王　路，曲　偉，胡家駿

( 黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080 )

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多功能PM2.5檢測系統(tǒng)

王路，曲偉*，胡家駿

( 黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080 )

摘要：針對(duì)市場上PM2.5檢測儀的功能單一和價(jià)格昂貴的問題，設(shè)計(jì)了一款多功能PM2.5檢測系統(tǒng)。此檢測系統(tǒng)以STC90C51單片機(jī)為核心控制器，采用GP2Y1050AUOF灰塵傳感器和DS18B20溫度傳感器對(duì)空氣中PM2.5濃度和環(huán)境溫度進(jìn)行檢測，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，完成了數(shù)據(jù)采集、計(jì)算與處理，實(shí)現(xiàn)了PM2.5濃度、溫度、時(shí)間實(shí)時(shí)顯示以及PM2.5上限報(bào)警、時(shí)間調(diào)整、人機(jī)交互等功能。測試結(jié)果表明：該P(yáng)M2.5檢測系統(tǒng)在室外正?？諝猸h(huán)境中測試結(jié)果與當(dāng)?shù)丨h(huán)境檢測部門公布的PM2.5數(shù)據(jù)誤差為±3 μg/m3，溫度誤差為±1 ℃，時(shí)間走時(shí)精確。

關(guān)鍵詞：PM2.5；GP2Y1050AUOF傳感器；檢測系統(tǒng)

0引言

醫(yī)學(xué)專家認(rèn)為，由細(xì)顆粒物造成的灰霾天氣對(duì)人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大。細(xì)顆粒物指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5 μm的顆粒物[1]。這些細(xì)顆粒物又稱細(xì)粒、細(xì)顆粒、PM2.5。顆粒物的來源是不完全燃燒，因此只要是靠燃燒的煙草產(chǎn)品，都會(huì)產(chǎn)生具有嚴(yán)重危害的顆粒物，也包括金紙燃燒、焚香及燃燒蚊香。它能較長時(shí)間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，代表空氣污染越嚴(yán)重。

生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，人們對(duì)環(huán)境和時(shí)間尤為關(guān)注，又因市場上PM2.5檢測儀的功能單一不能完全滿足居民生活需求，為此設(shè)計(jì)了一款多功能PM2.5檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠檢測PM2.5濃度，設(shè)置濃度上限報(bào)警，并具有時(shí)間、溫度實(shí)時(shí)顯示功能，方便居民實(shí)時(shí)了解周圍環(huán)境狀況。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1　Overall system design diagram

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由STC90C51單片機(jī)、溫度檢測電路、按鍵控制模塊、時(shí)鐘電路、PM2.5檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、報(bào)警電路和LCD液晶顯示電路等部分組成，系統(tǒng)框圖見圖1。

STC90C51為主控芯片；DS1302用于時(shí)間走時(shí)；DS18B20溫度傳感器采集環(huán)境溫度；ADS7822把GP2Y1050AU0F灰塵傳感器采集的空氣中PM2.5濃度模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；LCD12864用于顯示PM2.5濃度、溫度、時(shí)間等參數(shù)；報(bào)警電路用于PM2.5上限報(bào)警和鬧鈴功能。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1PM2.5檢測

GP2Y1050AUOF為夏普公司開發(fā)的二代PM2.5傳感器[2]，可檢測0.03～2.5 μm的微塵顆粒，輸出電壓0～3.5 V，電流損耗最大20 mA。主控MCU在A/D采樣和串口通信(RXD)兩種方式之間可任選一種，且輸出信號(hào)都為線性信號(hào)。GP2Y1050AUOF傳感器主要參數(shù)見表1。

圖2　GP2Y1050AUOF傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 Fig.2　Sensor GP2Y1050AUOF structure diagram

項(xiàng)目數(shù)值項(xiàng)目數(shù)值無塵輸出電壓/V0檢測感度V/(0.1mg·(m3)-1)0.35～0.65動(dòng)作電壓/V4.8～5.2保存溫度/℃-20～+80動(dòng)作溫度/℃-10～+65消耗電流/mA典型值17

2.1.1GP2Y1050AUOF傳感器結(jié)構(gòu)原理

GP2Y1050AUOF傳感器的結(jié)構(gòu)原理見圖2。其結(jié)構(gòu)為紅外發(fā)光二極管和光敏三極管對(duì)角布置，檢測原理為灰塵或煙霧顆粒通過防塵通氣孔進(jìn)入裝置，紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線到顆粒物上，光敏三極管接收其散射光信號(hào)。由于散射光強(qiáng)度與粉塵濃度成正比，因此可通過測量散射光強(qiáng)度，測出粉塵的濃度。

2.1.2GP2Y1050AUOF傳感器內(nèi)部回路

GP2Y1050AUOF傳感器內(nèi)部回路見圖3。光敏三極管接收其反射光信號(hào)，并通過放大電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過內(nèi)置單片機(jī)轉(zhuǎn)換，輸出模擬電壓值V0。GP2Y1050AUOF傳感器將第一代GP2Y1010AU0F傳感器[3]的外圍單片機(jī)電路集成到了傳感器內(nèi)部，整機(jī)體積縮小，總體成本下降。同時(shí)單片機(jī)代碼為Sharp官方優(yōu)化過的算法，避免了各個(gè)廠家不同算法代碼造成的差異和錯(cuò)誤。第二代PM2.5傳感器能隨使用時(shí)間的增長自動(dòng)計(jì)算和優(yōu)化損耗，令傳感器的實(shí)際使用壽命較第一代更長，在較長時(shí)間使用后更能保證輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。并在第一代只有模擬輸出的基礎(chǔ)上增加了數(shù)字輸出。

圖3　GP2Y1050AUOF傳感器內(nèi)部回路Fig.3　Sensor GP2Y1050AUOF internal circuit

GP2Y1050AU0F傳感器輸出特性參考數(shù)據(jù)見圖4，其中模擬端口輸出電壓值V0乘以系數(shù)K(自行設(shè)定)即得到灰塵濃度值，單位為mg/m3。

圖4　輸出特性參考數(shù)據(jù)Fig.4　Output characteristic reference data

圖5　PM2.5濃度采集系統(tǒng)電路Fig.5　PM2.5 concentrations acquisition system circuit

2.1.3PM2.5濃度采集電路

PM2.5濃度采集接口電路見圖5。本設(shè)計(jì)由于串口輸出數(shù)據(jù)太過靈敏，不易準(zhǔn)確讀取數(shù)值，并在軟件編程中時(shí)間中斷對(duì)溫度輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，故用A/D采樣輸出。ADS7822[4]是美國TI公司推出的一種低功耗、高性能12位A/D轉(zhuǎn)換芯片，正常模式下的典型功耗為0.54 mW(速率75 kHz時(shí))或0.06 mW(速率7.5 kHz時(shí))是電池供電設(shè)備的理想選擇。本設(shè)計(jì)采用該芯片的單端輸入方式與GP2Y1050AUOF傳感器的模擬輸出相連，串行輸出與CPU相連。作用是將傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、處理后，由LCD12864 顯示屏對(duì)所檢測的 PM2.5 數(shù)值進(jìn)行顯示。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電路見圖6。

圖6　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電路Fig.6　Overall system design circuit

圖7　溫度檢測電路Fig.7　Temperature sensing circuit

2.2溫度檢測電路

溫度檢測電路見圖7。DS18B20數(shù)字溫度傳感器具有9 Bit至12 Bit的攝氏溫度測量精度；用一個(gè)數(shù)據(jù)線(以及地)與微控制器進(jìn)行通訊；溫度檢測范圍為-55～+125 ℃，在-10～85 ℃之外時(shí)具有±0.5 ℃ 的精度；可以直接由數(shù)據(jù)線供電而不需要外部電源供電[5]。

2.3時(shí)鐘、顯示、按鍵及報(bào)警功能2.3.1時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路見圖8，采用雙電源供電(主電源和備用電源)，可設(shè)置掉電走時(shí)功能。

DS1302是一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和RAM數(shù)據(jù)[6]。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小于31 d可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。工作電壓為2.5～5.5 V。

2.3.2液晶顯示

LCD12864構(gòu)成液晶顯示電路，它具有4位/8位并行，2線或3線串口多種接口方式，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8 192個(gè)中文漢字(16×16點(diǎn)陣)、128個(gè)字符(8×16點(diǎn)陣)及64×256點(diǎn)陣顯示RAM。低電壓低功耗是其顯著特點(diǎn)，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。LCD顯示界面見圖9。

圖8　時(shí)鐘電路Fig.8　Clock circuit

圖9　顯示界面Fig.9　 display interface

2.3.3按鍵功能

按鍵控制共用5個(gè)獨(dú)立按鍵，各按鍵的功能如下：

S2—功能鍵，可依次對(duì)時(shí)、分、秒、星期、日、月、年進(jìn)行調(diào)整，還可對(duì)鬧鐘的時(shí)、分、秒及鬧鐘開關(guān)進(jìn)行選定。

S3、S4—增加鍵、減少鍵，當(dāng)選定時(shí)間、鬧鐘或PM2.5濃度時(shí)，按一次可以對(duì)數(shù)值加1或減1。

S5—退出鍵，當(dāng)調(diào)整時(shí)間和日期時(shí)，按此鍵可退出當(dāng)前調(diào)整模式，顯示主頁面。

S6—鬧鐘/PM2.5閾值設(shè)定鍵，按一次進(jìn)入鬧鐘設(shè)定頁面，按二次進(jìn)入PM2.5濃度閾值設(shè)定頁面，按三次退出此模式，顯示主頁面。

2.3.4報(bào)警電路

報(bào)警電路可通過發(fā)光二極管和蜂鳴器進(jìn)行聲、光報(bào)警。由于單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器電流不足，所以設(shè)計(jì)用IN4148(NPN)三極管來增加單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力[7-8]。

根據(jù)PM2.5監(jiān)測網(wǎng)空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)，24 h平均值標(biāo)準(zhǔn)值見表2。報(bào)警電路的發(fā)光報(bào)警可對(duì)照表2進(jìn)行設(shè)計(jì)：當(dāng)PM2.5濃度值為100～200 μg/m3時(shí)，LED1白燈閃爍，提醒居民PM2.5已達(dá)危害身體健康水平；200～300 μg/m3時(shí)，LED2紅燈閃爍，提醒居民PM2.5已達(dá)嚴(yán)重危害身體健康水平。聲音報(bào)警的設(shè)計(jì)可人為設(shè)定，當(dāng)PM2.5濃度值到達(dá)人為設(shè)定的閾值時(shí)，蜂鳴器發(fā)生報(bào)警。

表2　PM2.5監(jiān)測網(wǎng)空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)軟件部分可大致分為PM2.5檢測模塊程序、時(shí)間模塊程序、溫度檢測模塊程序、LCD液晶顯示模塊程序等。

3.1PM2.5檢測模塊程序

PM2.5檢測模塊程序流程圖見圖10。它采用ADS7822芯片將GP2Y1050AU0F傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)處理分析。

圖10　PM2.5檢測模塊程序流程圖Fig.10　PM2.5 detection module program flow chart

3.2Keil uVision軟件

編譯成功后的主程序流程圖見圖11。與匯編相比，C語言在功能性、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯優(yōu)勢，并且C語言可移植性強(qiáng)，因此本設(shè)計(jì)用C語言編寫程序代碼。用 Keil uVision軟件的工程管理、源代碼編輯、編譯設(shè)置、下載調(diào)試等功能實(shí)現(xiàn)軟件編程，用PZISP自動(dòng)下載軟件把編譯成功后的程序下載至微處理器中，使其控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖11　主程序流程圖Fig.11　Main program flow chart

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的多功能PM2.5檢測系統(tǒng)采用GP2Y1050AUOF灰塵傳感器和DS18B20溫度傳感器對(duì)空氣中PM2.5濃度和環(huán)境溫度進(jìn)行檢測，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)采集、計(jì)算與處理，實(shí)現(xiàn)了PM2.5濃度、溫

度、時(shí)間實(shí)時(shí)顯示以及PM2.5上限報(bào)警、時(shí)間調(diào)整、鬧鐘提醒等功能。經(jīng)測試，在室外正?？諝猸h(huán)境中測試數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)丨h(huán)境檢測部門公布的PM2.5數(shù)據(jù)誤差為±3 μg/m3，溫度誤差為±1 ℃。與市場上PM2.5檢測儀相比，該設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)功能更強(qiáng)，價(jià)格更便宜，易于攜帶，方便居民隨時(shí)了解周圍環(huán)境PM2.5狀況，滿足了居民日常生活需要。

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Multifunction PM2.5 detection system

WANG Lu，QU Wei*，HU Jia-Jun

(SchoolofElectronicEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

Abstract：A multifunctional PM2.5 detection system is designed, in order to overcome the problems of high cost and single function of the PM2.5 detectors on markets. PM2.5 concentrations and ambient air temperature are detected by core controller implementation of STC90C51 micro-controller, dust sensor GP2Y1050AUOF and temperature sensor DS18B20 respectively, and data acquisition, calculation and processing are implemented after A/D conversion. It is achieved to the real-time display of PM2.5 concentration, temperature and time, and functions of PM2.5 limit alarm, time adjustment and interactive. Test results show: PM2.5 data error tested by the PM2.5 detector in normal outdoor ambient air is ±3 μg/m3, the temperature error is ±1 ℃ that compared with data announced by the local environmental monitoring desect1ment, and walking time accurately.

Key words：PM2.5；sensor GP2Y1050AUOF;detection system

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.013

收稿日期：2015-11-02

基金項(xiàng)目：教育部2013年度高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金聯(lián)合資助項(xiàng)目(20132301110005)；2015年黑龍江大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資金資助項(xiàng)目(2015DZ15)

作者簡介：王路(1990-)，男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：電路分析與測試，E-mail：wanglu07190@163.com；*通訊作者：曲偉(1970-)，女，黑龍江哈爾濱人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：電路分析與測試，E-mail：quwei70@163.com。

中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-008X(2016)01-0066-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20160309.0910.006.html