李錫渝 李金璐

摘要：利用單片機實現空氣中PM2.5及甲烷值的檢測。選用了STC51單片機，制成的一個簡單便攜的空氣質量檢測系統，實現對空氣中甲烷（CH4）和PM2.5（粉塵濃度）的檢測，檢測結果在LCD1602顯示，當檢測值超出標準值時峰鳴警報。設備完成軟、硬件調試后能夠實時測到甲烷及PM2.5的值，結果達到設計要求。

關鍵詞：STC89C51；瓦斯（甲烷）；可吸入顆粒物；液晶；傳感器

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）12-0255-03

Realization of PM2.5 Detection With Single Chip Microcomputer

LI Xi-yu， LI Jin-lu

（Computer College of China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China）

Abstract： Detection of PM2.5 and methane in air by using single chip microcomputer. A simple and portable air quality testing system based on STC 51 microcomputer is used to detect air methane （ CH4 ） and PM 2.5 dust concentration detection， test results in the LCD1602 show that when the detection value exceeds the standard value ，the alarm will sound. After the equipment is debugged the value of methane andPM2.5can be measured in real time， and the result meets the design requirements.

Key words：1：STC89C512：Gas（methane）3：PM2；LCD；sensorp

當下的空氣污染現在已經嚴重到影響人們的日常生活，并且對于人類的健康造成的危害越來越嚴重，并且隨著時代的進步人們對空氣污染的意識越來越嚴重，同時也更加注重自己的身體健康。

在設計中嘗試利用感應裝置采集空氣中可吸入顆粒物的濃度及瓦斯的電信號，通過A/D轉換為數字信后利用51單片機實現數值處理后的輸出?？諝庵锌晌腩w粒物（文中稱PM2.5）的檢測以及瓦斯（文中稱為甲烷或CH4）氣體濃度的檢測，當空氣中CH4濃度在5%～15%時存在爆炸的隱患。

1總體設計

系統使用單片機為主要元件，檢測空氣中的甲烷含量和PM2.5數值，系統可以實時獲取PM2.5數值；其中由于甲烷傳感器的特殊性，需要大約1分鐘的預熱時間后才能實時獲取數據；通過對按鍵的切換，實現對甲烷、PM2.5實時數據檢測，其中當甲烷指數超標則蜂鳴報警。

設計分為硬件設計和軟件設計，硬件設計基于單片機及I/O的進行的設計，首先需要對硬件進行選擇，要求各元件之間能夠相互配合完成設計要求；軟件設計部分首先是信號的感應、數據采集、A/D數值的轉換、按鍵的控制、最后通過LCD顯示檢測數據；設計涉及了串口通信的協議，檢測得到的數據可以通過串口在PC機上顯示。

電路通過A/D轉換將電壓信號轉化為數據信號輸入到單片機中，傳感器原件外接到單片機上，單片機對采樣值進行處理后然后經過通道進行傳輸，然后單片機根據得到的信號處理后輸出檢測值；在檢測甲烷時當采樣值超過指標后的報警檢測，這部分需要將設定值與測量值進行比較。

2 硬件設計

MCU選擇的是可靠性及擴展性成熟的STC89C51單片機。該單片機具有4K的可重擦閃存存儲器，并且具有良好的可兼容性，由于本身的產品指令和引腳，時鐘頻率在0Hz-24MHz具有三級的加密存儲器，有兩個16位定時/計數器，I/O接口線可編程的有32個，具有6個中斷源，并且低功耗的空閑和掉電模式，需要穩(wěn)定的電壓供給，并且有復位信號線，但輸入的信號連續(xù)為兩個高電平時有效，兩個高電平時復位信號才能夠正常的顯示，全雙工串行的UART通道，中斷可以從空閑的模式中喚醒系統，靈活的在線系統編程。

MCU晶振電路由一個晶體振蕩器和兩個22pF的瓷片電容組成，時鐘電路主要是能夠產生在單片機工作所需要的時鐘信號，時序的主要功能是研究指令在執(zhí)行的過程中存在的相互之間的關系。

5l 單片機的復位引腳RST（第9 管腳）出現2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作，當單片機的引腳持續(xù)為高電平的，此時單片機的狀態(tài)就是復位的循環(huán)狀態(tài)。

按下復位按鍵RS1時就會將電容短路，C11兩端就會形成回路，然后電容被短路，快速放電接近了0V，然后按鍵點就形成了高電平復位的信號，單片機就開始復位，松開按鍵后，電容C11就又開始充電，充電過程相當于系統加電，實現單片機復位。

圖2描述了各個原件之間的引腳相連，在這個圖中可以看出的是各個原件之間的鏈接順序，以控制器為核心經過控制器進行轉換，最后通過控制器進行數據處理。

氣體傳感器主要以半導體和電化學型為比較普遍。從傳感器采集到的信號必須要經過采集、放大、過濾、轉換才能夠在單片機上進行處理，設計中應用甲烷傳感器MQ5和粉塵傳感器GP2Y1010AU0F。

MQ5傳感器的工作原理：該氣敏傳感器MQ5主要是半導體器皿傳感器，是利用待測的氣體與半導體體表面接觸式，產生的電導率的物性變化來對氣體進行的檢測。

甲烷采集用傳感器MQ5具有以下特性：

（1）當空氣中的氣體比較清潔時，此時對于元件本身的電導率就是比低的狀態(tài)，當環(huán)境中出現其他可燃的氣體時，氣體的濃度增加，電導率就發(fā)生變化，使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。

（2）傳感器對一些可燃性氣體例如（丁烷、丙烷、甲烷）的靈敏度高，而且對甲烷和丙烷的兼顧性比較。這種傳感器能夠檢測多種可燃性氣體，傳感器本身來說是一個比較成本比較低的傳感器。

圖3是MQ5傳感器的基本測試電路。在測試時需要給傳感器施加兩個電壓：加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）。其中VH是提供傳感器所需要的工作溫度。VC 則是用于測量負載電阻的電壓。

粉塵采集傳感器GP2Y1010AU0F可以測量0.8微米的以上的微小粒子，可以感知煙草的等空氣中存在的細小顆粒，由于體積小便于安裝的特點，并且檢測的靈敏程度比較高，所以選擇這款傳感器檢測粉塵。

圖4 GP2Y1010AU0F傳感器內部圖

GP2Y1010AU0F傳感器對較小的顆粒比較敏感。粉塵傳感器的工作原理是利用光的散射原理對空氣中細小的顆粒的濃度進行感應，當細小顆粒附著在感應器上后，就引起電信號的變化，電信號傳送給控制器通過A/D轉換傳給單片機。

ADC0832模數轉換器具有8位分辨率、A/D轉換的雙通道、TTL/CMOS與輸入輸出電平相兼容、當工作電壓在0～5v之間時工作電壓為5v、工作頻率在大約處于250KHZ左右、轉換時間比較短為32微妙，功耗比較低為15MW的優(yōu)點。

顯示模塊LCD1602用作數據顯示器，其字符尺寸2.95×4.35mm，能夠顯示的容量是32個字符，芯片的工作電壓主要是在4.5～5.5V之間，工作電流主要是2.0mA，是在工作電壓5V的情況下，同時能夠最佳的體現芯片的功能的工作電壓是5V，引腳功能對于LCD1602來說，采用的會是14腳或16腳接口，分別是無背光、帶背光，下面是各引腳的接口說明。

壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在銀電極兩端的陶瓷涂層，并經過極化處理后，用黃銅或者不銹鋼片粘在一起。

按鍵模塊設計中使用五個按鍵，其中一個按鍵是復位按鍵，其他是對數據甲烷測試標準進行測試、切換甲烷和粉塵的檢測。按下K1鍵第一次設置MQ5報警上線K2+，K3--，按下K1鍵第二次退出設置。K4鍵用于切換顯示，開機顯示甲烷檢測數據，按下K4顯示粉塵檢測數據，再按K4顯示甲烷檢測數據。

串口通信電路設計中使用Max232芯片實現串行單工通信方式，實現單片機向PC機發(fā)送信息，在PC機中能夠查看采集的數據。Max232芯片是可以兼容多種通信的，供電電流5mA，其兼容性使其符合所有的RS-232的技術標準，片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉能力，能夠產生+10V和-10V電壓V+、V-，對于Max232芯片的主要供電只需要+5V電源供電即可，具有比較高的集成度，片外最低只需4個電容即可工作，比較方便控制，同時在內部有兩個RS-232的驅動，這個芯片主要是為電腦的RS-232的標準串口設計的接口芯片，電荷泵電路，主要是由1、2、4、3、6、5和四個電容組成，功能主要是提供RS-232的串口電平的需要，由于Max232的主要功能是數據轉換所以，數據轉換通道是7、9、10、8、11、14、12、13，構成的兩個數據通道，其中第一數據通道，13（R1IN）、12（R1out）、11（t1in）、14（T1OUT）位為第一數據通道，8（R2IN）、9（R2out）、10（t2in）、7（T2OUT）為第二數據通道.，最后一部分是供電部分15引腳DNG、16引腳VCC，工作原理TTl/CMOS數據從T1in、T2out輸入準換成RS-232數據然后從T1out、T2out送到電腦中，然后插頭中的額數據RS232從R1in、R2in轉換成TTl/CMOS從R1OUT、R2OUT出去。

RS-232是PC機上多串行接口的協議，RS-232是PC串口和設備間點對點的通信協議。

3 軟件設計

軟件設計部分使用基于51單片機的KEIL軟件，由于代碼過于煩瑣且文章限于電路部分設計就不再對代碼設計展開，讀者可以根據自己的實際需求和不同代碼平臺的掌握程度，根據業(yè)務流圖完成自己的代碼設計。

4 結束語

在基于單片機的空氣顆粒物檢測的設計中，首先是選擇低功耗元件，從單片機、LCD、及其他電路設計中，基本上選擇功耗低、穩(wěn)定性強的設備，與同類設計及產品實現相比，用51單片機的PM2.5的檢測實現了簡單易用、成本低、線路簡單、體積小、易于維護的特點。由于甲烷MQ5傳感器檢測前需要一分鐘預熱時間，其他工作基本實現開機即可檢測。

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