一种PM2.5检测系统的设计与实现

摘要：为了减小PM2.5颗粒物对人们生活和健康的不利影响，本文针对其检测系统进行了研究，设计了一种以STC89C52单片机为主控芯片，GP2Y1010AUOF粉尘传感器为感应单元的PM2.5检测系统，给出系统的设计方案并分析了其工作原理，最后完成实物电路的制作。

关键词：STC89C52 传感器 PM2.5

中图分类号：TP212.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0143-02

工业发展所导致的空气质量恶化越来越牵动人们的神经，其中来自工业粉尘、汽车尾气的PM2.5颗粒对人体健康的潜在危害尤为突出，关于PM2.5检测方法[1]和设备[2]的研究逐渐被提上日程。本文结合STC89C52单片机和GP2Y1010AUOF粉尘传感器设计了一种简易的PM2.5检测系统，该系统兼具实时性和便携性，实现了人们对所处环境空气质量的掌控。

1 设计方案

本系统主要由STC89C52单片机最小系统、GP2Y1010AUOF粉尘传感器、A/D转换、液晶显示、报警电路五个模块组成[3]。粉尘传感器实时检测所处环境中PM2.5颗粒物浓度并输出模拟电压信号，由A/D转换电路将其转换为数字信号送入单片机中进行数据分析和处理。一方面将测量值和报警值通过液晶显示器显示，另一方面若检测到PM2.5浓度超出设定阈值，则启动声光报警，此外通过复位电路可完成系统复位。

2 工作原理

系统原理图如图1所示，对其分模块元件选择和分析如下：

2.1 单片机最小系统

单片机最小系统由单片机、时钟电路、复位电路组成。在这里选用STC89C52单片机作为系统的主控芯片。STC89C52是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微处理器，芯片设有8位CPU和系统可编程Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB的EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，1个7向量4级中断结构（兼容传统51的是5向量2级中断结构），全双工串行口。另外强大的位操作指令功能，扩展了其编程的自由度[4]。时钟电路的作用是向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定其执行速度，选用12MHz的晶振提供时钟，根据官网的数据手册，为了达到晶振起振的条件还要配备2个20pF的电容。复位电路是为了确定单片机的工作起始状态，完成启动过程。系统运行时，若受到外界环境干扰出现程序跑飞，按下复位按钮后内部的程序会自动从头开始执行。这里RC电路保证了充电过程，通常要求充放电时间远大于2us。需要注意本系统采用外部手动按键复位，需接上拉电阻来提高输出高电平的值。

2.2 PM2.5检测电路

GP2Y1010AUOF是一款光学粉尘浓度检测传感器，内部设有呈对角分布的红外发光二极管和光电晶体管，利用光敏原理检测空气中的微小颗粒物，通过输出脉冲的幅值判断颗粒物浓度，可检测0.8um以上的微小粒子。应用时要外接150Ω电阻和220uF电容，且需三极管对其LED端脉冲驱动。

2.3 A/D转换电路

ADC0832是一款逐次逼近型、8位分辨率、双通道A/D转换芯片。其性价比高、兼容性好，用于将GP2Y1010AUOF采集来的模拟信号转化为数字信号，便于单片机的分析处理。

2.4 液晶显示电路

LCD1602是液晶显示器芯片的一种，采用液晶控制透光度技术实现色彩变换，用于显示PM2.5的检测参数和结果。STC89C52的P0口作为数据端，P1.2、P1.1、P1.0分别作为LCD的EN、R/W、RS控制端。其中EN是下降沿触发的使能信号，R/W是读写信号，RS是寄存器选择信号。设置要点如下：进行初始化，清屏后设置接口数据位为8位，显示行数为1行，字型为5×7点阵，接着设置为整体显示，取消光标和字体闪烁，最后设置为正向增量方式且不移位。程序中采用2个字符数组，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示。

2.5 报警电路

报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成，当检测到环境中PM2.5浓度超出设定的阈值时，单片机便驱动蜂鸣器鸣叫，同时发光二极管闪烁。往往蜂鸣器的工作电流比较大，单片机的I/O口无法直接驱动，故选用9012三极管开关电路进行驱动。9012是一个PNP型三极管，当基极处于低电平时，三极管导通，蜂鸣器发声；当基极处于高电平时，三极管关闭，蜂鸣器不发声。

3 实物电路

通过Protel软件将以上各组成电路的相关元件通过合理方式进行连接，选取并设置参数后绘制完成PM2.5检测系统的整体电路结构，然后生成PCB印刷电路并调整好走线如图2所示，最后购买各个元件进行安装和焊接等工作，此时应考虑到选择合适的壳体、板子大小、元件指标和经济性。图3为最终焊接好的检测系统实物图。

4 结语

为了方便人们实时了解环境中PM2.5颗粒状况，从而及时采取对应措施，本文设计了一种以STC89C52单片机为主控芯片，GP2Y1010AUOF粉尘传感器为感应单元的PM2.5检测系统，能够保证对PM2.5浓度测量的精确性和简便性，具有广阔的市场前景。

参考文献

[1]孙波，李爽.PM2.5检测方法及研究进展[J].山东化工，2015，44（9）：56-57.

[2]杨永杰，张裕胜，杨赛程，张小美.一种PM2.5检测传感器设计[J].传感器与微系统，2014，33（3）：76-78.

[3]王路，曲伟，胡家骏.多功能PM2.5检测系统[J].黑龙江大学工程学报，2016，7（1）：66-72.

[4]张毅刚，彭喜元.单片机原理与应用设计[M].北京：电子工业出版社，2010.