太陽能供電空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鮑晶晶+麥強(qiáng)

摘要：針對(duì)我國空氣污染日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀及傳統(tǒng)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)蓄電池供電存在缺陷的問題，設(shè)計(jì)了一種太陽能供電的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于利用太陽能光伏電池板轉(zhuǎn)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(duì)系統(tǒng)電壓、電流信號(hào)的監(jiān)測，蓄電池經(jīng)降壓穩(wěn)壓模塊后的輸出電壓可作為整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓。主控單元以脈沖寬度調(diào)制方式控制蓄電池充電。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的太陽能供電空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)很好地解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)供電時(shí)間短、供電不穩(wěn)定的問題，且對(duì)空氣中有害氣體的監(jiān)測精度高。

關(guān)鍵詞：太陽能供電；空氣質(zhì)量；降壓；監(jiān)測

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）01-0180-02

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，工業(yè)的不斷進(jìn)步，我國大氣污染日益嚴(yán)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(duì)這一問題而設(shè)計(jì)的太陽能供電空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。它可以實(shí)時(shí)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(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)具有工作時(shí)間長，供電穩(wěn)定，維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)目前正處于試驗(yàn)階段。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的太陽能供電空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)集對(duì)有害氣體的采集、處理、報(bào)警和顯示于一體，利用主控單元對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保證前臺(tái)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，有利于進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)評(píng)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(jīng)微控制器處理后，在液晶屏上顯示，人機(jī)界面友好，用太陽能光伏電池板把吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，供整個(gè)系統(tǒng)的電源供給及儲(chǔ)能備用。

1.1 系統(tǒng)組成

太陽能供電空氣質(zhì)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(dá)到的技術(shù)指標(biāo)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(duì)于時(shí)鐘，要求性能穩(wěn)定，誤差為±0.5s，掉電后不會(huì)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(shí)間≥8000h。

（5）50%放電深度循環(huán)壽命1000次。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)定

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

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

顯示模塊采用LCD12864顯示屏，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控太陽能供電模塊的輸出電壓、電流信號(hào)的變化及PM2.5濃度是否超標(biāo)和當(dāng)前時(shí)間值[3]。

當(dāng)檢測到PM2.5濃度超標(biāo)時(shí)，聲光模塊的蜂鳴器被驅(qū)動(dòng)發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)點(diǎn)亮LED燈。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)原理

太陽能供電空氣質(zhì)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(gè)與氣體濃度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，然后A/D轉(zhuǎn)換芯片按一定的采樣頻率，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，最后送入主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。主控芯片對(duì)采樣值完成數(shù)據(jù)處理后，與預(yù)先設(shè)定的氣體濃度閾值進(jìn)行比較，同時(shí)主控芯片驅(qū)動(dòng)液晶顯示模塊顯示被測空氣中PM2.5的濃度是否超標(biāo)，若超標(biāo)，聲光模塊會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。

2.2 主控單元

主控單元采用STM32F103RCT6微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，之后產(chǎn)生濃度結(jié)果數(shù)據(jù)，并將該結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行超限對(duì)比。當(dāng)PM2.5的濃度大于設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并亮警示燈，并通過顯示模塊顯示濃度情況，最終完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換芯片選用ADC0809，為8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。擁有8位分辨率（最高分辨率可達(dá)28=256）、轉(zhuǎn)換時(shí)間僅需32us，能夠滿足普通模擬量的轉(zhuǎn)換條件。A/D轉(zhuǎn)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(hào)，轉(zhuǎn)換成主控芯片STM32F103RCT6能夠識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)。

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(duì)于直徑1um以上的粒子能靈敏檢測，內(nèi)置的加熱器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸入空氣。且價(jià)格低廉。完全能滿足本設(shè)計(jì)的需求。工作電流低，最大只有90mA。穩(wěn)定時(shí)間短，加熱器電源接通后約1分鐘。該模塊的顯著特點(diǎn)是利用粒子計(jì)數(shù)原理，以PWM脈寬調(diào)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(gè)按鍵構(gòu)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(shí)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(shè)計(jì)的一大創(chuàng)新點(diǎn)。利用太陽能光伏電池板把吸收的太陽能轉(zhuǎn)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(diào)降壓模塊輸出6V的電壓，經(jīng)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]。