小区PM25空气质量监测系统设计.docx

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小区PM25空气质量监测系统设计

小区PM2.5空气质量监测系统设计

摘要：

自工业革命以来,科学与技术一直在快速的的发展与进步,经济的水平与人民生活的质量也在快速的改善与提高,但是这种技术的发展却是以对环境的严重破坏与污染为主要代价。

我国的环境污染问题也越来越严重,据调查,我们日常生活大气也被各种污染粒子气体所污染,其中pm2.5是首要的污染粒子成分。

正确监测pm2.5在大气中的浓度，是为了提醒人们注意周围生活环境的污染。

这次设计成功的制作出了以实时监控且显示报警功能为一体的监测仪实物。

本次设计首先是使GP2Y1010AU0F传感器检测周围空气中的PM2.5浓度，再将采集到的信息传输给stm32f103rct6单片机进行分析处理，最后将采集数值通过LCD1602的液晶显示屏上展示出来。

如果得到的检测值大于我们系统中设置的报警值时，会触发蜂鸣器的报警。

本系统集采样浓度显示和报警功能于一体，具有较高的实用价值且达到所需设计的监测目的。

关键词：

空气质量监测系统；PM2.5；粉尘传感器；stm32f103rct6

DesignofPM2.5airqualitymonitoringsystem

Abstract:

Sincetheindustrialrevolution,scienceandtechnologyhavebeendevelopingandprogressingrapidly,andthelevelofeconomyandthequalityofpeople'slifehavealsobeenimprovingandimprovingrapidly.However,thedevelopmentofthistechnologyismainlyatthecostofseriousdamagetotheenvironmentandpollution.China'senvironmentalpollutionproblemisbecomingmoreandmoreserious.Accordingtothesurvey,theatmosphereofourdailylifeisalsopollutedbyvariouskindsofpollutionparticles,amongwhichpm2.5istheprimarycomponentofpollutionparticles.Thecorrectmonitoringofpm2.5concentrationintheatmosphereistoremindpeopleofthepollutionofthesurroundinglivingenvironment.Thisdesignsuccessfullyproducedareal-timemonitoringanddisplayalarmfunctionasoneofthemonitoringinstrument.ThisdesignfirstlyenablestheGP2Y1010AU0FsensortodetectthePM2.5concentrationinthesurroundingair,andthentransmitsthecollectedinformationtothestm32f103rct6microcontrollerforanalysisandprocessing.Finally,thecollectedvaluesaredisplayedontheLCD1602liquidcrystaldisplayscreen.Ifthedetectionvalueislargerthanthealarmvaluesetinoursystem,thealarmofthebuzzerwillbetriggered.Thissystemintegratesthefunctionsofsamplingconcentrationdisplayandalarm,whichhashighpracticalvalueandachievesthemonitoringpurpose.

Keywords:

Airqualitymonitoringsystem；PM2.5；Dustsensor；STM32F103RCT6

1引言

1.1研究的背景与意义

近几年来，雾霾的问题一直困扰着我们，极大地影响着人们的生活与健康。

因此，国内外对pm2.5进行了大量研究，主要用于对大气中pm2.5浓度的测定。

伴随着雾霾的影响和危害越来越大，导致了市场上对便携式的监测总是供不应求。

本设计对于小区环境PM2.5监测在于设计出一个可以实时监测空气质量的便携的监测仪，当空气质量较差时可以报警提醒人们注意出行安全，制定合理的防治措施，采取积极有效的控制方法，这对人们的身体健康有着重要的积极意义。

1.2国内外研究的现状

根据世界卫生组织（worldhealthorganization）的一项全球性统计调查结果显示,每年大约有至少超过200万名成人以上死于了严重的空气污染,罪魁祸首很可能就是我们以前为了追求经济快速发展而产生的空气污染[1]。

据调查得知随着粒径减少，空气中pm2.5的存在的时间也在增加，而这正是我们赖以生存的环境，会严重的影响我们的身体健康。

中国的研究人员从20世纪80年代开始研究大气中的微尘。

由于中国的微尘观测起步较晚，对大气微尘的研究主要集中在吸入微尘上，对微小颗粒物的研究还很少，目前全国所有城市都已经将PM2.5浓度纳入空气质量指数中。

1.3研究的主要内容

基于单片机PM2.5监测系统能够实现对环境中PM2.5的监测、显示以及超限报警功能,在科技飞速发展的今天,如何运用新的,高效的传感器,提高控制系统的准确性;通过对PM2.5浓度精确测量的前提下,准确的控制监测仪的报警反应,实现智能化,这是我们需要去研究的问题。

本文通过收集和查找关于pm2.5监测方法有关的信息和资料,分析每种监测方法的工作原理和其特点,并针对性地评价每种方法的性能和优缺点。

此外还向读者介绍了一种可以直接实现对于pm2.5浓度进行粉尘质量监测的便携式粉尘质量传感器。

针对目前人们日常生活中对最小pm2.5污染气体浓度测量监测的实际应用情况和技术需求,可设计一种pm2.5浓度测量传感器最小监测浓度控制管理系统。

系统的功能主要应用于包括:

（1）自动采集pm2.5浓度;

（2）驱动单片机处理监测浓度数据;

（3）自动显示来自传感器的监测结果;

（4）自动报警提醒；

（5）自动设定浓度报警值和监测浓度的下限值。

本章小结

此章节主要是介绍了此PM2.5监测系统设计的研究背景,存在的意义以及现状和主要内容。

2系统总体方案设计

2.1方案对比分析

这次设计是对PM2.5的浓度进行监测。

具体要满足PM2.5浓度采集要求，因此,合适的浓度监测方法首先是必要的通过分析对比市场上现有的浓度监测技术,可以发现有五种不同的方法分别是：

重量法、微量振荡天平法、β射线吸收法、压电晶体法以及光散射法[2]。

这几种方法自身都有明显的缺点，缺点如下：

重量法检测PM2.5浓度的工作量大,人工操作的重复性高,不够智能且不利于大规模远距离使用，不能准确显示采样前后pm2.5浓度的实时质量变化。

微量振荡天平法与重量法略有相似,而且实现了实时监测,但是由于受环境空气湿度变化的影响比较大，因此监测得到的数据不准确。

β射线吸收法其缺点也是十分明显和室内空气湿度的变化有关,滤膜会受的空气的湿度影响，在空气吸收大量的水分会造成自身重量变化，从而导致测量的结果有误差。

压电晶体法虽然监测效果十分显著，有准确度高但是监测成本过高，脱离了实际生活应用。

光散射法拥有准确度高反应速度快等优点但是不能准确分辨监测物的组成成分是否是属于pm2.5。

2.2方案选择

通过对以上方案进行比较可以得出:

相关监测技术要求过高,无法选用或者成本过高不易使用;但是可以发现光散射法技术要求合适且理论成熟,相关传感器功能稳定价价比高。

综上考虑,此次设计使用光散射法来测量PM2.5的浓度，根据此原理和方法分别设计选择合适的对整个空气监测系统进行供电的模块、监测PM2.5浓度数据的模块以及采集和处理、微控制器单片机的控制模块、lcd显示器自动显示的模块、自动报警以及通过按键操作的浓度控制模块等。

2.3总体方案思路与设计方法

传感器与单片机技术的结合。

具体的方案设计:

通过传感器监测空气中的pm2.5浓度，将采集的数据发送给单片机微处理器进行数字信号处理,而被单片机微处理器控制的显示屏就是会自动显示并输出实时的监测数据,当单片机空气净化器中的浓度监测数值超过单片机微处理器设定的浓度预警监测值时,微处理器控制的蜂鸣器就发出强烈的浓度报警信号声音,当单片机监测到的浓度数值低于微处理器设定的预警浓度监测值时报警器又一次会恢复正常[3]。

监测系统总体的结构流程框图如2-1所示:

图2-1系统总体结构框图

本章小结

本章节主要介绍了当前市场上常用的监测技术以及各个方法的优缺点，从而选择了符合设计要求的监测方法，由此设计出整个系统方案。

3主要系统硬件选型

3.1主控制器选型

在此次的设计中,需要用微处理器对监测传感器、LCD显示、蜂鸣警报以及按键控制等元器件进行控制,使各个单元件正常运行发挥各自的作用。

此次系统设计中微处理器选用了STMF03RCT6单片机。

STMF03RCT6是功能强大的32位微处理器,满足了系统设计的要求。

此次计划预计需要使用23个的微机引脚（不必重复使用）,而STMF03RCT6具有64个引脚[4]，完全可以满足要求。

这款单片机内部运行程序的空间达到了256k,对于此次系统设计也有充分发挥的余地。

总的来说,不管是从功能,价格,还是操作的难易程度上，这款单片机都很适中,符合设计需求，满足日常操作的应用。

因此,在此次的系统设计中微处理器选用了STMF03RCT6单片机。

图3-1

3.2采集装置选型

本设计需要对室外开放环境中的空气进行采样，获取PM2.5的浓度数值。

通过本文中第二章的对比方案可知光散射法作为本系统的监测原理，因此采集装置可以选用夏普公司开发的gp2y1010au0f传感器[5]。

这款传感器实物图如图3-2所示，具体参数如下：

灵敏度：

0.5V/（0.1mg/m3）

最大工作电流：

20mA

输出电压（无灰尘时）：

0.9V

工作温度：

-10~65℃

存储温度：

-20~80℃

为了自行吸收外部大气传感器内部含有气流发生器电源电压：

5-7V

最小粒子检出值：

0.8微米

使用寿命：

5年

尺寸大小：

46mm×30mm×17.6mm

重量大小：

15g

图3-2

3.3显示器选型

因为本次设计需要对检出的实时监测数据进行显示，故需要一个液晶显示器展示监测结果。

本系统决定采用一个价格相对比较低廉的字符型1602LCD显示器，而它本身就具相应的代码所以可以直接在设计中应用，易操作且稳定性高。

实物如图3-3所示：

图3-3

3.4电源选型

因为此次设计所需要的单元件正常的工作电压为5v,所以可以选用电压是5V的USB数据线。

3.5按键

本次的设计中电路设计所使用需要的按键为两个,为根据参数设定需要的加减按钮,每个按键独立的接口不会互相干扰而造成影响,这样的设计可以大大使得本次的电路设计简单、编程也比较容易。

其实物如下图3-5所示:

图3-5

3.6报警装置

本次系统设计需要对环境中PM2.5浓度超过健康范围时进行报警提示，因此选用了蜂鸣器作为本设计的报警装置。

本章小结

此章节主要内容是详细介绍了本文的pm2.5总体设计解决方案以及所需的单元件。

此设计采用5vusb数据线进行供电,stm32f103rct6单片机进行数据处理,gp2y1010au0f传感器进行采集小区环境空气中pm2.5的浓度值;lcd1602进行空气浓度数据实时显示;stm32f103rct6单片机自动进行小区空气质量监测数据的处理,gp2y1010au0f传感器自动进行采集小区周围环境空气中pm2.5的浓度数据值;lcd1602进行小区空气浓度分析数据实时显示;最后采用蜂鸣器进行响铃报警。

4硬件电路设计

4.1主控制器模块

此次设计图中所选用的单片机型号是stm32f103rct6。

stm32f103rct6是一个具有高密度性能的lqfp总线,armcortex-m332位的微控制器,64路的lqfp总线封装.它的内部处理器内核包含一个同时具有高性能的risc内核,运行的频率最大速度可以每分钟达到72mhz,高速的内嵌内存,增强带宽范围的强化数据输入性能和高速的强化输出性能,以及外部的一条可以同时连接至两个apb的数据总线.stm32f103rct6拥有12位模数转换器、计时器、pwm计时器、标准和高级的无线通讯网络接口、全面的节能和快速省电的设计模式允许专业的软件开发商和设计者轻松地设计低功率的软件应用[6].这款高性能分布式单片机的主要优势和特点就是因为它具有更小的体积、物美价廉、功能强等。

在操作系统中传感器拥有控制和统筹的作用,可以同时控制一个按键和显示器接受两个传感器的数据,并可以同时驱动按键和显示器的显示。

微处理器的单片机启动复位过程一般是由单片机复位控制电路先确定一个单片机的工作程序开始和状态。

当单片机操作系统的运行或者说单片机启动程序受到了干扰时,一旦操作系统出现了启动程序的故障程序跑飞（即此时单片机的程序运行不正常）或者单片机停止了程序运行时,可以通过单片机复位键上的按钮操作系统，可以使其自动复位,这使得单片机的启动程序可以从头开始重新启动程序执行[7]。

如果操作系统上没有单片机时钟复位电路,很有可能就会导致单片机无法正常启动程序工作。

本次单片机在设计过程中需要再外接一个石英振荡器,它的工作频率范围是11.0592mhz

STM32F103RCT6单片机主控制模块系统电路图3-1如下：

图4-1单片机主控电路

4.2粉尘传感器模块

粉尘浓度传感器的主要作用之一是控制输出传感器采集的pm2.5浓度传感器的模拟电压所输出的信号。

此次粉尘光传感器的设计中我们需要为大家选择的一个传感器装置是au0gp2y1010au0f粉尘光散射传感器,它的主要特点其实就是一个散射传感器利用了对光学敏感的散射原理即光对于粉尘的散射[8]。

这个传感器主要是由紫外线光电发射晶体管和红外线发光二极管两部分组成的并且在其内部成对角线方向分布。

此光散射传感器的特点是能够直接监测得到非常细的粉尘散射粒子,并且能准确地分辨出了烟雾以及灰尘并通过模拟脉冲信号向传感器输出一个模拟的电压。

传感器的接线端v-led和v-led-gnd端分别接在传感器电源的两个正负极上,在第一引脚接通传感器电源后可以自动使带有发光led的二极管正常地工作。

传感器的内部采用发光led二极管供电，它是由第一第二引脚接电源的正负极。

具体的电路图3-2如下:

图4-2传感器电路

4.3液晶显示模块

STM32F103RCT6接收得到正确的数字信号后,经过复杂的运算信号处理,在液晶显示器上面自动显示最终数字信号监测的结果。

此次系统测试在设计过程中采用的显示模块是液晶显示器LCD1602字符型的显示控制模块。

它的工作电压为4.5~5.5v。

160个不同的代码点阵字符产生的图形被分别储存在了一个液晶数字显示器内部点阵字符的发生存储器的存储中,每一个点阵字符都包含有一个固定的代码[9],这些点阵字符产生的图形由数字、字母、常用的符号等组成,由数字、字母、常用的符号等组成。

本次液晶显示器系统开发设计中的显示器rw和rs两个端口主要是本次数据指令寄存器主要为其选择的数据端口,高低电平时分别为其选择不同的端口作为数据指令寄存器[10]当高电平时分别为其选择新的端口作为数据指令寄存器,而rw和rs端则由低电平分别为其选择指令寄存器;rw端为本次显示器的提供了读写信号和输出数据线,高低电平时分别对其端口进行了高电平的读、写操作。

;e两个端口主要是作为本次显示器液晶模块使用时的输出功能端,当本次显示器的e端由一个处于高电平的显示器跳变成低电平时,液晶模块会自动地执行命令;在本次液晶显示器系统的开发和设计中,液晶面板上主要分为输出两行,即:

PM2.5=0000ug/m3

Set=0200ug/m3

第一行为显示实时的pm2.5检测数据的结果,第二行为显示设置的蜂鸣器报警值,当设置的监测数据结果超过蜂鸣器的设定值要求时会自动引起液晶和蜂鸣器的自动报警。

其液晶和蜂鸣器显示的报警设定值可以通过蜂鸣器的按键控制模块手动设定加减50的报警数值。

具体的电路图3-4如下:

图4-3

4.4电源模块

此次设计采用的是USB数据线进行供电，输出比较稳定，电压为5v。

SW1作为电源的开关，P105V是本系统的电源接口。

因为此次设计所需要的单元件正常的工作电压为5v,所以可以采用电压为5V的USB数据线,通过AMS1117芯片进行电压电流的微调[11]，使电压保持在1.5%的误差以内，这样可以尽量减轻因稳压器造成电路过载的压力。

保证了主板芯片能正常的进行功能运行，同时也为stm32f103rct6驱动电路的芯片运行提供了电源。

具体电路图如图4-4所示：

图4-4电源模块电路

4.5按键模块

本机主要采用的浓度报警系统控制电路是采用一个独立式的按键浓度报警控制电路,每个浓度的报警按键单独的占有一根i/o接口的数据线,每个浓度报警按键i/o口的系统工作运行和状态互不存在受到数据线的影响。

系统的按键浓度报警系统按键电路图中的控制和限定值浓度报警参数减少可以通过两个浓度报警按键分别连接来进行按键的控制和限定值的设置。

一个加键和一个减少浓度的报警按键参数也就是减少的加键。

具体的电路图4-5如下:

电路图中按键12脚也就是按键内部接在一起的不管是按下还是松开[12]。

按键34脚也就是按键内部可以简单的说成就是连在一起,按下浓度报警按键时,1234这四个连在浓度报警按键上的脚一般松开后都会被自动的连接在一起。

图4-5

4.6报警模块

系统中的报警控制电路主要采用高频和低声音报警蜂鸣器进行报警。

其中当一个单片机的两个p^5口口和蜂鸣器口的输出信号处于低稳压电平时,此时发出声音通过蜂鸣器自动关断发出报警。

此时,每当主控单片机的一个p^5口报警输出处于高电平时,报警控制电路自动关断停止了正常工作。

具体的集成电路根据图4-6如下:

图4-6

本章小结

此次单片机章节根据已经制定和设计好的单片机系统设计方案和已经选定的单片机硬件设计了一个包括单片机最小处理器系统接口电路、传感器最小接口电路、、液晶显示接口电路、电源接口电路、按键控制模块接口电路、声光报警接口电路的单片机系统设计电路原理和结构图。

5系统软件设计

5.1程序功能分析

本专业课程设计的显示浓度报警系统管理工程软件设计主要内容是一个包括对显示浓度定时主机的中断显示子程序、LCD1602显示浓度报警系统子程序和对浓度定时器的主中断显示报警系统子程序的管理软件设计。

主要的中断报警子程序主要工作是分别负责对一定浓度的中断实时报警信息进行显示和中断浓度实时报警装置的信息显示和浓度报警;定时器0中断浓度报警驱动子程序主要就是负责定时器中断驱动上的浓度报警传感器的报警工作[13]。

5.2系统程序设计

从液晶系统设计中需要考虑如何实现这些功能的初始化角度出发来看,主程序的初始化流程可以描述为:

在系统完成各个功能部分的初始化之后,采集各部分模拟输出的电压,再根据采集得到的模拟输出电压计算浓度值,通过电压拟合计算出相应的pm2.5浓度值,显示在液晶上。

电压拟合关系近似为y=0.5x+0.9（y为浓度值/mg•m-3，x为模拟电压值/V）［15］。

系统主程序流程图如5-2所示：

图5-2

为了实现系统的初始化,所有i/o口都初始化为一个高电平。

此次程序设计中的系统程序采用的定时器0中断方式主要是为了控制信号驱动内部的粉尘传感器[14],定时器中断方式设定的工作为中断赋值方式1,每次中断信号进入定时器中断后都需要不断地重新进行赋值。

在此次的程序设计中,需要单片机控制器产生一个脉冲周期为9ms脉宽为0.30ms的发光脉冲来控制信号驱动的粉尘传感器内部的LED电路进行发光,并在0.28ms对中断信号数据进行采集。

图5-3定时器中断程序流程图

定时器中断函数赋初值，中断周期100us。

液晶显示LCD1602显示一个自定义的字符库,首先把数据集建立在第一行,当它显示了DDRAM的地址后,根据数据集的自定义过程根据第一个的地址,并且在设置循环流通的过程中不断地把第一行的字符串转换成代码[15],直到最后,第二十一行就是显示数据集的过程和自定义过程的第二十一行,完整的子例程需要点缀两行。

流程图显示如图5-4所示:

图5-4液晶显示程序流程图

本章小结

此次章节主要介绍了监测系统的主程序及主要子程序的设计，分别画出了它们的流程图。

程序的编写是根据系统所要实现的功能和所选择硬件来编写的，是整个监测系统的灵魂所在。

6安装与调试

6.1硬件安装

此仿真调试软件是系统用一种c语言的程序对一个单片机电路板进行模拟调制[16]首先在一个仿真调试软件上进行调试通过,再进行对实物的仿真焊接,最后还要进行对实物的原理图检测。

仿真焊接一定时间后要仔细对照实物的原理图,如果发现焊接过程出现错误不仅给自己的工作带来麻烦而且加大了工作量而且还有可能需要一段时间更换新的单片机电路板。

只要有一个地方没有接好，整个电路都会无法运行。

最后就是把.hex文件烧录进芯片里，通电检测是否可以正常运行。

图6-1监测装置实物图

图6-1所示为已完成制作的实物，对实物进行通电操作，LED上显示的PM2.5=0.067ug/M3为当前显示的PM2.5浓度；Set=0.200ug/M3为设定值，设定值可以通过两个参数按键进行加减设置

0.050ug/M3.

6.2程序调试

此次次调试是设计用来监测一个控制系统的。

该控制程序最初是直接采用c语言进行编写的,对控制程序的全部调试操作是通过Keiluvision5软件进行的。

每次编写都是调试完成之后的程序,都是程序需要从头运行一次,若是显示器出现了错误,软件的系统管理器会自动发出箭头警示并通过箭头显示对应的错误可能出现的时间和地方。

根据编译器箭头的提示,在箭头对应的时间和地方可以找出对应的错误,改正后可以继续保持程序运行。

然后再重复这个简单的步骤直到发现编译器不正常提示程序还可能存在任何错误或者出现警示。

把我们已经设计好的液晶调试程序直接烧入一个液晶显示调试程序,看这个显示器液晶是否正常的显示。

如果不正常,监测程序LCD1602液晶的各引脚的焊接工作情况,有没有出现虚焊,短焊,错焊的现象等情况。

如果显示正常之后,再直接加入显示器粉尘的监测调试程序,看显示器粉尘的监测程序是否正常。

最后我们再加入液晶按键调试程序进行液晶整机的调试。

最终的程序调试结果如图6-2所示：

图6-2程序调试结果图

本章小结

完成这次单片机设计,我的动手能力也得到了很大的锻炼和提高,在完成这次设计的过程中,通过这次实践活动我学到了很多以前没有机会学到的单片机知识,或者说这