簡易顆粒物濃度檢測器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

杜培

摘 要：近年來隨著工業(yè)的發(fā)展和汽車總量的增加，霧霾天氣越來越嚴(yán)重，很大程度上影響了人們的生活質(zhì)量。在政府工作報(bào)告中提出的“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”，旨在加強(qiáng)重點(diǎn)區(qū)域的空氣質(zhì)量監(jiān)督檢查，從根源上治理日趨嚴(yán)重的霧霾狀況。霧霾的主要成分是PM2.5、PM10等顆粒物，這些成分可以被人吸入到體內(nèi)，嚴(yán)重影響身體健康。為有效治理霧霾，前提是可以準(zhǔn)確便捷地測量出濃度，這樣就可以有針對性的制定治理措施。本文提出了一種方便易用的顆粒物濃度檢測器設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：顆粒物;檢測

1 設(shè)計(jì)原理

常用的顆粒物濃度測量方法包括濾膜重量分析法、β射線法、微量震蕩天平法和光散射法等。光散射法的特點(diǎn)是在不改變顆粒物物化特性的情況下可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)測量，能夠較快的讀取數(shù)據(jù)，整個(gè)測量過程也是無接觸式的。因此本設(shè)計(jì)采用光散射法的原理來檢測顆粒物的濃度。光散射法測量顆粒物濃度大小的工作原理是：被測顆粒物的濃度和散射光通量呈線性關(guān)系，其中散射光強(qiáng)度可以通過相關(guān)散射理論計(jì)算得出。

整個(gè)系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，通過AD采集光線接收處的轉(zhuǎn)換電信號，根據(jù)光散射法計(jì)算出顆粒物濃度?？傮w方案如圖1所示：

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主要元器件

STM8單片機(jī)：是一種8位微控制器，其內(nèi)部含有130nm非易失性存儲(chǔ)器、10位AD轉(zhuǎn)換器、SPI端口、I2C端口、CAN2.0接口等多種外設(shè)。主要優(yōu)點(diǎn)包括：含有速度達(dá)20MIPS的高性能內(nèi)核;開發(fā)方式簡單易操作，有多種工具支持使用;可靠性高，抗干擾能力強(qiáng);成本低，性價(jià)比較高。

光電模塊：采用120度光散射法設(shè)計(jì)的信號采集模塊。發(fā)光管通過單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波控制，受光管接收經(jīng)空氣折射過來的散射光，通過光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生電信號，經(jīng)過有源濾波和多級放大，最后信號到達(dá)單片機(jī)的AD接口上，對相關(guān)數(shù)據(jù)做處理，計(jì)算出顆粒濃度。

LCD液晶顯示屏：本設(shè)計(jì)中LCD用來顯示輸出基本的字符信息。

2.2 電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)：單片機(jī)能夠正常工作所需要的最基本電路，包括單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、輸出/輸入設(shè)備。其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示：

電源模塊：主要作用是濾除外部供電的毛刺和波動(dòng)，給整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電能供應(yīng)。

復(fù)位電路：如果單片機(jī)中程序運(yùn)行出現(xiàn)問題，出現(xiàn)失?；蛘咧苯硬荒苓\(yùn)行的時(shí)候，我們需要對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，才能使單片機(jī)恢復(fù)正常工作，因此復(fù)位電路非常重要。本設(shè)計(jì)中使用的STM8S單片機(jī)共有9個(gè)復(fù)位源，他們都會(huì)使RST引腳產(chǎn)生作用，在整個(gè)復(fù)位操作中一直維持在低電平。

輸入輸出電路：系統(tǒng)輸出主要是通過顯示屏實(shí)現(xiàn)，可以顯示顆粒物濃度信息和時(shí)間等;系統(tǒng)輸入主要通過和光電模塊連接實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)首先發(fā)出方波控制信號給發(fā)光二極管，發(fā)光二極管發(fā)出的光線經(jīng)由空氣的顆粒物折射，最后到達(dá)探測器，顆粒物濃度影響探測器接受到的光線強(qiáng)度。探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。由于此電信號比較弱，需要增加濾波和多級放大電路，最后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)AD的引腳上，做下一步的相關(guān)處理。

時(shí)鐘電路：單片機(jī)的時(shí)鐘控制器功能強(qiáng)大且靈活方便使用，使開發(fā)人員在利用強(qiáng)大性能的同時(shí)，也可以把器件的功耗降至最低。STM8S單片機(jī)有多種時(shí)鐘源可供選擇，本設(shè)計(jì)中采用了芯片內(nèi)部的高速RC振蕩器。這個(gè)內(nèi)部RC振蕩器有兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：一是有效降低了開發(fā)成本，減少開支，尤其在產(chǎn)品批量化生產(chǎn)的時(shí)候會(huì)更加突出;二是沒有使用外部時(shí)鐘源，節(jié)省了開發(fā)空間，使整體電路尺寸更小，便于整個(gè)產(chǎn)品的小型化。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序由單片機(jī)時(shí)鐘控制程序，單片機(jī)AD控制程序，光電模塊控制程序，LCD顯示屏控制程序等若干個(gè)模塊組成。

4 實(shí)驗(yàn)測試

本次設(shè)計(jì)的檢測器可對辦公室、教室、馬路、公園等多種場合的顆粒物的濃度做快速檢測，操作使用方便快捷。表1是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測試結(jié)果：

由測試結(jié)果可以看出本檢測器在測量精度上可以滿足居家辦公使用，體積小的特點(diǎn)使其可以隨時(shí)隨地展開測試，從而根據(jù)測試結(jié)果作出下一步的應(yīng)對措施。

5 總結(jié)

本檢測器采用光散射法的原理，通過自行設(shè)計(jì)光電轉(zhuǎn)換模塊，使用AD模數(shù)轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)顆粒物濃度的測量，并在LCD顯示屏上顯示測量結(jié)果。整個(gè)設(shè)計(jì)簡單實(shí)用，測量精度高，制作成本低，操作方便高效，可隨時(shí)隨地展開測試。

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