本實用新型涉及一種空氣檢測裝置，尤其涉及一種簡易的空氣質(zhì)量PM2.5濃度檢測儀器。

背景技術(shù)：

隨著社會體制的日新月異人們對提高生活質(zhì)量的關(guān)注也越來越高，但也因為經(jīng)濟的發(fā)展所帶來的各種環(huán)境污染問題也日漸嚴(yán)重?，F(xiàn)有技術(shù)對于空氣質(zhì)量檢測的設(shè)備種類繁多，本著精益求精的精神，需要不斷的改進(jìn)與創(chuàng)新。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供一種簡易的空氣質(zhì)量PM2.5濃度檢測儀器。

本實用新型通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的：

本實用新型由單片機、鍵盤輸入模塊、復(fù)位電路、灰塵傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、報警電路和顯示模塊組成，所述鍵盤輸入模塊與所述單片機的輸入端連接，所述復(fù)位電路與所述單片機的復(fù)位電路端連接，所述灰塵傳感器的信號輸出端通過所述A/D轉(zhuǎn)換與所述單片機的灰塵信號采集端連接，所述單片機的控制輸出端與所述灰塵傳感器的信號輸入端連接，所述單片機的報警信號輸出端與所述報警電路連接，所述單片機的顯示信號輸出端與所述顯示模塊連接。

具體地，所述單片機的型號為STC89C52最小系統(tǒng)。所述灰塵傳感器為型號GP2Yl010AUOF的光學(xué)傳感器。所述A/D轉(zhuǎn)換的型號為ADC0832。所述顯示模塊為型號LCD1602的液晶顯示屏。

本實用新型的有益效果在于：

本實用新型是一種簡易的空氣質(zhì)量PM2.5濃度檢測儀器，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型通過應(yīng)用單片機和傳感器兩者相結(jié)合從而實現(xiàn)。通過傳感器檢測，實時監(jiān)控空氣中粉塵濃度，當(dāng)超過預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)值之后，通過蜂鳴器報警起到一個警示的作用。采用STC89C52型號的粉塵檢測儀，能夠通過鍵盤進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入，對參考值進(jìn)行合理設(shè)置，通過粉塵傳感器進(jìn)行信息的采集和檢測，利用粉塵檢測儀加以分析和處理，并將檢測結(jié)果顯示在液晶顯示屏上。該粉塵檢測儀原理簡單，能夠?qū)Ω邼舛鹊姆蹓m進(jìn)行測量，能夠?qū)z測條件中的粉塵含量進(jìn)行測試，在公共衛(wèi)生、安全防疫、勞動生產(chǎn)、工礦領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，也是污染調(diào)查、大氣質(zhì)量監(jiān)測的主要手段，為環(huán)保檢測工作的開展創(chuàng)造了有利條件。

附圖說明

圖1是本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本實用新型的單片機部分連接電路圖；

圖3是本實用新型的單片機引腳圖；

圖4是本實用新型的灰塵傳感器的電路連接圖；

圖5是本實用新型的灰塵傳感器的引腳圖；

圖6是本實用新型的A/D轉(zhuǎn)換的引腳圖；

圖7是本實用新型的顯示模塊電路圖；

圖8是本實用新型的報警電路的電路圖；

圖9是本實用新型的供電電路圖；

圖10是本實用新型的工作流程圖；

圖11是本實用新型的鍵盤掃描流程圖；

圖12是本實用新型的中斷工作流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步說明：

如圖1所示：本實用新型由單片機、鍵盤輸入模塊、復(fù)位電路、灰塵傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、報警電路和顯示模塊組成，所述鍵盤輸入模塊與所述單片機的輸入端連接，所述復(fù)位電路與所述單片機的復(fù)位電路端連接，所述灰塵傳感器的信號輸出端通過所述A/D轉(zhuǎn)換與所述單片機的灰塵信號采集端連接，所述單片機的控制輸出端與所述灰塵傳感器的信號輸入端連接，所述單片機的報警信號輸出端與所述報警電路連接，所述單片機的顯示信號輸出端與所述顯示模塊連接。報警電路、LCD顯示、復(fù)位電路、輸入模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換、灰塵采集測量、單片機等共同構(gòu)成了本發(fā)明。在整個系統(tǒng)中，最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)就是單片機。PM2.5檢測器能夠檢測空氣中粒子的含量和濃度。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，將采集到的模擬信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。根據(jù)鍵盤中輸入的信息，對報警值進(jìn)行調(diào)整。測量值和報警值能夠?qū)崟r顯示在液晶屏幕上。如果實測數(shù)據(jù)高于預(yù)設(shè)值，會自動發(fā)出報警信息。如果實際測試數(shù)據(jù)不高于設(shè)定值，報警電路會終止，并自動復(fù)位到原始狀態(tài)。如圖1所示。

具體地，所述單片機的型號為STC89C52最小系統(tǒng)。所述灰塵傳感器為型號GP2Yl010AUOF的光學(xué)傳感器。所述A/D轉(zhuǎn)換的型號為ADC0832。所述顯示模塊為型號LCD1602的液晶顯示屏。

系統(tǒng)功能

采用“粉塵傳感器+報警器+顯示屏+按鍵+單片機”的結(jié)構(gòu)設(shè)計PM2.5粉塵檢測系統(tǒng)。

選擇STC89C52型號的單片機，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，為實際使用提供便利條件。

粉塵傳感器的型號為GP2Y1010AUOF，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，更加方便、快捷。

通過按鍵能夠?qū)缶颠M(jìn)行調(diào)整，為實際使用提供方便。

與AT24C02相連，能夠?qū)崿F(xiàn)掉電保護。

如果粉塵濃度在預(yù)設(shè)值，能夠看出空氣狀況很不錯。

如果粉塵濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)設(shè)值，聲光報警裝置會自動啟動

LCD1602能夠?qū)缶瘽舛?、粉塵濃度等信息顯示在顯示屏上，能夠直接觀看。

單片機技術(shù)指標(biāo)：

電源電壓：5-7V

工作溫度：-10-65攝氏度

消耗電流：20mA最大

最小粒子檢出值：0.8微米

靈敏度：0.5V/(0.1mg/m3)

清潔空氣中電壓：0.9V典型值

工作溫度：-10～65℃

存儲溫度：-20～80℃

系統(tǒng)工作原理：

打開電源開關(guān)之后，能夠根據(jù)測塵原理，把測量得到的濃度信息轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓范圍0-5V。利用ADC0832器件，能夠把信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)據(jù)，為8bit，輸入到單片機內(nèi)。進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)，為3bit，通過輸入輸出解耦庫發(fā)送給液晶顯示屏幕，能夠?qū)⒕唧w信息顯示在顯示屏上。

簡易檢測粉塵儀器系統(tǒng)硬件設(shè)計：

單片機部分：

MCU是擁有完整的一套系統(tǒng)并集成在芯片之上。它擁有的大部分部件：CPU、內(nèi)部存儲、內(nèi)部總線系統(tǒng)及外部總線系統(tǒng)。將定時器、時鐘、通訊接口等設(shè)備集成。單片機系統(tǒng)能夠集成輸出、輸入、網(wǎng)絡(luò)、圖像、聲音傳輸?shù)榷喾N功能，在一個單片機系統(tǒng)之上。粉塵檢測器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)就是CPU，能夠采集、處理數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果顯示在屏幕上，為儀器的運行提供保障，會對系統(tǒng)的工作活動帶來直接影響。如圖2所示，為STC89C52的電路圖，其抗干擾能力強，功耗消耗少，運行速度快，效率高。

1.多功能I/O口

STC89C52共有四個輸入輸出端口，占8位：P0、P1、P2、P3端口，I/O線有32根。每一根線都可以完成輸入和輸出。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

RST復(fù)位輸入端口。在振蕩器運行的時候，端口引腳上出現(xiàn)2個高機器周期的高電平。如果看門狗定時器出現(xiàn)溢出，會導(dǎo)致單片機的管腳發(fā)生震蕩。地址鎖存信號ALE/PROG。在存取外部的存儲器的時候，鎖存低字節(jié)之中地址將用到了輸出信號。在編程的時刻，這條引腳會被輸入PROG。該條件下，通過ALE進(jìn)行外部定時，通過6分頻信號對振蕩器的頻率進(jìn)行控制。會跳過一個ALE脈沖時并每次都會存取對外部數(shù)據(jù)存儲器[5]。如有需要，SFR寄存器中8EH地址的位置會從0變?yōu)?，從而屏蔽ALE工作；這個時候ALE才會被激活必須依靠MOVX或MOVC的指令執(zhí)行。當(dāng)在單片機的外部執(zhí)行命令時，對ALE位置1屏蔽，此時是完全沒有。如果單片機外側(cè)進(jìn)行命令的執(zhí)行，可以直接將ALE置為0。PSEN程序存儲器能夠輸入信號。通過信號對存儲器內(nèi)的代碼進(jìn)行讀取。它們可以把一個機器周期激活兩次。EA/Vpp外部允許存取信號。把EA接到地端進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和傳輸，在地址為0000H～FFFFH的存儲器中將數(shù)據(jù)讀取出來。EA接到Vcc，此時執(zhí)行內(nèi)部的程序。這時存儲器進(jìn)行編程的話，此端口上將接通12V電壓。XTAL1和XTAL2分別為為反相放大器的輸入和輸出。

2.復(fù)位電路

復(fù)位電路能夠把單片機重置到初始狀態(tài)，對指令進(jìn)行執(zhí)行和啟動。該條件下，為單片機接入電源，能夠得到復(fù)位信號，啟動單片機，讓其保持正常的工作狀態(tài)，并對信號進(jìn)行識別。為單片機接入電源以后，能夠得到復(fù)位信號，啟動單片機，讓其正常工作，并對信號進(jìn)行識別和處理，讓單片機開始運行和工作[6]。該條件下，單片機能夠穩(wěn)定運行，由于存在外界干擾，系統(tǒng)會出現(xiàn)問題和故障。通過復(fù)位電路，能夠讓單片機恢復(fù)初始狀態(tài)，重新完成任務(wù)，并執(zhí)行相應(yīng)操作。

在整個單片機電路中，最關(guān)鍵的內(nèi)容就是時鐘電路，對單片機的運行速度和效率進(jìn)行操控，使單片機保持在正常的工作狀態(tài)。而時鐘電路直接決定了其運行速度和效率。

空氣質(zhì)量傳感器(灰塵傳感器)

GP2Yl010AUOF是一種光學(xué)傳感器，能夠?qū)諝赓|(zhì)量、微粒含量和濃度進(jìn)行檢測。在其中內(nèi)部對角的位置上一側(cè)安放著光電晶體管，而另一側(cè)安放著紅外線二極管。這些器件所處的對角位置可以偵測空氣中微粒的反射光線。由于空氣具有流通性，在任何地方都能夠?qū)M2.5的值進(jìn)行測量，在空氣環(huán)境比較優(yōu)良的地方，所得到的最后的精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。如圖4所示，為典型電路。其引腳圖如圖5所示。

模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0832

ADC0832為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，擁有256級的高分辨率，一般的要求完全可以得到滿足。使得芯片在0～5V模擬電壓之間原因是其參考電壓的復(fù)用和內(nèi)部電壓輸入。獨立的芯片輸入可以使處理器控制變化的更便利。利用DI端口，能夠輸入數(shù)據(jù)，對通道功能進(jìn)行選擇。如圖6所示，為芯片引腳圖。

液晶顯示模塊

單片機采集到模擬信號后，經(jīng)過運算處理轉(zhuǎn)換，在液晶顯示屏上面顯示出來測量到的PM2.5值，電路圖如圖7所示。

LCD1602是一種液晶顯示屏，主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，最多能夠顯示32個字符，尺寸為2行，16列。液晶顯示屏是極為常見的設(shè)備，在電子器件、儀器儀表等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。家用電子設(shè)備、電子表中得到廣發(fā)應(yīng)用，能夠進(jìn)行圖形、符號和數(shù)字的顯示。單片機為人機交互提供了可視化界面，包括液晶顯示器、LED數(shù)碼管、發(fā)光管等。LED和發(fā)光管在各種設(shè)備中廣泛應(yīng)用。

將液晶顯示器安裝在單片機系統(tǒng)內(nèi)，能夠進(jìn)行信號的傳輸，且具有下列特征：首先，向液晶顯示器傳輸信號，能夠提高亮度和色彩飽和度，始終對外發(fā)光，光源穩(wěn)定，不會出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，顯示效果要好于CRT顯示器。所以，其畫面效果更佳，并不會出現(xiàn)閃爍的效果。液晶顯示器為數(shù)碼式顯示器，能夠直接連接到單片機系統(tǒng)之中，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，可靠性高[7]。利用電極能夠?qū)σ壕э@示器的分子狀態(tài)進(jìn)行控制，在顯示屏幕上顯示具體效果。相較于傳統(tǒng)顯示器，液晶顯示器的體積較少，重量較輕。與其他驅(qū)動IC和電極相比，液晶顯示器能源消耗較低。

根據(jù)液晶的物理性能，利用液晶顯示屏顯示數(shù)字和圖形，利用電壓控制顯示區(qū)域和效果，能夠?qū)D形、文字顯示在屏幕上。液晶顯示器能夠顯示全色彩效果，能夠直接驅(qū)動，能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行集成，體積較小。PAD、智能電腦、移動終端、數(shù)碼相機等普遍采用液晶顯示屏幕。

報警電路

如圖8所示，為報警電路的電路圖。通過蜂鳴器發(fā)出報警提示音。

供電電路

為電源模塊提供電源，能夠得到直流電壓，電壓幅度為5伏。通過DI發(fā)光二極管作為電源提示燈，限流電阻如R8所示。如圖9所示，為電路圖。

工作流程：

系統(tǒng)包括顯示、PM2.5計算、數(shù)模轉(zhuǎn)換、驅(qū)動傳感器、初始化等模塊。在系統(tǒng)中，各模塊占有極其重要的地位。利用軟件能夠控制單片機的工作，對PM2.5的數(shù)值進(jìn)行測量、計算和顯示。如圖10所示。

濃度參考值的鍵盤設(shè)定

由于空氣里含有不同種類、直徑和濃度的粉塵，粉塵流動量存在一定差異。所以，在實際環(huán)境里，人類活動中吸入的粉塵量也有一定差異。因此，要對環(huán)境進(jìn)行更換，對粉塵濃度值進(jìn)行合理設(shè)置，對粉塵濃度最高值進(jìn)行合理設(shè)置，通過粉塵檢測儀對粉塵濃度和含量進(jìn)行檢測[8]，提醒工作者及時處理粉塵含量過高的問題，立即撤離現(xiàn)場，并采取有效手段減少粉塵。

本模塊利用獨立按鍵將參考信息通過鍵盤輸入到系統(tǒng)內(nèi)，利用單片機對參考值和數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對蜂鳴器的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，利用獨立按鍵能夠切換濃度和參考值，實現(xiàn)顯示效果的轉(zhuǎn)換。

鍵盤掃描的設(shè)計

單片機系統(tǒng)的CPU要對鍵盤進(jìn)行掃描，獲得輸入數(shù)據(jù)。實際操作和處理時，并不會消耗大量的時間。所以，要結(jié)合CPU的工作狀態(tài)，采用性能穩(wěn)定的鍵盤。本系統(tǒng)的CPU占用率較低，因此通過編程完成鍵盤掃描，能夠滿足實際需求。

鍵盤掃描程序的功能：

(a)對鍵盤中各按鍵的狀態(tài)進(jìn)行掃描。通過鍵盤將信息輸入到電路內(nèi)，如果都是“1”，那么表示并沒有按下按鍵。如果有部分按鍵為“0”，就表示按下了某個按鍵。

(b)避免抖動給按鍵帶來的干擾。要對按鍵狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果按下了某個按鍵，軟件會自動延遲10毫秒的時間，對鍵盤狀態(tài)進(jìn)行判斷。假設(shè)按下了某個按鍵，那么會處理該按鍵的抖動情況。釋放鍵盤以后，軟件也會延遲相應(yīng)時間。假設(shè)按鍵處于釋放狀態(tài)。則表示已經(jīng)釋放了這個按鍵。

(c)對按鍵位置進(jìn)行計算。掃描每一個按鍵，對按鍵的位置進(jìn)行確定。如圖11所示。

信號采集的程序

由于粉塵濃度的測量結(jié)果是模擬信號，為連續(xù)變化的。利用粉塵采集器能夠?qū)Νh(huán)境里的粉塵濃度進(jìn)行檢測，利用信號放大器把模擬的粉塵濃度的檢測結(jié)果轉(zhuǎn)變成模擬信號[10]，利用放大器對信號進(jìn)行放大處理，電壓值為0～5V。

中斷工作流程

實際運行時，如果發(fā)生問題和故障，會導(dǎo)致新問題的出現(xiàn)，要通過CPU加以解決。CPU能夠讓其他程序暫停，開啟新的任務(wù)。終止舊任務(wù)、開啟新任務(wù)的活動即為終端。

通過定時器終端為傳感器進(jìn)行驅(qū)動和控制。把定時器的工作狀態(tài)設(shè)置成1，開啟中斷后會重新賦值。如圖12所示，為本系統(tǒng)的流程圖。

實驗結(jié)果分析

經(jīng)過學(xué)習(xí)和研究，設(shè)計了一個粉塵測試儀。進(jìn)行粉塵測試儀的設(shè)計時，要根據(jù)其功能和原理，設(shè)計電路圖，對系統(tǒng)各模塊進(jìn)行分析和研究，通過LCD顯示、信號轉(zhuǎn)換和采集模塊，實現(xiàn)信號的采集。根據(jù)電路圖，進(jìn)行代碼的編寫，仿真檢驗設(shè)計是否合理。

本文設(shè)計的粉塵測試儀，提供了可視化界面，結(jié)構(gòu)簡單，未來發(fā)展前景廣闊。在設(shè)計電路時，不能忽略主觀能動性的作用，掌握更多的是指和技能。

全面測試系統(tǒng)的各項功能和指標(biāo)，通過傳感器采集顆粒和粉塵濃度信息，立即做出反應(yīng)，盡量縮短等待時間。當(dāng)單片機收集運算處理的模擬信號達(dá)到參考值時會對外發(fā)出報警提示音，穩(wěn)定性、可靠性顯著提高。數(shù)模轉(zhuǎn)換器為12位，具有高達(dá)3.3V/4096＝0.000的分辨率，即0.8mV。能夠使數(shù)據(jù)完整、有效，測量江都也顯著提高。

結(jié)論

通過了最終的硬件與軟件的的仿真、模擬和調(diào)制，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，取得了顯著的成果。

通過采集粉塵顆粒濃度，對PM2.5的數(shù)值進(jìn)行計算，在顯示屏幕上顯示測量結(jié)果，電路結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，具有較高的精確度和準(zhǔn)確度，1ug/m³、易于使用和操作。

在設(shè)計時，要全面分析各種問題，根據(jù)具體情況設(shè)計了相應(yīng)的功能。在實驗中反復(fù)驗證，具有更高的穩(wěn)定性和可靠性，性價比更高，具有較強的控制能力，真正實現(xiàn)了對監(jiān)測現(xiàn)場的實時了解和控制。

以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征及本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。