基于单片机雾霾监测及报警系统设计与实现

【摘要】 为了快速准确地查看所处环境的PM2.5浓度，以降低粉尘对人体的危害，本文设计了基于单片机的雾霾监测及报警系统，它采用基于Arduino系统对PM2.5浓度进行检测并报警，同时具有自动启动空气净化器系统功能。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的电子平台，对于初学者来说，极易掌握，不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习便能进行使用，且Arduino价格便宜，为该系统能广泛应用奠定了基础。

【关键词】 Arduino PM2.5浓度检测仪 雾霾 空气净化器

引言

目前，市场上空气质量量化检测通常采用PM2.5 指标衡量，通过系列检测器实现数据的实时检测、显示、记录。特别是一些专业检测设备体积普遍偏大、功能繁杂、价格昂贵，不同厂家的检测设备测试数据偏差较大，不适合广大市民购买使用。我们需要一种体积小，实时检测，多功能集成，价格较低的检测仪满足这一需求。

本次设计的目的是制作一个简易的基于单片机的雾霾监测及报警系统即具有自动启动空气净化器的PM2.5 检测与净化一体装置，让我们在平时的生活中也可随时检测，并且同时净化屋内空气，保持一个良好的生活环境。

一、总体设计方案

本文设计的整套系统总共有3个模块：雾霾PM2.5检测模块、报警系统模块、空气净化器自启动模块，系统组成如图1所示。

1、雾霾PM2.5检测模块为核心模块，控制和启动其他两个模块。

2、报警系统模块与空气净化器自启动模块相互连接，通过开关三极管和继电器实现自开自关。

3、空气净化器自启动模块中的净化器所用的原理为静电除尘原理。利用直流高压电使空气电离吸附细小灰尘。

二、雾霾PM2.5检测模块

2.1 Arduino 开发板

Arduino 开发板作为检测模块的核心，负责控制传感器及数据处理，根据需求可选择USB 供电或外接电池供电（本文所选开发板为DFRduino UNO R3，所需电压为5V），在灰尘传感器从周围环境中采集到相应数据后，交由Arduino中已编译的程序进行整合处理。

Arduino系统负责发送指令给显示模块，最终的检测结果数据由LCD 显示屏输出显示。

2.2 粉尘传感器

检测所用的传感器为夏普GP2Y1010AU0F_粉尘传感器，夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器是一款光学空气质量传感器，用来感应空气中的尘埃粒子。该传感器具有非常低的电流消耗（最大20mA，典型值11mA），该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓度成正比。 可测量0.8微米以上的微小粒子，感知烟草产生的烟气和花粉、室内粉尘等。并且该传感器价格低廉，体积小巧，适用于本实验使用。当传感器输入一个值时，LCD显示屏上就会显示对应的PM2.5的值。

雾霾PM2.5检测模块的连接示意图如图3所示。

2.3 软件部分设计

软件部分的设计包括定义、初始化、数据读取、数模转换等。所有功能模块的程序都是在Arduino IDE 平台中完成的。软件流程图如图2所示。

三、报警系统模块及空气净化器自启模块

报警模块（本实验报警装置设计为一灯泡）的启动电压是由PM2.5检测模块输出的模拟电压来提供。开关三极管具有完成断路和接通的作用，因此将其用于电路的切断和导通。

报警系统模块与空气净化器自启系统模块紧密相连，利用继电器的工作原理实现对静电除尘空气净化器系统的启动，并控制报警系统的接通与断开。

报警模块及空气净化器自启模块电路连接图如图4所示。

四、简易空气净化器

我们所制作的空气净化器原理为静电除尘。静电除尘是一种气体在静电场中电离，电离后的电子与尘粒相遇，使其带电被吸附于集尘板的除尘方式，其收集过程如图5所示。

除尘过程包括：① 气体电离；② 粉尘荷电；③ 粉尘沉降。静电防尘纱窗是将静电发生器固定在窗框上，静电发生器的输入端接低压直流电，输出端的一根线接地，另一根线接到金属网上，然后把金属网覆盖到玻璃纤维纱窗上，玻璃纤维纱窗就会带上静电，这样空气中的灰尘通过纱窗时就会被静电吸附。

定期清理窗纱上的灰尘就可以达到持续性的净化室内空气的目的。

五、Y语

将我们制作的雾霾PM2.5检测仪所测的值与市场上销售的PM2.5检测仪相比较，其数值与市场所销售的PM2.5检测仪的值基本相同，并设定当PM2.5的值高于150时，能自启空气净化器。

此设计的特点在于：造价便宜，方便人们能够快速的了解当前环境下的PM2.5浓度，并能自动减少屋内的粉尘浓度，改善人们居住环境。设计中的空气质量检测模块不仅可以用于检测空气中PM2.5的含量，还可以用于其他需要进行空气浓度检测的环境。

同时我们所设计的静电除尘空气净化装置，是将该装置放置在纱窗前方，通过设定PM2.5检测仪的上下限的控制数值使空气净化器自动启动系统的投入或停止运行，这样该装置就可在重雾霾天快速启动，在空气质量良好的天气自动关闭，节省电能。重点解决了普通纱窗无法在雾霾天气下有效地过滤对人体有害的可吸入颗粒物的问题。因此，其市场前景广阔、推广价值高。

参 考 文 献

[1]韩东颖，李征，宋宝星，杨帅，贾辉辉.静电技术在防尘纱窗中的应用[J].科技资讯.2014（23）：1-2

[2]兰冰芯，谌海云，陈东，吉宁.基于单片机的PM2.5测试仪的设计与实现[J].物联网技术.2014（11）：32-34+38

[3]朱泽安，陈志航.基于Arduino的多场景PM2.5检测仪[J].电子技术与软件工程.2016（03）：154

[4]王啸东.PM2.5 粉尘颗粒检测仪的研制[J].电子世界.2013（16）：96