PM25空气质量检测仪的设计与制作.docx

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PM25空气质量检测仪的设计与制作

毕业设计（论文）任务书

（2015届）

题目：

PM2.5空气检测仪的设计与制作

专业名称：

应用电子技术

姓名：

学号：

班级：

应用电子技术

指导教师：

2014年09月22日

0

1

2

4

4

四5

4.15

4.26

7

8

4.59

9

1

七2

3

29

前言

随着社会的进步，工业化水平的提高，人们的生活和工作有了很多便利。

然而人们在享有方便生活和工作的同时，不得不面对由于对自然的不合理开发，对自然环境造成的野蛮污染，使生存环境越来越差的现实。

所以人类必须采取相应措施，合理利用开发自然资源，与大自然和睦相处。

进入21世纪以来，环境问题越来越严重，而这与人们对生活质量要求的提高形成了矛盾,因此注重环境的保护问题已经慢慢步入了产业化。

人类要治理好环境问题，必须要做到“知己知彼”，在做好监控与检测的同时知道病灶所在然后对症下药，从而药到病除。

粉尘是空气质量的重要指标，所以粉尘的检测就很重要，因此粉尘检测仪成为环保监测部门及很多工矿企业的必备品。

因此市面上出现了各种各形形色色的测试仪。

粉尘检测仪主要用于检测环境中的粉尘浓度，适用于工矿企业劳动部门生产现场粉尘浓度的测定、环境环保监测部门大气飘尘检测和污染源调查等。

本文所设计的粉尘检测仪围绕单片机为控制核心，完成数据的采集、显示、参数设置、自动报警及智能换风等系统各模块的程序设计，结合各模块的硬件电路实现每个模块的功能，从而实现整个系统的功能。

1.2选题背景

粉尘又称可吸入颗粒物（inhalableparticularmatter），它是指能进入呼吸道的，直径为10μm的颗粒物，对人的眼睛、鼻腔、上呼吸道都十分有害。

同时这种可吸入粉尘能长驱进入肺泡且沉积时间长，可导致心肺病、心血管疾病。

粉尘作为病菌的载体，一同散入空气中，极易传播疾病。

生产中许多及其工作环境对粉尘浓度也有要求,工厂中的很多粉尘携带有有毒化学物质，人们长久呼吸或长久散落皮肤上容易导致癌症的产生。

由此可以看出粉尘对人类健康和生产的巨大危害性，煤矿井下巷道作业、煤炭生产都要产生大量的粉尘，加之煤矿井下通风条件较差，在炮采、纵采工作面，煤尘浓度可高达1000mg/m3以上。

在此环境中工作的工人就会吸入这些细微粉尘，粉尘长时间进入人的呼吸系统，就会造成大量粉尘在肺泡中沉，引起慢性职业病，危及人的身体健康。

此外粉尘还是煤矿安全生产的重大隐患,我国《煤矿安全规程》规定：

“粉尘中游离的sio2含量>10%时，粉尘浓度不得大于2mg/m3；当粉尘中游离sio2含量<10%时,粉尘浓度不得大于10mg/m3。

因此,必须对煤矿井下粉尘进行实时检测，及时了解煤

矿井下工人的劳动环境，掌握井下煤尘浓度及变化情况，为安全生产、防尘、降尘等措施提供必要现场数据。

因此，粉尘浓度测试仪意义很重大是生活中不可或缺的必备品。

1.3国内外发展状态

在国内大多采用更加先进的测试技术，有的是β射线原理，其吸收量只与吸收物质的重量有关，而与吸收物质的物化性质无关完全等同于称重法，可直接读粉尘浓度。

并且配不同的采样入口装置，可实现对总粉尘、可吸入粉尘、呼吸性粉尘进行监测。

使用称重法比较，其相关系数大于97%，相对偏差小于10%。

仪器采用的射线源符合核安全标准，可长期稳定工作。

而有更加先进的技术该测定仪是集粉尘采样、粉尘浓度测定和粉尘粒度分布测定三者于一体的多功能粉尘测定仪。

它作为粉尘采样器可采集作业场所空气中的粉尘，将采集到的滤膜样作一些处理，在此仪器上可直接测出粉尘浓度值，粒度分布需用天平称重，可测定采样器采集的滤膜粉尘和其它形式粉尘的粒度分布（分散度）。

粒度分布和浓度测定结果可通过液晶显示器显示或微型打印机打印。

该仪器具有断电保护功能，断电后仍可储存40组粉尘粒度分布和200组粉尘浓度数据。

袖珍式激光粉尘仪是以激光管为光源、采用前向光散射原理设计，具有国际先进水平的最新型粉尘仪。

该仪器适用于公共场所可吸入颗粒物（PM10）浓度的快速测定以及环境保护、劳动卫生等方面粉尘浓度检测、工矿企业生产现场粉尘浓度的监测。

1.3.1粉尘测量方法

按照粉尘测量方法的不同，粉尘测量方法主要有光学法、采样称重法和静电法三种。

（1）采样称重法不适合于在线测量。

（2）静电法易受干扰,国内技术并不成熟。

（3）光学法又进一步分为浊度法和散射法,而浊度法是目前国外普遍采用的用来测量烟尘（粉尘）浓度的方法,这种国外仪器在国内许多单位也都得到了成功应用。

光学法测量的缺点是需要保持光学镜头的相对清洁。

对于烟道中烟尘的测量,实践证明,通过微正压的清洁保护风,就可实现对光学镜头的可靠保护。

1.3.2粉尘检测仪的性能与优点

由现代国内外所使用的各种粉尘检测仪的功能可以大体总结出粉尘检测仪具有以下性能和优点。

（1）智能采样与去噪数字滤波算法相结合,测量和信号处理灵活性强,因而在一套装置可以进行不同变量和浓度的测量,可排除个别的不正常值,同步计算平均值。

（2）采用嵌入式单片机内核技术,将计算机嵌入到烟尘粉尘测量对象中,实现智能化控制,依据烟尘粉尘测量环境要求,充分考虑了物理环境（小型）、电气/气氛、环境（可靠）、成本（价廉）的要求;充分考虑了最小软、硬件配置和相应的接口电路。

采用内核技术,提供了一个裸设备与应用程序间的抽象层,可以在更高的层次上读写磁盘;允许多个程序看起来在同时运行,将处理器在其间共享。

（3）可选用GPRS网络技术,以智能烟尘粉尘测量仪软件为平台,通过中文短信的方式,用自动群呼和列队接收办法,形成了崭新的环保监测网络。

（4）可远程进行参数设置及数据传输,通过中心控制软件,方便地输入用户参数、校准仪器,并可输出存储的测量数据。

1.3.3研究的意义

该粉尘检测仪是以STC12C5A60S2为核心外接输入键盘设定参考值，经过GP2Y1010AUOF粉尘传感器采集转换数据经过STC12C5A60S2处理然后通过数码管显示出粉尘浓度的简易检测仪，主要用于检测环境中的粉尘浓度，适用于工矿企业劳动部门生产现场粉尘浓度的测定、卫生防疫站公共场所可吸入颗粒物的监测，环境环保监测部门大气飘尘检测和污染源调查等。

1.4本文主要工作

本文主要是根据光学测尘原理--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。

将粉尘浓度转换为电信号，然后通过信号放大器将电信号转换为0～5V的电压信号。

该设计主要是将光学测尘原理所得的0～5V的电压模拟信号通过ADC0809转换成八位二进制数字信号，并将数字信号送到单片机STC12C5A60S2中经过处理后将数字信号动态显示在数LED1602液晶显示上，通过键盘来设定粉尘浓度限定值，如果超过限定值单片机驱动蜂鸣器报警以及启动换风机，同时可以通过独立按键控制当前粉尘浓度和设定限定值时的显示切换。

看门狗可以根据程序要求实施复位；同时还要将12V开关电源转换成5V给各器件供电。

我主要根据系统要求完成数据的采集、显示、参数设置及报警等系统各模块的程序设计，然后再结合各部分的硬件电路完成各模块的功能，从而完成整个系统的功能。

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：

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：

式中：

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:

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：

式中：

为消光列向量，可以通过实测各波长对应的及测得：

其中：

T称为消光系数矩阵。

T中个元素，可由计算机预先算出。

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。

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。

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