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        基于Arduino的空氣細(xì)微顆粒物檢測器設(shè)計

        2014-01-29 08:36:46南昌航空大學(xué)韓星晨高鴻波
        電子世界 2014年7期
        關(guān)鍵詞:夏普檢測器粉塵

        南昌航空大學(xué) 陳 媛 韓星晨 高鴻波

        基于Arduino的空氣細(xì)微顆粒物檢測器設(shè)計

        南昌航空大學(xué) 陳 媛 韓星晨 高鴻波

        基于Arduino對傳感器的處理和控制原理,制作了一個以SHARP粉塵傳感器為傳感器,Arduino Ethernet為控制中心的實時空氣細(xì)微顆粒物檢測器。利用Arduino對SHARP粉塵傳感器的控制,將采集到的空氣細(xì)微顆粒物數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,把Arduino Ethernet板作為PC板的接口,將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)絰ively網(wǎng)站上,除了能夠利用互聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)外,借助xively網(wǎng)站對傳感器采集的數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢,將檢測器周圍的空氣質(zhì)量更直觀的呈現(xiàn)給人們。

        Arduino;Ethernet板;SHARP粉塵檢測器;xively網(wǎng)站

        1.引言

        在各大城市,由于“不起眼”的空氣細(xì)微顆粒物(pm2.5)所造成的霧霾天氣越來越嚴(yán)重,進(jìn)而引發(fā)各種嚴(yán)重的呼吸道疾病以及心血管疾病危及人們的身體健康。空氣細(xì)微顆粒物的檢測也引起了人們的重視。然而對于衛(wèi)生環(huán)保局定期公布大范圍城市的空氣為顆粒物的檢測情況已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的日常生活。我們需要的是隨時,隨地了解我們周圍環(huán)境(如在汽車中,在工廠或者家中的環(huán)境)的pm2.5(空氣細(xì)微顆粒物),從而做好各種預(yù)防以及清潔措施。雖然國內(nèi)外有各種對粉塵檢測器的研究,但從現(xiàn)有的粉塵器看來,它們大都價格昂貴,且不適合家具個人,常用于工廠,再者體積龐大,所以一個能夠普及大眾經(jīng)濟(jì)實惠小型且又能精確檢測出我們周邊的pm2.5的檢測器變得十分的有必要。在這一背景下,我們制作了一個簡單,攜帶方便,經(jīng)濟(jì)實惠,且適合家具個人的空氣細(xì)微顆粒物檢測器。

        本文主要介紹現(xiàn)有的研究,基于Arduino的空氣細(xì)微顆粒物的傳感器的檢測原理即sharp粉塵器,sharp粉塵器與Arduino板的電路簡單搭建,該款傳感器的核心控制—Arduino,xively網(wǎng)站,實現(xiàn)實時共享數(shù)據(jù)不可或缺的部分,以及液晶顯示模塊DS1307。

        2.現(xiàn)有研究

        從國內(nèi)外文獻(xiàn)研究,現(xiàn)在常用的測細(xì)微顆粒物的方法有:重量法;β射線吸收法;微量振蕩天法。

        (1)重量法:將細(xì)微顆粒物直接截留到濾膜上,然后用天平稱重,這就是重量法。

        (2)β射線吸收法:將細(xì)微顆粒物收集到濾紙上,然后照射一束beta射線,射線穿過濾紙和顆粒物時由于被散射而衰減,衰減的程度和細(xì)微顆粒物的重量成比。

        (3)微量振蕩天平法:一頭粗一頭細(xì)的空心玻璃管,粗頭固定,細(xì)頭裝有濾芯??諝鈴拇诸^進(jìn),細(xì)頭出,細(xì)微顆粒物就被截留在濾芯上。在電場的作用下,細(xì)頭以一定頻率振蕩,該頻率和細(xì)頭重量的平方根成反比。于是,根據(jù)振蕩頻率的變化,就可以算出收集到的細(xì)微顆粒物的重量。

        基于上述的研究方法,國內(nèi)外研究了幾款傳感器,國內(nèi)比較好的粉塵傳感器以GCG1000粉塵傳感器為代表,但該傳感器主要用于煤礦不適用家居以及個人使用,以及體型龐大,價格昂貴。國外Dylos公司生產(chǎn)的DC1100 Pro Air Quality空氣細(xì)微顆粒檢測儀是一個真正的激光顆粒檢測器,帶兩種不同的測量范圍。小的通道(0.5微米)應(yīng)該可以看到細(xì)菌和霉菌。高一點的通道(2.5微米)可以看到灰塵和花粉。本設(shè)備能保存長達(dá)30天的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。雖然具有各方面的優(yōu)勢,但價格較貴,不適家居。

        3.空氣細(xì)微顆粒物檢測器的制做

        3.1 硬件電路設(shè)計

        制作一個小型經(jīng)濟(jì)實惠的空氣細(xì)微顆粒物檢測器,選取粉塵傳感器是十分重要的。通過對空氣細(xì)微顆粒物檢測的原理學(xué)習(xí),考慮到檢測的精度,經(jīng)濟(jì)成本,我們選取sharp粉塵器(夏普粉塵傳感器)。夏普粉塵器的傳感器精度0.1mg/cm3,在5v的激勵電壓下即可使用,同時也適用于常溫之下。這塊檢測電路的主要核心為Arduino Ethenet板,它是以Arduino為核心處理器的一塊板子,Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境,Arduino Ethenet特別之處:(1)數(shù)字口10、11、12、13是預(yù)留作為與Ethernet模塊通訊,因此可用的數(shù)字IO口只有9個,其中4個可以作為PWM輸出;(2)還有接USB轉(zhuǎn)串口通信。利用這兩個特性作pc的接口,同時它附帶的w5100能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)的功能,即連接電腦,實現(xiàn)可聯(lián)網(wǎng),將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絰ively上去。xively是一種網(wǎng)(http://www.xively.com),它幫助你在世界范圍連接和共享來自物體、設(shè)備、建筑和環(huán)境的感應(yīng)裝置實時數(shù)據(jù),并且創(chuàng)建標(biāo)簽。綜上所述,我們可以利用Arduino作為底層的感知點,而xively則可以作為上層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。夏普粉塵傳感器的原理是:如果空氣中的塵埃流入感測器的的中央孔穴時,紅外發(fā)光二極管的光線會散射,此時利用光檢測器檢測散射光,就能達(dá)到檢測塵埃的目的。

        其次我們將夏普粉塵傳感器與Arduino Ethenet連接,圖3.1為連接管腳圖以及粉塵器內(nèi)部檢測電路。

        最后在顯示模塊中,我們利用了DS1307的能夠?qū)崟r顯示時刻的特性,以Arduino作為核心控制器器,LM1602液晶作為顯示器,制作顯示電路模塊。圖3.2為最終成型電路。

        圖3.1 連接管腳圖以及粉塵器內(nèi)部檢測電路(該圖摘自夏普粉塵器的說明書)

        圖3.2 最終成型電路

        3.2 實物成型及實驗檢測結(jié)果

        現(xiàn)在我們利用空氣細(xì)微顆粒物檢測器首先在無煙環(huán)境下的顯示情況(如圖3.3所示):

        D(density)表示空氣中細(xì)微顆粒物的濃度(mg/m3),由于是陰雨天的數(shù)據(jù),故濃度值偏高。后面字母表示等級(A為濃度值小于150,B為濃度值在150-300,C為濃度值在300-1050,D為濃度值在1050-3000,E為濃度值大于3000)。

        下面一幅圖為人為制造的煙霧(向傳感器吹的香煙煙霧),并上傳到網(wǎng)站(圖3.4)從圖中可以看出該空氣質(zhì)量為D并不好。

        圖3.3

        圖3.4

        4.結(jié)束語

        這款空氣細(xì)微顆粒物檢測器與其他的粉塵檢測器的不同之處在于它能夠利用Arduino與PC上的一些軟件相連接,在網(wǎng)上實現(xiàn)共享數(shù)據(jù)。Sharp粉塵器雖然達(dá)不到工業(yè)粉塵器的精確程度,但其精確程度足以滿家庭民用個人需求。因此,這是一款低成本,低能耗,可聯(lián)網(wǎng),隨時檢測身邊的空氣質(zhì)量的家居空氣細(xì)微顆粒物檢測器。

        [1]郭天祥.51單片機(jī)C語言教程[M].電子工業(yè)出版社.

        [2]朱清慧.PROTEUS教程——電子線路設(shè)計、制作與仿真[M].清華大學(xué)出版社.

        [3]柴樹杉.Arduino開發(fā)文檔[J].

        [4]朱麗飛.粉塵濃度與溫濕度嵌入式檢測系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].

        [5]程晨.Arduino開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

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