基于STC89C51单片机的PM值检测电路设计
摘要：利用单片机实现空气中PM2.5及甲烷值的检测。选用了STC51单片机，制成的一个简单便携的空气质量检测系统，实现对空气中甲烷（CH4）和PM2.5（粉尘浓度）的检测，检测结果在LCD1602显示，当检测值超出标准值时峰鸣警报。设备完成软、硬件调试后能够实时测到甲烷及PM2.5的值，结果达到设计要求。
关键词：STC89C51；瓦斯（甲烷）；可吸入颗粒物；液晶；传感器
中图分类号：TP391 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）12-0255-03
Realization of PM2.5 Detection With Single Chip Microcomputer
LI Xi-yu， LI Jin-lu
（Computer College of China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China）
Abstract： Detection of PM2.5 and methane in air by using single chip microcomputer. A simple and portable air quality testing system based on STC 51 microcomputer is used to detect air methane （ CH4 ） and PM 2.5 dust concentration detection， test results in the LCD1602 show that when the detection value exceeds the standard value ，the alarm will sound. After the equipment is debugged the value of methane andPM2.5can be measured in real time， and the result meets the design requirements.
Key words：1：STC89C512：Gas（methane）3：PM2；LCD；sensorp
当下的空气污染现在已经严重到影响人们的日常生活，并且对于人类的健康造成的危害越来越严重，并且随着时代的进步人们对空气污染的意识越来越严重，同时也更加注重自己的身体健康。
在设计中尝试利用感应装置采集空气中可吸入颗粒物的浓度及瓦斯的电信号，通过A/D转换为数字信后利用51单片机实现数值处理后的输出。空气中可吸入颗粒物（文中称PM2.5）的检测以及瓦斯（文中称为甲烷或CH4）气体浓度的检测，当空气中CH4浓度在5%～15%时存在爆炸的隐患。
1总体设计
系统使用单片机为主要元件，检测空气中的甲烷含量和PM2.5数值，系统可以实时获取PM2.5数值；其中由于甲烷传感器的特殊性，需要大约1分钟的预热时间后才能实时获取数据；通过对按键的切换，实现对甲烷、PM2.5实时数据检测，其中当甲烷指数超标则蜂鸣报警。
设计分为硬件设计和软件设计，硬件设计基于单片机及I/O的进行的设计，首先需要对硬件进行选择，要求各元件之间能够相互配合完成设计要求；软件设计部分首先是信号的感应、数据采集、A/D数值的转换、按键的控制、最后通过LCD显示检测数据；设计涉及了串口通信的协议，检测得到的数据可以通过串口在PC机上显示。
电路通过A/D转换将电压信号转化为数据信号输入到单片机中，传感器原件外接到单片机上，单片机对采样值进行处理后然后经过通道进行传输，然后单片机根据得到的信号处理后输出检测值；在检测甲烷时当采样值超过指标后的报警检测，这部分需要将设定值与测量值进行比较。
2 硬件设计
MCU选择的是可靠性及扩展性成熟的STC89C51单片机。该单片机具有4K的可重擦闪存存储器，并且具有良好的可兼容性，由于本身的产品指令和引脚，时钟频率在0Hz-24MHz具有三级的加密存储器，有两个16位定时/计数器，I/O接口线可编程的有32个，具有6个中断源，并且低功耗的空闲和掉电模式，需要稳定的电压供给，并且有复位信号线，但输入的信号连续为两个高电平时有效，两个高电平时复位信号才能够正常的显示，全双工串行的UART通道，中断可以从空闲的模式中唤醒系统，灵活的在线系统编程。
MCU晶振电路由一个晶体振荡器和两个22pF的瓷片电容组成，时钟电路主要是能够产生在单片机工作所需要的时钟信号，时序的主要功能是研究指令在执行的过程中存在的相互之间的關系。
5l 单片机的复位引脚RST（第9 管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作，当单片机的引脚持续为高电平的，此时单片机的状态就是复位的循环状态。
按下复位按键RS1时就会将电容短路，C11两端就会形成回路，然后电容被短路，快速放电接近了0V，然后按键点就形成了高电平复位的信号，单片机就开始复位，松开按键后，电容C11就又开始充电，充电过程相当于系统加电，实现单片机复位。
图2描述了各个原件之间的引脚相连，在这个图中可以看出的是各个原件之间的链接顺序，以控制器为核心经过控制器进行转换，最后通过控制器进行数据处理。
气体传感器主要以半导体和电化学型为比较普遍。从传感器采集到的信号必须要经过采集、放大、过滤、转换才能够在单片机上进行处理，设计中应用甲烷传感器MQ5和粉尘传感器GP2Y1010AU0F。
MQ5传感器的工作原理：该气敏传感器MQ5主要是半导体器皿传感器，是利用待测的气体与半导体体表面接触式，产生的电导率的物性变化来对气体进行的检测。
甲烷采集用传感器MQ5具有以下特性：
（1）当空气中的气体比较清洁时，此时对于元件本身的电导率就是比低的状态，当环境中出现其他可燃的气体时，气体的浓度增加，电导率就发生变化，使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
（2）传感器对一些可燃性气体例如（丁烷、丙烷、甲烷）的灵敏度高，而且对甲烷和丙烷的兼顾性比较。这种传感器能够检测多种可燃性气体，传感器本身来说是一个比较成本比较低的传感器。
图3是MQ5传感器的基本测试电路。在测试时需要给传感器施加两个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH是提供传感器所需要的工作温度。VC 则是用于测量负载电阻的电压。
粉尘采集传感器GP2Y1010AU0F可以测量0.8微米的以上的微小粒子，可以感知烟草的等空气中存在的细小颗粒，由于体积小便于安装的特点，并且检测的灵敏程度比较高，所以选择这款传感器检测粉尘。
图4 GP2Y1010AU0F传感器内部图
GP2Y1010AU0F传感器对较小的颗粒比较敏感。粉尘传感器的工作原理是利用光的散射原理对空气中细小的颗粒的浓度进行感应，当细小颗粒附着在感应器上后，就引起电信号的变化，电信号传送给控制器通过A/D转换传给单片机。
ADC0832模数转换器具有8位分辨率、A/D转换的双通道、TTL/CMOS与输入输出电平相兼容、当工作电压在0～5v之间时工作电压为5v、工作频率在大约处于250KHZ左右、转换时间比较短为32微妙，功耗比较低为15MW的优点。
显示模块LCD1602用作数据显示器，其字符尺寸2.95×4.35mm，能够显示的容量是32个字符，芯片的工作电压主要是在4.5～5.5V之间，工作电流主要是2.0mA，是在工作电压5V的情况下，同时能够最佳的体现芯片的功能的工作电压是5V，引脚功能对于LCD1602来说，采用的会是14脚或16脚接口，分别是无背光、带背光，下面是各引脚的接口说明。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在银电极两端的陶瓷涂层，并经过极化处理后，用黄铜或者不锈钢片粘在一起。
按键模块设计中使用五个按键，其中一个按键是复位按键，其他是对数据甲烷测试标准进行测试、切换甲烷和粉尘的检测。按下K1键第一次设置MQ5报警上线K2+，K3--，按下K1键第二次退出设置。K4键用于切换显示，开机显示甲烷检测数据，按下K4显示粉尘检测数据，再按K4显示甲烷检测数据。
串口通信电路设计中使用Max232芯片实现串行单工通信方式，实现单片机向PC机发送信息，在PC机中能够查看采集的数据。Max232芯片是可以兼容多种通信的，供电电流5mA，其兼容性使其符合所有的RS-232的技术标准，片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-，对于Max232芯片的主要供电只需要+5V电源供电即可，具有比较高的集成度，片外最低只需4个电容即可工作，比较方便控制，同时在内部有两个RS-232的驱动，这个芯片主要是为电脑的RS-232的标准串口设计的接口芯片，电荷泵电路，主要是由1、2、4、3、6、5和四个电容组成，功能主要是提供RS-232的串口电平的需要，由于Max232的主要功能是数据转换所以，数据转换通道是7、9、10、8、11、14、12、13，构成的两个数据通道，其中第一数据通道，13（R1IN）、12（R1out）、11（t1in）、14（T1OUT）位为第一数据通道，8（R2IN）、9（R2out）、10（t2in）、7（T2OUT）为第二数据通道.，最后一部分是供电部分15引脚DNG、16引脚VCC，工作原理TTl/CMOS数据从T1in、T2out输入准换成RS-232数据然后从T1out、T2out送到电脑中，然后插头中的额数据RS232从R1in、R2in转换成TTl/CMOS从R1OUT、R2OUT出去。
RS-232是PC机上多串行接口的协议，RS-232是PC串口和设备间点对点的通信协议。
3 软件设计
软件设计部分使用基于51单片机的KEIL软件，由于代码过于烦琐且文章限于电路部分设计就不再对代码设计展开，读者可以根据自己的实际需求和不同代码平台的掌握程度，根据业务流图完成自己的代码设计。
4 结束语
在基于单片机的空气颗粒物检测的设计中，首先是选择低功耗元件，从单片机、LCD、及其他电路设计中，基本上选择功耗低、稳定性强的设备，与同类设计及产品实现相比，用51单片机的PM2.5的检测实现了简单易用、成本低、线路简单、体积小、易于维护的特点。由于甲烷MQ5传感器检测前需要一分钟预热时间，其他工作基本实现开机即可检测。
参考文献：
[1] 戴胜华.单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.
[3] 张靖武，周灵彬.单片机系統的PROTEUS设计与仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2007.
[4] 何立民.单片机应用技术选编[M].北京航空航天大学出版社，2006.
[5] 周向红.51系列单片机应用与实践教程[M].北京：北京航天航空大学出版社，2008.
[6] 卢超.单片机与PC机的通信设计[J].工矿自动化，2007（10）.
[7] 惠玥琳，基于单片机的USB主从机设计与实现[D].电子科技大学，2007.
[8] 于燕，顾桓.MCS-51单片机和PC机间的串口通信[J].科学技术与工程，2007（8）.
[9] Allen Denver.Serial Communications in Win32[M]. Independent Pub Group .December 11， 1995.
[10] Axelson，Jan.USB Complete[M]. Independent Pub Group，2005.
[11] 于燕，顾桓.MCS-51单片机和PC机间的串口通信[J].科学技术与工程，2007（8）.
【通联编辑：唐一东】