鮑晶晶+麥強

摘要：針對我國空氣污染日益嚴重的現(xiàn)狀及傳統(tǒng)空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)蓄電池供電存在缺陷的問題，設計了一種太陽能供電的空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)。本設計的創(chuàng)新之處在于利用太陽能光伏電池板轉化的電能給蓄電池充電，蓄電池輸出電壓直接用于主控單元對系統(tǒng)電壓、電流信號的監(jiān)測，蓄電池經降壓穩(wěn)壓模塊后的輸出電壓可作為整個系統(tǒng)的工作電壓。主控單元以脈沖寬度調制方式控制蓄電池充電。經反復試驗證明，設計的太陽能供電空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)很好地解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)供電時間短、供電不穩(wěn)定的問題，且對空氣中有害氣體的監(jiān)測精度高。

關鍵詞：太陽能供電；空氣質量；降壓；監(jiān)測

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0180-02

隨著經濟的持續(xù)發(fā)展，工業(yè)的不斷進步，我國大氣污染日益嚴重，特別是近年來，霧霾不停地在各地肆虐，尤其是中東、華北地區(qū)一些城市，PM2.5指數(shù)持續(xù)爆表，人們談“霾”色變。要治理大氣污染，首先要從源頭上控制大氣污染物的排放量[1]。本文正是針對這一問題而設計的太陽能供電空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)。它可以實時檢測出空氣中有害氣體顆粒物的濃度，并以此給監(jiān)管及執(zhí)法部門提供監(jiān)管及執(zhí)法依據(jù)。且相比傳統(tǒng)蓄電池供電的空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)，該設計具有工作時間長，供電穩(wěn)定，維護成本低等優(yōu)點。本設計目前正處于試驗階段。

1 系統(tǒng)的總體設計

本文設計的太陽能供電空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)集對有害氣體的采集、處理、報警和顯示于一體，利用主控單元對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，保證前臺數(shù)據(jù)的實時性與準確性，有利于進行系統(tǒng)級評定[2]。本系統(tǒng)以STM32微控制器為控制核心，由傳感器采集空氣中有害氣體的濃度，經微控制器處理后，在液晶屏上顯示，人機界面友好，用太陽能光伏電池板把吸收的太陽能轉化為電能，供整個系統(tǒng)的電源供給及儲能備用。

1.1 系統(tǒng)組成

太陽能供電空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)主要由主控單元（STM32F103RCT6）、液晶顯示模塊（LCD12864）、粉塵灰塵顆粒濃度檢測模塊、用戶輸入模塊（按鍵）、聲光模塊（5V蜂鳴器、LED燈）及電源模塊（太陽能電池板、蓄電池）等組成。

系統(tǒng)要求達到的技術指標為：

（1）空氣中PM2.5濃度的測量范圍為0-0.6mg/m3。

（2）濃度測量精度為±0.1%。

（3）對于時鐘，要求性能穩(wěn)定，誤差為±0.5s，掉電后不會造成數(shù)據(jù)的丟失。

（4）太陽能光伏電池板平均無障礙工作時間≥8000h。

（5）50%放電深度循環(huán)壽命1000次。

1.2 系統(tǒng)功能設定

按鍵模塊可進行三種不同監(jiān)測模式的切換及監(jiān)測的啟動、停止。

粉塵灰塵顆粒濃度檢測模塊對空氣中的PM2.5顆粒敏感。傳感器檢測到的氣體濃度先被轉化為電壓信號，然后通過A/D轉換芯片被轉換為數(shù)字信號。

顯示模塊采用LCD12864顯示屏，能夠實時監(jiān)控太陽能供電模塊的輸出電壓、電流信號的變化及PM2.5濃度是否超標和當前時間值[3]。

當檢測到PM2.5濃度超標時，聲光模塊的蜂鳴器被驅動發(fā)出報警聲，同時點亮LED燈。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 系統(tǒng)原理

太陽能供電空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)以STM32F103RCT6低功耗嵌入式微控制器為主控芯片?？諝庵械挠泻怏w（PM2.5）通過粉塵灰塵顆粒濃度檢測傳感器后，輸出一個與氣體濃度相對應的電壓信號，然后A/D轉換芯片按一定的采樣頻率，將模擬電壓信號轉換為對應的數(shù)字信號，最后送入主控芯片進行數(shù)據(jù)處理。主控芯片對采樣值完成數(shù)據(jù)處理后，與預先設定的氣體濃度閾值進行比較，同時主控芯片驅動液晶顯示模塊顯示被測空氣中PM2.5的濃度是否超標，若超標，聲光模塊會發(fā)出相應的報警信號。

2.2 主控單元

主控單元采用STM32F103RCT6微控制器進行數(shù)據(jù)采集、處理，之后產生濃度結果數(shù)據(jù)，并將該結果數(shù)據(jù)進行超限對比。當PM2.5的濃度大于設定的閾值時，系統(tǒng)會自動報警并亮警示燈，并通過顯示模塊顯示濃度情況，最終完成對數(shù)據(jù)的存儲。

2.3 A/D轉換模塊

A/D轉換芯片選用ADC0809，為8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。擁有8位分辨率（最高分辨率可達28=256）、轉換時間僅需32us，能夠滿足普通模擬量的轉換條件。A/D轉換芯片把粉塵灰塵顆粒濃度檢測傳感器測得的模擬量信號，轉換成主控芯片STM32F103RCT6能夠識別的數(shù)字量信號。

2.4 粉塵灰塵顆粒濃度檢測模塊

APM粉塵灰塵顆粒濃度傳感器是一款專用于檢測空氣中PM2.5濃度的傳感器。尺寸小，重量輕，易安裝使用，對于直徑1um以上的粒子能靈敏檢測，內置的加熱器可實現(xiàn)自動吸入空氣。且價格低廉。完全能滿足本設計的需求。工作電流低，最大只有90mA。穩(wěn)定時間短，加熱器電源接通后約1分鐘。該模塊的顯著特點是利用粒子計數(shù)原理，以PWM脈寬調制輸出。輸出脈沖的低脈沖率與空氣中粉塵粒子的濃度成正比。

2.5 用戶輸入模塊

系統(tǒng)的用戶輸入模塊總共有4個按鍵構成，依次分別是“模式0鍵”、“模式1鍵”、“模式2”鍵、和“停止鍵”。模式0為每8小時檢測一次，模式1為立即檢測1次，模式2為每10分鐘檢測一次[5]。

2.6 電源模塊

本系統(tǒng)的電源模塊采用“太陽能電池板+蓄電池”的組合供電模式，這也是本設計的一大創(chuàng)新點。利用太陽能光伏電池板把吸收的太陽能轉換成電能，這些電能通過DC-DC 5A降壓模塊輸出12V-15V的電壓，供給蓄電池充電，充電電壓由PWM控制；再通過DC-DC 5A可調降壓模塊輸出6V的電壓，經過7805穩(wěn)壓芯片輸出5V電壓供給主控芯片及其它模塊使用[6-7]。