基于单片机的PM2.5测试仪的设计与实现

时间：2021-12-23 14:39:55

关键字： PM2.5 单片机粉尘浓度自动检测

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[导读]摘要：PM2.5作为雾霾的重要组成部分，其颗粒物直径小，含有高浓度的有毒、有害物质并且在空气中长时间保留、远距离漂浮等特性，使得对PM2.5的检测和治理成为当务之急。本设计采用MSP430F149单片机为控制中心，由GP2Y1010AU0F 光学空气质量传感器测量空气粉尘浓度，通过单片机内置的12位AD转换将模拟的电压信号转换成数字信号，然后由单片机进行数据的处理，最后由LCD1602显示屏显示当前空气粉尘浓度，当浓度超过设定阈值时报警。实践证明，该PM2.5测试仪电路设计简单、稳定，性好、测试精度高、体积小、价格低，具有一定实用价值。

引言

随着工业的快速发展，空气质量不断恶化，阴霾天气现象逐渐增多，危害情况不断加剧。PM2.5、PM10、PM0.1及其吸附的重金属(如Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn等)粒子为雾霾的重要组成部分。颗粒物的类别是由其直径大小决定的，直径小于2.5 um的颗粒物属于可入肺颗粒物，简称 PM2.5 (Particulate Matter 2.5)，其直径相当于人类一根头发粗细的1/20。2012年2月，《环境空气质量标准》新增了对 PM2.5的检测指标，PM2.5成为空气质量标准评价项目之一。

本次设计的目的是制作一个简易的PM2.5检测装置，让我们在平时的生活中也可随时检测，提醒大家要关注环境问题。

1 PM2.5监测系统

本次设计的PM2.5测试仪的硬件组成是由单片机 MSP430F149、光学空气质量传感器GP2Y1010AU0F、显示模块、A/D模块、报警模块等5部分组成，系统原理图如图1所示, 其系统电路图如图2所示。

图1 PM2.5监测系统基本框图

光学空气质量传感器根据其所实时检测的空气中PM2.5 的含量比例输出模拟电压信号，该模拟电压信号经过A/D 转换，再由单片机数据采集、数据计算、数据处理后，由 LCD1602显示屏对所检测的PM2.5数值进行显示，当检测出来的浓度超过设定的阈值时，系统报警。根据PM2.5检测网空气质量新标准，24小时平均值标准值分布如表1所示。

1.1微处理器单片机的组成

单片机采用了美国德州仪器(TI)公司推出的一类具有 16位总线的带FLASH的单片机MSP430作为监测系统的核心模块，其编址寻址范围可达64K，可外扩展存储器，具有统一的中断管理，片内资源及I/O接口丰富。这款单片机能够满足本设计小型化、低功耗、抗干扰的需求。

单片机的最小系统包括：单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备等。

报警电路

报警系统由两部分组成，一是LED灯光报警，二是蜂鸣器的声音报警。

LED (Light Emitting Diode)为发光二极管的简称，其接线方法是采取了电源接到二极管正极再经过560 Q电阻接到单片机I/O 口，即灌电流方式。

蜂鸣器是一种一体化构造的电子讯响器。由于单片机驱动不足，所以本设计驱动蜂鸣器采取S9013 (PNP)三极管增加单片机的驱动能力的方法。

基于单片机的PM2.5测试仪的设计与实现

1.3显示电路

LCD1602是工业字符型液晶，可同时显示16X2即2行、每行显示16个字符液晶模块(显示字符和数字)，是一种专用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。本设计显示模块使用 LCD1602，其基本操作时序如表 2 所列：

1.4夏普GP2Y1010AU0F光学空气质量传感器

GP2Y1010AU0F是一款光学浓度检测传感器由日本夏普公司开发。此传感器内部成对脚分布的红外发光管和光电晶体管，利用光敏原理来工作。用于检测特别细微的颗粒，依靠输出脉冲的高度来判断颗粒浓度。

GP2Y1010AU0F 内部那

GP2Y1010AU0F内部结构如图3所示，其结构为红外发光二极管和光敏三极管是对角布置的装置，检测空气中的尘埃所反射的光。

GP2Y1010AU0F 外部电路

(1) GP2Y1010AU0F 驱动条件

GP2Y1010AU0F传感器对驱动其LED的脉冲要求比较高，输入信号采样周期为10 ms±1 ms ；输入高脉冲的宽度为 0.32 ms±0.02 ms。对于采样信号，需要等待输入信号出现高脉冲以后计时0.28 ms进行采样。图4为驱动LED的脉冲。

(2)外部电路连接图说明

GP2Y1010AU0F外部接线图如图5所示。电阻起限流作用。晶体管Q可以增加传感器3号脚的驱动能力,R6选择 10 kQ 电阻，Q1使用 8050 (NPN 管)。MSP430F149 的 P1.2 作为脉冲信号的输入脚为传感器提供输入信号。电阻R3和电容C4分别为150。和220 uF的电解电容。P6.5为MSP430F149 内部ADC的5号模拟输入引脚，传感器输出的模拟信号通过单片机进行转换。R4和R5起分压作用，电阻都为10 kQ,因为对于MSP430F149单片机来说，驱动电压为3.3 V,而对于传感器而言，需要提供5 V的电压，输出电压有可能会超过 3.3V。

2软件设计

软件部分设计需利用单片机所产生的周期为10 ms的 PWM脉冲波形驱动传感器内部的LED发光，并在0.32 ms 对信号进行AD转换，同时进行LCD1602的显示和定时器的定时。单片机产生的PWM波形加在夏普GP2Y1010AU0F上, 传感器将输出一个电压模拟量，模拟电压可通过A/D进行相应的转化,然后得出相应的数值，最后通过LCD1602显示出来。如果空气浓度超过300 ug/m3时，系统将会报警。

本次设计软件部分可大致分为PWM模块程序、ADC模块程序、LCD1602显示模块程序、定时器模块程序、主程序模块程序等。

PWM模块

PWM是一个周期为10 ms占空比固定的脉冲，故无需调整占空比的设置。PWM由内部定时器产生中断获得，这样的设计大大减小了 CPU的使用率。流程图如图6所示。

ADC模块

因为ADC模块主要是将传感器传输上来的模拟信号转换成数字信号，然后通过单片机进行处理。AD模块程序流程图如图7所示，整体程序流程图如图8所示。