基于單片機的運動型PM2.5防護口罩系統設計

江漢大學物理與信息工程學院 王 恒 胡小楠 段金杰 鐘守昌

基于單片機的運動型PM2.5防護口罩系統設計

江漢大學物理與信息工程學院 王 恒 胡小楠 段金杰 鐘守昌

本文結合顆粒物過濾原理，結合特殊的氣囊，提出了PM2．5運動口罩在過濾效率和泄漏性上可行的設計方法。利用TI公司的MSP430F169單片機和PM2．5傳感器設計了一套運動型PM2．5防護口罩，裝置由PM2．5濃度檢測及風速控制兩部分組成。PM2．5傳感器用于檢測過濾前后的PM2．5濃度，經過信號放大處理電路后,由單片機進行AD采樣,計算當前測試區域的PM2．5濃度，過濾后的空氣進入緩沖區的氣囊中儲存，送到口罩。裝置還能實時調控風機轉速以適應使用者的呼吸量。該裝置在PM2．5環境監測及體育運動等領域具有廣闊的應用前景。

運動型；口罩；PM2．5； PM2．5傳感器；單片機；風機；氣囊

引言

在日常生活中，霧霾天氣越來越嚴重，而霧霾中含有大量對人體有害的物質。其中，顆粒物是霧霾的主要大氣污染物。在這些顆粒物中，空氣動力學當中直徑≤2.5um的就稱為PM2.5,也稱為細顆粒物。因其粒徑小，表面積大，易于富集空氣中的有害物質，可以隨著呼吸進入人體，引起肺泡或心血管疾病，所以PM2.5成為檢測空氣質量指標的一個重要參數。隨著2013年我國大部分地區霧霾天氣的爆發，健康問題被越來越多的人所關注，本文所述的運動型PM2.5防護口罩將各種因素加以考慮并最終形成設計。

本文所述運動型PM2.5防護口罩在原有PM2.5防護口罩的基礎上，加上了獨有的氣囊和風機，氣囊主要解決了人們運動時供氣量不足帶來的頭暈，胸悶等問題，風機則主要用于提供給運動人群充足的空氣，給人們帶來舒適的運動體驗。

1.系統組成與設計原理

運動型PM2.5防護口罩由MSP430F169單片機整體調控，主要有PM2.5濃度檢測和風速控制兩部分，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

運動型PM2.5防護口罩的工作原理為風機鼓風區的風機首先開始送風，同時PM2.5傳感器檢測風機鼓風區的PM2.5濃度，空氣通過過濾區的濾紙過濾后，儲存在空氣緩沖區中的氣囊中，氣囊中的PM2.5傳感器檢測其PM2.5濃度，最后氣囊中儲存的氣體輸送到口罩中。當PM2.5濃度過高時，繼電器開始工作，報警系統啟動，提醒人們避免出門鍛煉。

PM2.5濃度檢測部分為通過PM2.5傳感器檢測空氣緩沖區和風機鼓風區環境中PM2.5濃度，實時的將PM2.5濃度發送到MSP430F169單片機，MSP430F169單片機判斷環境PM2.5濃度是否達到報警值，若達到，則將警報信號反饋到繼電器，輸出動作接通警鈴，提醒用戶避免出行。

風速控制部分為通過手動調節按鍵，將改變信息反饋到MSP430F169單片機中，MSP430F169單片機通過改變PWM波占空比輸出到風機，改變風機轉速，給人最舒適的呼吸體驗。

2.硬件組成和設計

2.1 風速控制部分設計

風速控制部分的主控芯片選用TI公司的MSP430F169單片機，它采用5V供電，具有60K Flash的存儲器；2KB的RAM，能有效控制各部分的高速運行，可外接的通用IO口，可自由連接的外設，PM2.5傳感器的PM2.5濃度信息儲存在MSP430F169單片機里，便于實時分析數據從而給出合理的建議。

風速控制部分通過控制按鍵控制風量大小，從而達到自由調控風機轉速改變空氣流量的目的，以滿足人們在不同環境中對空氣流量的不同需求。

2.2 PM2.5濃度檢測設計

PM2.5傳感器將采到的PM2.5濃度數據發送到MSP430F169單片機，經MSP430F169單片機分析可以判斷PM2.5濃度是否過高（即濃度大于70ug/m3），如過高，則及時發出警報同時給出合理化的建議。當環境PM2.5濃度過高時，可通過繼電器輸出動作接通警鈴提醒用戶。繼電器控制電路如圖2所示。

圖2 繼電器控制電路

在上圖中，J1選用12V磁保持繼電器，用MSP430F169單片機的P2.0端口控制繼電器的置位和復位，當P2.0=1時，Q1導通，Q2截止，set端為低電平，reset端為高電平，繼電器動作置位，從而使用戶端子L+和L-得電可控制風機或警鈴等外部設備。當P2.0=0時， Q1截止，Q2導通，set端為高電平，reset端為低電平，繼電器復位，外部設備將斷電。三級管選用S8050，當有高電平過來，整體繼電器控制電路導通。

3.軟件設計

MSP430F169單片機對PM2.5傳感器按地址進行巡檢，PM2.5傳感器被巡檢到時會把自身狀態(故障或正常)反饋給MSP430F169單片機，MSP430F169單片機通過改變PWM占空比來改變風機轉速，同時通過串口接收PM2.5傳感器的讀數，當環境PM2.5濃度過高時，可通過繼電器輸出動作接通警鈴提醒用戶。MSP430F169單片機軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

表1 風機占空比在不同環境的PM2.5濃度關系

4.數據分析

測試環境為空氣和松香燃燒產生大量有毒氣體的混合氣體環境，測試前將一組PM2.5傳感器放在潔凈空氣中檢測一次環境PM2.5濃度，并由MSP430F169發送檢測命令讓每個PM2.5傳感器輸出其環境PM2.5濃度值，并將濃度值存儲在MSP430F169單片機中，再改變風機占空比，觀察PM2.5濃度變化。表1是風機占空比在不同環境的PM2.5濃度關系。

根據表1，我們得到風機占空比在不同環境的PM2.5濃度關系曲線，如圖4所示。其中橫坐標為風機占空比，單位為%；縱坐標為不同環境的PM2.5濃度，單位為ug/m3。

圖4 風機占空比和PM2.5濃度對應關系圖

圖中系列1為風機鼓風區的PM2.5濃度，系列2為空氣緩沖區的PM2.5濃度。從圖中我們可以看出，風機鼓風區的PM2.5濃度隨著風速增大而逐漸增大，空氣緩沖區的PM2.5濃度趨于穩定。對實驗數據進行分析可知，PM2.5傳感器有很好的測量精度，空氣緩沖區的PM2.5濃度達到了國家35ug/m3的標準。

5.結束語

利用MSP430F169單片機設計的運動型PM2.5防護口罩可以監測被測環境的實時狀態，同時能對被測區域中PM2.5濃度進行高精度測量和智能化管理。同時該系統可根據空氣中PM2.5濃度變化，給出外出建議。還能通過按鍵自由調控PWM占空比，靈活改變室內環境的空氣流量，獨有的氣囊解決人們供氣量及氣體交換的特殊需求，給使用者帶來舒適的用戶體驗。

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王恒（1996—），男，湖北武漢人，本科生，現就讀于江漢大學通信工程專業。