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空气粉尘浓度检测器电路设计与软件编程论文

空气粉尘浓度检测器电路设计与软件编程论文

本设计以ATmega382p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10位A/D

转换将模拟的电压信号转换成数字信号，得到粉尘浓度值，并由

LCD1602显示屏显示出来。同时，设置浓度预警值并同测量值一起显

示在显示屏上。当测量浓度超过预警值时，仪器就会报警。

0引言

随着人类工业和经济的快速发展，我们的环境污染越来越严重。

除废气、废水外，颗粒状粉尘、烟尘向大气排放所造成的污染已成为

一个十分突出的问题。PM2.5，PM10，PM0.1及其吸附的重金属粒

子是雾霾的重要组成部分[1]。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成为空气质量标准之一。数据表明，

我国空气质量超标的城市中68%都存在可吸入颗粒物的问题[2]。由此

可以看出粉尘对人类健康和生产的危害十分严重。所以，粉尘浓度的

检测和控制具有重要的意义。

1系统工作原理

单片机选用ATmega328p，粉尘浓度传感器选用夏普

GP2Y1010AU0F灰尘传感器，按键部分通过电阻与按键串联将信号输

入模拟口，通过读取模拟值的不同判断按键值，显示部分采用

LCD1602并用采取I2C总线的8位远程I/O扩展口芯片PCF8574进

行引脚简化。

将粉尘检测器电源开关打开，当传感器得到一个由粉尘浓度转换

得来的0～5V的`电压信号时，进入单片机，经过处理后转变为十进制

数通过I/O口在显示屏上显示出精确数值。数值量随输入电压的扰动

而变化。同时键盘设定预警值送入单片机，与测量值一同显示出来。

当采集的当前粉尘浓度大于预警值时，单片机驱动蜂鸣器报警。

2系统电路设计

2.1电路总体设计

以ATmega328p单片机为核心，主要包括单片机处理模块，信号

采集模块，独立按键模块，显示模块和蜂鸣器报警模块。系统通过信

号采集模块采集空气中的粉尘，得到0～5V的电压信号后，由单片机

内部自带的10位ADC进行模数转换得到粉尘浓度，与此同时，通过

独立按键模块设定浓度预警值，通过液晶显示模块将粉尘浓度和预警

值同时显示在显示屏上。当检测值大于预警值时就会自动通过蜂鸣器

报警模块报警。整个系统的框架结构如图所示：

2.2单片机处理模块

设计选用ATmega328p单片机，该单片机配合Arduinouno使

用，可以更加方便的用外接模块进行拓展，如wifi模块、SD卡接口模

块、基于w5100芯片的Ethernet模块等，并且其内部自带10位六通

道ADC可以用来转换传感器输出的信号，从而得到粉尘浓度。

2.3信号采集模块

GP2Y1010AUOF是一款由日本夏普公司开发的光学浓度检测传

感器。此传感器内部成对角线分布的红外发光管和光电晶体管，利用

光敏原理来工作，依靠输出脉冲的高度来判断颗粒物浓度。同时，传

感器内部有信号放大电路，可以对光电信号进行放大。其内部结构图

如图2所示：

传感器内，红外发光二极管和光电晶体管按对角位置布置，利用

发光二极管发射光线，利用晶体管接受二极管发射的光，从而引起电

压的变化，这时传感器里的空气传导设备就会产生一定的作用使空气

流通。此设计能够检测到小的微粒，甚至非常小的烟草颗粒，测量结

果比较准确。

由于GP2Y1010AUOF对驱动的LED的脉冲要求较高，输入信号

采样周期为10ms±1ms;输入高脉冲的宽度为0.32ms±0.02ms。所以

对于采样信号，需要等待输入信号出现高脉冲以后再计时0.28ms进行

采样[3]。

2.4独立按键模块

按键部分是通过电阻与按键串联将信号输入模拟口，通过读取模

拟值的不同判断按键值。因为A/D转换是将模拟的0～5V电压转换成

八个二进制位，八个二进制转换成十进制的范围为0～255，所以只需