一种基于单片机的便携式室内空气质量监测装置的制造方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
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
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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〈=1 〇um)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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] (1)重量法
[0009] 重量法是指将ΡΜ2.5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0.3μπι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。
[0010] (2)β射线吸收法
[0011] ΡΜ2.5颗粒物截留到滤纸上后，再通过照射?3射线，射线穿过颗粒物时，会被散射而 衰减，衰减程度与ΡΜ2.5的重量是正比的关系。由射线的衰减可计算出ΡΜ2.5的重量。
[0012] (3)微量振荡天平法
[0013] 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ΡΜ2.5颗粒物的质量然后算出浓度。
[0014] 人们还有利用光散射原理测定ΡΜ2.5颗粒物浓度的方法。原理是:ΡΜ2.5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ΡΜ2.5,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。
[0015] 本实用新型根据ΡΜ2.5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】
[0016] 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。
[0017] 为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
[0018] 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；
[0019] 所述显示屏与所述中央处理器通信连接；
[0020] 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Η)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；
[0021] 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。
[0022]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 EEPR0M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EEPR0M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。
[0023]进一步的，所述中央处理器为STC89C52单片机。
[0024]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。 [0025]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。
[0026]进一步的，所述粉尘传感器为夏普GP2Y1051粉尘传感器。
[0027]进一步的，所述温湿度模块为AM2302温湿度传感器。
[0028] 进一步的，所述显示屏的型号为IXD1602。
[0029] 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。
[0030] 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：
[0031] (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】
[0032]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：
[0033]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；
[0034]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；
[0035]图3为本实用新型实施例所述的中央处理器原理框图；
[0036]图4为本实用新型实施例所述的STC89C52单片机管脚示意图；
[0037]图5为本实用新型实施例所述的IXD1602原理图。
[0038] 附图标记说明：
[0039] 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-H)光轴。
【具体实施方式】
[0040] 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。
[0041] 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。
[0042] 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。
[0043]下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
[0044] 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;
[0045] 显示屏2与中央处理器1通信连接；
[0046] 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； [0047] 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。
[0048]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。
[0049] 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。
[0050] 单总线通信时，
[0051] 连接数据线使用5.1K上拉电阻(连接线小于30米时）；
[0052]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。
[0053] 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EEPR0M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EEPR0M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。
[0054] 中央处理器1为STC89C52单片机。
[0055] STC89C52单片机的管脚说明如下：
[0056] VCC为供电引脚；
[0057] EA/Vpp接Vcc;
[0058] GND 接地；
[0059] Ρ0·0-Ρ0·7，Ρ1·0-Ρ1·7 为单片机 I/O口；
[0060] P3.0/RXD为（串行输入）；
[0061] P3.1/TXD为（串行输出口）；
[0062] Ρ3.2/ΙΝΤ0 为（外部中断 0);
[0063] Ρ3.3/ΙΝΤ1 为（外部中断 1);
[0064] P3.4/T0为(计时器0外部输入）；
[0065] P3.5/T1为(计时器1外部输入）；
[0066] P3.6/WR为(外部数据写）；
[0067] P3.7/RD为外部数据读；
[0068] RST/VH)为复位输入，接复位电路，高电平时有效；
[0069] XTAL1、XTAL2接晶振，本设计中单片机需要的晶振为12MHz。
[0070]数据处理器通过串行输入管脚与中央处理模块通信连接。
[0071]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。
[0072]粉尘传感器3为夏普GP2Y1051粉尘传感器。
[0073] 温湿度模块4为AM2302温湿度传感器。
[0074] 显示屏2的型号为LCD1602。
[0075] LCD1602的管脚说明如下：
[0076]
[0078]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。
[0079]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;
[0080] 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；
[0081] 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；
[0082] 本实用新型结构小巧，便于携带，且数据输出稳定。
[0083] 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。
【主权项】
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IXD1602。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。
【文档编号】G01N21/49GK205656130SQ201620352110
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年4月22日 公开号201620352110.9, CN 201620352110, CN 205656130 U, CN 205656130U, CN-U-205656130, CN201620352110, CN201620352110.9, CN205656130 U, CN205656130U
【发明人】杜艳红, 王晓炜, 王莉, 李峰
【申请人】天津农学院