田軍委　鄧曉榮　程洪濤　張?chǎng)?/p>

摘 要：針對(duì)當(dāng)前空氣污染嚴(yán)重，為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)粉塵的濃度，筆者設(shè)計(jì)出智能粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)。該粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)圍繞ARM為控制中心，完成數(shù)據(jù)的采集、參數(shù)設(shè)置、粉塵濃度值計(jì)算等系統(tǒng)各模塊的程序設(shè)計(jì)。結(jié)合SM-PWM-01A傳感器、電源模塊、風(fēng)扇模塊、儲(chǔ)存模塊的硬件電路實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的功能，從而實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)粉塵PM2.5和PM10的濃度值。同時(shí)文章對(duì)采集處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：粉塵濃度 ARM處理器 光散射

中圖分類號(hào)：TD714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（b）-0024-02

粉塵是指懸浮在空氣中的固體顆粒物，過(guò)多過(guò)少的粉塵將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生災(zāi)難性的影響[1]。目前，全國(guó)各大中小城市PM值都長(zhǎng)期超標(biāo)，尤其在煤礦[2]、建筑工地可產(chǎn)生大量的粉塵，粉塵濃度可達(dá)到1 000 mg/m3[3]，危害人的身體健康。因此，及時(shí)地對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的粉塵進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有效地除塵和降塵昂，對(duì)確保人身安全和提高環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮著極其重要的作用。

目前，世界各國(guó)對(duì)粉塵濃度的監(jiān)測(cè)技術(shù)做了大量研究。英國(guó)研制的Sims linx系列監(jiān)測(cè)儀和OSIRIS粉塵傳感器。美國(guó)研制的RAM系列實(shí)時(shí)粉塵檢測(cè)儀器、3400型粉塵監(jiān)測(cè)儀、TSI粉塵測(cè)定儀，粉塵濃度的表示由塵粒計(jì)數(shù)法換算成粉塵質(zhì)量測(cè)定法。日本研制的P-5Hg、日本柴田L(fēng)V-5E、LD-IE型的近紅外光散射相對(duì)濃度測(cè)試儀。德國(guó)研制的KAII/Model3511、FW-561、FW-100、FW-200、OMD-41、RM-210能夠在比較惡劣的環(huán)境中使用，以再較短的時(shí)間內(nèi)測(cè)試出粉塵的濃度。

國(guó)內(nèi)粉塵濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)主要以采樣器、直讀式測(cè)塵儀為主。煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院最先在國(guó)內(nèi)開發(fā)出了GCG500粉塵濃度傳感器。國(guó)內(nèi)其他廠家也紛紛研制了粉塵傳感器，如鄭州光力科技股份有限公司生產(chǎn)的GCG1000測(cè)塵儀、中國(guó)科學(xué)院合肥光機(jī)研究、無(wú)錫市化工防腐設(shè)備廠生產(chǎn)的CC-1A測(cè)試儀、上海大恒光學(xué)精密機(jī)械有限公司生產(chǎn)的測(cè)試樣機(jī)JFC-1和北京地質(zhì)儀表廠生產(chǎn)的AZPC-1等儀器。

國(guó)內(nèi)外粉塵濃度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)大多都才用光散射原理。由于光散射原理的粉塵濃度傳感器是采用的光學(xué)原理，探測(cè)器易受污染，如不進(jìn)行處理，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器靈敏度降低。需要經(jīng)常標(biāo)定，增加勞動(dòng)強(qiáng)度。而且這些設(shè)備價(jià)格高，外形龐大，移動(dòng)不便，不能滿足當(dāng)前一些部門和企業(yè)對(duì)檢測(cè)設(shè)備廉價(jià)、移動(dòng)靈活的要求。

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外已有的粉塵檢測(cè)技術(shù)，研究數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，在原有的技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)出具有實(shí)用性、可靠性的粉塵數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。向著快速測(cè)量，多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量、耐污染、使用壽命長(zhǎng)、廉價(jià)、外形小巧等方向發(fā)展，盡量縮小與先進(jìn)國(guó)家的水平。

1 系統(tǒng)整體組成

根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)功能和系統(tǒng)功耗的要求，該文設(shè)計(jì)的高精度粉塵檢測(cè)模塊，主要由粉塵采集模塊、ARM處理器，光源系統(tǒng)、光探測(cè)系統(tǒng)、放大電路、單片機(jī)處理、電源電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、風(fēng)扇電路構(gòu)成，用來(lái)監(jiān)測(cè)空氣中的PM2.5和PM10微顆粒。其控制電路整體框圖如圖1所示。

空氣進(jìn)入進(jìn)氣孔后，大顆粒灰塵被過(guò)濾。過(guò)濾后的氣體，由微型風(fēng)扇吸入到粉塵采集模塊。粉塵采集模塊將采集到的粉塵濃度以脈沖低電平輸出，連接到ARM。ARM處理器應(yīng)用軟件編程，計(jì)算出揚(yáng)塵PM2.5和PM10的濃度值，并將信息儲(chǔ)存到儲(chǔ)存芯片，通過(guò)RS485串口輸出。在測(cè)量數(shù)據(jù)過(guò)程中，利用MC34063變換器控制電壓，通過(guò)電壓穩(wěn)壓器分別給吸氣風(fēng)扇、揚(yáng)塵模塊、ARM采集板供電。

2 系統(tǒng)控制單元及主要外圍電路

2.1 控制核心STM32F103C8T6

控制核心采用STM32F103C86，STM32F103C8T6使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，它與所有的ARM工具和軟件兼容。其工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，具有豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。其能夠處理多達(dá)43個(gè)可屏蔽中斷通道和16個(gè)優(yōu)先級(jí)。STM32F103C8T6最顯著的特點(diǎn)是支持三種低功耗模式，可以在要求低功耗、短啟動(dòng)時(shí)間和多種喚醒事件之間達(dá)到最佳的平衡，其非常適合應(yīng)用于粉塵傳感模塊，以便滿足對(duì)粉塵傳感器的長(zhǎng)時(shí)使用和快速檢測(cè)的功能要求。

2.2 粉塵采集模塊

該裝置采用SM-PWM-01A粉塵傳感器。SM-PWM-01A是一款利用光學(xué)方法檢測(cè)空氣中粉塵濃度的傳感器。在此傳感器中，一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)探測(cè)器光軸相交，當(dāng)帶粉塵的氣流通過(guò)交叉區(qū)域，產(chǎn)生散射光，探測(cè)器就會(huì)檢測(cè)到粉塵散射的IR LED光線，然后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。探測(cè)器輸出電信號(hào)經(jīng)放大電路放大，放大器輸出信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)。如果低脈沖寬度增加時(shí)，表示灰塵濃度增加。顯示的灰塵濃度與采樣周期內(nèi)的低脈沖占空比對(duì)應(yīng)。他能夠檢測(cè)到尺寸1.0 μm的室內(nèi)香煙等小顆粒物和尺寸大于2.5 μm的灰塵粒子濃度。粉塵傳感器外形緊湊，質(zhì)量輕，便于安裝。

該設(shè)計(jì)中將粉塵采集模塊輸出端連接到STM32F103C8T6的PA1和PA2引腳。通過(guò)ARM處理器進(jìn)行程序處理并計(jì)算出粉塵濃度。STM32F103C8T6基本外圍電路如圖2所示。

2.3 電源電路

粉塵采集模塊、STM32F103C8T6和參數(shù)存儲(chǔ)電路、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路依次采用5 V、3.3 V、10 V供電電源供電，分別采用MC34063、78M05、LM1117供電。

2.4 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路

揚(yáng)塵檢測(cè)模塊利用吸氣風(fēng)扇使空氣循環(huán)通過(guò)粉塵采集模塊，形成恒定的氣流，清除氣腔內(nèi)殘留的塵埃，便于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)。

2.5 參數(shù)存儲(chǔ)電路

此電路利用得電可擦除存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M24C04，通過(guò)兩線串行的總線和單片機(jī)通訊。芯片內(nèi)的資料可以在斷電的情況下保存100年。

3 數(shù)據(jù)采集和處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

該環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果，而取樣法監(jiān)測(cè)采樣時(shí)間較長(zhǎng)、儀器維修量大、花費(fèi)成本較高、自動(dòng)化程度低，不適合本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用適合于該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基于光散射原理的SM-PWM-01A粉塵傳感器。SM-PWM-01A粉塵傳感器將采集到的信息以低脈沖信息寬度輸出。1 μm左右的小顆粒輸出信號(hào)為由窄脈沖或重疊的連續(xù)的脈沖波形，5～20 μm大粉塵顆粒輸出信號(hào)為由寬脈沖或不重疊脈沖。該粉塵模塊利用傳感器輸出的PWM波的低電平占空比來(lái)計(jì)算粉塵的濃度，P1表示小顆粒物濃度輸出，P2表示大顆粒物濃度輸出，二者低脈沖占空比計(jì)算公式為：

3.2 數(shù)據(jù)處理

該次數(shù)據(jù)濾波所采用的濾波方法及中位值平均濾波法（復(fù)合濾波）。中位值平均濾波法相當(dāng)于“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法”。優(yōu)點(diǎn)：融合了兩種濾波法的優(yōu)點(diǎn)這種方法既能抑制隨機(jī)干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾。缺點(diǎn)：測(cè)量速度較慢，和算術(shù)平均濾波法一樣，比較浪費(fèi)RAM。

ARM處理器將采集到的大量數(shù)據(jù)通過(guò)編程軟件進(jìn)行復(fù)合濾波，將采集到的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行從小到大的順序排序。去掉M個(gè)最大和最小的粉塵濃度值，在特殊情況下所測(cè)得的粉塵濃度值，復(fù)合濾波法排出了這些不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。再將所剩的比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)求平均值，使所測(cè)的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。

4 結(jié)語(yǔ)

從各個(gè)方面分析設(shè)計(jì)的粉塵模塊與國(guó)控點(diǎn)所測(cè)數(shù)據(jù)的不一致的原因：首先，由于地理差異，外界環(huán)境導(dǎo)致國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)與粉塵模塊測(cè)量點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)具有一定的偏差；再者，國(guó)控點(diǎn)的測(cè)量?jī)x器與粉塵模塊在檢測(cè)原理、檢測(cè)精度、檢測(cè)誤差等方面也不一致；最后，國(guó)控點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)布是每小時(shí)更新一次，而且有一定的延遲，而粉塵模塊檢測(cè)為每5秒或10秒更新一次，實(shí)時(shí)性較高。

參考文獻(xiàn)

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