论文总字数：12086字

摘 要

工业粉尘对人体的危害最直接、最严重的是引起尘肺病，且当粉尘浓度过高时，在高温干燥的时候可能产生粉尘爆炸。为了精确、自动化地测量工业粉尘浓度，本文设计了一种基于单片机的粉尘浓度测量系统。系统由STC89C52单片机最小系统、GP2Y1010AU粉尘传感器、ADC0832模数转换器模块、LCD1602液晶模块、电源模块、蜂鸣器报警模块和按键模块模块组成。该系统可以实时通过GP2Y1010AU粉尘传感器采集粉尘的浓度信息，并由LCD1602液晶屏显示数据，当测量浓度信息大于设置阈值时，系统启动蜂鸣器自动报警。

关键字：STC89C52单片机；GP2Y1010AU0F传感器；粉尘浓度检测。

Dust Detector Based on Single Chip Microcomputer

Abstract: The most direct and serious hazard of industrial dust to human body is pneumoconiosis, and when the dust concentration is too high, dust explosion may occur in high temperature and drying. In order to measure industrial dust concentration accurately and automatically, a dust concentration measurement system based on single chip computer is designed in this paper. The system consists of STC89C52 MCU minimum system, GP2Y1010AU dust sensor, ADC0832 ADC module, LCD1602 LCD module, power module, buzzer alarm module and key module. The system can collect dust concentration information through GP2Y1010AU dust sensor in real time, and display data by LCD1602 LCD screen. When the measured concentration information exceeds the set threshold, the system starts buzzer automatic alarm.

Keywords: STC89C52 single chip microcomputer；GP2Y1010AU0F sensor; dust detection.

1、绪论

1.1课题的背景

我们通常说的可吸入颗粒物就是粉尘，漂浮于空气中，其直径一般10um的左右。粉尘因为可以进入人体的呼吸道，不仅对上呼吸道十分有害，而且对鼻腔、眼睛也有危害。而近年来，在中国大部分地区肆虐的雾霾主要由PM2.5^[1]、PM10、PM0.1及重金属（镍砷铬铅）等颗粒组成。在环境气象学和空气动力学中，颗粒物是按其直径大小分类，颗粒物直径小于100微米的称为TSP ^[2]，即总悬浮物颗粒。随着社会工业发展的越来越现代化，许多机器工作环境对空气中的粉尘浓度也有要求，工厂中的很多粉尘携带有毒化学物质，人们长期吸入这些有毒颗粒物或者有毒物质长期散落皮肤上，易诱导癌症等恶性疾病的发作。由此可以看出粉尘对人体健康和工业生产的巨大危害性。近年来，医院的呼吸道门诊量增长迅速^[3]，导致医疗资源跟不上增长速度，严重的还会引起纠纷。除此之外，粉尘还是煤矿生产过程中的重大安全隐患。煤矿井下粉尘浓度的实时检测必不可少。煤矿作业往往伴随着高浓度的粉尘，如不能及时监测粉尘浓度，将有可能导致粉尘爆炸，威胁井下工作人员的生命安全。因此，粉尘检测仪对于及时监测煤矿井下工人的劳动环境，掌握井下煤尘浓度及变化情况，保障工人生命健康安全是不可或缺的。而灵敏的粉尘检测仪正可以为工业防尘、降尘等措施提供必要现场数据。

  随着国内经济的迅猛发展，工业化^[4]水平的越来越高，小康水平的基本普及，人们也日益追求高质量生活。因此，粉尘浓度检测仪至关重要，是现代生活中不可缺少的必备品。在中国，尘肺病是一种最普遍、危害最大的职业病。直径较大的颗粒物，会沉降至地面成为灰尘，被吸入人体的几率小，因而对人体危害小；而在空气中悬浮的细小微粒，不仅在空气中停留时间长，而且易被吸入人体内进入肺泡中。因此了解粉尘粒径分布，对研究粉尘对人体的危害及选择制定测定方法有重要意义。

1.2国内外研究现状   
  在国内大多采用先进的测试技术，有的是β射线原理，其吸收量只与吸收物质的重量有关，而与吸收物质的物化性质无关完全等同于称重法，可直接读粉尘浓度。与称重法相比较，β射线法的相关系数大，相对偏差则小，更为精确。仪器采用的射线源符合核国家安全标准，可以实现长期稳定的工作。

袖珍式激光粉尘仪的光源为激光管，进行前向光散射。公共场所常用此种检测仪，十分小巧美观，实际落实环境保护。其适用范围非常广，也可用于工矿企业生产现场粉尘浓度的检测和劳动卫生方面的粉尘浓度检测。这是目前最新型的粉尘检测仪，具有国际先进水平。

日本熊本大学的空气污染研究小组于2014年7月18日，首次确认了颗粒物PM2.5中含有甲醛。甲醛具有致癌性，存在于空气中会提高哮喘等疾病的发病率，还会引发“病屋综合症”。为此，日本熊本大学特地研发了相应的甲醛检测仪，并成功在PM2.5中检测出了甲醛。日本的中央和地方政府制定了标准值，在PM2.5达到一定浓度时提醒人们注意^[5]。

2、系统方案论证

本设计主要由主控模块、粉尘传感器模块、A/D转换模块、按键设置模块、液晶显示模块及电源模块组成，下面介绍实现此系统功能的方案。

2.1主控模块选择

方案一：

采用可编程逻辑器件CPLD作为主控制器。CPLD I/O资源丰富、易扩展、逻辑功能强、可并行传输，常应用于大规模控制系统。但是，该粉尘检测系统并不复杂，为了产品可以更加经济实用，我们认为此方案并不适用。

方案二：

采用STC89C52单片机作为主控制器。通过对本系统的充分分析，我们得出其关键在于粉尘的实时检测，由此，可充分利用51单片机^[6]的优势——控制简单，方便快捷。不仅如此，51单片机资源丰富、控制功能强大、可按位寻址、价格低廉，非常适合简单系统的开发和调试。由此，我们选择STC89C52单片机，其程序空间相对于本系统来说已经足够大了。

2.2按键的选择

方案—：

  采用矩阵式键盘。通过对矩阵键盘进行行列的扫描，有效地减少I/O口数目，但其电路复杂，可能会加大编程难度。

方案二：

采用独立式按键电路。按键与I/O接口一一对应,且彼此独立，互不影响。其工作原理是端口直接扫描。电路简单，编程容易。但当按键较多时会占用较多I/O口数目，通过对两种方案的充分考虑，为了节约系统资源，故采用本方案。

2.3显示模块的选择

方案一：

采用数码管作为显示模块。数码管的使用虽然十分简单，却无法显示温度和设置菜单，因此不采用此方案。

方案二：

  采用LCD液晶作为显示模块。LCD使用便捷、显示清晰，内容丰富、信息量大。此粉尘检测系统采用1602液晶即可满足显示要求，因此我们选择此方案。

2.4电源模块的选择

方案一：

采用5V蓄电池作为电源模块。蓄电池的电流大，电压稳，常应用于大型系统，可长时间供电。但其体积庞大，不适合给小型检测仪供电。因此不采用此方案。

方案二：

采用3节1.5 V干电池作为电源模块。经实验验证，系统可正常工作，电压稳定。综上所述采用方案二。

2.5系统方案论证

综上各方案所述,对此次设计的方案选定为：采用STC89C52RC作为主控制系统、以夏普GP2Y1010AU0F为传感器、以ADC0832作为系统模数转化模块、采用LCD1602作为系统的显示电路、采用蜂鸣器电路作为报警电路等，来设计完成该粉尘检测系统。 

3、系统框图

本设计由STC89C52单片机、GP2Y1010AU粉尘传感器、ADC0832模数转换器模块、LCD1602液晶模块、按键模块、电源模块和报警模块组成。粉尘浓度可由GP2Y1010AU粉尘传感器实时检测，粉尘浓度高，输出电压大。电压值通过ADC0832模数转换芯片转换为可处理的数字值，传递给单片机进行数据处理，最后当前空气中的粉尘浓度将会在液晶屏上显示。当测量的空气中粉尘浓度大于设定的最高粉尘浓度时，将会引发声光报警，由单片机自带的蜂鸣器和发光二极管引发。其中，最高粉尘浓度可以通过按键进行手动设定，根据不同的环境要求调低或调高。这一点极具现实意义，比如对于家庭粉尘检测仪，其设定的最高粉尘浓度可较低，对于工厂或室外粉尘检测仪，其值可相应提高。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

4、主要元器件简介

4.1 STC89C52单片机

STC89C52RC^[7]是STC公司生产的一种微控制器，广泛使用于生活和工业生产中。功耗低、性能高。

4.1.1 STC89C52标准功能

其引脚如图2所示。

图2 STC89C52单片机引脚图

STC89C52拥有静态逻辑操作，可按需选择不同的节电模式。例如空闲模式、掉电保护模式等。

4.1.2 STC89C52主要特性

STC89C52外形图如图3所示。

图3 STC89C52外形图

STC89C52单片机特性：

8K字节Flash；

512字节RAM；

4K字节EEPROM存储空间;

全双工串口通信；

4.1.3 STC89C52器件参数

1. 工作时钟：6 或12 时钟/机器周期；

2. 工作电压：5V；

3. 频率范围：0～40MHz；

4. I/O 口：32个；

5. 串口直接下载用户程序，速度快；

6. 3 个16 位定时器；

7. 4 路外部中断。

4.2 GP2Y1010AU0F传感器简介

GP2Y1010AUOF^[8]是日本夏普公司开发的一款利用光敏原理的光学灰尘浓度检测传感器。可用于检测空气中细微颗粒，如香烟烟雾、灰尘浓度等。依靠输出的脉冲电压高度来检测一定范围内灰尘的浓度。

4.2.1内部原理图

夏普GP2Y1010AUOF传感器内部原理如图4所示。

图4 夏普GP2Y1010AUOF传感器内部原理图

4.2.2主要参数

粉尘传感器性能参数表

主要参数	技术条件	备注
灵敏度	0.5V/(0.1mg/m^3)
输出电压	0.9V (TPY)	无灰尘
供电电流	11mA
体积规格	46.0*30.0*17.6	单位mm
兼容性	兼容	无铅RoHS指令
供应电压Vcc	-0.3~ 0.7	单位V
输入终端电压	-0.3~Vcc	V-LED单位V
适应温度	-10~65	单位℃

4.2.3 LED端子的输入条件

传感器外部连接图如图5所示，传感器工作脉冲如图6所示。

图5 传感器外部连接图

图6 传感器工作脉冲

4.2.4 电路接线

引脚定义如图7所示，实物引脚如图8所示。

图7 传感器引脚定义图 图8 传感器实物引脚图

传感器与单片机连接示意图如图9所示。

图9 传感器与单片机连接示意图

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：12086字