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空氣粉塵濃度檢測(cè)器電路設(shè)計(jì)與軟件編程
隨著人類(lèi)工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我們的環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)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(gè)十分突出的問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)》新增了對(duì)PM2.5的檢測(cè)指標(biāo)，PM2.5成為空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之一。數(shù)據(jù)表明，我國(guó)空氣質(zhì)量標(biāo)的城市中68%都存在可吸入顆粒物的問(wèn)題[2]。由此可以看出粉塵對(duì)人類(lèi)健康和生產(chǎn)的危害十分嚴(yán)重。所以，粉塵濃度的檢測(cè)和控制具有重要的意義。
本文介紹一種簡(jiǎn)易粉塵濃度檢測(cè)器的設(shè)計(jì)，能夠?qū)諝夥蹓m進(jìn)行采樣分析，可以測(cè)量出空氣中的粉塵濃度，測(cè)量數(shù)據(jù)直觀(guān)易懂，測(cè)量結(jié)果可靠。
1 系統(tǒng)工作原理
單片機(jī)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(guò)電阻與按鍵串聯(lián)將信號(hào)輸入模擬口，通過(guò)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(xiàn)的8位遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展口芯片PCF8574進(jìn)行引腳簡(jiǎn)化。
將粉塵檢測(cè)器電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)，當(dāng)傳感器得到一個(gè)由粉塵濃度轉(zhuǎn)換得來(lái)的0～5V的電壓信號(hào)時(shí)，進(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)通過(guò)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(dòng)而變化。同時(shí)鍵盤(pán)設(shè)定預(yù)警值送入單片機(jī)，與測(cè)量值一同顯示出來(lái)。當(dāng)采集的當(dāng)前粉塵濃度大于預(yù)警值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。
2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
2.1 電路總體設(shè)計(jì)
以ATmega328p單片機(jī)為核心，主要包括單片機(jī)處理模塊，信號(hào)采集模塊，獨(dú)立按鍵模塊，顯示模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊。系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)采集模塊采集空氣中的粉塵，得到0～5V的電壓信號(hào)后，由單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到粉塵濃度，與此同時(shí)，通過(guò)獨(dú)立按鍵模塊設(shè)定濃度預(yù)警值，通過(guò)液晶顯示模塊將粉塵濃度和預(yù)警值同時(shí)顯示在顯示屏上。當(dāng)檢測(cè)值大于預(yù)警值時(shí)就會(huì)自動(dòng)通過(guò)蜂鳴器報(bào)警模塊報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖所示：
2.2 單片機(jī)處理模塊
設(shè)計(jì)選用ATmega328p單片機(jī)，該單片機(jī)配合Arduino uno使用，可以更加方便的用外接模塊進(jìn)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(lái)轉(zhuǎn)換傳感器輸出的信號(hào)，從而得到粉塵濃度。
2.3 信號(hào)采集模塊
GP2Y1010AUOF是一款由日本夏普公司開(kāi)發(fā)的光學(xué)濃度檢測(cè)傳感器。此傳感器內(nèi)部成對(duì)角線(xiàn)分布的紅外發(fā)光管和光電晶體管，利用光敏原理來(lái)工作，依靠輸出脈沖的高度來(lái)判斷顆粒物濃度。同時(shí)，傳感器內(nèi)部有信號(hào)放大電路，可以對(duì)光電信號(hào)進(jìn)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(duì)角位置布置，利用發(fā)光二極管發(fā)射光線(xiàn)，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(shí)傳感器里的空氣傳導(dǎo)設(shè)備就會(huì)產(chǎn)生一定的作用使空氣流通。此設(shè)計(jì)能夠檢測(cè)到小的微粒，甚至非常小的煙草顆粒，測(cè)量結(jié)果比較。
由于GP2Y1010AUOF對(duì)驅(qū)動(dòng)的LED的脈沖要求較高，輸入信號(hào)采樣周期為10ms±1ms；輸入高脈沖的寬度為0.32ms±0.02ms。所以對(duì)于采樣信號(hào)，需要等待輸入信號(hào)出現(xiàn)高脈沖以后再計(jì)時(shí)0.28ms進(jìn)行采樣[3]。
2.4 獨(dú)立按鍵模塊
按鍵部分是通過(guò)電阻與按鍵串聯(lián)將信號(hào)輸入模擬口，通過(guò)讀取模擬值的不同判斷按鍵值。因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換是將模擬的0～5V電壓轉(zhuǎn)換成八個(gè)二進(jìn)制位，八個(gè)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的范圍為0～255，所以只需設(shè)置三個(gè)獨(dú)立按鍵分別獨(dú)立輸入預(yù)警值的百位，十位，個(gè)位。鍵盤(pán)每按下一次則相應(yīng)位上數(shù)據(jù)增加1，當(dāng)數(shù)據(jù)設(shè)定完成后通過(guò)I/O口輸入單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)的處理轉(zhuǎn)換為三位十進(jìn)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(xiàn)的8位遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展口芯片PCF8574進(jìn)行引腳簡(jiǎn)化。LCD1602是工業(yè)字符型液晶，可同時(shí)顯示16×2即2行，每行顯示16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。因?yàn)橐瑫r(shí)顯示粉塵濃度的檢測(cè)值和預(yù)警值，所以L(fǎng)CD1602的兩行顯示功能已經(jīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)。
2.6 蜂鳴器報(bào)警模塊
當(dāng)采集到的環(huán)境中的粉塵濃度大于預(yù)警值時(shí)，單片機(jī)就會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)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(chǎng)。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機(jī)的I/O口是無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。我們采用三極管來(lái)放大電流。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)初始化模塊、驅(qū)動(dòng)傳感器模塊，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，粉塵濃度計(jì)算和顯示等模塊，單片機(jī)通過(guò)軟件程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的控制，測(cè)量并顯示粉塵濃度。軟件部分設(shè)計(jì)需要利用單片機(jī)所產(chǎn)生的周期為10ms的脈沖波形驅(qū)動(dòng)傳感器內(nèi)部的LED發(fā)光，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)進(jìn)行LCD1602的顯示和定時(shí)器定時(shí)。單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖波形加在GP2Y1010AU0F上，傳感器將輸出一個(gè)0～5V電壓，可通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的粉塵濃度值，后通過(guò)LCD1602顯示出來(lái)，如果空氣粉塵濃度過(guò)了預(yù)警值，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警。
4 總結(jié)
本文主要介紹了簡(jiǎn)易粉塵檢測(cè)器的設(shè)計(jì)，在單片機(jī)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(jì)，然后結(jié)合各模塊的硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的功能，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。結(jié)果表明，該粉塵檢測(cè)儀測(cè)量結(jié)果可靠。
