]。利用电极能够对液晶显示器的分子状态进行控制，在显示屏幕上显示具体效果。相较于传统显示器，液晶显示器的体积较少，重量较轻。与其他驱动IC和电极相比，液晶显示器能源消耗较低。

根据液晶的物理性能，利用液晶显示屏显示数字和图形，利用电压控制显示区域和效果，能够将图形、文字显示在屏幕上。液晶显示器能够显示全色彩效果，能够直接驱动，能够对电路进行集成，体积较小。PAD、智能电脑、移动终端、数码相机等普遍采用液晶显示屏幕。

报警电路

如图8所示，为报警电路的电路图。通过蜂鸣器发出报警提示音。

供电电路

为电源模块提供电源，能够得到直流电压，电压幅度为5伏。通过DI发光二极管作为电源提示灯，限流电阻如R8所示。如图9所示，为电路图。

工作流程：

系统包括显示、PM2.5计算、数模转换、驱动传感器、初始化等模块。在系统中，各模块占有极其重要的地位。利用软件能够控制单片机的工作，对PM2.5的数值进行测量、计算和显示。如图10所示。

浓度参考值的键盘设定

由于空气里含有不同种类、直径和浓度的粉尘，粉尘流动量存在一定差异。所以，在实际环境里，人类活动中吸入的粉尘量也有一定差异。因此，要对环境进行更换，对粉尘浓度值进行合理设置，对粉尘浓度最高值进行合理设置，通过粉尘检测仪对粉尘浓度和含量进行检测[8]，提醒工作者及时处理粉尘含量过高的问题，立即撤离现场，并采取有效手段减少粉尘。

本模块利用独立按键将参考信息通过键盘输入到系统内，利用单片机对参考值和数据进行对比，对蜂鸣器的工作状态进行调节。此外，利用独立按键能够切换浓度和参考值，实现显示效果的转换。

键盘扫描的设计

单片机系统的CPU要对键盘进行扫描，获得输入数据。实际操作和处理时，并不会消耗大量的时间。所以，要结合CPU的工作状态，采用性能稳定的键盘。本系统的CPU占用率较低，因此通过编程完成键盘扫描，能够满足实际需求。

键盘扫描程序的功能：

(a)对键盘中各按键的状态进行扫描。通过键盘将信息输入到电路内，如果都是“1”，那么表示并没有按下按键。如果有部分按键为“0”，就表示按下了某个按键。

(b)避免抖动给按键带来的干扰。要对按键状态进行判断，如果按下了某个按键，软件会自动延迟10毫秒的时间，对键盘状态进行判断。假设按下了某个按键，那么会处理该按键的抖动情况。释放键盘以后，软件也会延迟相应时间。假设按键处于释放状态。则表示已经释放了这个按键。

(c)对按键位置进行计算。扫描每一个按键，对按键的位置进行确定。如图11所示。

信号采集的程序

由于粉尘浓度的测量结果是模拟信号，为连续变化的。利用粉尘采集器能够对环境里的粉尘浓度进行检测，利用信号放大器把模拟的粉尘浓度的检测结果转变成模拟信号[10]，利用放大器对信号进行放大处理，电压值为0～5V。

中断工作流程

实际运行时，如果发生问题和故障，会导致新问题的出现，要通过CPU加以解决。CPU能够让其他程序暂停，开启新的任务。终止旧任务、开启新任务的活动即为终端。

通过定时器终端为传感器进行驱动和控制。把定时器的工作状态设置成1，开启中断后会重新赋值。如图12所示，为本系统的流程图。

实验结果分析

经过学习和研究，设计了一个粉尘测试仪。进行粉尘测试仪的设计时，要根据其功能和原理，设计电路图，对系统各模块进行分析和研究，通过LCD显示、信号转换和采集模块，实现信号的采集。根据电路图，进行代码的编写，仿真检验设计是否合理。

本文设计的粉尘测试仪，提供了可视化界面，结构简单，未来发展前景广阔。在设计电路时，不能忽略主观能动性的作用，掌握更多的是指和技能。

全面测试系统的各项功能和指标，通过传感器采集颗粒和粉尘浓度信息，立即做出反应，尽量缩短等待时间。当单片机收集运算处理的模拟信号达到参考值时会对外发出报警提示音，稳定性、可靠性显著提高。数模转换器为12位，具有高达3.3V/4096＝0.000的分辨率，即0.8mV。能够使数据完整、有效，测量江都也显著提高。

结论

通过了最终的硬件与软件的的仿真、模拟和调制，达到预期目标，取得了显著的成果。

通过采集粉尘颗粒浓度，对PM2.5的数值进行计算，在显示屏幕上显示测量结果，电路结构简单，价格低廉，具有较高的精确度和准确度，1ug/m³、易于使用和操作。

在设计时，要全面分析各种问题，根据具体情况设计了相应的功能。在实验中反复验证，具有更高的稳定性和可靠性，性价比更高，具有较强的控制能力，真正实现了对监测现场的实时了解和控制。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。