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    環(huán)境參數PM2.5檢測儀設計

    2016-06-21 07:02:55西京學院控制工程學院侯新剛李紅波李怡瑤周湘儀
    電子世界 2016年11期
    關鍵詞:主程序環(huán)境參數檢測儀

    西京學院控制工程學院 姚 沖 侯新剛 李紅波 孫 靜 李怡瑤 周湘儀

    環(huán)境參數PM2.5檢測儀設計

    西京學院控制工程學院 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PM2.5的數據,并將數據通過STC15W高性能嵌入式控制器進行數據濾波,其有效數據借助HMI顯示器進行數據顯示和曲線繪制,該檢測儀能夠做到環(huán)境參數PM2.5獲取、處理以及顯示。實驗證明:該檢測儀實用新穎,小巧易攜帶。

    【關鍵詞】GP2Y1050AU0F灰塵傳感器;STC15W;手持檢測儀;PM2.5檢測儀

    0 引言

    空氣質量作為民眾百姓關心的一個重要指標,關乎呼吸健康。應用灰塵傳感器和嵌入式系統(tǒng)通過HMI顯示器制作成一部簡易PM2.5檢測儀,該檢測儀能夠完成環(huán)境參數PM2.5的獲取,方便人們及時、準確的獲知當前空氣質量以便及時做好預防措施,保護脆弱的呼吸系統(tǒng),尤其是小孩和老人更能在這部檢測儀中獲益。近些年來,尤其是北京奧運會以后,空氣質量以及PM2.5作為大眾所熟知的新名詞常常掛在人們的嘴邊。但是通過當地氣象局、觀測站的空氣質量數據僅僅只有參考作用,在大城市中各個地區(qū)的數值往往區(qū)別很大,而專業(yè)的空氣檢測儀價格動輒上萬操作也是普通人難以掌握的。本文所提出的環(huán)境參數PM2.5檢測儀在研究和市場應用中顯得十分有必要,該檢測儀具有智能準確、小巧便攜、即開即用等特點,能夠很好的解決環(huán)境參數PM2.5獲取的需要。

    1 STC15W單片機

    本檢測儀采用STC(宏晶)公司的STC15W4K48S4單片機,寬電壓設計(2.5V~5.5V),高性能、低功耗、單機器周期,硬件上具有乘法/除法器,性能超過16MIPS,48KB片上Flash ROM,4KB SROM,四個超高速全雙工USART,8通道十位ADC轉換器,采樣率可達300KHz,一個可倍速的SPI接口,5個定時器,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、性價比高,可以滿足數據的快速獲取和運算。

    2 HMI顯示器

    HMI顯示器是DCOLOUR(廣州大彩)公司的一個集TFT顯示驅動、圖片字庫存儲、GUI操作、RTC顯示及各種組態(tài)控件于一體的串口顯示終端,用戶單片機只需要發(fā)送相應的串口命令就可以輕松實現文本、圖片和曲線顯示。顯示系統(tǒng)采用Cortex-M3以及高速FPGA雙核設計,ARM主要進行協(xié)議解析和USB圖片下載,FPGA主要實現Nandflash的圖片讀取和TFT控件顯示。該架構特點從某種程度上確保了系統(tǒng)的健壯性和抗干擾性能強。由于FPGA內部是采用并行處理機制,所以Nandflash的數據讀取、SDRAM的寫入和RGB數據輸出全部在同一個時鐘節(jié)拍下執(zhí)行,確保了系統(tǒng)圖片更新速度快,響應時間快等特點,該顯示器廣泛應用于工業(yè)顯示、智能家居等行業(yè)。

    圖1 HMI顯示器結構圖

    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原理的灰塵傳感器。煙灰或室內灰塵等空氣中的粉塵處于檢測范圍內時,由于這些粉塵而散射的光射入光接收元件作為電壓輸出,傳感器內部MCU進行AD轉換對外使用串口輸出,其參考值出廠前已標定好,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)硬件設計

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

    圖2 系統(tǒng)框圖

    5 固件程序設計

    固件程序主要包括主程序和數據濾波程序兩部分,其中主程序用于對單片機、傳感器和顯示器初始化設置以及數據獲取、上傳等功能,數據濾波程序主要完成數據轉換和穩(wěn)定等功能。

    5.1 主程序設計

    主程序主要包括初始化數據緩沖區(qū)、I/O口、定時器T0、串行通訊口1、串行通訊口2以及對HMI顯示器和傳感器初始化設置等。當在設定間隔時間內完成采集任務,數據濾波程序對數據進行處理后按照設定好的幀格式完成對HMI顯示器定時數據上傳。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 數據濾波程序

    數據濾波程序用于將獲取的數據進行穩(wěn)定運算,使輸出的數據更加平滑,減少誤差。由于傳感器對外每秒鐘輸出十次數據,而對屏幕數據每秒鐘刷新一次,所以采用定時器定時處理獲取到的數據。

    圖4 環(huán)境參數PM2.5檢測儀界面

    6 HMI界面設計

    HMI界面設計使用VisualTFT上位機軟件。VisualTFT上位機軟件為DCOLOUR(廣州大彩)公司配套HMI顯示器開發(fā)使用,直接使用內嵌的虛擬串口屏與單片機進行通訊,也支持Keil環(huán)境下直接調試,與真實硬件操作一樣。圖4為環(huán)境參數PM2.5檢測儀在西安某地區(qū)十小時監(jiān)測數據。

    7 總結

    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,設計了簡易的PM2.5檢測儀。該檢測儀運用了夏普灰塵傳感器,其參考值出廠已標定,串口數據輸出更加穩(wěn)定可靠,在數據處理中采用嵌入式系統(tǒng),能夠及時進行數據的處理、減數據誤差,顯示采用HMI串口顯示器,通過對顯示界面及通訊的單獨設計,減少設計難度提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。實驗證明,該檢測儀能夠較好的滿足普通環(huán)境下的環(huán)境參數PM2.5的獲取,達到設計要求。

    參考文獻

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    [4]楊欣.電子設計從零開始[M].北京∶清華大學出版社,2005∶28-102.

    基金項目:2015年高校國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(項目編號:201512715802)。

    作者簡介:

    姚沖(1994—),陜西西安人,大學本科,現就讀于西安西京學院。

    侯新剛(1982—),陜西西安人,講師,主要研究方向為電路設計。

    李紅波(1982—),陜西西安人,講師,主要研究方向為數據采集與控制。

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