基于太阳能的PM2.5测试仪设计

吉 雨 居吉乔 江苏无锡科技职业学院 214028

基于太阳能的PM2.5测试仪设计

吉 雨 居吉乔 江苏无锡科技职业学院 214028

近来我国空气质量变差，阴霾天气增多，严重危害着人们的身体健康，因此对人类环境的监测与治理显得尤为重要。我们设计了一种粉尘颗粒PM2.5的自动测试仪，可以检测 PM2.5、PM10 以及重金属等颗粒，该系统设计合理、工作稳定、测试精度高，具有一定的实用价值。

单片机；传感器；液晶显示

0　绪论

在环境气象学中，粉尘颗粒物是按直径大小来分类的，粒径小于100 微米的称为 TSP，即总悬浮物颗粒；粒径小于 10 微米的称为PM10，即可吸入颗粒物；粒径小于 2.5 微米的称为 PM2.5，即可吸入肺颗粒物，它的直径仅相当于人的头发丝粗细的 1/20。虽然PM2.5 只是地球大气成分中含量很少的组分，但它与较粗的大气颗粒物相比，粒径小、富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量影响更大。同时，粉尘检测与工农业生产也有着密切联系，因为粉尘浓度过高可能会引起粉尘爆炸，危害到生产安全，所以对粉尘颗粒的检测逐步被重视起来，人们对PM2.5的监测与治理便显得越来越重要。

目前，世界各国对粉尘浓度的测量技术都做了大量研究，研制了一系列粉尘监测仪器，各种测试仪的功能、特点有所不同。国内外粉尘检测的方法主要有电容法、 β射线法、光散射法、光吸收法，目前市场上主要采用光散射法、光吸收法进行粉尘浓度在线监测，其中光学法测粉尘中主要使用散射法。

1　系统设计方案

我们设计的PM2.5自动测试仪系统组成主要由单片机部分、粉尘测试模块、液晶显示电路、温湿度测量模块、电源及数据显示电路。

1.1系统功能和主要技术指标

（1）系统功能：自动测量PM2.5数据，数字显示当前粉尘浓度，定时采集浓度值，键盘输入参考值，超过参考值报警；

（2）主要技术指标：测量环境温度：-10℃～70℃；测量精度：±5%；电压输入范围：0V～5V。

1.2单片机的选择

单片机是粉尘检测仪的主控部件，是完成数据采集、处理、输出、显示等功能的核心，它的选择直接关系到整个系统的工作，在本系统中我们选用STC12C5A60S2单片机，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等，自带8位A/D模数转换功能，单片机可以将接收到的模拟信号直接转换成数字信号，其工作电压：5.5V～3.3V； 工作频率范围：0～35MHz。

1.3粉尘测试模块

粉尘传感器是敏感元件，可以将粉尘的浓度值变化为模拟电压信号，传输给单片机进行处理。本设计中使用了SHARP（夏普）公司的GP2Y1010F粉尘浓度传感器。该粉尘浓度传感器的可测量0.8微米以上的微小粒子，感知烟草产生的烟气和粉尘等，该元件体积小，重量轻，最大功耗20mA，能够使用太阳能电池为其供电。输入电压范围：DC 5±2V；电流消耗：≦20mA（典型值11mA）；量程：0～0.8mg/m3。可调电阻设置检测粉尘颗粒的大小。

1.4液晶显示模块

在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、 LED数码管、液晶显示器。该粉尘检测仪是便携式仪器，同时要准确显示粉尘浓度，本设计采用LCD1602液晶显示器作为显示模块，能够显示当前测量的温度、湿度、粉尘浓度及报警浓度值。由于液晶显示器每一个点在收到信号后，就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，因此液晶显示器画质高且不会闪烁，其显示质量高。LCD1602液晶器件是点阵式，可以显示两行信息，本次设计中液晶器件第一行显示温度于湿度以及粉尘的浓度标准，第二行是检测的瞬时粉尘浓度和平均粉尘浓度。

1.5报警功能及电源模块

系统将传感器采集出来的数据传输给单片机，根据判断用不同颜色的LED灯显示，当数据超过所设置的最大限度值，蜂鸣器便开始工作，发生报警声音，按键后复位。通常我们由键盘电路输入报警浓度值，可设置不同的等级浓度值启动报警器。

在本设计中采用了两种方案为系统供电：5V直流USB电源和太阳能电池供电。太阳能电源组成：太阳能电池板、锂离子蓄电池和充电电路板。单晶硅太阳能电池板一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。因此，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。我们选单晶硅太阳能电池板作为电源使用，其额定输出电压为5V，实际在上午8点到下午点（日照充足时）其平均输出电压为4.5V，实际最大输出电压为5V。额定工作电流为130MA，实际平均输出电流为100MA。

2　软件设计任务

我们选用KEIL公司的uVision4开发环境作为单片机程序的编译器。该软件集成了业内最领先的技术。本设计中软件部分起到了至关重要的作用，系统的稳定与否、程序是否按逻辑运行主要取决于软件的设计。本设计的软件需要完成的任务是：（1）系统测试。（2）实时读取粉尘传感器的数据。将处理后的数据显示在液晶显示器上。（3）利用键盘设定粉尘浓度报警值。（4）当粉尘浓度超过报警值时可通过蜂鸣器报警。

系统主程序设计过程：系统启动后开始系统初始化，对系统中所用到的资源控制寄存器等赋初值。当系统初始化完成后，开始载入存储器中的报警值。随后打开粉尘传感器内部光源LED开始采集数据，每采集一个模拟信号会立即进行A/D转换，转换然成8位数字信号并进行数据处理，将返回值转化成电压值，根据电压与粉尘浓度的线性关系，利用公式计算出固体悬浮颗粒浓度。进行阀值限位，在液晶屏显示结果，若超过设定阈值，启动报警器。通过在keil51中对每个模块程序的运行和调试，以及各模块的联调，确认程序没有错误，最后实现了系统的总功能。

3　结论

世界卫生组织发布的报告显示，因为阴霾天气现象出现增多，空气质量的恶化，危害人体现象会更加严重，随着时代的快速发展和科技水平逐渐提升，现在人们对自己生活品质越来越重视，我们通过了解粉尘检测原理、背景及发展情况，完成了硬件电路的设计、软件编程，并通过硬件与软件的联调得出了结果，该测试仪完全符合设计要求，现在我们用PM2.5测试仪，正起到了对环境的监视与报警作用。

［1］陈卫红，邢景才，史廷明等.粉尘的危害与控制［M］.北京：化学工业出版社，2005年

［2］侯晓霞等.微型计算机原理及应用［M］.北京：化学工业出版社，2007年

［3］焦敬品，张强.便携式粉尘测试仪的研制［J］.仪表技术与传感器，2009年

［4］季晶晶，邹丽新等.具有自适应测量功能的空气粉尘测量仪设计［J］.现代电子技术，2010.1