PM25检测系统毕业设计论文Word文件下载.docx

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1.4本章小结３

二系统总体方案设计４

2.1总体方案设计４

2.2系统硬件选型６

2.3本章小结７

三硬件电路设计８

3.1主控制器模块８

3.2粉尘传感器模块９

3.3模数转换模块10

3.4液晶显示模块10

3.5电源模块.11

3.6按键模块.12

3.7报警模块.12

3.8本章小结12

四系统软件设计13

4.1程序功能分析13

4.2系统程序设计13

4.3本章小结16

五安装与调试17

5.1硬件安装17

5.2程序调试18

5.本章小结18

六结论与展望19

6.1结论19

6.1展望19

致谢20

参考文献21

附录一元器件清单

附录二源程序

一绪论

1.1研究背景及意义

随着工业的发展，各种新产品不断被制造出来，人们的生活水平得到了很大的提高。

但是这些工业产品在生产、使用过程中造成的污染却越来越严重。

工厂排放的工业废气，汽车排放的尾气、燃烧产生的烟雾、还有很多化学性爆炸等都可以导致大气的污染。

大气污染使得空气质量恶化，会导致阴霾天气频繁出现，这种“不见天日”的天气让人们感到深深地恐惧。

从1952年伦敦的杀人雾事件再到2013年北京雾霾持续不散的现象，无不透露出大气污染已产生了巨大的危害。

造成大气污染的元凶就包括本课题要研究的对象PM2.5。

虽然PM2.5在地球大气成分中含量很少，但它与空气中粗大颗粒物相比，富含更多的有毒、有害物质而且在大气中的停留时间长、输送距离远，对大气环境质量影响更大。

因此，对PM2.5污染的检测和治理便显得越来越重要。

我国于1982年由国家环境保护局首次发布《大气环境质量标准》，但并未规定PM2.5的安全阈值，随后在1996年、2000年和2012年进行了3次修订也没有针对PM2.5浓度限值做出修改。

直到2012年2月29日，环境保护部公布了新修订的《环境空气质量标准》，才增设了细颗粒物（粒径≤2.5μm）浓度限值。

与新标准同步还实施了《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》［1］。

PM2.5是指环境空气中空气动力学当量小于等于2.5微米的颗粒物，也称细颗粒物、可入肺颗粒物。

PM2.5被吸入人体后会进入支气管和肺腔，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心脑血管病等方面的疾病；

这些细颗粒物还可以通过支气管和肺泡进入血液，其中的可溶性物质、有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害更加大。

通过对PM2.5浓度进行检测，得到一个现实的可参考的数据，让人们能很直观地知道PM2.5污染的严重程度。

为了可以得到更准确、更科学的检测结果，要对PM2.5检测技术进行研究寻求更先进的检测技术。

检测环境空气的PM2.5是做好预防PM2.5污染的第一步，也是为实施大气污染治理提供准确的技术数据的关键所在。

对PM2.5进行科学、准确地检测，可以增强对大气PM2.5的预测预警，将研究成果应用到各地，可以提高政府对公共事件指挥应急水平，降低对市民健康的潜在危害，减少经济损失，促进社会稳定和谐，产生社会、经济和生态效应等。

1.2国内外研究现状

对于PM2.5的检测，国内国外都拥有多种成熟的检测技术，包括地面PM2.5检测技术、基于卫星遥感技术的气溶胶光学厚度结合空间聚类分析预测PM2.5的浓度等［2］。

目前，在地面检测空气中PM2.5浓度常用的技术主要有5种，分别是重量法，压电晶体法，光散射法，β射线法，微量振荡天平法。

经过第一阶段的比对测试工作，中国环境检测总站开展的比对测试已取得一定成果，并提出可满足我国自动检测需要的PM2.5检测方法及其采用的相关仪器的关键技术指标要求。

所提的三种PM2.5自动检测方法为：

微量振荡天平仪器加膜动态测量系统（TEOM+FDMS）、β射线方法仪器加动态加热系统（β+DHS）、β射线方法仪器加动态加热系统联用光散射法（β+DHS+光散射）［3］。

美国热电公司的TEOM1405F、TEOM1405检测设备就是基于微量振荡天平技术开发的；

河北先河环保公司的XHPM-2000E监测仪、武汉天虹公司的TH2000TM监测仪是利用β射线法原理对PM2.5进行检测的；

美国热电的5030-SHARP检测仪同时利用了β射线法和光散射法原理。

目前按照重量法设计的采样设备也比较多，如中国生产的TH—150型智能中流量颗粒物采样器、四通道PM2.5采样器（PR2300）、美国URG公司生产的通用型大气污染物采样仪（URG—3000k）、德国GRIMM分析仪等。

这些采样仪器利用PTFE膜或PTEE滤膜对PM2.5进行采样，再采用称重的方法计算颗粒物质量浓度。

此外人们还设计了基于光散射法的粉尘传感器来检测PM2.5浓度。

空气中的粉尘在暗室内受到激光发生器发出的平行光照射时，粉尘的散射光强度正比于质量浓度，该散射光经过光电转换器转换成光电流，经主控板的光电流积分电路转换成与散射光强度成正比的光电脉冲数。

计算脉冲数即可测出粉尘的相对质量浓度。

如夏普灰尘传感器二代GP2Y1050AU，美国GE粉尘传感器SM-PWM-01A，SDC智能灰尘控制器等。

基于逆压电效应的QCM质量传感器也是人们研究的重点。

QCM传感器利用石英晶体作为敏感元件，其表面的敏感薄膜吸附空气中的颗粒物，石英晶体的固有频率随吸附颗粒物质量的变化而变化。

对石英晶体施加交变电压，石英晶体产生振动，当振荡电路的频率与石英晶体的振动频率一致时产生共振，测量此时振荡电路的频率就可得到空气中粉尘的质量浓度。

在实际应用中，由于气候条件、环境特征、污染源特点等的差异，国外能正常使用的仪器设备，在国内进行检测时却存在检测数据不稳定或偏差较大的问题，如何改进进口设备的性能，或者降低甚至消除对进口设备的依赖是当前我国粉尘污染检测所面临的问题。

我国针对PM2.5的检测仍处于起步阶段，需要继续开展大量的基础工作，研制出符合我国国情的检测技术和设备，促进建立完备的PM2.5检测体系。

1.3研究的主要内容

通过查找关于PM2.5检测有关的资料，分析对PM2.5浓度进行检测的技术。

如重量法、压电晶体法、光散射法、β射线法、微量振荡天平法。

分析每种方法的原理和特点，并评价每种方法的优缺点。

此外还介绍了可以实现对PM2.5浓度进行检测的粉尘传感器。

针对日常生活中对PM2.5污染检测的实际需求，利用PM2.5检测传感器和单片机最小系统设计一种PM2.5浓度检测系统。

系统功能应包括：

（1）采集PM2.5浓度；

（2）模拟电压转换成数字信号；

（3）单片机处理数据；

（4）显示检测结果；

（5）设定报警浓度限值。

系统要用到的硬件应包括：

（1）系统控制核心单片机；

（2）采集装置粉尘传感器；

（3）模数转换芯片；

（4）液晶显示屏；

（5）声光报警装置蜂鸣器和发光二极管。

1.4本章小结

本章主要介绍了本设计的研究背景、意义、现状和研究的主要内容。

简单来说就是人们正面对着PM2.5造成的污染，迫切需要先进、可靠的检测技术对PM2.5进行检测，本设计就是讨论如何设计一种PM2.5浓度检测系统。

二系统总体方案设计

2.1总体方案设计

本设计要实现对PM2.5浓度的检测系统的设计。

设计具体要满足对PM2.5浓度采集、对数据信号处理、对检测结果进行显示等。

因此，先要选择合适的检测方法，再选择合适的采集装置、A/D转换芯片、单片机、显示器等。

分析现有的对PM2.5进行检测的技术，可以达到要求的有5种检测方法，具体方案如下：

方案一：

重量法

重量法是国家标准分析方法。

这种方法的原理是用一定切割特征的采样器（切割器是根据气流中颗粒是沿流线偏转还是被挡板阻挡来分离不同粒径的装置）抽取定量体积的空气，把空气中的PM2.5截留在滤膜上，再用天平进行滤膜称重，得到采样前后滤膜的质量，就可计算出PM2.5的浓度。

这种方法的优点在于测量直接、数据可靠，还能够用来对其他方法测量得到的结果的准确性进行验证。

缺点是人工工作量大，自动化程度低，不适合进行远距离检测，不能反映PM2.5质量浓度在短时间内的变化。

国产的TH—150系列智能中流量颗粒物采样器就是基于重量法设计而成的［5］。

方案二：

微量振荡天平法

微量振荡天平法主要是利用锥形原件微量天平原理。

锥形原件粗头固定，细头装可以更换的滤膜，采样气体通过锥形原件（粗头进，细头出），PM2.5被截留在滤膜上，锥形原件质量的变化引起振荡频率的改变。

测出前后两个不同时刻的振荡频率，就能计算出PM2.5的质量浓度。

微量振荡天平技术与重量法有良好的一致性，还可以实现实时在线检测，但采样滤膜易受空气湿度影响。

我国具有PM2.5自动检测能力的城市有60%以上使用基于微量振荡天平法的检测设备，美国生产的TEOM1405系列颗粒物监测仪就是运用微量振荡天平技术制备的［6］。

方案三：

β射线吸收法

β射线吸收法利用了β射线衰减原理。

空气由采样器吸入采样管，经过滤膜后排出，PM2.5沉淀在滤膜上，当β射线照射沉积了PM2.5的滤膜时，β射线的能量衰减，根据衰减量就可求出PM2.5质量浓度。

β射线吸收法的优点是检测结果不受细颗粒物物理、化学性质影响，只与其电子密度有关，测量结果较为准确，可以实时检测PM2.5浓度的变化情况。

该法的缺点是滤膜与细颗粒物易吸附空气中的水分，容易对检测结果造成影响。

我国具有PM2.5自动检测能力的城市有30%左右使用的设备是采用β射线吸收法制备的，美国METON的BAM1020粒子检测器就是采用了β射线吸收法原理对粒子进行检测［7］。

方案四：

压电晶体法

压电晶体法检测PM2.5利用的是压电晶体的逆压电效应［8］。

该技术采用石英晶体作为测量敏感元件，石英晶体表面的敏感薄膜吸附空气中的PM2.5，石英晶体的固有频率随吸附质量的变化而变化。

对石英晶体施加交变电压，石英晶体产生振动，当振荡电路的振动频率与石英晶体的振动频率一致时产生共振，测量此时振荡电路的振动频率就可得到石英晶体的振荡频率，进而可求得PM2.5的浓度。

压电晶体法可实现实时在线检测，测量结果也较为准确，但因石英晶体对质量变化较为敏感，因此需保持良好的清洁来减少测量出现的误差。

QCM质量型传感器就是采用压电晶体法来实现对粉尘浓度的检测。

方案五：

光散射法

光散射法检测PM2.5浓度利用了细颗粒物的相关性质和Mie散射理论。

当光照射到悬浮在空气中的细颗粒物上时，会产生散射光。

在细颗粒物性质保持一定的前提下，产生的散射光强度与细颗粒物的质量浓度成正比。

通过光电倍增管将颗粒物的散射光转换成光电流，再经光电流积分电路将光电流转换成电脉冲，通过测量单位时间的脉冲数，就可以计算得到PM2.5的浓度［9］。

光散射法测量PM2.5质量浓度具有测量快速、准确，检测灵敏度高，性能稳定等优点。

但测量结果易受细颗粒物粒径组成、结构、折射性等因素影响。

夏普粉尘传感器二代GP2Y1010AU就是采用光射法原理制备而成的。

通过对以上方案进行比较可以得出：

重量法适合对各种方法检测结果的准确性进行验证，若作为检测系统的采集装置会显得很笨重；

微量振荡天平技术和β射线吸收法适合用在自动检测中，它们为达到高精度、高准确性，需要加载膜动态系统，本设计达不到这样的技术要求，故而不选用；

用压电晶体法来检测，此法的检测精度较高，但基于压电晶体法的QCM质量型传感器造价高，不适合作为日常检测的设备；

光散射法检测可以做到快速、准确，而且设备性能较稳定，此外基于光散射的各种传感器价格都比较实惠，基于以上的考虑，本次设计选择方案五的光散射法检测技术，在此基础上来选择合适的采集装置。

本设计总体方案设计思路是采用单片机和传感器技术相结合来实现对PM2.5浓度的检测。

具体设计是由粉尘传感器实时采集PM2.5浓度值，通过AD转换器将传感器输出的模拟电压转换成数字信号，并传送给单片机进行数据处理，检测结果将显示在液晶屏上。

当检测到的PM2.5浓度值大于设置的浓度限值时，发光二极管会亮同时蜂鸣器发出声响。

PM2.5的浓度报警值可以通过按键进行设置。

系统总体结构框图如2-1所示：

图2-1系统总体结构框图

2.2系统硬件选型

2.2.1主控制器

本设计需要对传感器、显示器、报警器等进行控制，让它们发挥各自的功能，STC89C52单片机是一个功能很强的8位微处理器，可以满足此要求。

另外本设计预计要使用23个（不计复用）单片机引脚，STC89C52具有40个引脚也是可以满足需要的。

STC89C52内部程序空间多达8K，对于本设计而言也算是绰绰有余了，同时STC89C52单片机价格非常低廉，用于日常应用非常合适。

不管从功能、价格还是使用的难易程度来说STC89C52都是合适的选择。

因此，本设计采用单片机STC89C52作为整个系统的核心。

2.2.2采集装置

本设计需要用采集装置来对周围环境中的PM2.5浓度进行采集，采集装置的工作状态要受单片机的控制，另外采集装置的工作电压最好与电源电压、单片机工作电压相一致，性能上还要具有采集快速，准确的特点。

GP2Y1010AU0F粉尘传感器可以完成对PM2.5的采集和输出模拟电压信号，其最优工作电压为5V，与电源电压一致。

它采集周期不到0.01ms，检测结果也较为准确，另外它还具有分辨烟雾和灰尘的功能［10］。

因此，选用GP2Y1010AU0F传感器为本设计的PM2.5采集装置。

2.2.3显示器

本设计准备显示测量的实时数据，同时还需要设定PM2.5的报警阈值，因此要选用能显示两行内容的显示器，第一行显示检测到的PM2.5浓度值包括“PM2.5、具体数值、单位μg/m3”，第二行要显示预设定的PM2.5浓度报警限值，显示具体内容与第一行相仿。

液晶LCD可以显示数字、字母、符号等，满足本设计要显示的内容。

另外LCD还具有功耗小、体积小、使用方便，显示快速，而且不需要外加驱动电路的特点等，可以使本设计系统的电路和程序的设计简单化。

LCD1602液显能同时显示16x2即32个字符，可以提供清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种控制命令，很适合作本次设计的显示器。

因此，本设计采用液晶LCD1602进行显示。

2.2.4模数转换芯片

本设计需要转换传感器输出的0-5V的模拟电压，ADC0832为8位分辨率的A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，当输入信号最大值为5V时，此AD可以区分的信号的最小电压为0.01953V，能满足对本次设计模拟电压转换要求。

另外ADC0832转换时间仅为32us，转换速度快且稳定，而且本次设计对转换时间的要求并不是很严格。

此外ADC0832具有独立的芯片使能输入，使得处理器控制起来很方便。

因此，本设计选择ADC0832模数转换芯片来对传感器输出的模拟电压信号进行转换。

2.2.5电源

本设计采用的单片机、传感器、A/D转换芯片、显示器等都是在5V电压下正常工作，所以本设计采用输出电压为5V的USB数据线供电，USB供电具有持续且稳定的电压输出性能，而且使用起来很方便。

用5V蓄电池供电也是可取的。

2.2.6按键

本设计采用的按键并不是太多，只有1个参数增加按键和1个参数减少按键，不会占用太多的I/O口，因而采用独立式按键。

每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响。

这样可以使电路设计简单、编程也相对比较容易。

2.2.7报警装置

本设计报警系统由两部分组成，一是LED灯光报警，二是蜂鸣器声音报警。

2.3本章小结

本章主要介绍了PM2.5检测系统的总体方案设计和主要的硬件选择。

采用5VUSB数据线供电；

STC89C52单片机进行数据处理；

GP2Y1010AU0F传感器采集PM2.5浓度值；

ADC0832芯片进行模数转换；

LCD1602进行数据显示；

蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。

三硬件电路设计

3.1主控制器模块

主控制器模块采用单片机最小系统。

单片机最小系统能让单片机正常工作和实现其功能。

单片机具有体积轻、重量轻、功耗低、功能强、性价比高等特点，在本设计的整个系统中起到了统筹作用，可以控制按键和接收传感器的各种参数，同时还能驱动液晶显示相关数据。

单片机最小系统由单片机、复位电路、时钟电路、输入/输出设备等构成。

本设计选用的单片机是STC89C52。

STC89C52是STC公司生产的一种8位微控制器，具有8K字节的Flash程序存储器和512字节数据存储空间。

共有40个引脚，4个八位并行I/O口，1个全双工串行口，5个中断源，2个优先级，3个十六位定时/计数器。

STC89C52单片机的时钟电路引脚为XTAL1和XTAL2；

控制信号引脚为RST，ALE，PSEN和EA；

输入/输出端口为P0，P1，P2和P3［11］。

复位电路确定单片机的工作起始状态，完成单片机的启动过程。

当单片机系统在运行中，受到外界环境干扰出现程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

一般有自动复位和外部按键手动复位，本设计为编程简单采用的是外部手动按键复位。

STC89C52单片机P0端为开漏输出，内无上拉电阻。

P0口在本设计中做输出用，为加大输出驱动能力加上拉电阻，本设计采用的上拉电阻为4.7K的排阻。

与复位电路同样重要的还有时钟电路。

时钟电路好比单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。

时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

本次设计外接石英晶体振荡器的振荡频率为11.0592MHZ。

STC89C52单片机的工作电压范围为3.8V-5.5V,所以本设计给单片机外接5V直流电源。

主控制模块系统电路如图3-1所示：

图3-1单片主控电路

3.2传感器模块

传感器模块主要是采集PM2.5浓度并输出一个模拟量。

本次设计采用的粉尘传感器的工作原理是单片机给传感器LED端输入一个脉冲信号，粉尘传感器内部NPN三极管驱动此传感器的红外线发光二极管开始工作，发出检测光线。

当检测光照射到粉尘上会发生折射。

再由传感器内部的光电晶体管采集经粉尘折射后的检测光，转换成电压信号输入到A/D转换芯片中，经A/D转换芯片转换为数字信号传送给单片机。

本设计选择的是GP2Y1010AU0F粉尘传感器，它是一个采用光学传感系统的粉尘传感器。

该设备由红外线发光二极管和一个光电晶体管成对角布置而成。

它能够有效地检测到像香烟、烟雾等非常细的粒子，还可以通过脉冲模拟输出区分烟雾和灰尘。

其接线端V-LED接电源正极，LED-GND端接地，接通这两个电源接口才能带动传感器内部发光二极管工作LED工作。

LED端为串口数据输入端，Vo端为粉尘浓度模拟量输出端，S-GND接地，VCC接电源正极。

GP2Y1010AU0F粉尘传感器插上电源1秒之内就会稳定，可以进行正常的检出工作。

检出方法是从输出的电压来做判定。

粒径较大的粉尘输出电压表现为间隔的、较高的脉冲信号。

细微粒子的输出电压表现为连续的、较高的脉冲信号［12］。

传感器的第一脚接了一个220uF的电解电容和150Ω的限流电阻。

第三脚LED端接到单片机的P3^2外部中断0口，传感器是否开始工作是通过单片机P3^2口是否给LED端输入一个脉冲信号来控制的。

第五脚Vo端是粉尘浓度的模拟量输出脚，接在模数转换器ADC0832的通道1上，传感器产生的模拟电压就是通过这个口传送给ADC0832的。

第一脚和第二脚接电源正负极是给传感器内部发光LED供电的。

具体电路图如图3-2所示：

图3-2粉尘模块电路

3.3模数转换模块

模数转换部分在单片机控制系统中主要用于数据采集。

通过转换粉尘传感器输出的电压信号提供PM2.5的各种实时参数，以便单片机对PM2.5浓度进行检测。

模数转换器是架设在单片机和传感器之间的桥梁，在单片机控制系统中占有极为重要的地位。

本次设计采用ADC0832，它是一个8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出