基于嵌入式的PM2.5檢測器的設計與應用

李瑤敏+王鵬宇+陳志佳+白文樂+胡越

摘 要：近來空氣污染嚴重，以PM2.5較為突出，嚴重影響了人們的身體健康。因此文中設計了一款基于嵌入式平臺的PM2.5檢測器，能夠準確測出周邊環(huán)境的PM2.5濃度，并將數(shù)值顯示在液晶屏上。當PM2.5濃度超出警戒值時檢測器會自動報警，提醒人們應注意環(huán)境問題。該設計集檢測、顯示和報警功能于一體，具有較好的實用價值。

關(guān)鍵詞：嵌入式；PM2.5；檢測器；報警

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）03-00-03

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)化程度不斷提高，人為因素的環(huán)境污染問題日益嚴重，尤其PM2.5對人們的身體健康產(chǎn)生了嚴重影響。各種環(huán)境檢測器如雨后春筍，其中PM2.5檢測器深受市場歡迎。因此本課題基于STM32平臺設計開發(fā)了一款PM2.5檢測器，以實現(xiàn)檢測、顯示與報警等功能。

本課題采用常見的STM32芯片（ARM Cortex TLS-P906型），該芯片具有數(shù)據(jù)采集、處理和輸出等功能。STM32芯片由控制單元、從屬單元和總線矩陣三部分組成，通過總線矩陣將控制單元和從屬單元連接在一起。其程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和輸入輸出端口寄存器在同一個線性地址空間里。本課題采用SDS011 PM2.5傳感器模塊，并將傳感器模塊與STM32芯片連接在一起，通過USB轉(zhuǎn)TTL接口與電腦連接，從而實現(xiàn)對空氣中PM2.5數(shù)據(jù)的采集和分析。嵌入式系統(tǒng)硬件的基本組成如圖1所示。

1 數(shù)據(jù)采集介紹

數(shù)據(jù)采集（DAQ）指模擬或數(shù)字傳感器抑或其他設備的被測單元自動采集非電量或電量信號，并送到上位機進行分析、處理，從數(shù)據(jù)源收集、識別和選取數(shù)據(jù)的功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于計算機或其他專用測試平臺測量軟硬件為方便各類用戶操作而設計的測量系統(tǒng)。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電流信號的各種物理量，如溫度、濕度、顆粒物、壓強等，這些既可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。一般通過采樣方式采集，即間隔一定時間（采樣周期）對同一點數(shù)據(jù)重復采集。采集的數(shù)據(jù)可能是某段時間內(nèi)的一個特征值，但在大多數(shù)情況下是瞬時值。準確來說，數(shù)據(jù)采集以準確的數(shù)據(jù)測量為基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)量測方法分為接觸式和非接觸式兩種，檢測元件多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被測對象狀態(tài)和測量環(huán)境為前提，保證數(shù)據(jù)的正確性。數(shù)據(jù)采集含義廣泛，包括對面狀連續(xù)物的物理量采集。在計算機輔助制圖、測圖、設計中，對圖形或圖像的數(shù)字化過程也可稱為數(shù)據(jù)采集，此時采集的量包括灰度等物理量和數(shù)據(jù)等幾何量。數(shù)據(jù)采集整體結(jié)構(gòu)與流量圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于PC機實現(xiàn)，通過將模塊化硬件、應用軟件和計算機相結(jié)合來進行數(shù)據(jù)測量，如空氣中的顆粒物、溫度、氣壓、濕度等。盡管數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)不同的應用需求有不同的定義，但各系統(tǒng)采集、分析和顯示信息的目的卻都相同。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了信號、傳感器、激勵器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集設備和應用軟件的完美結(jié)合。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。

2 數(shù)據(jù)采集器的選型與設計

2.1 數(shù)據(jù)采集器的選型與設計

本設計采用SDS011PM2.5檢測器，其具有如下特點：

（1）數(shù)據(jù)準確：激光檢測，穩(wěn)定，一致性好；

（2）響應快速：場景變換響應時間小于10 s；

（3）便于集成：串口輸出（或IO口輸出可定制），自帶風扇；

（4）分辨率高：分辨顆粒最小直徑達0.3 μm；

SDS011傳感器模塊實物圖如圖4所示，傳感器配用的串口線與USB實物如圖5所示，傳感器接入電源后的組裝圖如圖6所示。

2.2 工作原理

本器件采用激光散射原理，當激光照射到檢測位置的顆粒物時會發(fā)生微小的光散射。在一些特定方向，光散射波形與顆粒直徑有關(guān)，將不同粒徑的波形分類統(tǒng)計并通過換算公式可以得到顆粒物的實時濃度，按照標定方法得到與官方單位統(tǒng)一的質(zhì)量濃度。

技術(shù)指標見表1所列，LCD顯示屏結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，基于STM32的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖8所示。

2.3 選擇的數(shù)據(jù)采集器的工作原理

通過串口調(diào)試助手軟件可以顯示出以十個字節(jié)為單位的信息：報文頭+指令號+數(shù)據(jù)（6字節(jié)）+校驗和+報文尾，具體見表2所列。

計算時要求數(shù)據(jù)為十進制，但輸出的數(shù)據(jù)是16進制，因此要對輸出數(shù)據(jù)進行進制轉(zhuǎn)換。

PM2.5數(shù)據(jù)內(nèi)容：PM2.5 （μg/m3）=（（PM2.5高字節(jié)×256）+PM2.5低字節(jié)）/10

PM10數(shù)據(jù)內(nèi)容：PM10（μg/m3）=（（PM10高字節(jié)×256）+PM10低字節(jié)）/10

PM2.5的輸出如圖9所示。實物連接運行圖如圖10所示。

首先應在電腦上安裝驅(qū)動（USB轉(zhuǎn)TTL電路的驅(qū)動），然后用數(shù)據(jù)線連接傳感器模塊與轉(zhuǎn)換插頭，再與電腦相連。打開電腦運行串口調(diào)試軟件，選擇模塊接口，將波特率設置為9 600波特/秒，數(shù)據(jù)位為8位。通過軟件觀察數(shù)據(jù)接收的情況。串口輸出數(shù)據(jù)顯示如圖11所示。

3 基于嵌入式處理器數(shù)據(jù)采集器的設計結(jié)果與分析

接通電源并調(diào)試完成后，嵌入式處理器LCM046顯示屏實時顯示實驗室中PM2.5的濃度為3.3 μg/m3。嵌入式處理器顯示數(shù)據(jù)實物圖如圖12所示。

4 結(jié) 語

本次設計實現(xiàn)了精確測量室內(nèi)PM2.5的功能，同時加入了報警功能，與一般的傳感器相比更能讓人們對環(huán)境的惡化情況加以重視，較好地完成了本課題。

參考文獻

[1]馬忠梅，馬廣云，徐英慧，等.ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應用基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002：23-30.

[2]田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用實驗教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004：12-17.

[3]李亞鋒，歐文盛.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007：8-34.

[4]李巖，韓勁松，孟曉英，等.基于ARM嵌入式系統(tǒng)接口技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，2009：100-123.

[5]范書瑞，趙燕飛，高鐵成.ARM 處理器與C語言開發(fā)應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：27-29.

[6]沈蘭蓀.數(shù)據(jù)采集技術(shù)[M].合肥：中國科學技術(shù)大學出版社，1990：102-105.

[7]王宇行.ARM 程序分析與設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：10-45.

[8] 程昌南，方強.ARM Linux 入門與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：78-89.

[9]李登峰，汪貴平.嵌入式系統(tǒng)及應用[M].北京：高等教育出版社，2013：1-23.

[l0]沈蘭蓀.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，1995：89-90.

[11]蔣建春，曾素華.嵌入式系統(tǒng)原理及應用實例[M].北京：高等教育出版社，2015：1-129.

[12]郭書軍，王玉花.ARM Cortex-M3系統(tǒng)設計與實現(xiàn)----STM32（基礎(chǔ)篇）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014：1-93.