基于S3F94A5XZZ—AQ95的PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

許樹華 張家欣 姜彥吉

摘 要：空氣污染、霧霾天氣會對人體健康造成不容忽視的影響，可誘發(fā)多種呼吸系統(tǒng)疾病。為實時監(jiān)測PM2.5的數(shù)值，文中設(shè)計了一款基于S3F94A5XZZ-AQ95微處理器的PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)，選擇GDP90A光散射粉塵濃度傳感器測量PM2.5的數(shù)值，通過程序設(shè)定，PM2.5超出標(biāo)準(zhǔn)值時，蜂鳴器報警，并在LCD5110屏上動態(tài)顯示，以提示人們做好預(yù)防措施。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠較精確地測量出PM2.5的數(shù)值，誤差約3%，操作簡便，能耗低，壽命長，具有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：S3F94A5XZZ-AQ95微處理器；PM2.5；霧霾；光散射；監(jiān)測系統(tǒng)；GDP90A激光傳感器

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-02

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，工業(yè)制造業(yè)發(fā)展迅猛，同時帶來的大氣污染也越來越嚴(yán)重，一些城市空氣質(zhì)量不斷惡化，霧霾天氣比率逐年增加。

霧霾是對大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)的籠統(tǒng)表述，而PM2.5[1]（空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物）被認(rèn)為是造成霧霾天氣的“元兇”，其粒徑小，活性強(qiáng)，易附帶有毒、有害物質(zhì)（如重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對環(huán)境質(zhì)量的影響較大，同時也是威脅人體健康的隱患[2]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由傳感器，單片機(jī)，LCD屏和蜂鳴報警器組成。在測量之前，首先通過程序設(shè)定PM2.5的基準(zhǔn)值作為報警裝置的閾值，系統(tǒng)內(nèi)部的空氣引流裝置將空氣傳至測量裝置，傳感器發(fā)射出激光，然后依據(jù)光散射原理將隨PM2.5濃度變化而變化的光信號傳到S3F94A5XZZ-AQ95微處理器并進(jìn)行數(shù)值分析[3，4]，再將數(shù)字信號傳遞給LCD屏幕和蜂鳴報警器，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件組成

2.1 傳感器選型

粉塵傳感器對整體設(shè)計起著決定性作用，直接影響到PM2.5濃度值采集的精準(zhǔn)度和可靠性。GDP09A激光粉塵傳感器是一款基于激光散射原理的數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時在某一特定角度收集散射光，連續(xù)采集并計算單位體積內(nèi)空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個數(shù)，即顆粒物濃度分布，進(jìn)而換算為質(zhì)量濃度，并以通用數(shù)字接口的形式輸出，得到散射光強(qiáng)隨粉塵濃度變化的曲線[5]。通過微處理器利用基于米氏（MIE）理論的算法[6，7]，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物數(shù)量。若檢測顆粒直徑在0.3 μm以上（0.3～1.0，1.0～2.5，2.5～10，單位：μm），則傳感器內(nèi)置氣體發(fā)生器可自行引入外部空氣。本傳感器可嵌入各種與空氣中懸浮顆粒物濃度相關(guān)的儀器儀表或環(huán)境改善設(shè)備[8]，為其提供及時準(zhǔn)確的濃度數(shù)據(jù)。

實時測量曲線如圖2所示。

2.2 控制核心選型

本設(shè)計選用S3F94A5XZZ-AQ95微處理器作為控制核心，其工作頻率為72 MHz，兼容性優(yōu)越，具有4個可配置的I/O端口（26針）以及26個中斷源和8個中斷級，其最顯著的特點是可在低功耗、短啟動和多種啟動程序之間達(dá)到最佳平衡[9]，非常適用于PM2.5粉塵傳感器，以滿足對粉塵濃度傳感器長時間使用和快速監(jiān)測的功能要求，處理器引腳如圖3所示。

2.3 電路電壓轉(zhuǎn)換

電路電壓轉(zhuǎn)換裝置主要為設(shè)備提供合適的電壓：S3F94A5XZZ-AQ95單片機(jī)工作電壓為5 V，LCD5110顯示屏等模塊工作電壓為3.3 V，GDP90A激光粉塵傳感器工作電壓為5 V，蜂鳴報警器工作電壓為10 V。電壓轉(zhuǎn)換電路由本質(zhì)安全型電源電路[10]轉(zhuǎn)換成三個電壓，即3.3 V，5 V和10 V。電路電壓轉(zhuǎn)換如圖4所示。

2.4 報警裝置

當(dāng)粉塵濃度超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值時，ABS蜂鳴報警系統(tǒng)中的報警器會發(fā)出報警鳴聲，從而達(dá)到報警效果。蜂鳴報警器由續(xù)流二極管、蜂鳴器、濾波電容及三極管構(gòu)成。蜂鳴報警器電路如圖5所示。

3 軟件實現(xiàn)

此系統(tǒng)程序由C語言編寫，C語言是一門通用的計算機(jī)編程語言，其應(yīng)用廣泛，能提供一種簡易的編譯方式，產(chǎn)生少量的機(jī)器碼，且無需任何運行環(huán)境支持。單片機(jī)每從傳感器接收一次PM2.5濃度數(shù)值，便將其存放在一個數(shù)組中，程序主函數(shù)處理該數(shù)據(jù)后得出PM2.5值并將其顯示在LCD屏上，同時判定該值是否超出預(yù)先設(shè)置的報警峰值，若超出報警峰值，則蜂鳴器報警。軟件實現(xiàn)程序流程如圖6所示。

4 實驗測試

為測試本文所設(shè)計的系統(tǒng)監(jiān)測效果，在葫蘆島市4個不同地區(qū)采集當(dāng)天的PM2.5數(shù)值作統(tǒng)計計算，將得到的數(shù)值與環(huán)保局發(fā)布的數(shù)據(jù)做對比。測試一周，誤差率小于等于3%，結(jié)果較為準(zhǔn)確。測試結(jié)果見表1所列。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于S3F94A5XZZ-AQ95單片機(jī)的PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)，利用GDP90A激光粉塵傳感器采集數(shù)據(jù)，將粉塵濃度值進(jìn)行分析并傳到LCD顯示屏，當(dāng)濃度超過設(shè)定值時，蜂鳴報警器會發(fā)出警報提醒。該系統(tǒng)具有測量精準(zhǔn)、能耗低等特點，便于人們了解所處環(huán)境的空氣質(zhì)量，具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 范明輝.我國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的政策學(xué)習(xí)與政策變遷分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[2] 薛文博，付飛，王金南，等.中國PM2.5跨區(qū)域傳輸特征數(shù)值模擬研究[J].中國環(huán)境科學(xué).2014，34（6）：1361-1368.

[3]王清華.光散射法顆粒大小與形狀分析[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)， 2003.

[4]張珊珊，雷志勇.基于光散射與透射原理的粉塵濃度測量方法研究[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2016（2）：362-366.

[5] GORNER P，SIMON X，BéMER D，et al.Workplace aerosol mass concentration measurement using optical particle counters[J].Journal of environmental monitoring jem，2012，14（2）：420 -428.

[6]劉勇洪.基于NOAA/AVHRR1B衛(wèi)星資料的北京地區(qū)霾識別研究[J].氣象，2014，40（5）：619-627.

[7] 李偉，邵利民，李樹軍，等.我國海霧總體特點及其對中紅外輻射能量衰減的分析[J].紅外與激光工程，2017，1（8）：24-28.

[8] 劉晴陽.儀器儀表智能化進(jìn)展[J].山東工業(yè)技術(shù).2016（4）：141.

[9] WANG X L， WANG B.The electronic counting system design based on single chip microcomputer[J].Advanced materials research，2013（717）：608-612.

[10] 潘雅楠.本質(zhì)安全型緩啟動電源電路的設(shè)計[J].煤礦安全，2014，45（12）：113-115.