CN205656130U - 一种基于单片机的便携式室内空气质量监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，包括中央处理器、显示屏、粉尘传感器和温湿度模块；所述显示屏与所述中央处理器通信连接；所述粉尘传感器包括外壳、红外发光二极管、光电子晶体管和数据处理器，所述红外发光二极管和光电子晶体管分别与所述数据处理器信号连接，数据处理器向中央处理器输出标准串口电压；所述温湿度模块包括电容式感湿元件、测温元件和单片机处理器，所述电容式感湿元件和测温元件分别与所述单片机处理器信号连接，所述单片机处理器与所述中央处理器通信连接。本实用新型所述的基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，实现了装置的电路集成化和便携，并实现了稳定测量数据输出。

Description

一种基于单片机的便携式室内空气质量监测装置

技术领域

本实用新型属于空气质量监测技术领域，尤其是涉及一种基于单片机的便携式室内空气质量监测装置。

背景技术

近年来，随着科学技术的飞速发展和工业化进程的加快，使人们在享受科技带来的成果的同时，又面临着环境的污染和恶化，空气质量变差就是其中一个重要的后果。所以，研究和监测空气的质量就显得尤为重要。

最近，全国多数地区遭遇严重的雾霾天气，PM2.5值一度攀升。PM2.5指的是大气环境中空气动力学直径小于或等于2.5微米的固体或液体颗粒物。这种颗粒物极其细微，肉眼难以识别，但却严重影响了人们的健康。空气质量的严重下降也带来了一系列其他的问题。

于是，人们为了自身的健康，开始从降低室内PM2.5着手。最近，人们开始使用空气净化器来减低室内PM2.5，这是比较好的改善室内空气质量的方法，但是，这些方法都有一些不便之处，大部分空气净化器只有净化系统而没有实时显示系统，不能实时的显示出空气中的粉尘浓度，人们使用了空气净化器后，并不是确切的知道效果如何，或者是否已经达到健康的标准，缺少准确的数据供人们参考和比较。还有少数大型PM2.5监测器虽然可以测得空气质量的数据，但是体积庞大，价格昂贵，不能满足现代便携式设备的需求，只能限制于一定空间的测量。

室内环境空气当中的颗粒物一般指悬浮在室内空气中的固液体微粒。按微粒粒子的直径大小划分，可分为TSP(即空气动力学定义下的直径<＝100um的颗粒)、PM10(可吸入颗粒物,直径<＝10um)和PM2.5(细粒子,即直径<＝2.5um)。因为基于不同测量粉尘浓度原理研发的监测pm2.5的仪器有较大的不可减少的差距，并且监测PM2.5的大小是极其困难的，因此本设计所做研究和评价,更多的是为了推动PM2.5检测的发展和给出一些想法。

市面上常见的手持粉尘检测仪专用于检测空气环境中的PM2.5(可吸入颗粒物)，可检测的微粒空气动力学直径范围，一般大约在0.5微米至15微米，并分别给出大气环境中的PM1.0、PM2.5、PM10和总悬浮颗粒物(TSP)的浓度的数值。

目前，PM2.5的监测方法一般有这几种，分别是重量法、β射线吸收法和微量振荡天平法。这些方法因测量原理的本质不同而有所差异。因为手工采样的重量法是截留粉尘来测量，所以成为方法的基准，所以无论哪种方法都要与手工采样结果进行对比。但是在粉尘浓度的监测过程中，最大的挑战就是如何捕捉水和挥发性颗粒物的问题。即使手工采样，也会出现比如水的捕捉问题等的类似的问题。

(1)重量法

重量法是指将PM2.5颗粒直接通过特制的滤膜薄膜，然后利用天平称重留下的颗粒。但是一些极其微小的颗粒还是可以透过滤膜不被截留。我们规定，若直径0.3μm以上的粒子，截留效率大于99％的百分比，就算是合格的。重量法是目前最可信最可靠的方法，是验证其他方法的基准方法。但是重量法的测量程序比较繁琐且耗费时间和人力。

(2)β射线吸收法

PM2.5颗粒物截留到滤纸上后，再通过照射β射线，射线穿过颗粒物时，会被散射而衰减，衰减程度与PM2.5的重量是正比的关系。由射线的衰减可计算出PM2.5的重量。

(3)微量振荡天平法

微量振荡天平法的核心采样器的组成包括空心玻璃管、滤芯等。空心玻璃管两边不同。一头粗，一头细，滤芯装在细头的位置。空气从粗头一边进，细头出，滤芯上就留下了颗粒物。在电场下，细头振荡频率和重量的平方根成反比的关系。于是，根据振荡频率的变化规律计算出截留到的PM2.5颗粒物的质量然后算出浓度。

人们还有利用光散射原理测定PM2.5颗粒物浓度的方法。原理是：PM2.5颗粒物浓度越高，颗粒物对光的散射就越强。所以可以根据光的散射来算出浓度。但是利用光散射的原理测定PM2.5，有大约30％的不确定性。这使得所得实时浓度数据不够稳定和可靠。

本实用新型根据PM2.5监测原理实现装置的电路集成化和便携，并实现稳定的数据输出。

发明内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，以实现装置的电路集成化和便携，并实现稳定的数据输出。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，包括中央处理器、显示屏、粉尘传感器和温湿度模块；

所述显示屏与所述中央处理器通信连接；

所述粉尘传感器包括外壳、红外发光二极管、光电子晶体管和数据处理器，所述外壳为呈长方体状的箱体结构，该外壳的上下表面的中心开设有一贯穿该外壳的上下表面的测量通孔，所述红外发光二极管和光电子晶体管相对安装并倾斜设置，该红外发光二极管发出的LED光轴和光电子晶体管发出的PD光轴相交于所述测量通孔内，所述红外发光二极管和光电子晶体管分别与所述数据处理器信号连接，数据处理器向中央处理器输出标准串口电压；

所述温湿度模块包括电容式感湿元件、测温元件和单片机处理器，所述电容式感湿元件和测温元件分别与所述单片机处理器信号连接，所述单片机处理器与所述中央处理器通信连接。

进一步的，所述中央处理器包括中央处理模块、UART口、复位模块、实时时钟和EEPROM模块、总线驱动模块、64K SRAM、32K FLASH、CPLD译码控制电路和总线插槽，所述UART口与所述中央处理模块通信连接，所述复位模块与所述中央处理模块信号连接，所述实时时钟和EEPROM模块与所述中央处理模块信号连接，所述总线驱动模块、64K SRAM、32K FLASH和CPLD译码控制电路通过并行接口与所述中央处理模块通信连接，所述总线驱动模块与所述总线插槽信号连接，所述CPLD译码控制电路与所述总线插槽信号连接。

进一步的，所述中央处理器为STC89C52单片机。

进一步的，所述数据处理器通过串行输入管脚与所述中央处理模块通信连接。

进一步的，温湿度模块通过STC89C52单片机的I/O口与所述中央处理器通信连接。

进一步的，所述粉尘传感器为夏普GP2Y1051粉尘传感器。

进一步的，所述温湿度模块为AM2302温湿度传感器。

进一步的，所述显示屏的型号为LCD1602。

进一步的，所述基于单片机的便携式室内空气质量监测装置还包括一盒体，所述中央处理器固设在所述盒体内，所述显示屏固设在所述盒体的前端，所述温湿度模块固设在所述盒体上并裸露于盒体外部，所述粉尘传感器固设在所述盒体下端的凹槽内，且该粉尘传感器的测量通孔竖直向下。

相对于现有技术，本实用新型所述的基于单片机的便携式室内空气质量监测装置具有以下优势：

(1)本实用新型所述的基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，实现了装置的电路集成化和便携，并实现了稳定测量数据输出。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的基于单片机的便携式室内空气质量监测装置原理框图；

图2为本实用新型实施例所述的粉尘传感器工作原理示意图；

图3为本实用新型实施例所述的中央处理器原理框图；

图4为本实用新型实施例所述的STC89C52单片机管脚示意图；

图5为本实用新型实施例所述的LCD1602原理图。

附图标记说明：

1-中央处理器；2-显示屏；3-粉尘传感器；311-测量通孔；32-红外发光二极管；321-LED光轴；33-光电子晶体管；331-PD光轴。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1至5所示，本实用新型包括中央处理器1、显示屏2、粉尘传感器3和温湿度模块4；

显示屏2与中央处理器1通信连接；

粉尘传感器3包括外壳、红外发光二极管32、光电子晶体管33和数据处理器，外壳为呈长方体状的箱体结构，该外壳的上下表面的中心开设有一贯穿该外壳的上下表面的测量通孔311，红外发光二极管32和光电子晶体管33相对安装并倾斜设置，该红外发光二极管32发出的LED光轴321和光电子晶体管33发出的PD光轴331相交于测量通孔311内，红外发光二极管32和光电子晶体管33分别与数据处理器信号连接，红外发光二极管32和光电子晶体管33内的光接收元件分别接收各自由尘埃散射的光线并将光信号转化成电信号，同时将该电信号发送至数据处理器，数据处理器经一系列算法后向中央处理器1输出标准串口电压；

温湿度模块4包括电容式感湿元件、测温元件和单片机处理器，电容式感湿元件和测温元件分别与单片机处理器信号连接，单片机处理器与中央处理器1通信连接。

温湿度模块4内部在检测信号时，需要利用到存在单片机处理器内的校准系数。单片机处理器与中央处理器1的连接方式为单总线接口，Vcc供电电压为5V。单片机处理器的数据线SDA引脚为三态结构，对于读写温湿度模块4的数据提供了极大的便利。

单片机处理器与中央处理器1单总线通信时，数据线SDA上拉后与中央处理器1的I/O端口相连接。

单总线通信时，

连接数据线使用5.1K上拉电阻(连接线小于30米时)；

使用3.3V电压供电时由于电压小，电流不够读取数据，故连接线长度不大于30cm。

中央处理器1包括中央处理模块、UART口、复位模块、实时时钟和EEPROM模块、总线驱动模块、64K SRAM、32K FLASH、CPLD译码控制电路和总线插槽，UART口与中央处理模块通信连接，复位模块和实时时钟和EEPROM模块分别与中央处理模块信号连接，总线驱动模块、64K SRAM、32K FLASH和CPLD译码控制电路通过并行接口与中央处理模块通信连接，总线驱动模块与总线插槽信号连接，CPLD译码控制电路与总线插槽信号连接。

中央处理器1为STC89C52单片机。

STC89C52单片机的管脚说明如下：

VCC为供电引脚；

EA/Vpp接Vcc；

GND接地；

P0.0-P0.7,P1.0-P1.7为单片机I/O口；

P3.0/RXD为(串行输入)；

P3.1/TXD为(串行输出口)；

P3.2/INT0为(外部中断0)；

P3.3/INT1为(外部中断1)；

P3.4/T0为(计时器0外部输入)；

P3.5/T1为(计时器1外部输入)；

P3.6/WR为(外部数据写)；

P3.7/RD为外部数据读；

RST/VPD为复位输入,接复位电路，高电平时有效；

XTAL1、XTAL2接晶振，本设计中单片机需要的晶振为12MHz。

数据处理器通过串行输入管脚与中央处理模块通信连接。

温湿度模块4通过STC89C52单片机的I/O口与中央处理器1通信连接。

粉尘传感器3为夏普GP2Y1051粉尘传感器。

温湿度模块4为AM2302温湿度传感器。

显示屏2的型号为LCD1602。

LCD1602的管脚说明如下：

基于单片机的便携式室内空气质量监测装置还包括一盒体，中央处理器1固设在盒体内，显示屏2固设在盒体的前端，温湿度模块4固设在盒体上并裸露于盒体外部，粉尘传感器3固设在盒体下端的凹槽内，且该粉尘传感器3的测量通孔311竖直向下，既避免了灰尘的附着，也避免了测量通孔311中外部光线的射入，使得测量结果更加精确。

本实用新型的工作过程为：粉尘传感器3的测量通孔311中为环境均布的空气，该红外发光二极管32发出的LED光轴321和光电子晶体管33发出的PD光轴331相交于测量通孔311内，并分别受到位于测量通孔311内灰尘的散射，红外发光二极管32和光电子晶体管33中的光接收元件接收灰尘散射的光线，并将光信号转换成电信号输入数据处理器，数据处理器将电信号经过一系列算法后以标准串口电压形式输入中央处理器1；

AM2302温湿度传感器内的电容式感湿元件和测温元件分别测量空气中的温度和湿度，并通过单片机处理器的校准处理，并将最终结果通过中央处理器1的I/O端口输入中央处理器；

中央处理器1分析处理空气中粉尘含量以及空气的温度和湿度，并将分析结果输入显示屏2显示；

本实用新型结构小巧，便于携带，且数据输出稳定。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，其特征在于：包括中央处理器、显示屏、粉尘传感器和温湿度模块；

所述显示屏与所述中央处理器通信连接；

所述粉尘传感器包括外壳、红外发光二极管、光电子晶体管和数据处理器，所述外壳为呈长方体状的箱体结构，该外壳的上下表面的中心开设有一贯穿该外壳的上下表面的测量通孔，所述红外发光二极管和光电子晶体管相对安装并倾斜设置，该红外发光二极管发出的LED光轴和光电子晶体管发出的PD光轴相交于所述测量通孔内，所述红外发光二极管和光电子晶体管分别与所述数据处理器信号连接，数据处理器向中央处理器输出标准串口电压；

所述温湿度模块包括电容式感湿元件、测温元件和单片机处理器，所述电容式感湿元件和测温元件分别与所述单片机处理器信号连接，所述单片机处理器与所述中央处理器通信连接。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，其特征在于：所述中央处理器包括中央处理模块、UART口、复位模块、实时时钟和EEPROM模块、总线驱动模块、64K SRAM、32K FLASH、CPLD译码控制电路和总线插槽，所述UART口与所述中央处理模块通信连接，所述复位模块与所述中央处理模块信号连接，所述实时时钟和EEPROM模块与所述中央处理模块信号连接，所述总线驱动模块、64K SRAM、32K FLASH和CPLD译码控制电路通过并行接口与所述中央处理模块通信连接，所述总线驱动模块与所述总线插槽信号连接，所述CPLD译码控制电路与所述总线插槽信号连接。

3.根据权利要求1所述的基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，其特征在于：所述中央处理器为STC89C52单片机。

4.根据权利要求1所述的基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，其特征在于：所述数据处理器通过串行输入管脚与所述中央处理模块通信连接。

5.根据权利要求1所述的基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，其特征在于：温湿度模块通过I/O端口与所述中央处理器通信连接。

6.根据权利要求1所述的基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，其特征在于：所述粉尘传感器为夏普GP2Y1051粉尘传感器。

7.根据权利要求1所述的基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，其特征在于：所述温湿度模块为AM2302温湿度传感器。

8.根据权利要求1所述的基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，其特征在于：所述显示屏的型号为LCD1602。

9.根据权利要求1所述的基于单片机的便携式室内空气质量监测装置，其特征在于：还包括一盒体，所述中央处理器固设在所述盒体内，所述显示屏固设在所述盒体的前端，所述温湿度模块固设在所述盒体上并裸露于盒体外部，所述粉尘传感器固设在所述盒体下端的凹槽内，且该粉尘传感器的测量通孔竖直向下。