2015年-PM2.5粉塵檢測儀相關研究報告

2015-04-15 16:33:16 admin

因為空氣質量的惡化，陰霾天氣現象出現增多，危害現象加重。中國不少地區把陰霾天氣現象并入霧一起作為災害性天氣預警預報。統稱為“霧霾天氣”。霧霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金屬鎳砷鉻鉛等顆粒組成。有關霧霾的重大事件層出不窮，如1952年倫敦煙霧事件，倫敦殺人霧在四天內奪走了4000多條人命；還有2013年初北京肆虐橫行的霧霾事件，轟動一時。因此，對PM2.5的測量顯得越來越重要。本設計采用AT89C52單片機為控制中心，由DSM501灰塵傳感器測量空氣粉塵濃度，LCD12864顯示屏顯示當前空氣粉塵濃度。當空氣中粉塵濃度達到所設定限度啟動蜂鳴器自動報警。實踐證明，該系統電路簡單、工作穩定、集成度高，調試方便，測試精度高，具有一定的實用價值。
關鍵字：PM2.5、單片機、粉塵濃度、自動檢測
一、社會意義和社會應用前景
21世紀的今天，科學技術的發展日新月異，科學技術的進步同時也帶動了測量技術的發展，現代控制設備不同于以前，它們在性能和結構發生了翻天覆地的變化。我們已經進入了高速發展的信息時代，測量技術是當今社會的主流，廣泛地深入到應用工程的各個領域。
因為空氣質量的惡化，陰霾天氣現象出現增多，危害現象加重。中國不少地區把陰霾天氣現象并入霧一起作為災害性天氣預警預報。統稱為“霧霾天氣”。霧霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金屬鎳砷鉻鉛等顆粒組成。在空氣動力學和環境氣象學中，顆粒物是按直徑大小來分類的，粒徑小于100微米的稱為TSP(TotalSuspendedParticle)，即總懸浮物顆粒；粒徑小于10微米的稱為PM10(PM為ParticulateMatter縮寫)，即可吸入顆粒物；粒徑小于2.5微米的稱為PM2.5，即可入肺顆粒物，它的直徑僅相當于人的頭發絲粗細的1/20。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它與較粗的大氣顆粒物相比，粒徑小，富含大量的有毒、有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量影響更大。
世界衛生組織發布的報告顯示，無論是發達國家還是發展中國家，目前大多數城市和農村人口均遭受到顆粒物對健康的影響。高污染城市中的死亡率超出相對清潔城市的15%至20%。據統計，在歐洲，PM2.5每年導致386000人死亡，并使歐盟國家人均期望壽命減少8.6個月。人體的生理結構決定了對PM2.5沒有任何過濾、阻攔能力，而PM2.5對人類健康的危害卻隨著醫學技術的進步，逐步暴露出其恐怖的一面。氣象專家和醫學專家認為，由細顆粒物造成的灰霾天氣對人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大。粒徑10微米以上的顆粒物，會被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5微米至10微米之間的顆粒物，能夠進入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會被鼻腔內部的絨毛阻擋，對人體健康危害相對較小；而粒徑在2.5微米以下的細顆粒物，直徑相當于人類頭發的1/10大小，不易被阻擋。被吸入人體后會直接進入支氣管，刺激呼吸道，干擾肺部的氣體交換，從而引發咳嗽、呼吸困難、哮喘、慢性支氣管炎等呼吸系統的疾病并導致心律不齊、非致命性心臟病等心血管方面的疾病。其中，老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群。
因此，對PM2.5的監測與治理便顯得越來越重要。
二、國內外發展概況、水平和發展趨勢
在美國，上世紀90年代的開始關于PM2.5細顆粒物對人體健康的影響方面的研究。美國環保局1997年發布PM2.5標準，1993年12月，在著名的《新英格蘭醫學雜志》上，刊登了Dockery博士等撰寫的研究文章《空氣污染和六城市致死率》，該文揭示了細顆粒物PM2.5城市非正常死亡的關系，1995年，美國癌癥協會（ACS）發表了著名的6城市50個地理控制社區的研究，成PM2.5立法的科學依據。2006年美國修訂了空氣質量標準對PM2.5做出了更嚴格的要求。2005年世界衛生資質引進了這一標準。2003年東京推出日本歷史上第一個針對浮游粒子狀物質（尤其是柴油機、汽車尾氣排放）的立法。如今，日本汽車在出廠時都已安裝了過濾器，排放標準達到了歐洲三級標準，這使得東京空氣中的PM2.5含量大幅度下降。目前東京對PM2.5的排放標準是亞洲最嚴格的，它要求每天每立方米不超過35微克。自80年代以來歐盟致力于監控空氣顆粒物。2005年，歐盟關于限制PM10的法令生效；2010年，對PM2.5的監控標準生效。目前，歐盟的空氣質量標準包含對PM10年均濃度與日均濃度、PM2.5年均濃度的要求，是世界上對PM10監控標準最嚴格的地區之一。2011年12月4日晚7時12分。網友“美帝是管空氣”在微博上轉發了美國駐華使館在twitter上發布的當日最新北京PM2.5監測數據，數據顯示，晚上7時，美國駐華使館監測到的PM2.5濃度為522，空氣質量指數（AQI）為500，健康提示為“Beyond I ndex（指數以外）”，其內容與北京市環保局官方微博在2011年12月3日下午發布的空氣質量預報內容形成鮮明對比，該預報稱：“預計2011年12月4日20：00時至12月5日08：00時，空氣污染指數范圍：150～170，首要污染物為可吸入顆粒物。”PM2.5由此進入普通國人的視野。2007年，中國工程院、環保部聯手開展的戰略研究對引入PM2.5標準給予高度關注，將PM2.5納入宏觀戰略目標。2008年環境保護部啟動環境空氣質量標準修訂程序，將PM2.5納入環境空氣標準和空氣污染治理系統之中。從2012年開始，我國將在京津冀、長三角、珠三角等區域以及直轄市和省會城市開展PM2.5監測到2016年，PM2.5監測將推廣至全國。
三、技術設想
1、PM2.5監測系統的基本實現方法
本設計提出的“PM2.5監測”的方案最基本的實現方法是由單片機、粉塵監測傳感器、顯示模塊、報警器等4部分組成的電路，系統功能原理圖如圖1所示。

用戶預先輸入粉塵濃度報警值到程序中，該值作為系統閾值。粉塵濃度傳感器監測值傳輸給單片機，當單片機比較監測到的數值超出所設定閾值時，驅動蜂鳴器，蜂鳴器報警。
2、粉塵濃度監測的實現思路
本設計測量空氣中粉塵濃度采用灰塵傳感器DSM501，灰塵傳感器DSM501可以感知煙草產生的煙氣和花粉,房屋粉塵等,加熱自動進氣裝置，可調電阻設置檢測灰塵的大小。采用與粒子計算器相同原理為基礎,檢測出單位體積粒子的絕對個數.
灰塵傳感器DSM501具有尺寸小、重量輕、易安裝等優勢，能夠靈敏檢測直徑1微米以上的粒子，內置加熱器可實現自動吸入空氣的功能，保養簡單，便于長期保持傳感器的特性。廣泛應用于空氣清新機、空氣調節器、空氣質量監測儀等。實物圖如圖2所示。
3、粉塵濃度顯示的實現思路
以往的顯示模塊多采用數碼管，雖然數碼管顯示的亮度高，成本低，電路簡單，但是數碼管一般只適合數字顯示，占用的I/O多。而本系統設計采用的LCD12864，雖然相對來說程序和電路都復雜些，但是液晶顯示信息量大，具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等許多其他顯示器無法比擬的優點，近年來已被廣泛應用于單片機控制的智能儀器、儀表和低功耗電子產品中。
四、設計內容的實現
1、微處理器單片機的組成
單片機的最小系統就是讓單片機能正常工作并發揮其功能時所必須的組成部分，也可理解為是用最少的元件組成的單片機可以工作的系統。對51 系列單片機來說，最小系統一般應該包括：單片機、時鐘電路、復位電路、輸入/ 輸出設備等（見圖3）。

1. 時鐘電路
在設計時鐘電路之前，讓我們先了解下51 單片機上的時鐘管腳：
XTAL1（19 腳）：芯片內部振蕩電路輸入端。
XTAL2（18 腳）：芯片內部振蕩電路輸出端。
XTAL1 和XTAL2 是獨立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內振蕩器，或者是器件直接由外部時鐘驅動。圖3中采用的是內時鐘模式，即采用利用芯片內部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2 的引腳上外接定時元件（一個石英晶體和兩個電容），內部振蕩器便能產生自激振蕩。一般來說晶振可以在1.2 ～ 12MHz 之間任選，甚至可以達到24MHz 或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。在本實驗套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并聯的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調作用。當采用石英晶振時，電容可以在20 ～ 40pF 之間選擇（本實驗套件使用30pF）；當采用陶瓷諧振器件時，電容要適當地增大一些，在30 ～ 50pF 之間。通常選取33pF 的陶瓷電容就可以了。
另外值得一提的是如果讀者自己在設計單片機系統的印刷電路板（PCB）時，晶體和電容應盡可能與單片機芯片靠近，以減少引線的寄生電容，保證振蕩器可靠工作。檢測晶振是否起振的方法可以用示波器可以觀察到XTAL2 輸出的十分漂亮的正弦波，也可以使用萬用表測量（把擋位打到直流擋，這個時候測得的是有效值）XTAL2 和地之間的電壓時，可以看到2V 左右一點的電壓。
2. 復位電路
在單片機系統中，復位電路是非常關鍵的，當程序跑飛（運行不正常）或死機（停止運行）時，就需要進行復位。
MCS-5l 系列單片機的復位引腳RST（第9 管腳）出現2個機器周期以上的高電平時，單片機就執行復位操作。如果RST 持續為高電平，單片機就處于循環復位狀態。
復位操作通常有兩種基本形式：上電自動復位和開關復位。上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，此時電容的負極和 RESET 相連，電壓全部加在了電阻上，RESET 的輸入為高，芯片被復位。隨之+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0 ，芯片正常工作。并聯在電容的兩端為復位按鍵，當復位按鍵沒有被按下的時候電路實現上電復位，在芯片正常工作后，通過按下按鍵使RST管腳
出現高電平達到手動復位的效果。

3. EA/VPP（31 腳）的功能和接法
51 單片機的EA/VPP（31 腳）是內部和外部程序存儲器的選擇管腳。當EA 保持高電平時，單片機訪問內部程序存儲器；當EA 保持低電平時，則不管是否有內部程序存儲器，只訪問外部存儲器。
對于現今的絕大部分單片機來說，其內部的程序存儲器（一般為flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲器，而是直接使用內部的存儲器。
在本實驗套件中，EA 管腳接到了VCC 上，只使用內部的程序存儲器。這一點一定要注意，很多初學者常常將EA 管腳懸空，從而導致程序執行不正常。
4. P0 口外接上拉電阻
51 單片機的P0 端口為開漏輸出，內部無上拉電阻（見圖3）。所以在當做普通I/O 輸出數據時，由于V2 截止，輸出級是漏極開路電路，

另外，避免輸入時讀取數據出錯，也需外接上拉電阻。在這里簡要的說下其原因：在輸入狀態下，從鎖存器和從引腳上讀來的信號一般是一致的，但也有例外。例如，當從內部總線輸出低電平后，鎖存器Q ＝ 0， Q ＝ 1，場效應管V1 開通，端口線呈低電平狀態。此時無論端口線上外接的信號是低電平還是高電平，從引腳讀入單片機的信號都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號。又如，當從內部總線輸出高電平后，鎖存器Q ＝ 1, Q ＝ 0,場效應管V1 截止。如外接引腳信號為低電平，從引腳上讀入的信號就與從鎖存器讀入的信號不同。所以當P0 口作為通用I/O 接口輸入使用時，在輸入數據前，應先向P0 口寫“1”，此時鎖存器的Q 端為“0”，使輸出級的兩個場效應管V1、V2 均截止，引腳處于懸浮狀態，才可作高阻輸入。
總結來說：為了能使P0 口在輸出時能驅動NMOS 電路和避免輸入時讀取數據出錯，需外接上拉電阻。在本實驗套件中采用的是外加一個10K 排阻。此外，51 單片機在對端口P0—P3 的輸入操作上，為避免讀錯，應先向電路中的鎖存器寫入“1”，使場效應管截止，以避免鎖存器為“0”狀態時對引腳讀入的干擾。
5. LED 驅動電路
細心的讀者可能已經發現，在最小系統中，發光二極管（LED）的接法是采取了電源接到二極管正極再經過1K 電阻接到單片機I/O 口上的（見圖4 中的接法1）。為什么這么接呢？首先我們要知道LED 的發光工作條件，不同的LED 其額定電壓和額定電流不同，一般而言，紅或綠顏色的LED 的工作電壓為1.7V~2.4V，藍或白顏色的LED 工作電壓為2.7~4.2V，直徑為3mm LED 的工作電流2mA~10mA。在這的LED。其次，51 單片機（如本實驗板中所使用的STC89C52單片機）的I/O 口作為輸出口時，拉電流（向外輸出電流）的能力是μA 級別，是不足以點亮一個發光二極管的。而灌電流（往內輸入電流）的方式可高達20mA，故采用灌電流的方式驅動發光二極管。當然，現今的一些增強型單片機，是采用拉電流輸出（接法2）的，只要單片機的輸出電流能力足夠強即可。另外，圖4 中的電阻為1K 阻值，是為了限制電流，讓發光二極管的工作電流限定在2mA~10mA。

2、粉塵濃度監測采集電路的實現
本設計測量空氣中粉塵濃度采用灰塵傳感器DSM501
灰塵傳感器DSM501主要特性：
●灰塵傳感器DSM501可以感知煙草產生的煙氣和花粉,房屋粉塵等
●1微米以上的微小粒子.
●體積小,重量輕,便于安裝.
●5V的輸入電路,便于信號處理.
●內藏氣流發生器,可以自行吸引外部大氣.
●灰塵傳感器DSM501保養簡單,可以長期保持傳感器的特性.

1、加熱器：模塊內置一個加熱器，熱引起上升氣流使外部空氣流進模塊內部。
2、檢測的粒子類型：此模塊被設計成可以檢測1μm 以上粒子，如香煙、房屋灰塵、霉菌、
花粉、孢子。
3、安裝： ①必須垂直安裝；
②遠離人工氣流如風扇，如當用于空氣清新機時，風扇的前方和后方都不能安裝，
可任選外殼一側安裝，但外殼上要保留通風口以保證外部氣流可以流進來；
③注意安裝時要避免粘性粒子如油類進入模塊，當這種粒子粘在光學部件上將會
產生故障。
④當模塊受潮濕將會影響它的正常功能，因此應避免受潮。
4、透鏡：透鏡需要視環境狀況隔一段時間進行清潔，約6 個月一次。清潔時用棉簽一頭醮清
水輕擦，然后用另一頭擦干。不可以用酒精等有機溶劑擦拭透鏡。
5、版權說明：本產品及資料版權歸SYHITECH
所做編譯只是為了促進該產品在中國地區的銷售及應用，資料如有不符請以原廠為準。
■ 包裝
模塊尺寸：59*45*20 (mm)
重量：約25g
托盤： 5*5= 25pcs/盤
中盒：5 盤=125pcs/盒
外包裝：4 盒=500pcs/包
尺寸：670*250*420（mm）
重量：不超過13Kg
符號尺寸(mm)
L 59
W 45
H 20
L
W
H

圖4 粉塵濃度采集電路
3、LCD12864顯示功能的實現
基于本設計所顯示內容信息量大，本設計選擇以液晶顯示信息量大，具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等功能的LCD12864液晶顯示屏作為實現顯示功能的元件。
FYD12864-0402B是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.
LCD12864管腳圖如圖5所示。

電路接線圖如圖6所示。

4、蜂鳴器報警功能的實現
將溫濕度傳感器采集出來的監測值傳輸給單片機，當單片機比較監測到的數值超出所設定閾值時，驅動風扇，若風扇降溫的效果低于溫度升高的速度，當溫度超過所設置溫度最大限度值，蜂鳴器便開始工作報警，直到溫度達到安全溫度范圍內，停止鳴叫報警。
同理，當濕度達到所設置濕度最高限度值時蜂鳴器也開始工作報警，直到濕度達到正常濕度范圍內，停止鳴叫報警。

圖7 蜂鳴器報警電路
5、溫濕度調節功能的實現
溫濕度調節主要分為升溫模塊，降溫模塊，干燥模塊和加濕模塊。系統溫濕度調節的實現通過單片機控制電暖器升溫，控制風扇降溫，控制加濕器加濕空氣。
本設計主要實現風扇降溫功能。
降溫模塊主要元件由小馬達組成，用塑料片剪成扇葉形狀裝在小馬達上，當溫濕度傳感器所測當前溫度高于所設定限度值，系統自動啟動小馬達起到降溫的作用，直到溫度恢復到正常值范圍內，系統自動停止馬達的轉動從而起到調節溫度制冷作用。
五、研究方法分析
六、總結
七、參考文獻

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