西京學(xué)院控制工程學(xué)院 姚 沖 侯新剛 李紅波 孫 靜 李怡瑤 周湘儀

環(huán)境參數(shù)PM2.5檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

西京學(xué)院控制工程學(xué)院 姚 沖 侯新剛 李紅波 孫 靜 李怡瑤 周湘儀

【摘要】本文是利用GP2Y1050AU0F灰塵傳感器獲取環(huán)境參數(shù)PM2.5的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)STC15W高性能嵌入式控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，其有效數(shù)據(jù)借助HMI顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和曲線繪制，該檢測(cè)儀能夠做到環(huán)境參數(shù)PM2.5獲取、處理以及顯示。實(shí)驗(yàn)證明：該檢測(cè)儀實(shí)用新穎，小巧易攜帶。

【關(guān)鍵詞】GP2Y1050AU0F灰塵傳感器；STC15W；手持檢測(cè)儀；PM2.5檢測(cè)儀

0 引言

空氣質(zhì)量作為民眾百姓關(guān)心的一個(gè)重要指標(biāo)，關(guān)乎呼吸健康。應(yīng)用灰塵傳感器和嵌入式系統(tǒng)通過(guò)HMI顯示器制作成一部簡(jiǎn)易PM2.5檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀能夠完成環(huán)境參數(shù)PM2.5的獲取，方便人們及時(shí)、準(zhǔn)確的獲知當(dāng)前空氣質(zhì)量以便及時(shí)做好預(yù)防措施，保護(hù)脆弱的呼吸系統(tǒng)，尤其是小孩和老人更能在這部檢測(cè)儀中獲益。近些年來(lái)，尤其是北京奧運(yùn)會(huì)以后，空氣質(zhì)量以及PM2.5作為大眾所熟知的新名詞常常掛在人們的嘴邊。但是通過(guò)當(dāng)?shù)貧庀缶?、觀測(cè)站的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)僅僅只有參考作用，在大城市中各個(gè)地區(qū)的數(shù)值往往區(qū)別很大，而專業(yè)的空氣檢測(cè)儀價(jià)格動(dòng)輒上萬(wàn)操作也是普通人難以掌握的。本文所提出的環(huán)境參數(shù)PM2.5檢測(cè)儀在研究和市場(chǎng)應(yīng)用中顯得十分有必要，該檢測(cè)儀具有智能準(zhǔn)確、小巧便攜、即開(kāi)即用等特點(diǎn)，能夠很好的解決環(huán)境參數(shù)PM2.5獲取的需要。

1 STC15W單片機(jī)

本檢測(cè)儀采用STC（宏晶）公司的STC15W4K48S4單片機(jī)，寬電壓設(shè)計(jì)（2.5V～5.5V），高性能、低功耗、單機(jī)器周期，硬件上具有乘法/除法器，性能超過(guò)16MIPS，48KB片上Flash ROM，4KB SROM，四個(gè)超高速全雙工USART，8通道十位ADC轉(zhuǎn)換器，采樣率可達(dá)300KHz，一個(gè)可倍速的SPI接口，5個(gè)定時(shí)器，支持6路15位PWM帶死區(qū)控制能力的輸出等，其片上資源豐富、性價(jià)比高，可以滿足數(shù)據(jù)的快速獲取和運(yùn)算。

2 HMI顯示器

HMI顯示器是DCOLOUR（廣州大彩）公司的一個(gè)集TFT顯示驅(qū)動(dòng)、圖片字庫(kù)存儲(chǔ)、GUI操作、RTC顯示及各種組態(tài)控件于一體的串口顯示終端，用戶單片機(jī)只需要發(fā)送相應(yīng)的串口命令就可以輕松實(shí)現(xiàn)文本、圖片和曲線顯示。顯示系統(tǒng)采用Cortex-M3以及高速FPGA雙核設(shè)計(jì)，ARM主要進(jìn)行協(xié)議解析和USB圖片下載，F(xiàn)PGA主要實(shí)現(xiàn)Nandflash的圖片讀取和TFT控件顯示。該架構(gòu)特點(diǎn)從某種程度上確保了系統(tǒng)的健壯性和抗干擾性能強(qiáng)。由于FPGA內(nèi)部是采用并行處理機(jī)制，所以Nandflash的數(shù)據(jù)讀取、SDRAM的寫(xiě)入和RGB數(shù)據(jù)輸出全部在同一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍下執(zhí)行，確保了系統(tǒng)圖片更新速度快，響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，該顯示器廣泛應(yīng)用于工業(yè)顯示、智能家居等行業(yè)。

圖1 HMI顯示器結(jié)構(gòu)圖

3 GP2Y1050AU0F灰塵傳感器

該傳感器是SHARP（夏普）公司的一款利用光電檢測(cè)原理的灰塵傳感器。煙灰或室內(nèi)灰塵等空氣中的粉塵處于檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，由于這些粉塵而散射的光射入光接收元件作為電壓輸出，傳感器內(nèi)部MCU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換對(duì)外使用串口輸出，其參考值出廠前已標(biāo)定好，相比較以往模擬量輸出的傳感器在輸出精度上更有保證。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括傳感器信號(hào)前端處理電路、STC15W單片機(jī)核心板和HMI顯示器接口電路，三大部件共同組成檢測(cè)儀。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

5 固件程序設(shè)計(jì)

固件程序主要包括主程序和數(shù)據(jù)濾波程序兩部分，其中主程序用于對(duì)單片機(jī)、傳感器和顯示器初始化設(shè)置以及數(shù)據(jù)獲取、上傳等功能，數(shù)據(jù)濾波程序主要完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定等功能。

5.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要包括初始化數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、I/O口、定時(shí)器T0、串行通訊口1、串行通訊口2以及對(duì)HMI顯示器和傳感器初始化設(shè)置等。當(dāng)在設(shè)定間隔時(shí)間內(nèi)完成采集任務(wù)，數(shù)據(jù)濾波程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理后按照設(shè)定好的幀格式完成對(duì)HMI顯示器定時(shí)數(shù)據(jù)上傳。系統(tǒng)主程序流程圖如3所示。

圖3 主程序流程圖

主程序代碼如下：

5.2 數(shù)據(jù)濾波程序

數(shù)據(jù)濾波程序用于將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)算，使輸出的數(shù)據(jù)更加平滑，減少誤差。由于傳感器對(duì)外每秒鐘輸出十次數(shù)據(jù)，而對(duì)屏幕數(shù)據(jù)每秒鐘刷新一次，所以采用定時(shí)器定時(shí)處理獲取到的數(shù)據(jù)。

圖4 環(huán)境參數(shù)PM2.5檢測(cè)儀界面

6 HMI界面設(shè)計(jì)

HMI界面設(shè)計(jì)使用VisualTFT上位機(jī)軟件。VisualTFT上位機(jī)軟件為DCOLOUR（廣州大彩）公司配套HMI顯示器開(kāi)發(fā)使用，直接使用內(nèi)嵌的虛擬串口屏與單片機(jī)進(jìn)行通訊，也支持Keil環(huán)境下直接調(diào)試，與真實(shí)硬件操作一樣。圖4為環(huán)境參數(shù)PM2.5檢測(cè)儀在西安某地區(qū)十小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

7 總結(jié)

本文利用高性能嵌入式系統(tǒng)和灰塵傳感器以及HMI串口顯示器，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的PM2.5檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀運(yùn)用了夏普灰塵傳感器，其參考值出廠已標(biāo)定，串口數(shù)據(jù)輸出更加穩(wěn)定可靠，在數(shù)據(jù)處理中采用嵌入式系統(tǒng)，能夠及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、減數(shù)據(jù)誤差，顯示采用HMI串口顯示器，通過(guò)對(duì)顯示界面及通訊的單獨(dú)設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)難度提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)證明，該檢測(cè)儀能夠較好的滿足普通環(huán)境下的環(huán)境參數(shù)PM2.5的獲取，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：2015年高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201512715802）。

作者簡(jiǎn)介：

姚沖（1994—），陜西西安人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西安西京學(xué)院。

侯新剛（1982—），陜西西安人，講師，主要研究方向?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)。

李紅波（1982—），陜西西安人，講師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)采集與控制。