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空氣粉塵濃度檢測器電路設計與軟體程式設計論文

空氣粉塵濃度檢測器電路設計與軟體程式設計論文

  本設計以ATmega382p微控制器為控制中心,由GP2Y1010AU0F光學空氣質量感測器測量空氣粉塵濃度,透過微控制器內建的10位A/D轉換將模擬的電壓訊號轉換成數字訊號,得到粉塵濃度值,並由LCD1602顯示屏顯示出來。同時,設定濃度預警值並同測量值一起顯示在顯示屏上。當測量濃度超過預警值時,儀器就會報警。

  0 引言

  隨著人類工業和經濟的快速發展,我們的環境汙染越來越嚴重。除廢氣、廢水外,顆粒狀粉塵、煙塵向大氣排放所造成的汙染已成為一個十分突出的問題。PM2.5,PM10,PM0.1及其吸附的重金屬粒子是霧霾的重要組成部分[1]。2012年2月,《環境空氣質量標準》新增了對PM2.5的檢測指標,PM2.5成為空氣質量標準之一。資料表明,我國空氣質量超標的城市中68%都存在可吸入顆粒物的問題[2]。由此可以看出粉塵對人類健康和生產的危害十分嚴重。所以,粉塵濃度的檢測和控制具有重要的意義。

  1 系統工作原理

  微控制器選用ATmega328p,粉塵濃度感測器選用夏普GP2Y1010AU0F灰塵感測器,按鍵部分透過電阻與按鍵串聯將訊號輸入模擬口,透過讀取模擬值的不同判斷按鍵值,顯示部分採用LCD1602並用採取I2C匯流排的8位遠端I/O擴充套件口晶片PCF8574進行引腳簡化。

  將粉塵檢測器電源開關開啟,當感測器得到一個由粉塵濃度轉換得來的0~5V的`電壓訊號時,進入微控制器,經過處理後轉變為十進位制數透過I/O口在顯示屏上顯示出精確數值。數值量隨輸入電壓的擾動而變化。同時鍵盤設定預警值送入微控制器,與測量值一同顯示出來。當採集的當前粉塵濃度大於預警值時,微控制器驅動蜂鳴器報警。

  2 系統電路設計

  2.1 電路總體設計

  以ATmega328p微控制器為核心,主要包括微控制器處理模組,訊號採集模組,獨立按鍵模組,顯示模組和蜂鳴器報警模組。系統透過訊號採集模組採集空氣中的粉塵,得到0~5V的電壓訊號後,由微控制器內部自帶的10位ADC進行模數轉換得到粉塵濃度,與此同時,透過獨立按鍵模組設定濃度預警值,透過液晶顯示模組將粉塵濃度和預警值同時顯示在顯示屏上。當檢測值大於預警值時就會自動透過蜂鳴器報警模組報警。整個系統的框架結構如圖所示:

  2.2 微控制器處理模組

  設計選用ATmega328p微控制器,該微控制器配合Arduino uno使用,可以更加方便的用外接模組進行拓展,如wifi模組、SD卡介面模組、基於w5100晶片的Ethernet模組等,並且其內部自帶10位六通道ADC可以用來轉換感測器輸出的訊號,從而得到粉塵濃度。

  2.3 訊號採集模組

  GP2Y1010AUOF是一款由日本夏普公司開發的光學濃度檢測感測器。此感測器內部成對角線分佈的紅外發光管和光電電晶體,利用光敏原理來工作,依靠輸出脈衝的高度來判斷顆粒物濃度。同時,感測器內部有訊號放大電路,可以對光電訊號進行放大。其內部結構圖如圖2所示:

  感測器內,紅外發光二極體和光電電晶體按對角位置佈置,利用發光二極體發射光線,利用電晶體接受二極體發射的光,從而引起電壓的變化,這時感測器裡的空氣傳導裝置就會產生一定的作用使空氣流通。此設計能夠檢測到小的微粒,甚至非常小的菸草顆粒,測量結果比較準確。

  由於GP2Y1010AUOF對驅動的LED的脈衝要求較高,輸入訊號取樣週期為10ms±1ms;輸入高脈衝的寬度為0.32ms±0.02ms。所以對於取樣訊號,需要等待輸入訊號出現高脈衝以後再計時0.28ms進行取樣[3]。

  2.4 獨立按鍵模組

  按鍵部分是透過電阻與按鍵串聯將訊號輸入模擬口,透過讀取模擬值的不同判斷按鍵值。因為A/D轉換是將模擬的0~5V電壓轉換成八個二進位制位,八個二進位制轉換成十進位制的範圍為0~255,所以只需設定三個獨立按鍵分別獨立輸入預警值的百位,十位,個位。鍵盤每按下一次則相應位上資料增加1,當資料設定完成後透過I/O口輸入微控制器,透過微控制器的處理轉換為三位十進位制的濃度預警值,然後顯示在顯示屏上。

  2.5 顯示模組

  顯示模組採用LCD1602並用採取I2C匯流排的8位遠端I/O擴充套件口晶片PCF8574進行引腳簡化。LCD1602是工業字元型液晶,可同時顯示16×2即2行,每行顯示16個字元液晶模組(顯示字元和數字)。因為要同時顯示粉塵濃度的檢測值和預警值,所以LCD1602的兩行顯示功能已經滿足設計。

  2.6 蜂鳴器報警模組

  當採集到的環境中的粉塵濃度大於預警值時,微控制器就會驅動蜂鳴器報警,然後採取相應措施降低粉塵濃度或者使人員撤離工作現場。由於蜂鳴器的工作電流一般比較大,以致於微控制器的I/O口是無法直接驅動的,所以要利用放大電路來驅動。我們採用三極體來放大電流。

  3 系統軟體設計

  軟體系統設計主要分為系統初始化模組、驅動感測器模組,A/D模數轉換模組,粉塵濃度計算和顯示等模組,微控制器透過軟體開發程式實現對硬體裝置的控制,測量並顯示粉塵濃度。軟體部分設計需要利用微控制器所產生的週期為10ms的脈衝波形驅動感測器內部的LED發光,並對訊號進行A/D轉換,同時進行LCD1602的顯示和定時器定時。微控制器產生的脈衝波形加在GP2Y1010AU0F上,感測器將輸出一個0~5V電壓,可透過A/D轉換得到相應的粉塵濃度值,最後透過LCD1602顯示出來,如果空氣粉塵濃度超過了預警值,系統將會報警。

  4 總結

  本文主要介紹了簡易粉塵檢測器的設計,在微控制器的控制下,完成資料的採集、顯示、預警值設定及蜂鳴器預警等系統分模組的程式設計,然後結合各模組的硬體電路來實現每個模組的功能,從而實現整個系統的功能。結果表明,該粉塵檢測儀測量結果準確可靠。

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