辉光管PM2.5探测和显示系统的开发与设计

滕美艳 钱睿 练远鑫 夏景明 李鹏

摘 要：因为空气质量的恶化，阴霾天气现象出现增多，危害现象加重。中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报。为了防止粉尘对人体造成的伤害。该项目以AT89C51为主要核心，首先先将传感器与单片机相结合，实现对PM值的采集和读取，此外我们还添加了时钟模块，通过按键切换显示，最后将显示的数值通过辉光管显示。该文详细介绍了有关单片机与传感器的电路连接和高压驱动电路以及程序流程。

关键词：单片机 辉光管 PM2.5 时钟

中图分类号：TP36 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（c）-0022-04

Abstract：Because of the deterioration of air quality， haze weather phenomenon appears， damage phenomenon. Many parts of China into fog haze weather phenomenon are brought together as a severe weather warning forecast. In order to prevent dust damage to human body. This project USES AT89C51 as the main core， first to combined sensor and MCU， to realize the collection of values for PM and read， in addition we also added the clock module， through the button switch， according to the last will display values through the glow. This paper introduces the single chip microcomputer and sensor circuit connection and high voltage driving circuit and program flow.

Key Words：Singlechip microcomputer；Glowtube；PM2.5；Clock

随着人们生活品质的提高，大家对于生活质量的要求也越来越高，所以，就需要一个健康绿色的生活环境，这样空气质量就是一个很重要的标准。气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。而粒径在2.5μm以下的细颗粒物，不易被阻挡。被吸入人体后会直接进入支气管，刺激呼吸道，干扰肺部的气体交换，从而引发咳嗽、呼吸困难、哮喘、慢性支气管炎等呼吸系统的疾病并导致心律不齐、非致命性心脏病等心血管方面的疾病。因此，对PM2.5的监测与治理便显得越来越重要。该项目探测空气中的PM2.5能够使我们更加清楚的意识到现在我们空气质量的差距，给大家一个现实的数据，让我们知道现在环境问题的严峻性。目前PM2.5的检测方法主要包括重量法、射线吸收法和微量振荡天平法，而该实验所采用的传感器是采用激光散射的方法进行测量。首先把传感器技术应用于单片机控制技术相结合，实现对空气PM值的采集和读取。之后利用辉光管显示技术完成PM2.5及显示电路的设计。

1 总体框架设计

该系统主要以AT89C51单片机为核心，主要包括传感器PM2.5采集，A/D转换，按键操作，单片机控制，辉光管数字显示。（见图1）

辉光管时钟系统硬件主要由AT89C51单片机、时钟芯片DS12C887、辉光管显示高压驱动等元器件组成。由于辉光管的工作电压为170 V，所以，驱动三极管要求的Vceo要大于170 V，比较安全的范围是Vceo>250。传感器采用的是激光散射原理，即令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，同时在某一特定角度用探测器接收散射光，产生的光电流经放大后，得到电信号与颗粒物的对应曲线。微处理器采集数据后，经过一系列复杂算法得出单位体积内不同粒径的颗粒物质量。

2 硬件设计

2.1 传感器模块

YT01传感器采用激光散射的原理，令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，同时用探测器接收散射，产生的光电流。进一步转换为电压信号，此信号传送到A/D转换器转换为单片机识别的数字信号，输出out与单片机的P3.0相连。（如图2所示）

2.2 高压驱动电路

采用SN74LS145BCD到十进制解码器/驱动器，编译为0-9十进制数，通过解码器配合2N5551高压开关管，有效安全的驱动辉光管。电路采用一个全控型器件Q1，当Q1处于通态时，电源Ui向电感L1充电，充电电流基本恒为11，同时电容C4上的电压向负载供电，因C4上的电压向负载供电，所以，C4值很大，基本保持输出电压U0为恒值。

结论：该设计主要以AT89C51单片机为核心，采用动态扫描的方式驱动数码管显示，通过按键切换显示时钟和PM2.5的值。其中主要包括传感器采集、A/D转换、复位电路、按键电路、单片驱动电路、时钟电路以及辉光管显示等部分。实时显示空气中的PM值和时间。

3 软件说明

除主程序外，程序设计中还定义了一些函数，方便主函数调用，主要有调用初始化程序，读取时钟数据函数，动态扫描函数，键盘扫描函数，读取传感器数据函数等。

读取时钟数据函数：数码管是共阴极的，所有引脚连接在一起然后和锁存器的数据输出端相连，单片机可以控制锁存器的锁存端进而控制锁存器的数据输出，方便的控制任意数码管显示任意数字。

数码管采用动态扫描显示时间，在上面程序的基础上再加上动态扫描程序。在键盘扫描程序中加入了动态扫描程序，但输入程序之后并不能按键调时间，后来重新定义了一个按键sbit s4=P3^3，在动态扫描过程中如果检测到S4键被按下的时候跳出while循环。（见图4）

4 实验测试

2016年4月分别对学校实验室、公园、马路周边三个地方进行了测试：

学校实验室如见表1所示。

公园如表2所示。

马路周边如表3所示。

结论：从测试数据中可以看出树木植被较好的公园PM值较低，空气质量较好，说明植被有助于净化空气。而马路周边空气质量较差，说明汽车尾气的排放能够恶化空气质量。

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