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简易颗粒物浓度检测器的设计实现

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杜培

摘要：近年来随着工业的发展和汽车总量的增加，雾霾天气越来越严重，很大程度上影响了人们的生活质量。在政府工作报告中提出的“蓝天保卫战”，旨在加强重点区域的空气质量监督检查，从根源上治理日趋严重的雾霾状况。雾霾的主要成分是PM2.5、PM10等颗粒物，这些成分可以被人吸入到体内，严重影响身体健康。为有效治理雾霾，前提是可以准确便捷地测量出浓度，这样就可以有针对性的制定治理措施。本文提出了一种方便易用的颗粒物浓度检测器设计方案。

关键词：颗粒物;检测

1 设计原理

常用的颗粒物浓度测量方法包括滤膜重量分析法、β射线法、微量震荡天平法和光散射法等。光散射法的特点是在不改变颗粒物物化特性的情况下可以实现即时测量，能够较快的读取数据，整个测量过程也是无接触式的。因此本设计采用光散射法的原理来检测颗粒物的浓度。光散射法测量颗粒物浓度大小的工作原理是：被测颗粒物的浓度和散射光通量呈线性关系，其中散射光强度可以通过相关散射理论计算得出。

整个系统采用单片机控制，通过AD采集光线接收处的转换电信号，根据光散射法计算出颗粒物浓度。总体方案如图1所示：

2 硬件设计

2.1 主要元器件

STM8单片机：是一种8位微控制器，其内部含有130nm非易失性存储器、10位AD转换器、SPI端口、I2C端口、CAN2.0接口等多种外设。主要优点包括：含有速度达20MIPS的高性能内核;开发方式简单易操作，有多种工具支持使用;可靠性高，抗干扰能力强;成本低，性价比较高。

光电模块：采用120度光散射法设计的信号采集模块。发光管通过单片机产生的PWM波控制，受光管接收经空气折射过来的散射光，通过光电转换，产生电信号，经过有源滤波和多级放大，最后信号到达单片机的AD接口上，对相关数据做处理，计算出颗粒浓度。

LCD液晶显示屏：本设计中LCD用来显示输出基本的字符信息。

2.2 电路设计

单片机最小系统：单片机能够正常工作所需要的最基本电路，包括单片机、复位电路、时钟电路、输出/输入设备。其结构组成如图2所示：

电源模块：主要作用是滤除外部供电的毛刺和波动，给整个系统提供稳定可靠的电能供应。

复位电路：如果单片机中程序运行出现问题，出现失常或者直接不能运行的时候，我们需要对单片机进行复位操作，才能使单片机恢复正常工作，因此复位电路非常重要。本设计中使用的STM8S单片机共有9个复位源，他们都会使RST引脚产生作用，在整个复位操作中一直维持在低电平。

输入输出电路：系统输出主要是通过显示屏实现，可以显示颗粒物浓度信息和时间等;系统输入主要通过和光电模块连接实现。单片机首先发出方波控制信号给发光二极管，发光二极管发出的光线经由空气的颗粒物折射，最后到达探测器，颗粒物浓度影响探测器接受到的光线强度。探测器进行光电转换，将光信号转变为电信号。由于此电信号比较弱，需要增加滤波和多级放大电路，最后传输到单片机AD的引脚上，做下一步的相关处理。

时钟电路：单片机的时钟控制器功能强大且灵活方便使用，使开发人员在利用强大性能的同时，也可以把器件的功耗降至最低。STM8S单片機有多种时钟源可供选择，本设计中采用了芯片内部的高速RC振荡器。这个内部RC振荡器有两个突出优点：一是有效降低了开发成本，减少开支，尤其在产品批量化生产的时候会更加突出;二是没有使用外部时钟源，节省了开发空间，使整体电路尺寸更小，便于整个产品的小型化。

3 软件设计

系统的主程序由单片机时钟控制程序，单片机AD控制程序，光电模块控制程序，LCD显示屏控制程序等若干个模块组成。

4 实验测试

本次设计的检测器可对办公室、教室、马路、公园等多种场合的颗粒物的浓度做快速检测，操作使用方便快捷。表1是在实验室内的测试结果：

由测试结果可以看出本检测器在测量精度上可以满足居家办公使用，体积小的特点使其可以随时随地展开测试，从而根据测试结果作出下一步的应对措施。

5 总结

本检测器采用光散射法的原理，通过自行设计光电转换模块，使用AD模数转换采集数据，从而实现颗粒物浓度的测量，并在LCD显示屏上显示测量结果。整个设计简单实用，测量精度高，制作成本低，操作方便高效，可随时随地展开测试。

参考文献

[1]张艳艳PM2.5检测技术研究进展[J].传感器世界，2019，25（03）：13-16.

[2]姚展.基于单片机的PM2.5检测仪设计[J].价值工程，2019，38（07）：154-156.

[3]董昭，张玮玮，王胜琰.基于单片机的PM2.5浓度检测装置设计[J].安阳工学院学报，2018，17（06）：28-32.

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