隨著人類工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我們的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重。除廢氣、廢水外，顆粒狀粉塵、煙塵向大氣排放所造成的污染已成為一個(gè)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(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》新增了對PM2.5的檢測指標(biāo)，PM2.5成為空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之一。數(shù)據(jù)表明，我國空氣質(zhì)量標(biāo)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(chǎn)的危害十分嚴(yán)重。所以，粉塵濃度的檢測和控制具有重要的意義。 
　　本文介紹一種簡易粉塵濃度檢測器的設(shè)計(jì)，能夠?qū)諝夥蹓m進(jìn)行采樣分析，可以測量出空氣中的粉塵濃度，測量數(shù)據(jù)直觀易懂，測量結(jié)果可靠。 
　　1 系統(tǒng)工作原理 
　　單片機(jī)選用ATmega328p，粉塵濃度傳感器選用夏普GP2Y1010AU0F灰塵傳感器，按鍵部分通過電阻與按鍵串聯(lián)將信號輸入模擬口，通過讀取模擬值的不同判斷按鍵值，顯示部分采用LCD1602并用采取I2C總線的8位遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展口芯片PCF8574進(jìn)行引腳簡化。 
　　將粉塵檢測器電源開關(guān)打開，當(dāng)傳感器得到一個(gè)由粉塵濃度轉(zhuǎn)換得來的0～5V的電壓信號時(shí)，進(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)通過I/O口在顯示屏上顯示出數(shù)值。數(shù)值量隨輸入電壓的擾動(dòng)而變化。同時(shí)鍵盤設(shè)定預(yù)警值送入單片機(jī)，與測量值一同顯示出來。當(dāng)采集的當(dāng)前粉塵濃度大于預(yù)警值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。 
　　2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 
　　2.1 電路總體設(shè)計(jì) 
　　以ATmega328p單片機(jī)為核心，主要包括單片機(jī)處理模塊，信號采集模塊，獨(dú)立按鍵模塊，顯示模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊。系統(tǒng)通過信號采集模塊采集空氣中的粉塵，得到0～5V的電壓信號后，由單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到粉塵濃度，與此同時(shí)，通過獨(dú)立按鍵模塊設(shè)定濃度預(yù)警值，通過液晶顯示模塊將粉塵濃度和預(yù)警值同時(shí)顯示在顯示屏上。當(dāng)檢測值大于預(yù)警值時(shí)就會(huì)自動(dòng)通過蜂鳴器報(bào)警模塊報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖所示： 
　　2.2 單片機(jī)處理模塊 
　　設(shè)計(jì)選用ATmega328p單片機(jī)，該單片機(jī)配合Arduino uno使用，可以更加方便的用外接模塊進(jìn)行拓展，如wifi模塊、SD卡接口模塊、基于w5100芯片的Ethernet模塊等，并且其內(nèi)部自帶10位六通道ADC可以用來轉(zhuǎn)換傳感器輸出的信號，從而得到粉塵濃度。 
　　2.3 信號采集模塊 
　　GP2Y1010AUOF是一款由日本夏普公司開發(fā)的光學(xué)濃度檢測傳感器。此傳感器內(nèi)部成對角線分布的紅外發(fā)光管和光電晶體管，利用光敏原理來工作，依靠輸出脈沖的高度來判斷顆粒物濃度。同時(shí)，傳感器內(nèi)部有信號放大電路，可以對光電信號進(jìn)行放大。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示： 
　　傳感器內(nèi)，紅外發(fā)光二極管和光電晶體管按對角位置布置，利用發(fā)光二極管發(fā)射光線，利用晶體管接受二極管發(fā)射的光，從而引起電壓的變化，這時(shí)傳感器里的空氣傳導(dǎo)設(shè)備就會(huì)產(chǎn)生一定的作用使空氣流通。此設(shè)計(jì)能夠檢測到小的微粒，甚至非常小的煙草顆粒，測量結(jié)果比較。 
　　由于GP2Y1010AUOF對驅(qū)動(dòng)的LED的脈沖要求較高，輸入信號采樣周期為10ms±1ms；輸入高脈沖的寬度為0.32ms±0.02ms。所以對于采樣信號，需要等待輸入信號出現(xiàn)高脈沖以后再計(jì)時(shí)0.28ms進(jìn)行采樣[3]。 
　　2.4 獨(dú)立按鍵模塊 
　　按鍵部分是通過電阻與按鍵串聯(lián)將信號輸入模擬口，通過讀取模擬值的不同判斷按鍵值。因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換是將模擬的0～5V電壓轉(zhuǎn)換成八個(gè)二進(jìn)制位，八個(gè)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的范圍為0～255，所以只需設(shè)置三個(gè)獨(dú)立按鍵分別獨(dú)立輸入預(yù)警值的百位，十位，個(gè)位。鍵盤每按下一次則相應(yīng)位上數(shù)據(jù)增加1，當(dāng)數(shù)據(jù)設(shè)定完成后通過I/O口輸入單片機(jī)，通過單片機(jī)的處理轉(zhuǎn)換為三位十進(jìn)制的濃度預(yù)警值，然后顯示在顯示屏上。 
　　2.5 顯示模塊 
　　顯示模塊采用LCD1602并用采取I2C總線的8位遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展口芯片PCF8574進(jìn)行引腳簡化。LCD1602是工業(yè)字符型液晶，可同時(shí)顯示16×2即2行，每行顯示16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。因?yàn)橐瑫r(shí)顯示粉塵濃度的檢測值和預(yù)警值，所以LCD1602的兩行顯示功能已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)。 
　　2.6 蜂鳴器報(bào)警模塊 
　　當(dāng)采集到的環(huán)境中的粉塵濃度大于預(yù)警值時(shí)，單片機(jī)就會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，然后采取相應(yīng)措施降低粉塵濃度或者使人員撤離工作現(xiàn)場。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機(jī)的I/O口是無法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來驅(qū)動(dòng)。我們采用三極管來放大電流。 
　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 
　　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)初始化模塊、驅(qū)動(dòng)傳感器模塊，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，粉塵濃度計(jì)算和顯示等模塊，單片機(jī)通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)對硬件設(shè)備的控制，測量并顯示粉塵濃度。軟件部分設(shè)計(jì)需要利用單片機(jī)所產(chǎn)生的周期為10ms的脈沖波形驅(qū)動(dòng)傳感器內(nèi)部的LED發(fā)光，并對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)進(jìn)行LCD1602的顯示和定時(shí)器定時(shí)。單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖波形加在GP2Y1010AU0F上，傳感器將輸出一個(gè)0～5V電壓，可通過A/D轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的粉塵濃度值，后通過LCD1602顯示出來，如果空氣粉塵濃度過了預(yù)警值，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警。 
　　4 總結(jié) 
　　本文主要介紹了簡易粉塵檢測器的設(shè)計(jì)，在單片機(jī)的控制下，完成數(shù)據(jù)的采集、顯示、預(yù)警值設(shè)置及蜂鳴器預(yù)警等系統(tǒng)分模塊的程序設(shè)計(jì)，然后結(jié)合各模塊的硬件電路來實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的功能，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。結(jié)果表明，該粉塵檢測儀測量結(jié)果可靠。