基于STC89C52的空气雾霾检测装置设计

摘 要：该款设计将空气中的雾霾气体在空气中的含量（浓度）转化成电压或者电流信号，通过模数转换器转换成数字信号送入单片机处理，并通过数码管显示出大气中的雾霾气体浓度值，然后通过单片机与设定的浓度上限值进行比较，当超过该浓度上限值时启动报警器装置以提醒工作人员或居民采取紧急措施，同时启动通风装置以使室内的空气中的雾霾气体浓度得到及时的调节。

关键词：单片机；雾霾检测；仿真

近些年来伴随经济的提升造成的空气污染日益严重，造成的阴霾天气现象不断，对人类健康有着非常大的危害。不少地区把阴霾天气现象并入浓雾现象一起作为灾害性的天气预警预报。统称为“雾霾天气”。雾霾主要是由粒径小，富含大量有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远的PM2.5、PM10、及重金镍属铬砷铅等颗粒组成。因而对人体健康和大气环境质量严重影响。

本设计的整体思路是：运用STC89C52单片机控制气体浓度传感器系统对空气中的雾霾气体浓度进行检测，该设计同时具有通风报警功能。该设计主要电路由气体检测传感器、A/D转换电路、单片机控制电路、显示电路、报警电路、通风电路组成。空气中的雾霾气体传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，他将空气中的雾霾气体在空气中的含量（浓度）转化成电压或者电流信号，通过模数转换器转换成数字信号送入单片机处理。数码管实时显示出空气中的雾霾气体浓度值，通过控制电路与设定的浓度上限值进行比较，当雾霾浓度值超过测量上限值时，启动报警器装置以提醒工作人员或居民采取紧急措施，同时启动通风装置以便室内的空气中的雾霾气体浓度得到及时的调节。

以STC89C52单片机作为控制电路主要部件，外加一部分辅助电路来完成设计的预期任务，即检测并显示出空气中的雾霾气体浓度，并能够实现通风报警。通过空气中的雾霾气体浓度传感器TGS-813检测空气中的雾霾气体浓度值的变化，当设计的系统检测出气体浓度变化时浓度传感器的电导率将发生变化，从而使得输出电压发生变化，低功耗双运算放大器LM358将该微弱电压信号进行放大后送入A/D转换器件，将模拟信号转化数字信号，送入单片机中进行计算，单片机根据计算的结果通过数码管进行显示。如果检测到空气中的雾霾的浓度超标，会启动报警装置进行报警，同时也会开启通风电机进行通风处理。当空气中的雾霾的浓度降低了的时候，系统会自动停止报警，关闭通风电机。系统的空气中的雾霾的报警值是可以通过按键进行设定的，系统框图如图1所示。

一、系统硬件设计

（一）单片机模块

本次设计的空气中的雾霾浓度测试仪，使用ATMEL公司的STC89C52单片机，通过单片机对LED数码管进行控制显示气体的浓度，单片机控制的对象主要包括传感器检测模块，A/D转换单元电路、按键控制电路、通风和报警电路、报警电路等组成。

（二）气体检测及前置放大模块

气体传感器输出的信号是微弱信号，在送入A/D转换器之前要进行放大处理，并进行滤波处理，图2所示本次设计中使用LM358放大器进行微弱信号的放大。

（三）A/D转换模块

在本设计中需要将模拟信号转化为数字信号，经过单片机处理后，进行比较和判断。经放大处理后产生的模拟信号将送入A/D芯片的AIN端，再利用P2.6作为A/D芯片的片选端，P2.5作为A/D芯片的数据输出端，P2.7作为A/D芯片的时钟端。用A/D串行输出设计有效的提高模数转换的精度，且具有强抗干扰性。

（四）通风模块

图4所示的设计中通风设备由控制电路的单片机控制发光二极管。当通风设备工作时，由STC89C52控制的发光二极管闪烁，显然当通风设备工作不正常时，该发光二极管停止闪烁，这样可以直观的观察到通风设备的工作情况。

（五）声光报警模块

本设计中的声光报警器由STC89C52单片机的P2.4和P3.0控制，通过 P2.4口输出的高、低电平控制三极管Q1导通与关断，以驱动蜂鸣器的开启与关闭。当检测到得浓度值高于设值的浓度值，P2.4口输出的高电平，三极管Q1导通，从而驱动蜂鸣器鸣响；当检测到得浓度值低于设值的浓度值，P2.4口都会输出的低电平，三极管Q1关断，蜂鸣器停止鸣响，其电路图如图5所示。

（六）键盘输入模块

由STC89C52的P1.4-P1.6构成的设置空气中的雾霾气体浓度值增加键SW1、设置空气中的雾霾气体浓度值减小键SW2、和一个设置按键SW。如图6所示。

（七）显示模块

使用了一只四位一体共阳极数码管用于对空气中的雾霾浓度值的显示。单片机的P2口连接数码管的a～g和dp笔画段，P0.0，P0.2，P0.4，P0.6分别连接数码管的4个位选端。以第一位数码管点亮为例说明，当P0.0为低电平时，三极管Q1的EC两极导通，所以数码管第一位的公共端就被置到了高電平，此时第一位数据段阴极为低电平的字段被点亮，依次类推。

二、系统软件设计

首先对单片机及其外围器件进行初始化操作，TGS-813型气体传感器由于在不通电状态下存放一段时间后再接通电源，引起传感器并不能立即投入正常工作，需要一定的时间进行预热处理，因此电路采用延时程序对传感器预热。预热结束后，则进入键盘扫描子函数，扫描键盘是否有按键按下，若有则执行键盘子函数，否则进入气体浓度监测子程序，由气体传感器测试出当前气体浓度值，然后通过A/D转换滤波后送给LED显示出来，同时该测量值与用户气體浓值进行比较，当其超过设定通风报警值时则执行声光报警程序程及通风子程序，依次循环。

主程序初始化流程图如图7所示，进入主程序的第一步就是要对系统进行初始化处理，这部分实现的功能是对各种I/O口输入输出状态的设定、寄存器初始化等。首先设定对气体浓度的采样，接下来关闭蜂鸣器和通风装置及其对应的LED发光二极管，并对显示器件LED进行初始化，同时设定气体浓度通风报警的浓度值。

控制电路传感器输出为模拟信号，必须经过A/D转换将其变成数字信号才能被电路识别与处理。TLC549为串行A/D转换芯片，需将串行比特流转换成8位数据，一个转换完成需要17us，因此设定延时20us等待A/D转换完成并传输给单片机进行处理，如图8所示。

本设计在仿真软件proteus中的模拟仿真：

1）在仿真中用一只可调电阻RV1模拟空气中的雾霾浓度传感器，开始仿真时数码管显示空气中的雾霾浓度含量程度，当增大可调电阻的阻值时，空气中的雾霾浓度增加，否则减小。

2）通过三个按键S1，S2，S3，可以设置空气中的雾霾浓度报警阀值，当按下S1按键后，数码管显示默认的空气中的雾霾浓度报警阀值550，按下S2按键后对此值进行减调整，每按一次减小15，当按下S3按键时对此值进行加调整，每按一次增加15，再次按下S1按键退出报警值调整状态。

3）当空气中的雾霾浓度含量达到报警阀值时，继电器RL1吸合，此时发光二极管D8亮，表示启动了外部通风装置，同时发光二极管D1闪烁，蜂鸣器LS2滴滴响，进行声光报警。

本设计由硬、软件两部分组成，是基于单片机的雾霾检测系统。任务的核心是开发以单片机STC89C52为中心的雾霾检测系统，系统的硬件主要针对电路的使用性要简单的特点来简化电路，最优化的电路板设计，节省电路板空间。

利用仿真和实验来验证这个方案的可行性达到最初设计指标，满足设计要求，从而完成设计要求，通过LED数码管进行显示相关的信息。符合最初技术指标要求，功能性较好，能够实现对浓度等信息的显示，具有一定的实践意义。

参考文献：

[1] 杨振江，孙占彪，王曙梅.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M].西安：安电子科技大学出版社，2011.

[2] 曹俊，汪滨琦.用PTR2000实现单片机与PC机之间的无线数据通信[J].微计算机应用，2011.

作者简介：

李俊，男，江西应用科技学院信息工程分院讲师，研究方向：电子信息工程。