西安培華學(xué)院，陜西　西安　710125

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霧霾監(jiān)測系統(tǒng)的研究*

西安培華學(xué)院，陜西西安710125

摘要：本文闡述用單片機、粉塵傳感器和液晶顯示器構(gòu)成的霧霾監(jiān)測系統(tǒng)，對霧霾檢測結(jié)果進(jìn)行分類整理，將分析整理數(shù)據(jù)通過顯示模塊顯示，語音播報空氣污染等級，給出出行建議，降低霧霾天氣對人們健康的影響。

關(guān)鍵詞：霧霾；PM2.5；單片機；粉塵傳感器

隨著社會進(jìn)步，各種造成霧霾天氣的因素相繼出現(xiàn)。霧霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物組成，它們與霧氣結(jié)合在一起，使能見度降低，空氣質(zhì)量惡化，嚴(yán)重影響人們生活和健康。PM2.5就是檢測霧霾濃度的主要指標(biāo)，就是直徑小于等于2.5微米的污染物顆粒。習(xí)近平在北京考察時指出改善空氣質(zhì)量的首要任務(wù)是控制PM2.5。

一、系統(tǒng)研究的意義

根據(jù)世界衛(wèi)生組織相關(guān)報告可知，全球大多數(shù)城市和農(nóng)村局遭受霧霾影響，影響這些區(qū)域的死亡率。高污染城市中的死亡率超出相對清潔城市15%至20%。氣象專家和醫(yī)學(xué)專家認(rèn)為，霧霾天氣對人體健康危害要比沙塵暴更大。PM2.5中的組成包括數(shù)百種大氣化學(xué)顆粒物質(zhì)，這些固體小顆粒能直接進(jìn)入并粘附在人體呼吸道和肺泡中。同時，會阻礙正常的血液循環(huán)，導(dǎo)致心血管病、高血壓、冠心病、腦溢血，可能誘發(fā)心絞痛、心肌梗塞、心力衰竭等。霧霾天氣還可導(dǎo)致近地層紫外線的減弱，使得兒童紫外線照射不足，體內(nèi)維生素D生成不足，影響人體對鈣的吸收，嚴(yán)重的會引起佝僂病。持續(xù)大霧天對會給人造成沉悶、壓抑的感受，會刺激或者加劇心理抑郁的狀態(tài)。因此，對PM2.5的監(jiān)測與治理便顯得越來越重要。

二、主要內(nèi)容和系統(tǒng)方案

本統(tǒng)主要是檢測空氣中PM2.5的值，它由單片機、粉塵傳感器、顯示電路、報警電路等模塊組成，其基本的實現(xiàn)方法是粉塵傳感器從空氣中檢測有害懸浮顆粒的數(shù)據(jù)，經(jīng)過STC12C5A60S2單片機控制中心進(jìn)行參數(shù)比較和分析處理后，將相關(guān)的信息參數(shù)在LCD1602液晶顯示屏實時顯示，并將空氣質(zhì)量等級分為3級，系統(tǒng)在實時監(jiān)測PM2.5濃度的同時，根據(jù)當(dāng)前檢測濃度等級亮起相應(yīng)的燈，當(dāng)空氣中的PM2.5濃度超限時，蜂鳴器、LED聲光報警，并將以上數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布到校園網(wǎng)和學(xué)生手機上。

(一)系統(tǒng)程序流程與方案結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)基本框架主要通過5個模塊的電路設(shè)計實現(xiàn)功能，他們分別是主控單元、LCD顯示模塊、粉塵傳感器、報警電路、污染等級顯示電路。

1.系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)可以檢測空氣質(zhì)量的好壞，采用USB供電，通電后實時顯示測量的PM2.5值，LCD1602上顯示當(dāng)前空氣質(zhì)量的等級(共3等級)，當(dāng)空氣中PM2.5濃度超限時，蜂鳴器、LED出現(xiàn)聲光報警。

本設(shè)計是應(yīng)用單片機，固體懸浮顆粒檢測傳感器和液晶顯示器設(shè)計一種單片機固體懸浮顆粒檢測儀，固體懸浮顆粒傳感器從空氣中檢測有害懸浮顆粒的數(shù)據(jù)，經(jīng)過設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較和分析處理后，相關(guān)信息參數(shù)在LCD液晶顯示屏實時顯示，當(dāng)達(dá)到限制值時，給出報警信號，并向上層管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。控制器的組成是固體懸浮顆粒檢測傳感器，單片機控制單元主要采用8位的單片機STC12C5A系列，采用C語言進(jìn)行檢測控制的軟件程序編寫。

2.主控單元STC12C5A60S2

本系統(tǒng)是以12C5A60S2單片機為控制核心，另外通過6個模塊的電路設(shè)計實現(xiàn)功能，他們分別是LCD顯示模塊、粉塵傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、報警電路、污染等級顯示電路。單片機的最小系統(tǒng)就是讓單片機能正常工作并發(fā)揮其功能時所必須的組成部分，也可理解為是用最少的元件組成的單片機可以工作系統(tǒng)。可分為四個部分：(1)晶振：大小由單片機時鐘周期要求而決定，用于計時，與兩個電容并聯(lián)使用，電容大小由晶振決定，用22pF；(2)復(fù)位電路：用于復(fù)位；(3)電源：用于供電，用電腦的USB口供電；(4)燒制程序的口：只用串口輸入。

3.LCD1602液晶顯示屏

LCD顯示器分為字段顯示和字符顯示兩種。本系統(tǒng)采用LCD1602字符型顯示，這是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，比起字段性顯示字符液晶屏，具有顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、控制簡單、成本低等優(yōu)點，而且不需要外加驅(qū)動電路的特點，現(xiàn)在液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用的顯示器件了。LCD1602可以顯示2行16個漢字。

4.粉塵傳感器

本系統(tǒng)采用日本生產(chǎn)的Sharp's GP2Y1010AU0F 是一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，體積小，靈敏度高，其內(nèi)部對角安放著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，而且內(nèi)置氣流發(fā)生器裝置，可以自行吸入外部空氣，通過吸入空氣使得其能夠探測到空氣中塵埃反射光，檢測出空氣中粉塵濃度。該傳感器具有非常低的電流消耗(最大20mA，典型值11mA)，可使用高達(dá)7V(DC)，該傳感器輸出為模擬電壓，值為0.9V，其值與粉塵濃度成正比。用來測量0.8微米以上微笑粒子，可用來檢測煙草產(chǎn)生煙氣和花粉，房屋粉塵等的濃度。

5.污染等級顯示和報警電路模塊

該設(shè)計將空氣質(zhì)量的等級分為3級，在實時監(jiān)測濃度同時根據(jù)當(dāng)前檢測濃度亮起相應(yīng)的燈，空氣質(zhì)量良好，藍(lán)色LED亮，空氣質(zhì)量中度污染，黃色LED亮，當(dāng)空氣中的PM2.5濃度超限時，表示空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染，紅色LED亮，蜂鳴器報警LED聲光報警。

三、軟件設(shè)計

(一)C語言簡介

本系統(tǒng)采用C語言編程，主要使用if、while等判斷語句，當(dāng)空氣中出現(xiàn)不同濃度的粉塵時，粉塵傳感器模塊發(fā)出信號，主控單元解碼后響應(yīng)相應(yīng)功能，綠燈亮起，空氣質(zhì)量良好，紅燈亮起，空氣質(zhì)量較差，綠燈紅燈同時亮起，空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染。

(二)軟件介紹

Protel DXP運行在優(yōu)化設(shè)計瀏覽器平臺上，并且具備當(dāng)今所有先進(jìn)的設(shè)計特點，能夠處理各種復(fù)雜的PCB設(shè)計過程。通過設(shè)計輸入仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)渥詣硬季€、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)融合，Protel DXP提供全面設(shè)計解決方案。

[參考文獻(xiàn)]

[1]胡漢才.單片機原理與接口技術(shù)[J].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]彭軍.傳感器與監(jiān)測技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013.

中圖分類號：X84

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-0049-(2016)06-0056-01

作者簡介：張亞梅*張亞梅(1981-)，女，西安培華學(xué)院，工程師，研究方向：電子信息、物聯(lián)網(wǎng)。

*西安培華學(xué)院2014年校級科研項目階段性成果，課題名稱：霧霾監(jiān)測系統(tǒng)的研究(課題編號：PHKT20140751)。