基于单片机的新型环境实时检测仪设计

徐崟杰 谢真真

摘 要：随着工业发展，人民生活不断提高，各种新材料、新能源大量使用，不可避免的給人类的居住环境带来了负面影响，空气质量的恶化成为眼下人们最为关切的问题。空气恶化使人类引起一系列呼吸道病症，危害身心健康。尤其是PM2.5，各大中城市也将PM2.5作为天气预报一项重要指标，国家政府出台政策，一方面从源头控制污染源，一方面增加空气质量监控。市面上检测空气PM2.5的仪器不少，往往功能比较单一，此环境检测仪旨在能够方便携带外出使用。采集的数值经过模数转换，再传输给单片机，经过单片机的计算后，在液晶显示屏显示实时的PM2.5数值。也能够在日常作为小家电放置在厨房进行实时一氧化碳浓度的检测，在超过预设值时自动报警。还具有温、湿度与定时器功能，作为烹饪菜肴时定时器使用。在电源上可以选择直插供电也可以电池供电保证了仪器的可持续性。

关键词：环境检测仪 pm2.5数值 一氧化碳浓度

1 环境检测系统的应用现状及种类

环境检测系统的发展现状由以前人工采样和实验室分析为主 ，向自动化、智能化和 网络化为主的检测方向发展；由劳动密集型 向技术密集型方向发展：由较窄领域向全方位领域监测的方向发展；由单纯的地面环境监测向与遥感环境监测相结合的方向发展： 环境监测仪器将向高质量、多功能、集成化、自动化、系统化和智能化方向发展而它的检测的方向将是物理、化学、生物、电子、光学等技术综合应用的高技术领域发展。目前环境检测开始采用单片机或者 PLC 为系统核心 ，组成多功能检测系统 ，从而实现对环境高效、快速、精确、集成化、智能化的检测要求，而采用单片机就环境状况的某一个环境因子单独去测量研究，具有性能稳定可靠，应用前景广泛。

2 国内外检测PM2.5主要的设计方法

2.1 重量法

重量法通俗来讲指直接将大气流中的PM2.5颗粒被截留在滤膜上，然后用天平直接称重。但是仍然会有一些比较较小的颗粒会穿过滤膜，但是这些颗粒较小重量可以忽略对重量的影响不大。

2.2 微量振荡天平法

微量震荡天平法相对来说就没有那么高的检测精度，但是它并不像重量法那样的复杂，它主要是靠颗粒通过他的传感器（锥形管构成）改变其震荡的频率，也就是说空气中的颗粒被截留在可随时更换的滤膜上，导致振荡频率发生变化，这是就可以根据频率的变化来检测此时的颗粒浓度。

2.3 Beta射线法/β射线法

Beta射线法基本上可以跟微量震荡天平法是一个性质类的，此方法是根据射线衰减的原理来实现的，就是当射线照射在通过空气的颗粒时，相应的接收到的射线就会相应的减少。减少的多少，根据换算公式就会计算出颗粒物的浓度大小。

2.4 光散射法

光散射的原理是指；空气中的颗粒物对光具有一定的散射作用并且根据浓度的不同散射的值也就相应的会有所不同，浓度较高时，对光的散射也不会相应的提高，测定光值以后，通过相应的换算公式也就会得到其浓度值。

2.5 温湿度检测设计方法

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。DHT11的性能也很良好，其供电电压： 3.3～5.5V 单总线数字信号测量范围： 湿度20-90%RH，温度0～50℃；测量精度：湿度+-5%RH，温度+-2℃；分辨率：湿度1%RH，温度1℃ ；互 换 性：可完全互换，长期稳定性： <±1%RH/年。综合看来，DHT11传感器性能良好，体积小巧、接口简单、响应速度快、性价比高，可以作为理想的湿度传感器选择。

3 一氧化碳检测设计方法

MQ-7气体传感器的气敏材料，是用在清洁空气中电导率低的二氧化锡 （SnO2）。采用高低温循环检测方式低温（1.5V加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5.0V加热）清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

3.1 系统总体设计

本设计主要由单片机最小系统、pm2.5检测、一氧化碳检测、温湿度检测、时钟信号电路、A/D模数转换、按钮输入、复位电路、液晶显示器和报警电路等部分组成。其中单片机最小系统是单片机工作的基础，pm2.5检测传感器实现对pm2.5的检测，温湿度检测传感器实现对温湿度的检测，一氧化碳检测传感器实现对一氧化碳的检测，A/D模数转换电路实现对传感器输出模拟量的转换，键盘输入电路完成对报警值得整定，液晶显示电路实时显示测量值和报警值，当测量值高于设定值时，报警电路报警，当测量值低于设定值时，报警电路不工作，复位电路完成对系统的复位。

各模块功能如下：

1）按钮输入：用于完成报警值参数调整的功能。

2）显示模块：用于完成对系统测量值和报警值得显示。

3）复位电路：完成系统的复位。

4）报警电路：实现系统的报警。

5）传感器检测：实现对pm2.5，温湿度，一氧化碳浓度的检测。

6）A/D转换电路：用于完成传感器输入模拟量转换成数字量。

3.2 硬件电路设计

1）单片机

本系统采用的AT89S51属于一个低功耗，高性能CMOS8位单片机片内含4kBytes ISP的可以反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采取ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS -51指令系统以及80C51引脚结构，芯片内综合集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。AT89S51具有以下特点：40个引脚4k Bytes Flash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（ RAM）， 32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

2）温湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

3）一氧化碳传感器

MQ—7型一氧化碳传感器的表面电阻Rs，是对过与其它串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出而获得的。二者之间的关系为：RS/RL=（VC-VRL）/VRL，回路测得在传感器由洁净空气转移至一氧化碳气氛中时，RL上的信号输出变化情况，输出信号的测定是在一个完整的加热周期（由高电压至低电压2.5分钟）或在两个完整的加热周期内测得。

MQ—7型气敏元件的敏感是用非常稳定的二氧化锡制成的，因此，它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达5年。

4）模数转换ADC0832

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高 分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要 求。其内部电压输入与参考电压的复用，使得芯 片的模拟电压输入在0～5V 之间。芯片转换时间仅 为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以 减少数据误差，转换速度快且稳定性能強。独立 的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变 的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

5） 报警电路

报警电路采用蜂鸣器，三极管8550驱动，和单片机的P13相连接，当P13口为高电平，蜂鸣器不报警，当P13口为低电平，蜂鸣器报警。电路图如下图所示。

6）开发环境

Keil uVision2 是德国 Keil Software 公司开发的 51 系列兼容单片机 C 语言软件 开发系统。它使用接近于传统 C 语言的语法来开发程序，与汇编相比，在功能上 、结构性、可读性、可维护性上 C 语言具有明显的优势。由于 C51 己被完全集成到 uVision2 的集成开发环境中，使得该集成开发环境包含C编译器、汇编器、实时操作系统、库管理器和仿真调试器等工具而让在线编程更加容易。

7）中断程序设计

指当出现需要时，CPU暂时停止当前程序的执行转而执行处理新情况的程序和执行过程。即在程序运行过程中，系统出现了一个必须由CPU立即处理的情况，此时，CPU暂时中止程序的执行转而处理这个新的情况的过程就叫做中断。

4 结 论

通过了最后的硬件和软件的模拟调试，本课题的研究工作已经达到预期的要求，归纳起来有以下几点：

（1）本课题实现了对空气中各种有害气体采集，计算，显示功能，具有电路简单、成本低，测量精度高，实用性强等特点。

（2）系统硬件设计通过使用使用的芯片有STC89C51、ADC0832等，以及包括GP2Yl010AUOF传感器，LCD1602液晶显示等。

（3）系统软件设计包括程序初始化、传感器的驱动，模数转换，检测量的计算和显示等。

参考文献

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[8]张洪润 单片机应用技术教程 北京：清华大学出版社，1997，40～56.

作者简介

徐崟杰（1997-），男，汉族，浙江省宁波市，上海工程技术大学， 学生