肖祥威 张皓云 李思熠 吴微 李强

【摘  要】本文针对空气污染与监测问题进行了系统研究，提出以单片机为控制核心，利用各种传感器来检测周围温度、有害气体以及PM2.5漂浮物的粉尘，并用蓝屏LCD12864显示出检测到的可燃气体、PM2.5的浓度和温度。为了及时监测PM2.5浓度和甲烷等参数还设置了一个阀值，当实测值超过阀值就通过蜂鸣器报警并利用蓝牙透传到手机上以便实时远程了解室内的环境变化，此系统实现了室内空气质量的具体参数采集和检测。该设计轻便、功耗可控，符合仪器小型化的特点，也为以后开发功能更齐全的系统奠定了基础。

【关键词】空气污染与监测;传感器;蓝牙;远程监测;仪器小型化

引言

21世纪，人类面临着继“煤烟污染”和“光化学烟雾污染”之后出现的室内空气污染。其中PM2.5聚集形成的“雾霾”是最危险、最严重的污染，它对人类健康和全球环境都是有害的，与较粗的大气颗粒相比，细颗粒尺寸小，有毒有害物质丰富，与大气中的雾结合形成雾霾。

根据上述现状，有必要设计一种可以随时知道PM2.5含量，可燃气体泄漏和报警的检测装置。空气质量检测系统适用于家庭和社区的医疗保健，能实时了解室内空气质量。它可以监测室内环境参数并反馈报警，以确保最佳的生活环境。可以通过手机了解室内空气质量变化，确保室内环境健康、安全，使人们生活更美好。

1.系统总体设计

本设计采用硬软件相结合的方式。将整个硬件电路正确设计出来，然后再写入正确的程序，使整个系统正确的运行，达到预期的功能。整个设计以STM32F103C8T6芯片为控制核心，连接检测各种数据的传感器，包括采集温度的DS18B20传感器，负责采集室内温度数据并发送给单片机。使用粉尘传感器（GP2Y1014uf）对PM2.5的检测，使用MQ-2烟雾传感器模块采集可燃气体。负责将采集到的室内可燃气体（甲烷）发给单片机;蓝牙模块使用的是主从一体的HC-O5型号负责将单片机处理后的数据传输给手机端;显示设备为LCD12864液晶屏;报警采用有源蜂鸣器报警，电源采用5V电源供电。

2.实测方法

2.1可燃气体检测技术

根据系统设计的实际需求，采用MQ-2烟雾气体传感器。该传感器可检测甲烷气体，所用的气敏材料是在空气中具有低导电性的二氧化锡（SnO2）。它是一种N型半导体，当温度处于200～300度时，SnO2会吸收空中的氧气，形成带负电荷的离子，降低了导体电子密度并增加了电阻，当遇到可燃性气体（如CH4）时，形成了正离子状态吸附在氧化锡半导体的表面上，降低了电阻值。当空气中没有烟雾时，电阻值增加到初始状态。当半导体烟雾传感器不使用存放一段时间后，该元件在通电之后不能马上工作，因为烟雾传感器中的两个氧化锡在不带电时会吸附空气中的水蒸气，所以当再次工作时，要进行预热，一段时间后让水蒸气蒸发，气敏电阻才可以正常工作。

2.2 PM2.5检测技术

本系统设计采用的光学粉尘传感器（G2Y1014AU0F）检测空气中PM2.5含量，能够检测非常细的颗粒。在该装置中间有一个通孔，对向布置有红外发射的双管和光电晶体管，当通孔中间有细小颗粒存在时，折射LED发射出的光线，然后检测空气中的反射光。该传感器具有低电流消耗（大20mA，典型的11毫安），并且可以承载传感器的7vDC，灵敏度为0.5V/0.1mg/M3。

3.系统具体实现

3.1主流程图

本设计功能实现要通过主程序对子程序的调用，从而达到预期的目标，能否让硬件有序规则的实现预期的功能依赖于主程序能否有效实现。系统采用STM32 F103C8T6作为控制核心，对LCD12864进行初始化，再进行报阀值初始化，接下来是各个传感器的初始化，最后，进入一个循环处理过程，包括读取由DS18B20温度传感器检测到的温度，并检测由MQ-2烟雾传感器检测到的甲烷浓度以及GP2Y1014传感器检测到的PM2.5浓度。在LCD12864液晶上面显示出来，最后判断数据是否大于设定的报警值，若是，则通过蜂鸣器报警并且通过蓝牙传到手机蓝牙助手，随时掌握数据的动态变化，然后开始新一轮的检测、显示、判断。具体程序流程如图1所示：

3.2 传感器模块

本设计采用外部供电的方式驱动，电路简单，稳定性好。需要加一个5K左右的电阻提高电平的稳定性，DS18B20温度传感器有3个引脚，其中一个连接到电源VCC，一个引脚总线接单片机I/O口PA3引脚进行数据传输，还有一个引脚接地GND。

本系统采用的是MQ-2烟雾气体传感器是一款集成模块，只需要将其外设引脚与单片机相连即可，第4引脚与单片机的PA5相连，第3引脚空置，第2引脚接地，第2引脚接电。

3.3 顯示程序流程

显示模块使用LCD12864 ，它具有自己的字体库，可以直接调用。本设计LCD12864液晶采用的是串行连接，无论是串行还是并行连接引脚定义不同但工作原理一样。因为它是串行端口连接，所以LCD12864第15引脚PSB为高电平。具体流程如图2所示：

4.结语

（1）根据实际情况和目的功能，首先确定各功能模块的主要元器件，兼顾经济和高效的标准选择了合适的32单片机控制器，对温度模块、甲烷检测模块、PM2.5检测模块发送的数据进行处理。

（2）在确定系统的硬件部分以后，根据目的功能，编写了相应的程序，并进行了调试，确定各功能模块都能正常工作。

参考文献

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本文基金：四川省级大学生创新创业训练计划项目（S201910616133）