智能實時霧霾檢測儀的設計

黃臻浩　謝旭堅　朱靜宜

【摘 要】智能實時霧霾檢測通常采用PM2.5和PM10指標衡量，根據在室外進行環境指數監測的要求，利用控制器實時檢測空氣中PM2.5、PM10含量和溫濕度情況，并將數據顯示在LCD顯示屏上，實現數據的無線傳輸與報警等功能，通過檢測儀實時檢測、顯示和記錄數據更新狀況。

【關鍵詞】智能;霧霾;檢測儀;設計

中圖分類號： X831 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）28-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.008

【Abstract】Intelligent real-time haze detection is usually measured by PM2.5 and PM10 indicators.According to the requirements of environmental index monitoring outdoors，temperature，humidity and PM2.5 and PM10 contents are detected in the controller.While LCD display and alarm are carried out，data can be transmitted wirelessly.Real-time detection，display and record of data can be realized by the detector.

【Key words】Intelligence;Haze;Detector;Design

0 引言

近些年來，伴隨著我國經濟快速增長，工業化、城市化進程不斷加快。然而，“霧霾”這個詞的頻繁出現，好似鉛塊般壓在政府和民眾的心頭。空氣的惡化已經成為我國經濟發展的瓶頸和制約條件，特別是在城市化進程快速發展的時下，大城市的空氣污染，特別是霧霾污染（大城市的PM2.5污染）實時檢測是一個必須面對的問題。有估算表明，由于受到大氣污染的危害，我國每年約有17.8萬人過早死亡，隨之造成的經濟損失更是高達500多億美元[1]。空氣污染問題及其造成的巨大公眾健康損失，引起了社會的廣泛關注。

自2016年1月1日新頒布的《環境空氣質量標準》規定在全國實施以來，人們越來越關注和關心環境空氣質量的高低，特別是對霧霾污染下的空氣指標，即PM2.5的關注。PM2.5是指空氣動力學當量直徑（俗稱粒徑）小于2.5μm的大氣顆粒物[2]。PM2.5的主要來源是日常發電、工業生產、汽車尾氣排放等經過燃燒而排放的殘留物，大多為有毒物質，對人們身體健康（尤其是兒童和老年人）危害尤為明顯。因而，對環境空氣質量進行實時監測，根據監測結果改善空氣質量和生態環境，具有十分重要的意義。本文為滿足用戶在日常生活中隨時檢測霧霾即空氣質量和溫濕度等，設計開發智能實時霧霾檢測儀。

1 系統總體設計

智能實時霧霾檢測儀的設計主要由4個模塊組成，分別為CPU控制模塊、PM2.5和PM10粉塵模塊、溫濕度模塊以及LCD顯示模塊，其中重要部分為CPU控制模塊。CPU開發板作為系統的核心控制，根據需要選擇供電方式，負責數據的處理及各傳感器的控制。粉塵傳感器和溫濕度傳感器兩個模塊主要采集環境數據，將數據輸送給CPU控制模塊進行清洗處理，最后CPU將處理后的檢測結果數據發送給顯示模塊，通過LCD顯示屏進行顯示。檢測儀的系統框架如下圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 主機原理圖設計

系統按實現功能需要，主機電路劃分為以下幾部分，電源充電電路和升壓電路、AD電路、MCU、lcd顯示屏電路、看門狗電路、232串口通信電路、norflash存取和讀取電路。主機原理圖設計如圖2所示。

各部分主要的功能包括：

①電源：通過USB接口進行對鋰電池充電，鋰電池或者USB外部電源通過升壓電路和穩壓芯片，提供各電路工作需要的電源：分為5V和3.3V。

②MCU：是控制各個功能模塊工作，以及與zigbee模塊通信。

③AD電路：對溫濕度信號進行采集。

④JTAG：是產品仿真調試時使用。

④看門狗電路：防止產品意外死機，可自動復位。同時有外部的復位按鍵能進行手動復位。

⑤串口通信電路：MCU和PM2.5傳感器之間的通信。

2.2 CPU單元設計

CPU單元包括以下主要功能：信號處理、控制信號輸出、顯示數據輸出、看門狗等。CPU單元由NORFLASH存讀取電路、ZigBee模塊、PM2.5傳感器、溫濕度傳感器等母板單元以及STM32ZET6、串行電路、看門狗電路模塊等組成。其主要模塊如圖3所示。

3 系統軟件設計

本智能實時霧霾檢測儀主要采用PM2.5和PM10指標衡量，根據在室外進行環境指數監測的要求，通過鋰電池充放電電路管理，實時檢測PM2.5、PM10含量和溫濕度情況以及空氣質量優良等級，在LCD顯示和報警的同時，可以實現數據的無線傳輸。本系統設計的流程圖如下圖4所示。

4 結論

本文設計基于低功耗單片機的智能實時霧霾檢測儀，提供了全方位對空氣質量，PM2.5和PM10含量以及溫濕度的實時檢測，實現了通過LCD顯示和報警等功能。使用方便，響應速度快，成本低廉，便于攜帶，滿足了普通用戶日常生活所需，達到了預期效果。

【參考文獻】

[1]但德忠.環境空氣PM2.5監測技術及其可比性研究進展[J].中國測試，2013，3（02）：1-5.

[2]胡敦利，李亮，高楊，孫德輝.基于MSP430的空氣環境質量監測系統設計.高技術通訊，2015，25（03）：279-285.