江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 王 恒 胡小楠 段金杰 鐘守昌

基于單片機(jī)的運(yùn)動(dòng)型PM2.5防護(hù)口罩系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 王 恒 胡小楠 段金杰 鐘守昌

本文結(jié)合顆粒物過(guò)濾原理，結(jié)合特殊的氣囊，提出了PM2．5運(yùn)動(dòng)口罩在過(guò)濾效率和泄漏性上可行的設(shè)計(jì)方法。利用TI公司的MSP430F169單片機(jī)和PM2．5傳感器設(shè)計(jì)了一套運(yùn)動(dòng)型PM2．5防護(hù)口罩，裝置由PM2．5濃度檢測(cè)及風(fēng)速控制兩部分組成。PM2．5傳感器用于檢測(cè)過(guò)濾前后的PM2．5濃度，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大處理電路后,由單片機(jī)進(jìn)行AD采樣,計(jì)算當(dāng)前測(cè)試區(qū)域的PM2．5濃度，過(guò)濾后的空氣進(jìn)入緩沖區(qū)的氣囊中儲(chǔ)存，送到口罩。裝置還能實(shí)時(shí)調(diào)控風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以適應(yīng)使用者的呼吸量。該裝置在PM2．5環(huán)境監(jiān)測(cè)及體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

運(yùn)動(dòng)型；口罩；PM2．5； PM2．5傳感器；單片機(jī)；風(fēng)機(jī)；氣囊

引言

在日常生活中，霧霾天氣越來(lái)越嚴(yán)重，而霧霾中含有大量對(duì)人體有害的物質(zhì)。其中，顆粒物是霧霾的主要大氣污染物。在這些顆粒物中，空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)中直徑≤2.5um的就稱為PM2.5,也稱為細(xì)顆粒物。因其粒徑小，表面積大，易于富集空氣中的有害物質(zhì)，可以隨著呼吸進(jìn)入人體，引起肺泡或心血管疾病，所以PM2.5成為檢測(cè)空氣質(zhì)量指標(biāo)的一個(gè)重要參數(shù)。隨著2013年我國(guó)大部分地區(qū)霧霾天氣的爆發(fā)，健康問(wèn)題被越來(lái)越多的人所關(guān)注，本文所述的運(yùn)動(dòng)型PM2.5防護(hù)口罩將各種因素加以考慮并最終形成設(shè)計(jì)。

本文所述運(yùn)動(dòng)型PM2.5防護(hù)口罩在原有PM2.5防護(hù)口罩的基礎(chǔ)上，加上了獨(dú)有的氣囊和風(fēng)機(jī)，氣囊主要解決了人們運(yùn)動(dòng)時(shí)供氣量不足帶來(lái)的頭暈，胸悶等問(wèn)題，風(fēng)機(jī)則主要用于提供給運(yùn)動(dòng)人群充足的空氣，給人們帶來(lái)舒適的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。

1.系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)原理

運(yùn)動(dòng)型PM2.5防護(hù)口罩由MSP430F169單片機(jī)整體調(diào)控，主要有PM2.5濃度檢測(cè)和風(fēng)速控制兩部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

運(yùn)動(dòng)型PM2.5防護(hù)口罩的工作原理為風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)區(qū)的風(fēng)機(jī)首先開(kāi)始送風(fēng)，同時(shí)PM2.5傳感器檢測(cè)風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)區(qū)的PM2.5濃度，空氣通過(guò)過(guò)濾區(qū)的濾紙過(guò)濾后，儲(chǔ)存在空氣緩沖區(qū)中的氣囊中，氣囊中的PM2.5傳感器檢測(cè)其PM2.5濃度，最后氣囊中儲(chǔ)存的氣體輸送到口罩中。當(dāng)PM2.5濃度過(guò)高時(shí)，繼電器開(kāi)始工作，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，提醒人們避免出門鍛煉。

PM2.5濃度檢測(cè)部分為通過(guò)PM2.5傳感器檢測(cè)空氣緩沖區(qū)和風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)區(qū)環(huán)境中PM2.5濃度，實(shí)時(shí)的將PM2.5濃度發(fā)送到MSP430F169單片機(jī)，MSP430F169單片機(jī)判斷環(huán)境PM2.5濃度是否達(dá)到報(bào)警值，若達(dá)到，則將警報(bào)信號(hào)反饋到繼電器，輸出動(dòng)作接通警鈴，提醒用戶避免出行。

風(fēng)速控制部分為通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)按鍵，將改變信息反饋到MSP430F169單片機(jī)中，MSP430F169單片機(jī)通過(guò)改變PWM波占空比輸出到風(fēng)機(jī)，改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，給人最舒適的呼吸體驗(yàn)。

2.硬件組成和設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)速控制部分設(shè)計(jì)

風(fēng)速控制部分的主控芯片選用TI公司的MSP430F169單片機(jī)，它采用5V供電，具有60K Flash的存儲(chǔ)器；2KB的RAM，能有效控制各部分的高速運(yùn)行，可外接的通用IO口，可自由連接的外設(shè)，PM2.5傳感器的PM2.5濃度信息儲(chǔ)存在MSP430F169單片機(jī)里，便于實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)從而給出合理的建議。

風(fēng)速控制部分通過(guò)控制按鍵控制風(fēng)量大小，從而達(dá)到自由調(diào)控風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變空氣流量的目的，以滿足人們?cè)诓煌h(huán)境中對(duì)空氣流量的不同需求。

2.2 PM2.5濃度檢測(cè)設(shè)計(jì)

PM2.5傳感器將采到的PM2.5濃度數(shù)據(jù)發(fā)送到MSP430F169單片機(jī)，經(jīng)MSP430F169單片機(jī)分析可以判斷PM2.5濃度是否過(guò)高（即濃度大于70ug/m3），如過(guò)高，則及時(shí)發(fā)出警報(bào)同時(shí)給出合理化的建議。當(dāng)環(huán)境PM2.5濃度過(guò)高時(shí)，可通過(guò)繼電器輸出動(dòng)作接通警鈴提醒用戶。繼電器控制電路如圖2所示。

圖2 繼電器控制電路

在上圖中，J1選用12V磁保持繼電器，用MSP430F169單片機(jī)的P2.0端口控制繼電器的置位和復(fù)位，當(dāng)P2.0=1時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2截止，set端為低電平，reset端為高電平，繼電器動(dòng)作置位，從而使用戶端子L+和L-得電可控制風(fēng)機(jī)或警鈴等外部設(shè)備。當(dāng)P2.0=0時(shí)， Q1截止，Q2導(dǎo)通，set端為高電平，reset端為低電平，繼電器復(fù)位，外部設(shè)備將斷電。三級(jí)管選用S8050，當(dāng)有高電平過(guò)來(lái)，整體繼電器控制電路導(dǎo)通。

3.軟件設(shè)計(jì)

MSP430F169單片機(jī)對(duì)PM2.5傳感器按地址進(jìn)行巡檢，PM2.5傳感器被巡檢到時(shí)會(huì)把自身狀態(tài)(故障或正常)反饋給MSP430F169單片機(jī)，MSP430F169單片機(jī)通過(guò)改變PWM占空比來(lái)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)通過(guò)串口接收PM2.5傳感器的讀數(shù)，當(dāng)環(huán)境PM2.5濃度過(guò)高時(shí)，可通過(guò)繼電器輸出動(dòng)作接通警鈴提醒用戶。MSP430F169單片機(jī)軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

表1 風(fēng)機(jī)占空比在不同環(huán)境的PM2.5濃度關(guān)系

4.數(shù)據(jù)分析

測(cè)試環(huán)境為空氣和松香燃燒產(chǎn)生大量有毒氣體的混合氣體環(huán)境，測(cè)試前將一組PM2.5傳感器放在潔凈空氣中檢測(cè)一次環(huán)境PM2.5濃度，并由MSP430F169發(fā)送檢測(cè)命令讓每個(gè)PM2.5傳感器輸出其環(huán)境PM2.5濃度值，并將濃度值存儲(chǔ)在MSP430F169單片機(jī)中，再改變風(fēng)機(jī)占空比，觀察PM2.5濃度變化。表1是風(fēng)機(jī)占空比在不同環(huán)境的PM2.5濃度關(guān)系。

根據(jù)表1，我們得到風(fēng)機(jī)占空比在不同環(huán)境的PM2.5濃度關(guān)系曲線，如圖4所示。其中橫坐標(biāo)為風(fēng)機(jī)占空比，單位為%；縱坐標(biāo)為不同環(huán)境的PM2.5濃度，單位為ug/m3。

圖4 風(fēng)機(jī)占空比和PM2.5濃度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

圖中系列1為風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)區(qū)的PM2.5濃度，系列2為空氣緩沖區(qū)的PM2.5濃度。從圖中我們可以看出，風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)區(qū)的PM2.5濃度隨著風(fēng)速增大而逐漸增大，空氣緩沖區(qū)的PM2.5濃度趨于穩(wěn)定。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，PM2.5傳感器有很好的測(cè)量精度，空氣緩沖區(qū)的PM2.5濃度達(dá)到了國(guó)家35ug/m3的標(biāo)準(zhǔn)。

5.結(jié)束語(yǔ)

利用MSP430F169單片機(jī)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)型PM2.5防護(hù)口罩可以監(jiān)測(cè)被測(cè)環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)能對(duì)被測(cè)區(qū)域中PM2.5濃度進(jìn)行高精度測(cè)量和智能化管理。同時(shí)該系統(tǒng)可根據(jù)空氣中PM2.5濃度變化，給出外出建議。還能通過(guò)按鍵自由調(diào)控PWM占空比，靈活改變室內(nèi)環(huán)境的空氣流量，獨(dú)有的氣囊解決人們供氣量及氣體交換的特殊需求，給使用者帶來(lái)舒適的用戶體驗(yàn)。

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王恒（1996—），男，湖北武漢人，本科生，現(xiàn)就讀于江漢大學(xué)通信工程專業(yè)。