PM2.5空气质量检测仪的设计与制作 - 图文(2)

二、PM2.5 粉尘浓度测试仪系统设计方案

2.1 系统的功能和技术指标

(1) 系统功能：

单片机PM2.5粉尘检测仪采用51单片机+按键+LCD1602+蜂鸣器+换风机+粉尘传感器设计而成。

1.主控芯片采用增强型51单片机STC12C5A60S2（和51单片机一样），自带AD转换，使用更加方便。

2.使用夏普的GP2Y1010AUOF粉尘传感器，每间隔10S更换一次采集浓度值检测更加准确。 3.有2个按键可以调整报警值，可操作性增强。 4.外接AT24C02，有掉电保存数据功能。

5.当粉尘浓度小于设定值，绿色指示灯会亮，表示当前空气质量良好。 6.当粉尘浓度高于设定值，会自动开启声光报警，换风机人性化工作。 7.LCD1602实时显示粉尘浓度和设定报警浓度，清晰直观。 (2) 主要技术指标： 1、电源电压：5-7V

2、工作温度：-10-65摄氏度 3、消耗电流：20mA最大 4、最小粒子检出值：0.8微米 5、灵敏度：0.5V/(0.1mg/m3) 6、清洁空气中电压：0.9V 典型值 7、工作温度：-10~65℃ 8、存储温度：-20~80℃

2.2 工作原理

2.2.1 粉尘检测原理

测尘原理是用粉尘采样器或呼吸性粉尘采样器抽取采集一定体积的含尘空气，含尘空气通过滤膜时，粉尘被捕集在滤膜上，再利用光学原理测得粒径。

光学测粉尘用到两个原理,朗伯特-比尔（Lambert-Beer）定律和米（Mie）理论。本设计检

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测原理用基于光学检测法中的浊度法。基于朗伯特-比尔定律测量光透过被测物质后，由于散射吸收而使光强减弱，通过测定光束通过被测介质前后的光强比之来定量粉尘浓度。其原理如下：

一束强度为I0的单色平行光照射在含有粉尘的检测区，由于粉尘对光的吸收和散射，出射光强便会衰减。根据朗伯特-比尔定律，对均匀分布的粉尘，入射光强与出射光强有关：

I?IOexp??Q?N?A?L??IOexp?3QWL/(2?d)

式中：Q为消光系数，它与入射光波长λ、粉尘粒子直径d、粉尘物质折射率m有关，可按Mie理论和专用算法程序计算。N为粉尘密度，A是直径为d的粉尘粒子的截面积，W为粉尘的质量浓度；ρ为粉尘的质量密度。若设某种分布的粉尘尘粒直径为d1浓度为w1，则：

M??wI?IOexp??C?Q??,m,d1??

i?1d1????式中：C?3L/(2?),对于某种粉尘的测量系统而言，C是一常数；M为测量时粉尘粒子按粒径的分档数。由公式1-2得:

MI0wln??1Q(?,m,d1) Ii?1d1式(1-3)是在单色入射光情况下得到的。采用多波长入射时，对每一波长λi,都有对应的一个式(1-3)，故得方程：

E?TW

式中：E??ln?I0/I?1,ln?I0/I?2,.......ln?I0/I?M?为消光列向量，可以通过实测各波长对

T应的I0及I测得：

T??tij?M?M

其中：T称为消光系数矩阵。T中个元素tij?Q??i,m,d1?/d1，可由计算机预先算出。

W??W1,W2.......WM?为粉尘总的质量浓度分布列向量。求解式1-4便可求得W及粉尘的总质量

T浓度。不难看出，多波长消光测尘中，是通过测得各种粒径粉尘的质量浓度得到总的粉尘浓度的，因而能实时地反应粉尘分布的影响，为粉尘浓度的高精度测量提供了可能。再者，测量粉尘浓度的同时，还能测粉尘的粒度分布（分散度）。

根据粉尘离子的散射特性，确定最小粒径前置输出端的信号幅值U，然后每个0.1μm定义直径档，并预先设定好各档甄别电平，用其中一种标准粒子输入粉尘测试仪。

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2.2.2 系统工作原理

本系统的工作原理是：将电源开关打开，当给一个由测尘原理将粉尘浓度转换得来的0～5V的电压信号时，信号经过ADC0809转换为八位的二进制数进入单片机，经过处理后转变为三位十进制数通过I/O口在LED1602液晶显示上显示出精确数值。数值量随输入电压的扰动而变化。同时键盘设定参考值送入单片机，当采集的当前粉尘浓度小于参考值时黄灯亮，表示当前空气良好；当采集的当前粉尘浓度大于参考值时，单片机驱蜂鸣器报警并同时启动换风机进行改善空气环境，否则显示当前浓度。

2.3程序框图和流程图

因为软件和硬件是密不可分的，所以由系统的硬件结构图可以得出软件设计的程序框图和流程图。 2.3.1 程序框图设计

根据系统结构图所得出的各模块如图2-1所示。

STC12C- 电源电路

1602显示 5A60S2 按键电路 单 片 机 信号电路 换风机 复位电路 声光报警 LED灯 如图 2-1所示系统所设计的程序分为以下五个部分。

(1) 信号采集的程序：该程序设计主要是将模数转换得来的数字信号输入到单片机内部。 (2) LED 的显示程序：本程序设计主要完成粉尘浓度的数字显示及当前环境情况提醒。 (3) 看门狗的复位程序：该程序设计主要完成程序飞跑或死机时系统的复位。 (4) 键盘输入部分：该部分主要完成浓度参考值的设定和显示切换。

(5) 换风机、声光报警部分：该部分主要完成浓度大于参考值的报警及相应措施。

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2.3.2 粉尘检测仪程序主流程图设计

根据硬件系统结构图所设计的程序主流程图如下图2-2所示。

开始系统初始化键盘设定浓度最大限显示浓度最大限采集当前浓度A/D转换报警、显示N当前浓度<浓度最大限Y采取相应措施切换显示显示当前浓度5s定时

图2-2程序主流程图

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三 PM2.5粉尘测试仪系统硬件设计

3.1单片机部分

3.1.1 系统CPU 器件选择

CPU是粉尘检测器的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能,是整个仪器正常工作的基础，它的选择直接关系到整个系统的工作。选择高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机-STC12C5A60S2，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，适用于强干扰场合。

STC12C5A60S2单片机系统电路如图3-1所示：

图3-1 STC12C5A60S2单片机系统电路

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