基于太陽能的PM2.5測試儀設(shè)計(jì)

吉 雨 居吉喬 江蘇無錫科技職業(yè)學(xué)院 214028

基于太陽能的PM2.5測試儀設(shè)計(jì)

吉 雨 居吉喬 江蘇無錫科技職業(yè)學(xué)院 214028

近來我國空氣質(zhì)量變差，陰霾天氣增多，嚴(yán)重危害著人們的身體健康，因此對人類環(huán)境的監(jiān)測與治理顯得尤為重要。我們設(shè)計(jì)了一種粉塵顆粒PM2.5的自動(dòng)測試儀，可以檢測 PM2.5、PM10 以及重金屬等顆粒，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、測試精度高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

單片機(jī)；傳感器；液晶顯示

0　緒論

在環(huán)境氣象學(xué)中，粉塵顆粒物是按直徑大小來分類的，粒徑小于100 微米的稱為 TSP，即總懸浮物顆粒；粒徑小于 10 微米的稱為PM10，即可吸入顆粒物；粒徑小于 2.5 微米的稱為 PM2.5，即可吸入肺顆粒物，它的直徑僅相當(dāng)于人的頭發(fā)絲粗細(xì)的 1/20。雖然PM2.5 只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它與較粗的大氣顆粒物相比，粒徑小、富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量影響更大。同時(shí)，粉塵檢測與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有著密切聯(lián)系，因?yàn)榉蹓m濃度過高可能會(huì)引起粉塵爆炸，危害到生產(chǎn)安全，所以對粉塵顆粒的檢測逐步被重視起來，人們對PM2.5的監(jiān)測與治理便顯得越來越重要。

目前，世界各國對粉塵濃度的測量技術(shù)都做了大量研究，研制了一系列粉塵監(jiān)測儀器，各種測試儀的功能、特點(diǎn)有所不同。國內(nèi)外粉塵檢測的方法主要有電容法、 β射線法、光散射法、光吸收法，目前市場上主要采用光散射法、光吸收法進(jìn)行粉塵濃度在線監(jiān)測，其中光學(xué)法測粉塵中主要使用散射法。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

我們設(shè)計(jì)的PM2.5自動(dòng)測試儀系統(tǒng)組成主要由單片機(jī)部分、粉塵測試模塊、液晶顯示電路、溫濕度測量模塊、電源及數(shù)據(jù)顯示電路。

1.1系統(tǒng)功能和主要技術(shù)指標(biāo)

（1）系統(tǒng)功能：自動(dòng)測量PM2.5數(shù)據(jù)，數(shù)字顯示當(dāng)前粉塵濃度，定時(shí)采集濃度值，鍵盤輸入?yún)⒖贾担^參考值報(bào)警；

（2）主要技術(shù)指標(biāo)：測量環(huán)境溫度：-10℃～70℃；測量精度：±5%；電壓輸入范圍：0V～5V。

1.2單片機(jī)的選擇

單片機(jī)是粉塵檢測儀的主控部件，是完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能的核心，它的選擇直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的工作，在本系統(tǒng)中我們選用STC12C5A60S2單片機(jī)，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等，自帶8位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，單片機(jī)可以將接收到的模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其工作電壓：5.5V～3.3V； 工作頻率范圍：0～35MHz。

1.3粉塵測試模塊

粉塵傳感器是敏感元件，可以將粉塵的濃度值變化為模擬電壓信號(hào)，傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)中使用了SHARP（夏普）公司的GP2Y1010F粉塵濃度傳感器。該粉塵濃度傳感器的可測量0.8微米以上的微小粒子，感知煙草產(chǎn)生的煙氣和粉塵等，該元件體積小，重量輕，最大功耗20mA，能夠使用太陽能電池為其供電。輸入電壓范圍：DC 5±2V；電流消耗：≦20mA（典型值11mA）；量程：0～0.8mg/m3。可調(diào)電阻設(shè)置檢測粉塵顆粒的大小。

1.4液晶顯示模塊

在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、 LED數(shù)碼管、液晶顯示器。該粉塵檢測儀是便攜式儀器，同時(shí)要準(zhǔn)確顯示粉塵濃度，本設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示器作為顯示模塊，能夠顯示當(dāng)前測量的溫度、濕度、粉塵濃度及報(bào)警濃度值。由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后，就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，因此液晶顯示器畫質(zhì)高且不會(huì)閃爍，其顯示質(zhì)量高。LCD1602液晶器件是點(diǎn)陣式，可以顯示兩行信息，本次設(shè)計(jì)中液晶器件第一行顯示溫度于濕度以及粉塵的濃度標(biāo)準(zhǔn)，第二行是檢測的瞬時(shí)粉塵濃度和平均粉塵濃度。

1.5報(bào)警功能及電源模塊

系統(tǒng)將傳感器采集出來的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，根據(jù)判斷用不同顏色的LED燈顯示，當(dāng)數(shù)據(jù)超過所設(shè)置的最大限度值，蜂鳴器便開始工作，發(fā)生報(bào)警聲音，按鍵后復(fù)位。通常我們由鍵盤電路輸入報(bào)警濃度值，可設(shè)置不同的等級(jí)濃度值啟動(dòng)報(bào)警器。

在本設(shè)計(jì)中采用了兩種方案為系統(tǒng)供電：5V直流USB電源和太陽能電池供電。太陽能電源組成：太陽能電池板、鋰離子蓄電池和充電電路板。單晶硅太陽能電池板一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。因此，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn)。我們選單晶硅太陽能電池板作為電源使用，其額定輸出電壓為5V，實(shí)際在上午8點(diǎn)到下午點(diǎn)（日照充足時(shí)）其平均輸出電壓為4.5V，實(shí)際最大輸出電壓為5V。額定工作電流為130MA，實(shí)際平均輸出電流為100MA。

2　軟件設(shè)計(jì)任務(wù)

我們選用KEIL公司的uVision4開發(fā)環(huán)境作為單片機(jī)程序的編譯器。該軟件集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)。本設(shè)計(jì)中軟件部分起到了至關(guān)重要的作用，系統(tǒng)的穩(wěn)定與否、程序是否按邏輯運(yùn)行主要取決于軟件的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的軟件需要完成的任務(wù)是：（1）系統(tǒng)測試。（2）實(shí)時(shí)讀取粉塵傳感器的數(shù)據(jù)。將處理后的數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示器上。（3）利用鍵盤設(shè)定粉塵濃度報(bào)警值。（4）當(dāng)粉塵濃度超過報(bào)警值時(shí)可通過蜂鳴器報(bào)警。

系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)過程：系統(tǒng)啟動(dòng)后開始系統(tǒng)初始化，對系統(tǒng)中所用到的資源控制寄存器等賦初值。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后，開始載入存儲(chǔ)器中的報(bào)警值。隨后打開粉塵傳感器內(nèi)部光源LED開始采集數(shù)據(jù)，每采集一個(gè)模擬信號(hào)會(huì)立即進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換然成8位數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將返回值轉(zhuǎn)化成電壓值，根據(jù)電壓與粉塵濃度的線性關(guān)系，利用公式計(jì)算出固體懸浮顆粒濃度。進(jìn)行閥值限位，在液晶屏顯示結(jié)果，若超過設(shè)定閾值，啟動(dòng)報(bào)警器。通過在keil51中對每個(gè)模塊程序的運(yùn)行和調(diào)試，以及各模塊的聯(lián)調(diào)，確認(rèn)程序沒有錯(cuò)誤，最后實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的總功能。

3　結(jié)論

世界衛(wèi)生組織發(fā)布的報(bào)告顯示，因?yàn)殛庼蔡鞖猬F(xiàn)象出現(xiàn)增多，空氣質(zhì)量的惡化，危害人體現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重，隨著時(shí)代的快速發(fā)展和科技水平逐漸提升，現(xiàn)在人們對自己生活品質(zhì)越來越重視，我們通過了解粉塵檢測原理、背景及發(fā)展情況，完成了硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件編程，并通過硬件與軟件的聯(lián)調(diào)得出了結(jié)果，該測試儀完全符合設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)在我們用PM2.5測試儀，正起到了對環(huán)境的監(jiān)視與報(bào)警作用。

［1］陳衛(wèi)紅，邢景才，史廷明等.粉塵的危害與控制［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005年

［2］侯曉霞等.微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007年

［3］焦敬品，張強(qiáng).便攜式粉塵測試儀的研制［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009年

［4］季晶晶，鄒麗新等.具有自適應(yīng)測量功能的空氣粉塵測量儀設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010.1