一种基于单片机的智能粉尘监测报警系统

摘要：传统粉尘监测报警系统的阈值固定，无法满足不同生产过程的需求。在传统的粉尘浓度监测系统上加入单片机及遥控设备，可以实现对报警阈值的远程设定，不但能够解决上述问题，还实现了人机空间隔离。文章从研究背景、系统设计、工作原理、应用前景四个方面对这一系统进行了介绍。

关键词：粉尘监测；浓度报警；单片机控制；遥控控制；人机空间隔离 文献标识码：A

中图分类号：TP368 文章编号：1009-2374（2017）05-0009-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.05.005

1 研究背景

粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒。国际标准化组织规定，粒径小于75μm的固体悬浮物定义为粉尘。粉尘中往往含有多种有毒成分，如铬、锰、镉、铅等。小于5μm的微粒极易深入肺部，引起中毒性肺炎或矽肺，严重影响人体健康。此外，过量的粉尘还会对工业生产造成严重的影响。

传统粉尘监测仪最大的缺点是无法自行设定报警浓度阀值，在不同的生产生活条件下需要特制不同的探测报警器，造成了资源浪费。此外，传统粉尘监测报警系统接收端与监测端未分离，而在某些特殊的生产环境下，人员需对粉尘浓度监测仪进行远程控制，这也是一个亟待解决的问题。

在传统系统上加入单片机及遥控设备，可以实现阈值的在线远程设定，能够较好地解决上述问题。显示设备还可以将浓度信息显示，便于使用者的观察与记录。此外，本系统还在系统中加入温度湿度的监测传感器，使其成为一个更加全面的监测仪，能够对于所处环境状况做出更多方面的评估。

2 系统设计

2.1 系统综述

经过对研究背景中提到的问题的仔细分析后，设计了如图1所示的单片机及遥控系统。

该系统由两部分组成：接收端与监测端。接收端的核心模块为接收端单片机，接收端还包含按键、数码管、蜂鸣器，分别用于控制及报警。监测端的核心模块为监测端单片机，监测端还包含传感器（集成AD模块）。接收端与监测端通过红外通讯设备进行数据的传输，实现了远程控制。

2.2 接收端设计

2.2.1 单片机。经过对问题的分析和对不同产品的筛选，我们采用ATMEL公司的ATMega16作为接收端单片机，其指令集先进，高数据吞吐率，并且还具有成本低、功耗低的特点，完全满足本系统的性能要求。单片机在接收端所实现的主要功能有接收按键模块发来的控制信号、接收红外通信设备发来的测量数据、对测量数据进行分析与处理、向蜂鸣器与数码管发送显示与报警信号。此外，单片机还承担着存储报警阈值数据、存储红外编码信息等任务。ATMega16的引脚配置如图2所示：

2.2.2 按键模块。接收端按键模块化，将四个按键集成到一块电路板上，并加入滤波电容实现防抖。按键模块在接收端所实现的功能为人机交互。使用者通过按键来改变报警阈值，按键模块将响应信号发给单片机进行进一步处理。

2.2.3 数码管模块。在数码管的选择上，采用了MAX7219作为本系统使用的模块。MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器，它拥有指令简单、驱动方便、亮度可调以及方便级联等优点。接收端数码管用于显示由单片机传输来的当前浓度数之和用户自定义的报警阈值。

2.2.4 蜂鸣器模块。蜂鸣器是一种采用直流电压供电的发声装置，在本系统内加入了控制引脚，其主要用途为声音报警。

2.3 监测端设计

2.3.1 单片机。监测端同样选择了ATMega16作为单片机。单片机在监测端所实现的主要功能有接收传感器模块发来的数据信号并对其进行处理、将处理后的数据编码，发给红外传输设备，同样，在监测端的单片机内也存储着红外编码信息。

2.3.2 鞲衅鳌8据系统功能要求，监测端的传感器有两种，用于检测粉尘浓度的传感器以及用于检测环境温湿度的传感器。我们选用了夏普公司的GP2Y1051AU0F粉尘浓度传感器。这款传感器相比于上一版本1010AU0F，不但在精度和耐用性方面进行了优化，而且不需要搭建电路，数据的传输也可以用USART完成，因此我们决定选用这一款传感器。

而在温湿度传方面，我们选用了精度高、工作条件广泛的DHT22作为本系统使用的温湿度传感器。

这两个传感器都自带模数转换模块，并且出厂时都经过了校正，因此由这两个模块得到的数据是基本可靠，符合本系统设计要求的。

2.4 红外通信模块设计

红外通信模块的目的是实现接收端与监测端之间的信号传输，从而实现人机隔离及远程操控。我们选择了NEC红外模块通讯对，该模块集成编解码系统及调制系统，传输可靠、运行稳定，与单片机之间只需要USART进行通讯就可以实现数据传输，减少了对单片机资源的占用。

3 工作原理

3.1 工作原理综述

整个系统的工作周期如图3所示。左侧为接收端的工作流程框图，右侧为监测端的工作流程框图。接收端工作流程的主要环节为接收并处理按键信号、接收并处理红外传来的数据、显示数据与报警。监测端工作流程的主要环节为接收并处理传感器数据、将数据发送给红外。

3.2 接收端工作原理

3.2.1 接收并处理按键信号。由于上拉电阻的存在，接在电阻另一端的按键在不按下时会输出高电平，一旦按键按下，输出将与地相连，即会输出低电平。单片机将这一电平的变化作为信号进行检测。不同的按键分别接在单片机不同的I/O口上来加以区分，这就是按键信号的接收并处理。

3.2.2 接收并处理红外传来的数据。

只要单片机通过USART向红外通讯模块发送以上格式的数据，NEC红外模块就会自动将数据载波调制，并通过红外发射头发射出去。

接收：NEC红外模块同样带有红外接收头，只要模块处于工作状态，若接收到载波信号便会自动解调，并将如表1所示格式的数据通过USART发送给单片机。

3.2.3 显示数据与报警。

数据的显示：MAX7219内部含有多个寄存器，分别用于模式设置、亮度调节、存储显示数据等。若想通过MAX7219驱动数码管显示相应数值，则需要完成以下两个步骤：（1）实现对MAX7219的正确配置（包括亮度、显示模式等）；（2）实现数据的正确传输。

MAX7129数码管驱动模块与单片机之间的通信方式为SPI协议，同样，MAX7219也有其特有的数据格式，对于一个16位数据来说：D15-D12四位不使用，D11-D8四位用于确定寄存器位置。而D7-D0则为需要传输的数据。详细的数据格式可以在MAX7219的技术文档中查到，此处不再赘述。

报警：考虑到不同生产环境的需求，本系统使用了声光两路报警。对于光报警，当发光二极管两端压降超过导通阈值时，发光二极管便可以发光，从而起到报警的效果。利用不同颜色的二极管还可以表示系统不同的工作模式。对于声音报警来说，蜂鸣器模块设有一I/O口用于控制。当I/O口接收到高电平时，蜂鸣器发出声音，实现报警功能。

3.3 监测端工作原理

3.3.1 接收并处理传感器数据。

粉尘浓度传感器：粉尘浓度传感器同样使用USART向单片机传输数据，即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由数据线完成。格式如表2：

温湿度传感器：DHT22使用单总线通讯协议实现数据传输，起始信号的时序图如图4所示，数据发送的时序如图5所示：

单片机发送一次起始信号（把数据总线拉低至少800?s）后，DHT22进入高速模式。待开始信号结束后，DHT22发送响应信号，从数据总线串行送出40位数据，依次为湿度高位、湿度低位、温度高位、温度低位、校验位，发送数据结束触发一次信息采集，结束后DHT22将自动转入休眠模式，直到下一次通信来临。

3.3.2 将数据发送给红外。前文已经对红外通信模块的工作原理进行了介绍，此处不再重复。

4 应用前景

该设备市场广阔，其在一定程度上弥补了传统粉尘浓度监测仪的缺陷，使用者可通过遥控器或粉尘仪上按键对报警阈值进行调节，简单便捷。另外，该设备具有造价低、重量轻和检测准确的特点，可广泛用于矿山、冶金、化工制造等工业场所。此外，通过改进对粉尘的检测算法，也可实现对常见污染颗粒PM2.5的检测，所以该检测报警器也可用于普通家庭和日常生活中。综上所述，该设备具有较好的应用前景和开发潜能。

参考文献

[1] 程明月.基于无线传感器网络的空气质量监测系统的研究与设计[D].武汉科技大学，2015.

[2] 张楠.基于ARM的大气环境监测系统的设计[D].哈尔滨理工大学，2014.

[3] 张亚梅.粉尘监测系统的研究[J].山西青年，2016，（6）.

[4] 李春立，刘涛，王东明.AVR单片机显示系统中USART通信接口的应用[J].机械管理开发，2012，（6）.

基金项目：北京科技大学本科生创新创业训练项目。

作者简介：马冬宁（1996-），男，内蒙古通辽人，北京科技大学本科学生，研究方向：自动化；赵鹏菲（1996-），男，山东临沂人，北京科技大学本科学生，研究方向：自动化；王振帅（1994-），男，山东临沂人，北京科技大学本科学生，研究方向：自动化；唐源（1996-），男，湖北恩施人，北京科技大学本科学生，研究方向：自动化。