智能粉塵濃度檢測系統(tǒng)設計

田軍委　鄧曉榮　程洪濤　張鑫

摘 要：針對當前空氣污染嚴重，為準確監(jiān)測粉塵的濃度，筆者設計出智能粉塵濃度檢測系統(tǒng)。該粉塵濃度檢測系統(tǒng)圍繞ARM為控制中心，完成數(shù)據(jù)的采集、參數(shù)設置、粉塵濃度值計算等系統(tǒng)各模塊的程序設計。結合SM-PWM-01A傳感器、電源模塊、風扇模塊、儲存模塊的硬件電路實現(xiàn)每個模塊的功能，從而實現(xiàn)智能檢測粉塵PM2.5和PM10的濃度值。同時文章對采集處理后的數(shù)據(jù)進行了分析。

關鍵詞：粉塵濃度 ARM處理器 光散射

中圖分類號：TD714 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0024-02

粉塵是指懸浮在空氣中的固體顆粒物，過多過少的粉塵將對環(huán)境產(chǎn)生災難性的影響[1]。目前，全國各大中小城市PM值都長期超標，尤其在煤礦[2]、建筑工地可產(chǎn)生大量的粉塵，粉塵濃度可達到1 000 mg/m3[3]，危害人的身體健康。因此，及時地對作業(yè)現(xiàn)場的粉塵進行監(jiān)測，有效地除塵和降塵昂，對確保人身安全和提高環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮著極其重要的作用。

目前，世界各國對粉塵濃度的監(jiān)測技術做了大量研究。英國研制的Sims linx系列監(jiān)測儀和OSIRIS粉塵傳感器。美國研制的RAM系列實時粉塵檢測儀器、3400型粉塵監(jiān)測儀、TSI粉塵測定儀，粉塵濃度的表示由塵粒計數(shù)法換算成粉塵質(zhì)量測定法。日本研制的P-5Hg、日本柴田LV-5E、LD-IE型的近紅外光散射相對濃度測試儀。德國研制的KAII/Model3511、FW-561、FW-100、FW-200、OMD-41、RM-210能夠在比較惡劣的環(huán)境中使用，以再較短的時間內(nèi)測試出粉塵的濃度。

國內(nèi)粉塵濃度監(jiān)測技術主要以采樣器、直讀式測塵儀為主。煤炭科學研究總院重慶研究院最先在國內(nèi)開發(fā)出了GCG500粉塵濃度傳感器。國內(nèi)其他廠家也紛紛研制了粉塵傳感器，如鄭州光力科技股份有限公司生產(chǎn)的GCG1000測塵儀、中國科學院合肥光機研究、無錫市化工防腐設備廠生產(chǎn)的CC-1A測試儀、上海大恒光學精密機械有限公司生產(chǎn)的測試樣機JFC-1和北京地質(zhì)儀表廠生產(chǎn)的AZPC-1等儀器。

國內(nèi)外粉塵濃度在線監(jiān)測技術大多都才用光散射原理。由于光散射原理的粉塵濃度傳感器是采用的光學原理，探測器易受污染，如不進行處理，會導致探測器靈敏度降低。需要經(jīng)常標定，增加勞動強度。而且這些設備價格高，外形龐大，移動不便，不能滿足當前一些部門和企業(yè)對檢測設備廉價、移動靈活的要求。

通過分析國內(nèi)外已有的粉塵檢測技術，研究數(shù)據(jù)采集和傳輸技術的發(fā)展趨勢，在原有的技術的基礎上，研究開發(fā)出具有實用性、可靠性的粉塵數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。向著快速測量，多點連續(xù)測量、耐污染、使用壽命長、廉價、外形小巧等方向發(fā)展，盡量縮小與先進國家的水平。

1 系統(tǒng)整體組成

根據(jù)環(huán)境監(jiān)測功能和系統(tǒng)功耗的要求，該文設計的高精度粉塵檢測模塊，主要由粉塵采集模塊、ARM處理器，光源系統(tǒng)、光探測系統(tǒng)、放大電路、單片機處理、電源電路、數(shù)據(jù)存儲電路、風扇電路構成，用來監(jiān)測空氣中的PM2.5和PM10微顆粒。其控制電路整體框圖如圖1所示。

空氣進入進氣孔后，大顆?；覊m被過濾。過濾后的氣體，由微型風扇吸入到粉塵采集模塊。粉塵采集模塊將采集到的粉塵濃度以脈沖低電平輸出，連接到ARM。ARM處理器應用軟件編程，計算出揚塵PM2.5和PM10的濃度值，并將信息儲存到儲存芯片，通過RS485串口輸出。在測量數(shù)據(jù)過程中，利用MC34063變換器控制電壓，通過電壓穩(wěn)壓器分別給吸氣風扇、揚塵模塊、ARM采集板供電。

2 系統(tǒng)控制單元及主要外圍電路

2.1 控制核心STM32F103C8T6

控制核心采用STM32F103C86，STM32F103C8T6使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，它與所有的ARM工具和軟件兼容。其工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器，具有豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設。其能夠處理多達43個可屏蔽中斷通道和16個優(yōu)先級。STM32F103C8T6最顯著的特點是支持三種低功耗模式，可以在要求低功耗、短啟動時間和多種喚醒事件之間達到最佳的平衡，其非常適合應用于粉塵傳感模塊，以便滿足對粉塵傳感器的長時使用和快速檢測的功能要求。

2.2 粉塵采集模塊

該裝置采用SM-PWM-01A粉塵傳感器。SM-PWM-01A是一款利用光學方法檢測空氣中粉塵濃度的傳感器。在此傳感器中，一個發(fā)光二極管和一個探測器光軸相交，當帶粉塵的氣流通過交叉區(qū)域，產(chǎn)生散射光，探測器就會檢測到粉塵散射的IR LED光線，然后將光信號轉換成電信號。探測器輸出電信號經(jīng)放大電路放大，放大器輸出信號經(jīng)A/D轉換電路轉成數(shù)字信號。如果低脈沖寬度增加時，表示灰塵濃度增加。顯示的灰塵濃度與采樣周期內(nèi)的低脈沖占空比對應。他能夠檢測到尺寸1.0 μm的室內(nèi)香煙等小顆粒物和尺寸大于2.5 μm的灰塵粒子濃度。粉塵傳感器外形緊湊，質(zhì)量輕，便于安裝。

該設計中將粉塵采集模塊輸出端連接到STM32F103C8T6的PA1和PA2引腳。通過ARM處理器進行程序處理并計算出粉塵濃度。STM32F103C8T6基本外圍電路如圖2所示。

2.3 電源電路

粉塵采集模塊、STM32F103C8T6和參數(shù)存儲電路、風扇驅動電路依次采用5 V、3.3 V、10 V供電電源供電，分別采用MC34063、78M05、LM1117供電。

2.4 風扇驅動電路

揚塵檢測模塊利用吸氣風扇使空氣循環(huán)通過粉塵采集模塊，形成恒定的氣流，清除氣腔內(nèi)殘留的塵埃，便于實時準確檢測。

2.5 參數(shù)存儲電路

此電路利用得電可擦除存儲芯片F(xiàn)M24C04，通過兩線串行的總線和單片機通訊。芯片內(nèi)的資料可以在斷電的情況下保存100年。

3 數(shù)據(jù)采集和處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要實時顯示檢測結果，而取樣法監(jiān)測采樣時間較長、儀器維修量大、花費成本較高、自動化程度低，不適合本監(jiān)測系統(tǒng)，采用適合于該監(jiān)測系統(tǒng)的基于光散射原理的SM-PWM-01A粉塵傳感器。SM-PWM-01A粉塵傳感器將采集到的信息以低脈沖信息寬度輸出。1 μm左右的小顆粒輸出信號為由窄脈沖或重疊的連續(xù)的脈沖波形，5～20 μm大粉塵顆粒輸出信號為由寬脈沖或不重疊脈沖。該粉塵模塊利用傳感器輸出的PWM波的低電平占空比來計算粉塵的濃度，P1表示小顆粒物濃度輸出，P2表示大顆粒物濃度輸出，二者低脈沖占空比計算公式為：

3.2 數(shù)據(jù)處理

該次數(shù)據(jù)濾波所采用的濾波方法及中位值平均濾波法（復合濾波）。中位值平均濾波法相當于“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”。優(yōu)點：融合了兩種濾波法的優(yōu)點這種方法既能抑制隨機干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾。缺點：測量速度較慢，和算術平均濾波法一樣，比較浪費RAM。

ARM處理器將采集到的大量數(shù)據(jù)通過編程軟件進行復合濾波，將采集到的N個數(shù)據(jù)進行從小到大的順序排序。去掉M個最大和最小的粉塵濃度值，在特殊情況下所測得的粉塵濃度值，復合濾波法排出了這些不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。再將所剩的比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)求平均值，使所測的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定準確。

4 結語

從各個方面分析設計的粉塵模塊與國控點所測數(shù)據(jù)的不一致的原因：首先，由于地理差異，外界環(huán)境導致國控監(jiān)測點與粉塵模塊測量點檢測的數(shù)據(jù)具有一定的偏差；再者，國控點的測量儀器與粉塵模塊在檢測原理、檢測精度、檢測誤差等方面也不一致；最后，國控點數(shù)據(jù)發(fā)布是每小時更新一次，而且有一定的延遲，而粉塵模塊檢測為每5秒或10秒更新一次，實時性較高。

參考文獻

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[3] 黃欽海，周志衡.某市部分企業(yè)工作場所噪聲和粉塵危害現(xiàn)狀分析[J-36].中國職業(yè)醫(yī)學，2014（4）：13-14.