劉毅 馬偉東 溫世凡 謝中鵬 楊甜 金嬌 李戰(zhàn)勝

【摘要】霧霾天氣越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)大家的生活影響越來(lái)越大。但是在對(duì)霧霾監(jiān)測(cè)的技術(shù)上，卻沒(méi)有足夠的成果來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)霧霾的監(jiān)測(cè)。本論文是基于51單片機(jī)原理，針對(duì)水分含量和雜質(zhì)顆粒濃度大小，利用水分傳感器和雜質(zhì)顆粒濃度傳感器來(lái)檢測(cè)霧霾的大小，從而顯示霧霾的嚴(yán)重程度。該霧霾監(jiān)測(cè)儀可以精確的監(jiān)測(cè)霧霾濃度，從而判斷對(duì)實(shí)時(shí)霧霾應(yīng)該采取什么辦法進(jìn)行預(yù)防和控制。

【關(guān)鍵詞】霧霾;監(jiān)測(cè);51單片機(jī)

1.引言

近來(lái)，全國(guó)大部分城市談?wù)撟疃嗟目峙率庆F霾天了。其中，江浙滬所在的長(zhǎng)三角地區(qū)影響最大，南京，上海，杭州這些城市已經(jīng)聯(lián)系多日籠罩在大霧之中，從衛(wèi)星云圖中也能看到很大的一塊煙霧地帶。霧霾程度可以用PM2.5值表示出來(lái)。江浙滬大部分城市在這個(gè)數(shù)值上嚴(yán)重超標(biāo)。對(duì)于霧霾的防治要首先從霧霾的監(jiān)測(cè)坐起。只有準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)霧霾，才能為治理霧霾打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本論文中利用單片機(jī)和光學(xué)系統(tǒng)等設(shè)施對(duì)霧霾的水分含量和雜質(zhì)濃度測(cè)量出來(lái)，從而有效的對(duì)霧霾進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)霧霾空氣，霧霾實(shí)時(shí)檢測(cè)儀硬件框圖設(shè)計(jì)如圖1所示，首先是采集水分和雜質(zhì)，然后通過(guò)傳感器，本研究用兩個(gè)傳感器，一個(gè)是水分傳感器，另一個(gè)是雜質(zhì)顆粒傳感器，由傳感器得到的是微弱的電流信號(hào)，根據(jù)本次研究的要求選擇合適的放大器將微弱的電流信號(hào)放大轉(zhuǎn)換成實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好所需的直流電壓，然后將放大的電壓信號(hào)輸入到逐次比較型的A/D轉(zhuǎn)換器中，再連接51單片機(jī)，最后通過(guò)液晶屏顯示該霧霾的濃度。

圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖

圖2 紅外線強(qiáng)度衰減與空氣中水分的關(guān)系

（1）Infrared PLUS4501水分傳感器

檢測(cè)原理：水分對(duì)波長(zhǎng)為1.9um的紅外線有很強(qiáng)的吸收能力，對(duì)1.8um的紅外線則吸收很少。水分傳感器以1.9um為水分的測(cè)量波長(zhǎng)、以1.8um為水分的參考波長(zhǎng)，根據(jù)兩處紅外線衰減的差值大小檢測(cè)運(yùn)動(dòng)中空氣的水分含量。紅外線強(qiáng)度衰減與空氣中水分的關(guān)系如圖2所示。

（2）利用光聲效應(yīng)檢測(cè)空氣雜質(zhì)顆粒：

光聲光譜是利用光聲現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)物質(zhì)濃度的一種光譜技術(shù)。光聲效應(yīng)的產(chǎn)生首先必須要有光的吸收，光聲檢測(cè)技術(shù)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是基于氣體的紅外吸收理論的，對(duì)氣體的定性檢測(cè)依賴于氣體的紅外特征吸收譜線，定量測(cè)量依賴于氣體的紅外吸收定律。霧霾顆粒物樣品選擇的是用香燃燒后的煙霧來(lái)代替。

圖3 裝置圖

圖4 主流程圖

裝置圖如圖3所示，激光發(fā)出一定頻率的單色光，經(jīng)過(guò)斬光器把光斬成10HZ～15HZ交變光（斬光器是通過(guò)單片機(jī)控制馬達(dá)的電壓占空比來(lái)控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速，從而控制光頻），單色光經(jīng)過(guò)斬光器得到一定頻率的交變光后射入樣品光池內(nèi)，光照射到物質(zhì)上時(shí)，與物質(zhì)產(chǎn)生相互作用物質(zhì)吸收光能后，分子躍遷到激發(fā)態(tài)，在返回初始狀態(tài)時(shí)，或者通過(guò)伴隨發(fā)光的輻射躍遷過(guò)程，或者通過(guò)無(wú)輻射躍遷過(guò)程無(wú)輻射躍遷部分的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能量是通過(guò)同其他分子碰撞并以熱的形式散逸的。入射密封光聲池的光具有一定的頻率，在樣品吸收點(diǎn)上就產(chǎn)生一個(gè)周期性的熱分布，固體樣品的熱量擴(kuò)散至樣品表面，傳導(dǎo)給周圍的耦合氣體。界層面的氣體在密閉的光聲池里起到氣體活塞作用，在光聲池內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，被麥克風(fēng)檢測(cè)為光聲信號(hào).麥克風(fēng)檢測(cè)為光聲信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路后，用靈敏電壓表測(cè)出光聲信號(hào)的強(qiáng)度。光聲信號(hào)的強(qiáng)度也是霧霾顆粒物樣品對(duì)應(yīng)的一個(gè)濃度值。

3.軟件設(shè)計(jì)（見圖4）

首先采集已經(jīng)獲得的水分和雜質(zhì)顆粒濃度，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器使其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送到八位51單片機(jī)CPU中，CPU處理后的數(shù)字信息通過(guò)液晶顯示屏輸出該值，然后根據(jù)顆粒濃度與二進(jìn)制值之間的線性關(guān)系，通過(guò)顯示的二進(jìn)制值得到顆粒的濃度，從而對(duì)任意的霧霾進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并能通過(guò)顯示屏判斷霧霾的嚴(yán)重程度。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本研究通過(guò)仿真軟件得到了較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果顯示該研究能對(duì)霧霾進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而判斷霧霾的嚴(yán)重程度。

5.結(jié)束語(yǔ)

本研究結(jié)果說(shuō)明了，從空氣中水分含量和顆粒物濃度兩方面進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)確定水分和顆粒物所占比重可以判定，霧霾濃度和是否屬于霧霾天氣。解決了如何監(jiān)測(cè)霧霾，判斷霧霾程度的難題。只有完全的掌握霧霾檢測(cè)技術(shù)才能適應(yīng)自然，只有適應(yīng)自然才能得到更好的發(fā)展，走良性發(fā)展的道路。

參考文獻(xiàn)

[1]李欣.Infrared PLUS4501水分傳感器的檢測(cè)原理與標(biāo)定[J].山東：中華紙業(yè)出版社，2011（10）.

[2]李群芳.單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社.

[3]馬忠梅.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.

[4]張倩倩.基于MODIS數(shù)據(jù)的霧霾檢測(cè)方法研究[J].南京：南京師范大學(xué)，2012.

校級(jí)項(xiàng)目：大學(xué)生科研項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：

劉毅（1993—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院。

指導(dǎo)老師：李戰(zhàn)勝（1978—），男，河南漯河人，主要從事人工智能、自動(dòng)控制等方面的教學(xué)和研究。