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PM25毕业论文

PM2.5毕业论文

学校代码：

学号：

HefeiUniversity

毕业设计（论文）

BACHELORDISSERTATION

DesignofportablePM2.5airqualitymonitor

ABSTRACT

China'srapideconomicdevelopmentsincethereformandopeningup,nationaldefenseandindustryisalsoabouttoachievemodernization,butinthebackoftheeconomicprosperityisattheexpenseoftheenvironment.Today,thehazeenvelopedmostofChina'scities,suchasthecapitalofBeijing,thefogandhazeshrouded,sandfour,thisisonlyamicrocosmofthevastnumberofcities.AndthesehazeismainlycomposedofPM2.5,PM10,PM0.1andsomeheavymetalparticles,withthedeteriorationoftheenvironment,ourhealthcannotbeguaranteed.SoitisveryimportanttomeasuretheconcentrationofPM2.5inrealtime.InthisdesignismainlyusesSTM32microprocessor,GP2Y1010AU0Fdustsensor,relay,Bluetoothmodule,mobilephoneandsoontorealizethemeasurementofPM2.5.MobilephoneswereusedtodisplaymeasuredvaluesandtheBluetoothmodulecanmobilephonesandmatchingandBluetoothmobilephonesoftwaredebuggingcontrolrelayattractinganddisconnect,andthenbycontrollingtherelaytocontrolthepurificationdevice,butalsointhemainprogramtosetafixedconcentrationvalue,whenthemeasurementsofPM2.5concentrationvalueexceedsthesetvalue,therelaywillpulltoopenpurificationdevice.Thesystemcanreadthemeasuredvaluethroughthephone,itisveryconvenienttouse,thepriceisalsocheap,verypracticalsignificance.

Keywords:

PM2.5,microprocessor,dustsensor,dustconcentration

第一章绪论

1.1设计背景及意义

近几十年，随着我国经济快速发展，人们的生活得到明显改善，可是这些却导致我们身边的环境质量却越来越差，尤其是雾霾天气频现。

这也使得人们越来越关注空气质量的变化，其中PM2.5便是人们议论的热点。

PM2.5是存在于大气中的一种半径低于1.25微米的颗粒，也被称为可入肺颗粒。

PM2.5直径非常小，可以在空气里飘浮很久，其中又含有大量的有毒物质，当人们吸入PM2.5后它可直接进入人们的肺，由于人体没有办法抵挡这种微小颗粒的吸入，因此其对人们的身体健康伤害是不容忽视的。

大气中的PM2.5少数来自于一些自然现象，比如火山爆发等，大多数则是人类在生活和发展的过程中生产的，例如汽车尾气、秸秆燃烧、工业废气的排放等，其中人类活动是导致PM2.5含量过高直接原因。

恶劣天气的频发也与PM2.5有关，如果要提高室内空气质量，可以从减少PM2.5在空气中的比例入手。

尽管PM2.5在空气中分量非常小，但它对人们的健康和环境的质量却有着非常大的影响，根据世界卫生组织发布的数据，世界各国不论贫穷与富裕，也不论城市与乡下，每年都会有好多人因为PM2.5的影响而减少了寿命或者丧失了宝贵的生命[1]。

虽然国家已经加大了对环境的保护力度，但是在短时间内我们身边的环境无法得到改善，因此我们可以通过设计简单的空气检测仪检测身边的空气质量。

所以，便携式PM2.5空气质量检测仪的设计有着很大的发展空间，并且在市场上也有这一定的占有率。

综上所述，本文设计的便携式PM2.5空气质量检测仪具有较好的实际意义[2]。

1.2国内外研究及发展现状

在过去二十年里，国外对PM2.5展开了大量的探究。

研究的范围非常广泛，不仅研究了PM2.5的基本特性、产生根源还研究了空气质量及人们身体健康状况与PM2.5之间的关系，对此进行研究次数最高的地区是美国的加州。

经研究发现，PM2.5在空气中的含量和释放物、天气及区域等有着很大的关系。

比如，一线城市的含量普遍大于农村的含量，夏天的PM2.5浓度普遍低于秋天的浓度，至于这些微粒对人体造成损害的奥秘还在探索中。

对此科学家还建立了一些模型来帮助其进一步研究，并且这些模型已经发展了好几代，现在的模型已经比较完善。

我国在上世纪八十年代才开始从事对大气污染的探索。

以任继凯为首的一些科学家最先提出了复合污染的含义，之后陆续有科学家讲述了它的产生和逐步演化的历程，并指出复合污染存在的诸多问题。

现在科学家已经发现了大气复合污染的基本特性，并在我国一些城市中找到与污染基本特性相似的空气状况。

由于我国是农业大国，每到庄稼丰收的月份，农村燃烧秸秆现象就会变的很严重，因此在庄稼丰收的月份PM2.5含量会明显升高。

为了保证良好的空气质量，近些年我国政府禁止燃烧秸秆，随之夏季与秋季的PM2.5含量也有所减少，在2009年我国PM2.5含量达到历史最高[3]。

2014年，我国第一款便携式PM2.5检测仪正式上市。

该检测仪大小和我们日常使用的手机相似，携带起来很轻巧，而且能够在微环境下实时检测出PM2.5与PM2.10的数据，而且响应时间较短，还能显示空气质量的等级。

它的工作原理是通过特殊的传感器利用散射粒子加速度的测量方法获得所需的PM2.5浓度。

这个设计侧重于随时随地测量身边的空气质量，对生活有着很大帮助。

但是,这种检测仪价格高昂，不适用室内的空气质量检测。

1.3本文研究内容

本设计中主要是利用STM32、GP2Y1010AU0F粉尘传感器、继电器、蓝牙模块、手机等实现对PM2.5含量的测量。

主要包括以下几个方面：

（1）系统原理及总体设计方案；

系统主要是利用STM32微处理器、GP2Y1010AU0F粉尘传感器、继电器、蓝牙模块、手机等实现PM2.5含量的测量。

微处理器用来处理检测的数据以及控制继电器，是整个设计的重点。

粉尘传感器用于测量空气中的粉尘浓度，并以模拟电压的形式将测量值传递给STM32。

蓝牙模块主要将检测值传递给手机，手机是用来显示检测的数据。

（2）系统的硬件电路设计；

系统的硬件电路设计包括STM32的系统电路设计，粉尘传感器的电路设计，继电器以及蓝牙模块的电路设计。

其中STM32的系统电路设计又包括复位电路、LED电路、SWD接口电路、系统供电稳压电路的设计[4]。

（3）系统的软件流程设计；

系统的软件流程设计包括主程序、自动控制、手机命令处理、串口中断、模数转换等流程图。

其中最为核心部分是主流程图，它包含了整个软件设计的思想，解释了整个程序运行的顺序和逻辑。

自动控制子程序则说明了继电器吸合与断开的执行条件，手机命令处理子程序则解释了手机如何控制继电器，串口中断子程序则解释了通过手机控制继电器吸合与断开的原理，ADC转换子程序则解释了模数转换的原理。

（4）系统的调试及分析；

系统的调试包括软件调试和硬件调试。

软件调试包括使用的程序编写软件介绍，在编写中注意事项以及在编译时遇到编译错误如何处理和处理的方法。

硬件调试是对硬件电路设计的检查，其中包括元器件的选型及使用，电路连线是否正确，焊接是否正确，电路是否存在接触不良的情况等。

第二章总体设计方案

系统整体结构框图如下图2.1，包括粉尘传感器、微处理器、蓝牙传输模块、手机、继电器、净化器。

图2.1系统整体结构框图

微处理器用来处理测量的数据以及控制电路，是整个设计的核心。

粉尘传感器用于测量空气中粉尘浓度，并以模拟电压的形式将测量值传递给微处理器。

微处理器将处理后的测量值通过蓝牙模块传递给手机，并由手机显示出测量值。

手机也可以通过蓝牙模块向微处理器发送控制命令，然后微处理器根据接收的命令通过控制继电器的吸合来控制净化器。

2.1微处理器

在这个科技发达的时代，各种控制类芯片应运而生，例如市场上广泛应用的STC89C51、STC89C52、STM32等。

STM32运行稳定，能耗低，更重要的是其具有很高的集成度，运行速度也比STC89C51系列快得多，特别是其具有两个12位的ADC转换通道，在进行模数转换时不需要外接AD转换芯片。

基于上述论述，STM32拥有巨大的优势，因此在这里我们选用STM32F103C8T6。

其引脚图如图2.2所示：

图2.2STM32引脚图

STM32系统电路主要有复位电路、SWD接口电路，系统供电稳压电路，LED电路等组成。

其CPU电路图如图2.3所示。

图2.3CPU电路图

（1）系统复位电路

复位电路就是利用它把电路恢复到起始状态。

如图2.4所示，系统中的复位电路由电阻、电容和一个开关组成，系统为低电平复位，可以实现上电复位和手动复位功能。

上电时，由于电容两端的电压不能突变，所以NRST端将会保持一段时间的低电平，实现复位功能，一段时间后，电容充电完成，NRST端变为高电平，复位结束。

上电一段时间后，当S1按键按下，电容两端短路，将会放电，NRST端变为低电平，即使按键松开，NRST端也将维持一段时间的低电平，保证复位成功，一段时间后，电容充电，NRST端恢复为高电平，系统复位结束[5]。

图2.4系统复位电路

（2）SWD接口电路

SWD接口不仅运行速度快，而且所占用的引脚也比较少，使用SWD方式调试可以实现与JTAG调试同样的功能。

SWD接口电路如图2.5所示，在使用时一般只需接SWDIO、SWCLK、VCC、GND四个引脚。

图2.5SWD接口电路

（3）系统供电稳压电路

如图2.6所示，供电电路主要是采用LM1117-3.3V（AMS1117）供电，电压为3.3V,有三个引脚，分别为GND、Vin、Vout。

电路的主要由不同型号的电容组成。

稳压器AMS1117主要分为可调版和多种固定电压版两类。

其输出为1安倍的电流而且它工作时的压差可以降低到1V。

其最大压差不会高于1.3V，如果负载电流减小最大压差也会跟着减小。

因此，它主要应用于一些低压供电设备，如电池供电设备。

如图2.6系统供电稳压电路

（4）LED灯电路

如图2.7和2.8所示，LED电路有两个，分别为LED0和LED1，LED0所连接的引脚为PC13，由一个510R的电阻R15和发光二极管D2组成，供电电源为3.3V,LED0主要是为了显示STM32微处理器运行是否正常。

LED1则为系统电路的电源指示灯，同样也是由一个510R的电阻R8和发光二极管D1组成，主要作用是为了显示系统是否通电。

图2.7LED0电路

图2.8LED1电路

2.2粉尘传感器

检测PM2.5的常用方法有β射线法、振荡天平法和光反射法。

β射线法在测量时，空气中的微粒会滞留在采样管中的过滤薄膜上，微粒会吸取β射线的能量，这样β射线的能量就会减少，因此可以通过计算能量减少量判定微粒在滤膜上的质量，从而根据β射线能量减少量与微粒质量之间的数学关系就可以测定空气中微粒的含量。

振荡天平法是基于石英振荡杆负重改变而导致振荡频率变化的原理来测量的[6]。

光反射法检测空气质量时，发射的光线经空气中的灰尘折射后，根据折射的光线就可以检测出灰尘的浓度。

在这里我们是利用光反射法测量粉尘浓度，这种方法相比于前两种方法，测量起来更加简单、方便，而且花费也较少。

目前，常用的粉尘传感器有韩国SYHITECH专利产品DMS501、GCG1000粉尘浓度传感器、日本夏普公司生产的灰尘传感器GP2Y1010AU。

灰尘传感器GP2Y1010AU它的体积较小，带着比较方便，精确度也比较高，性能比较稳定，电流消耗非常低，可以使用很长时间。

另外灰尘传感器GP2Y1010AU安装起来很方便，保养起来比较简单。

可以检测很细小的微粒，并且常用于空气净化器系统。

因此，我们选用粉尘传感器GP2Y1010AU。

灰尘传感器GP2Y1010AU的里面是一个发光二极管和一个光电晶体管，对角布置成允许其探测到在空气中的灰尘反射光，该产品具有极低的电流损耗（最大20mA，11毫安典型的），可以搭载高达7VDC的传感器。

其输出的是一个模拟电压正比于所测得的粉尘含量，敏感性为0.5V/0.1mg/m3。

参数：

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.清洁空气中电压：

0.9V 典型值

6.工作温度：

-10~65℃

7.存储温度：

-20~80℃

8.使用寿命：

5年

9.大小：

46mm×30mm×17.6mm

10.重量大小：

15g

检测原理

其原理如下图2.9。

图2.9原理图

引脚定义如图2.10所示。

图2.10引脚图

它的外部有六个引脚，分别是：

1.Vled

2.LED-GND

3.LED

4.S-GND

5.Vo

6.Vcc

在本系统中ADC通道定义为PB0或PB1引脚。

2.3蓝牙HC-05

蓝牙是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换[7]。

如今蓝牙由蓝牙技术联盟管理，在世界上拥有众多公司，涉及的行业非常广泛。

目前，常用的蓝牙模块有FBT06无线蓝牙串口模块和HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块。

FBT06无线蓝牙串口模块包含蓝牙串口模块和USB蓝牙串口模块，内部有两个蓝牙串口模块，上电后会自动配对。

HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块，具有两种工作模式，而且通过控制模块外部引脚输入电平，可以实现模块工作状态的动态转换。

由于HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块体积小使用方便，价格便宜，因此在该设计中我们选择HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块作为我们的蓝牙模块，如图2.11所示。

图2.11蓝牙

HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块有六个引脚，分别为GAND、RX、TX、+5V、STATE、EN，使用时其USTART_RX和USTART_TX引脚与STM32系统上的USTART_TX和USTART_RX引脚相连接。

图2.12蓝牙电路原理图

2.4继电器

继电器是一种电控制器件，一般适用于自动化的控制电路中，它事实上是一种“自动开关”，即一种用小电流来控制大电流作用的一种开关[8]。

因此它可以自动调节和保护、转换电路。

继电器的种类有很多，如带光耦隔离的1路继电器及光、声、热继电器。

在这里鉴于使用方便和价格低的原因，我们选用带光耦隔离的1路继电器模块。

它的常开接口在负载为交流电时，最大承受电压为250伏，最大承受电流为10安倍，当负载为直流电时，最大承受电压为30伏，最大承受电流为10安倍[9]。

其内部采用了贴片光耦隔离，其驱动能力很强，性能比较稳定，电源指示灯为绿色，继电器状态指示灯为红色，接口的设计也非常人性化，所有接口均可以通过接线端子直接连线引出，触发电流为5mA，模块的工作电压有四种选择，分别为5V、9、12V和24V，使用非常方便。

该模块还拥有高电平或低电平触发，可以通过跳线帽进行设置，其中跳线与LOW短接时为低电平触发,跳线与HIGH短接时则为高电平触发。

除此之外该继电器的设计还有容错功能，当控制线意外断开时，继电器会保持原来的状态，所以使用起来非常安全。

模块的接口有三个分别是IN、电源正极（电压按继电器要求，有5V、9V、12V和24V选择），电源负极，IN则可以是高或低电平，是用来控制继电器吸合与断开的。

继电器输出端有三个接口，分别是NO、COM、NC[10]。

其引脚图如图2.13所示。

图2.13继电器引脚图

继电器的内部主要由线圈、二极管、三极管、电阻组成，如图2.14所示。

图2.14继电器内部电路

2.5手机显示

显示模块的选择有很多种，通常在做设计时大部分选用LCD1602、传统的LED数码管、手机、电脑等，因为它们使用起来比较方便，受到人们的广泛推崇。

在这里基于手机携带方便，因此在做本设计时我们选用手机作为我们的显示部分。

在设计中，我们主要是利用蓝牙与手机上的蓝牙调试软件匹配，将测量值显示在手机上。

除此之外，手机上拥有按键，可以利用蓝牙将手机按键上的命令发送到STM32系统中，并使继电器作出与命令相符的动作。

第三章软件设计

整个软件设计包括主程序、自动控制、手机命令处理、串口中断、模数转换等流程图。

主程序流程图主要描述了整个设计的思想以及程序是怎样运行的。

自动控制子程序则说明了继电器吸合与断开的执行条件。

手机命令处理子程序体现了手机控制继电器的原理。

串口中断子程序流程图则解释了如何通过手机控制继电器的吸合与断开。

ADC转换子程序介绍了模数转换原理及步骤。

3.1主程序流程图

主程序流程图如下图3.1所示

图3.1主程序流程图

N

开始，系统上电，系统初始化，使变量为零。

在程序中首先定义各个函数的头文件，不然下面的程序接无法继续执行，接下来定义各个变量和指针长度。

等初始化结束后，系统开始工作，粉尘传感器开始测量空气中粉尘浓度。

在这里粉尘传感器第三个引脚在程序中定义的为PC14。

在上面的叙述中我们已知道该粉尘传感器的输出为模拟电压量，所以在显示测量值时还需要将测量的模拟电压通过ADC通道传送给STM32微处理器，经过STM32微处理器的AD转换将接收的模拟电压量转换为数字电压量，在这里dustVal/4096*3.3为AD转换公式[11]。

在该设计中粉尘传感器模拟电压量输出端引脚接STM32系统中的PB0或PB1，因为这两个引脚均为ADC通道。

待粉尘传感器测量空气中粉尘浓度之后，程序则进入一个判断语句，此时要检测串口是否有输入。

如果检测到串口无字符输入，则直接跳到下一个程序；如果检测到串口有字符输入，则输入子程序。

之后选择是否执行自动控制，如果“否”，程序返回到空气质量检测部分；如果“是”，程序将测量值赋值给一个变量，接着判断测量次数是否结束，如果测量次数结束，则执行自动控制子程序；如果测量次数未结束，则程序返回到空气质量检测部分继续进行测量，在这里进行多次测量，主要是取均值，减少误差。

3.1.1手机命令处理子程序

手机命令处理子程序如图3.2所示。

图3.2手机命令处理子程序

输入手机命令子程序，判断是否显示参数。

如果“是”，则输出空气质量参数,并返回；如果“否”，则判断是否打开净化器。

如果打开净化器，则使继电器吸合，控制信号=1，并返回；如果不打开净化器，则判断是否关闭继电器。

如果关闭净化器，使继电器断开，控制信号=1，并返回；如果不关闭净化器，则判断是否自动控制。

如果“是”，则控制信号=0，并返回；如果“否”，则返回。

3.2串口中断子程序

串口中断子程序如图3.3所示。

图3.3串口中断子程序

开始关闭串口中断，开始输入字符，判断字符是否接收完毕。

如果没有接收完毕，打开串口中断；如果字符接收完毕，则接受状态标记位置，开串口中断，最后返回。

为实现上面这个功能时，在编写程序时要定义好开、关、显示功能对应的字符，并在收到字符时将此字符通过串口传送到STM32系统中并寄存，系统会将收到的字符与程序中定义的字符作对比，如果收到的字符与程序中定义的字符完全相符，则将会执行下一相应的程序并驱动硬件电路实现对应的功能。

例如在实现open此功能时，串口会按顺序首先将“o”传送到系统中，系统会将此字符与定义的字符的首字符作对比，如果不相同，则系统会判断与定义的字符不一样，即不执行任何动作。

如果与定义的字符首字符相同，则此字符就会被寄存在对应的寄存器中，等待下一个字符传送过来，继续进行对比，直至所有字符传送对比完毕，在对比的过程中有任何一个字符不相符都会判断与定义的字符不一样，即不执行任何动作。

如果所有字符与定义的字符完全相同，则执行下一个程序并驱动硬件电路实现相应的功能。

3.3自动控制子程序

自动控制子程序如图3.4所示。

图3.4自动控制子程序

执行自动控制子程序时，测量的数据为五次测量的平均值，之后系统会判断测量值是否大于设定值，如果检测值大于设定值，则继电器吸合；如果检测值小于设定值，则继电器断开，程序运行结束，返回。

3.4ADC转换流程图

AD转换在测量空气质量时有着极其重要的作用，因为粉尘传感器的测量值为模拟电压量，需要AD转换将其转换为数字电压量，再经过公式将数字电压量转变为粉尘浓度。

ADC转换流程图如图3.5所示。

图3.5ADC转换流程图

开始，设置ADC工作模式和ADC转换通道的数目、进行顺序。

在这里ADC工作模式设置为单通道模式，模数转换通道的数目为1[12]。

之后设置模数转换通道，采样时间以及使能指定ADC软件转换启动功能，等待转换结束。

接着将每次测量值相加除以次数求出平均值，程序将判断转换次数是否结束，如果转换次数结束，则返回转换的平均值，如果转换次数没有结束，则程序返回到设置ADC通道和采样时间，继续进行转换，直至达到设置的转换次数后停止转换，返回转换的平均值。

第四章系统调试

4.1软件调试

在编写程序和进行调试的过程中，我们用到的软件主要有KeiluVision4、串口调试助手，还有一些需要安装的软件，如STLinkDriver、J-LinkARMV4.15e等。

Keil是一个使用方便，功能强大的编程软件，可以使用多种语言进行编写。

除此之外，Keil集各种功能于一体，它支持的系统也很广泛,所以学起来也非常简单[13]。

程序编写首先要建立一个项目并保存，在弹出的框图找到相应的CPU类型并点击选中。

之后建立新的源程序文件，为目标项目设定工具选项。

最后编译项目并创建.HEX文件[14]。

在编写程序时要注意字母的大小写，单词的拼写以及标点符号和括号的使用，避免低级错误的发生。

在程序编写完成后，检查无误后将硬件电路与电脑正确连接，为目标设定工具选项并进行编译。

若没有错误出现，则找到下载按钮并点击进行程序下载[15]。

如编译不正确，双击程序框下面提示的错误，则就会在程序中显示出哪里有错误，一般情况下都是些变量无定义，头文件不存在等常见错误。

这时候我们要检查是程序编写错误还是程序上的逻辑错误，如果程序正确，则要检验硬件的接线是否正确，引脚是否接线