智能實(shí)時(shí)霧霾檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

黃臻浩　謝旭堅(jiān)　朱靜宜

【摘 要】智能實(shí)時(shí)霧霾檢測(cè)通常采用PM2.5和PM10指標(biāo)衡量，根據(jù)在室外進(jìn)行環(huán)境指數(shù)監(jiān)測(cè)的要求，利用控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)空氣中PM2.5、PM10含量和溫濕度情況，并將數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸與報(bào)警等功能，通過檢測(cè)儀實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示和記錄數(shù)據(jù)更新狀況。

【關(guān)鍵詞】智能;霧霾;檢測(cè)儀;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： X831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）28-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.008

【Abstract】Intelligent real-time haze detection is usually measured by PM2.5 and PM10 indicators.According to the requirements of environmental index monitoring outdoors，temperature，humidity and PM2.5 and PM10 contents are detected in the controller.While LCD display and alarm are carried out，data can be transmitted wirelessly.Real-time detection，display and record of data can be realized by the detector.

【Key words】Intelligence;Haze;Detector;Design

0 引言

近些年來，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，工業(yè)化、城市化進(jìn)程不斷加快。然而，“霧霾”這個(gè)詞的頻繁出現(xiàn)，好似鉛塊般壓在政府和民眾的心頭。空氣的惡化已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸和制約條件，特別是在城市化進(jìn)程快速發(fā)展的時(shí)下，大城市的空氣污染，特別是霧霾污染（大城市的PM2.5污染）實(shí)時(shí)檢測(cè)是一個(gè)必須面對(duì)的問題。有估算表明，由于受到大氣污染的危害，我國(guó)每年約有17.8萬人過早死亡，隨之造成的經(jīng)濟(jì)損失更是高達(dá)500多億美元[1]?？諝馕廴締栴}及其造成的巨大公眾健康損失，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。

自2016年1月1日新頒布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定在全國(guó)實(shí)施以來，人們?cè)絹碓疥P(guān)注和關(guān)心環(huán)境空氣質(zhì)量的高低，特別是對(duì)霧霾污染下的空氣指標(biāo)，即PM2.5的關(guān)注。PM2.5是指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑（俗稱粒徑）小于2.5μm的大氣顆粒物[2]。PM2.5的主要來源是日常發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放等經(jīng)過燃燒而排放的殘留物，大多為有毒物質(zhì)，對(duì)人們身體健康（尤其是兒童和老年人）危害尤為明顯。因而，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果改善空氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境，具有十分重要的意義。本文為滿足用戶在日常生活中隨時(shí)檢測(cè)霧霾即空氣質(zhì)量和溫濕度等，設(shè)計(jì)開發(fā)智能實(shí)時(shí)霧霾檢測(cè)儀。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能實(shí)時(shí)霧霾檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)主要由4個(gè)模塊組成，分別為CPU控制模塊、PM2.5和PM10粉塵模塊、溫濕度模塊以及LCD顯示模塊，其中重要部分為CPU控制模塊。CPU開發(fā)板作為系統(tǒng)的核心控制，根據(jù)需要選擇供電方式，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理及各傳感器的控制。粉塵傳感器和溫濕度傳感器兩個(gè)模塊主要采集環(huán)境數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸送給CPU控制模塊進(jìn)行清洗處理，最后CPU將處理后的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示模塊，通過LCD顯示屏進(jìn)行顯示。檢測(cè)儀的系統(tǒng)框架如下圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)原理圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按實(shí)現(xiàn)功能需要，主機(jī)電路劃分為以下幾部分，電源充電電路和升壓電路、AD電路、MCU、lcd顯示屏電路、看門狗電路、232串口通信電路、norflash存取和讀取電路。主機(jī)原理圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

各部分主要的功能包括：

①電源：通過USB接口進(jìn)行對(duì)鋰電池充電，鋰電池或者USB外部電源通過升壓電路和穩(wěn)壓芯片，提供各電路工作需要的電源：分為5V和3.3V。

②MCU：是控制各個(gè)功能模塊工作，以及與zigbee模塊通信。

③AD電路：對(duì)溫濕度信號(hào)進(jìn)行采集。

④JTAG：是產(chǎn)品仿真調(diào)試時(shí)使用。

④看門狗電路：防止產(chǎn)品意外死機(jī)，可自動(dòng)復(fù)位。同時(shí)有外部的復(fù)位按鍵能進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。

⑤串口通信電路：MCU和PM2.5傳感器之間的通信。

2.2 CPU單元設(shè)計(jì)

CPU單元包括以下主要功能：信號(hào)處理、控制信號(hào)輸出、顯示數(shù)據(jù)輸出、看門狗等。CPU單元由NORFLASH存讀取電路、ZigBee模塊、PM2.5傳感器、溫濕度傳感器等母板單元以及STM32ZET6、串行電路、看門狗電路模塊等組成。其主要模塊如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本智能實(shí)時(shí)霧霾檢測(cè)儀主要采用PM2.5和PM10指標(biāo)衡量，根據(jù)在室外進(jìn)行環(huán)境指數(shù)監(jiān)測(cè)的要求，通過鋰電池充放電電路管理，實(shí)時(shí)檢測(cè)PM2.5、PM10含量和溫濕度情況以及空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良等級(jí)，在LCD顯示和報(bào)警的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖如下圖4所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)基于低功耗單片機(jī)的智能實(shí)時(shí)霧霾檢測(cè)儀，提供了全方位對(duì)空氣質(zhì)量，PM2.5和PM10含量以及溫濕度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了通過LCD顯示和報(bào)警等功能。使用方便，響應(yīng)速度快，成本低廉，便于攜帶，滿足了普通用戶日常生活所需，達(dá)到了預(yù)期效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]但德忠.環(huán)境空氣PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)及其可比性研究進(jìn)展[J].中國(guó)測(cè)試，2013，3（02）：1-5.

[2]胡敦利，李亮，高楊，孫德輝.基于MSP430的空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).高技術(shù)通訊，2015，25（03）：279-285.