基于PM2.5智能环境检测系统设计与实现
Design and implementation of intelligent environment detection system based on PM2.5
课题来源：2018年度“创新强校工程”项目（项目编号：CJ18CXQX028）,课题名称：基于PM2.5智能环境检测系统
摘要：目前大气颗粒物已经成为我国大气污染的主要污染物，尤其以PM2.5对于大气环境的影响和人体健康的危害最大，本文以STC89C52单片微型计算机为控制核心部分，通过粉尘传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、光照传感器对环境量进行采集，通过单片机进行数据处理后最终以数字形式在液晶显示屏上显示。实验结果表明，该环境检测系统检测精确度高、实时性强，具有良好的实用性和推广价值。
关键词：PM2.5；环境监测；STC89C52
Abstract: at present, atmospheric particulate matter has become the main pollutant of air pollution in China, especially PM2.5, which is the most harmful to the air environment and human health. In this paper, STC89C52 single-chip microcomputer is used as the core part of the control, and the environmental quantity is collected by dust sensor, temperature and humidity sensor, smoke sensor and light sensor, and the data is collected by single-chip microcomputer After processing, it is finally displayed on the LCD in digital form. The experimental results show that the environment detection system has high detection accuracy, strong real-time, good practicability and promotion value.
Key words: PM2.5; environmental monitoring; STC89C52
0 引言
随着我国经济水平的显著提高，人们对生存环境越来越关注。阴霾天气现象出现增多，好多地区PM2.5污染日益严重。由于PM2.5是有毒有害的、停留时间长的、传送距离远的、直径是人的头发丝1/20可入肺颗粒物，对人体健康和大气环境质量影响更大。因此对环境质量检测尤其对PM2.5的检测显得越来越重要。
1 PM2.5智能环境检测系统方案设计
本系统采用STC89C52单片机为控制核心芯片，需要采集环境量数据有PM2.5、温湿度、烟雾、光照度等。因此分别需要用YW-51GJ PM2.5粉尘传感器、DHT11温湿度传感器、MQ2烟雾传感器、GY-30光照度传感器采集环境量；再通过GSM无线通信模块实现远程数据的接收和控制，用户通过手机给GSM无线通信模块发送控制指令查看当前的环境量数据，而且用户手机可以通过短信形式接收到现场发回的环境量数据。通过按键模块设置预警值，通过液晶显示屏显示出环境量数据信息。
2 PM2.5智能环境检测系统硬件电路设计
2.1 主控电路
该系统主控电路如图1所示，STC89C52为主控芯片，通过数据采集模块（YW-51GJ PM2.5检测模块、MQ2烟雾传感器模块、GY-30光照度传感器模块、DHT11温湿度传感器模块）实时采集现场的PM2.5粉尘浓度、烟雾浓度、光照度和温湿度等环境量。分别将其送入单片机进行数据处理，并在12864液晶显示屏上显示测得的环境量数据信息。且可通过GSM模块将数据信息发送到移动终端设备上，可以实现远程对其环境量进行检测和控制。
图1 PM2.5智能环境监测系统原理框图
2.2数据采集模块
2.2.1YW-51GJ PM2.5检测模块
YW-51GJ PM2.5粉尘传感器检测模块具有高灵敏度、高一致性可达+/-15%、可清洗、体积小、高EMC性能的特点。它的工作原理是利用微小颗粒物对光的散射原理，当微小颗粒物经过检测孔时，对光线形成散射。散射光线的一部分通过光轴，经透镜聚集到感光元件，感光元件将光信号转换为电信号输出。
2.2.2MQ2烟雾传感器模块
MQ-2烟雾传感器具有高灵敏度、响应速度快、可靠性高、寿命长等优点。它适宜探测的气体类型有液化气、苯、烷、酒精、氢气和烟雾等气体。当MQ-2型气体传感器接触到烟雾时，将使其表面导电率发生变化而感知烟雾的存在。烟雾浓度的大小，将引起导电率的变化，最后改变电阻值的变化。烟雾浓度升高，导电率增大，电阻值减小；输出信号就越大。该模块有四个引脚。分别依次为电源正VCC、接地GND、数字输出DO和模拟输出AO。
2.2.3 GY-30光照度传感器模块
GY-30光照度传感器模块是一款基于IIC通信的16bit的数字型传感器。模块主要是以BH1750数字型光强感应芯片为核心及一些外围驱动电路。BH1750是一款内部集成了光电转换、ADC转换、IIC信号转换等电路的芯片，省去了复杂信号处理电路，即能保持良好的稳定型又节省空间。GY-30光照度传感器模块只需要将SCL、SDA引脚与单片机任何两个IO相连，并加上上拉电阻。从GY-30光照度传感器模块读取出的数据并不是最终的光照强度，需要按照一定的公式进行转换。GY-30光照度传感器模块采用了IIC通讯协议在实现同GY-30通信时，需先实现IIC通信程序，再根据BH1750芯片的控制指令获取光照数据。
2.2.4DHT11温湿度传感器模块
DHT11数字温湿度复合传感器能够输出已校准的数字信号。它由电阻式感湿元件和负温度系数测温元件两部分组成，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感器技术，因此它具有品质优、响应快、极强的抗干扰能力、极高性价比和可靠性以及长期的稳定性等优点。它与一个高性能8位单片机相连接。DHT11数字温湿度传感器读出数据的顺序是先湿度，后温度；先整数，后小数的顺序，当传送完32bit数据时，还需要对其传送的结果用8bit数据进行校验。即数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度整数数据”相加所得结果的末8位。
2.3 GSM通信模块
SIM900A模块是一款尺寸紧凑的GSM/GPRS模块，供电电压3.4V~4.5V。该模块有AT指令集接口，支持Text和PDU两种短消息模式。SM移动通信模块采用SIM900A作为控制核心，加以外围辅助电路实现系统短信的收发功能。电路连接是将SIM900A通信模块的串口与单片机的串口进行连接，从而实现单片机对SIM900A通信模块的控制。RXD数据接收信号线用于接收来自单片机的数据。接22Ω电阻后与单片机数据发送端口TXD即P3.0相接。TXD数据发送信号线用于向单片机发送数据。接22Ω电阻后与单片机RXD即P3.1相接。且需与SIM900A模块与单片机模块必须共地。SIM900A模块其实跟手机功能和结构差不多，需要安装能够正常使用手机卡，这样才可以实现该模块与系统设置的电话号码进行正常的通信业务。
2.4 12864液晶显示屏模块
液晶显示器12864，它主要由液晶显示器件、连接件、PCB板、背光源、集成电路等结构件装配在一起的一种图形点阵液晶显示模块；具有显示容量大、耗能低、人机交流界面友好等优点；它可显示8X4行的汉字，也可完成字符、图形显示，构成全中文人机交互图形界面。
2.5 继电驱动模块
光耦隔离继电器驱动输出电路接入负载，当单片机某个I/O输出低电平时，其光耦的输入电路发光二极管导通发光，直接照射到输出电路的光敏三极管使其工作，旁边的三极管饱和饱和导通，继电器线圈得电并吸合，相应家用电器设备开始工作。当单片机I/O输出高电平时，三极管处于截至状态，继电器失电而处于释放状态，相应家用电器设备停止工作。
2.6 声光报警电路模块
声光报警电路模块由三极管、扬声器、LED、电阻构成。当出现检测的环境量PM2.5粉尘浓度、烟雾浓度、光照浓度或温湿度达到设定值时，三极管饱和导通，扬声器发声，同时LED闪烁发光。
2.7按键设置模块
键盘中的每一个按键都是一个常开的开关电路，当所设置的按键按下时，则处于闭合状态，键的状态需要IO电路通知单片机。按键设置模块主要是用来设置环境量的阈值。
3 PM2.5智能环境检测系统软件程序设计
本设计的控制核心芯片是STC89C52，系统的软件程序有主程序和子程序两大部分，子程序包含有各数据采集模块子程序、GSM无线通信模块子程序、12864液晶显示模块子程序、继电驱动模块子程序和按键扫描子程序等。然后用keil软件进行模拟仿真，检查无误后，再将程序烧录到STC89C52单片机，然后检查各部分电路模块的接电情况，正确无误后上电开机。各部分在主程序的统一调用下按照各自预定的功能有条不紊的工作。
4 结语
随着大气污染的日益严重，有关PM2.5等环境量的话题逐渐引起人们的关注。随着人们对其危害的了解深入，迫切需要一种装置能对身边环境状态进行实时检测和控制随之出现。本设计可以较广泛地应用在家庭、工作场所等地方。具有一定的市场前景。
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