環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測的實現(xiàn)及優(yōu)化*

張 靜，彭 芳，王佳慶

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，江蘇蘇州 215123）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展及人民生活品質(zhì)的提高，人們對環(huán)境和健康越來越重視，空氣品質(zhì)狀況關(guān)注度越來越高[1]。目前各城市對PM2.5等空氣質(zhì)量情況的播報只能反映整體平均水平，不能滿足實時性、區(qū)域性要求，另外現(xiàn)有市場上空氣檢測儀價格比較高，難以普及。

本文研究的新型空氣檢測儀是以Freescale MK40系列32位超低功耗MK40DX64為控制核心，采用夏普GP2Y1010AU0F高靈敏度微型激光傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對空氣質(zhì)量PM2.5/PM10數(shù)值、溫度、濕度的實時采集、傳輸及顯示。

設(shè)計采用鋰電池供電，有良好的便攜性和通用性，使用低功耗段碼式LCD顯示，人機界面友好，具有精度高、功能強、價格低的優(yōu)點，適合普通家庭及辦公場合使用。

1 系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)設(shè)計可以分為系統(tǒng)供電、數(shù)據(jù)采集、人機界面等三個主要部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)供電部分包含AC/DC，DC/DC，PMIC充電管理等方面[2]。其中系統(tǒng)采用7.4 V鋰電池，正常工作時，通過DC/DC整流成5 V供整個單片機系統(tǒng)使用；充電時通過AC/DC將220VAC整流成9 V DC，一方面給鋰電池充電，另外一方面輸入DC/DC供系統(tǒng)使用。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

數(shù)據(jù)采集部分包含空氣質(zhì)量傳感器采樣，濕度傳感器采樣，溫度傳感器采樣，空氣閥驅(qū)動等方面。其中空氣傳感器采用光電原理，需要進行PWM驅(qū)動，模擬ADC輸入采樣；濕度傳感器采用ADC接口輸入；溫度傳感器采用模擬ADC輸入采樣;系統(tǒng)采用5 V空氣閥進行空氣的循環(huán)控制。

人機界面部分包含段碼式LCD顯示，按鍵輸入，USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫妗Ｆ渲邪存I輸入采用電容式觸摸按鍵，MCU內(nèi)部集成TSI驅(qū)動模塊；系統(tǒng)支持USB 2.0傳輸協(xié)議，可以與上位機進行交互；MCU內(nèi)部集成LCD驅(qū)動模塊，支持低功耗段碼式LCD[3]。

此外，系統(tǒng)設(shè)計還支持電池反接保護，低電壓檢測提醒等人性化設(shè)計，方便終端客戶使用及維護。

2 硬件實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)供電

系統(tǒng)供電包含AC/DC，DC/DC，電池充電管理等。其中，AC/DC部分基于ST的電源轉(zhuǎn)換芯片VIPER27，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為典型反激電路，最大供電功率為18 W；電池充電部分基于TI電池充電管理芯片bq24103RHLR，輸入電壓為9 V，輸出為8.4 V；DC/DC部分采用TI的LM2694 Buck直流電源轉(zhuǎn)換芯片，輸入為4.5 V～42 V，輸出為5 V；

電池供電時，通過DC/DC將電池電壓（8.4 V）轉(zhuǎn)換為5 V，供整個系統(tǒng)使用；交流電輸入時，通過AC/DC轉(zhuǎn)換為9 V直流電，一方面供電池充電，另一方面通過DC/DC將9 V轉(zhuǎn)換成5 V直流。

2.2 傳感器采樣

傳感器采樣包含空氣質(zhì)量傳感器采樣、濕度傳感器采樣、溫度傳感器采樣、空氣閥驅(qū)動等方面[4]。其中，空氣質(zhì)量傳感器采用夏普GP2Y1010AU0F高靈敏度微型激光傳感器，此功能引腳圖如圖2所示，電路實現(xiàn)方面，1（V-LED）/6（VCC）腳5 V供電，2（LED-GND）/4（S-GND）腳接地，3（LED）腳需輸入100 Hz，占空比3.2%的PWM驅(qū)動信號（由MK40DX64的PWM輸出驅(qū)動NPN MPS-01三極管實現(xiàn)），5（Vo）腳為傳感器輸出信號，將其連接到MK40DX64的ADC模塊輸入獲取空氣質(zhì)量信號；濕度傳感器采用霍尼韋爾HIH-4010型濕度傳感器，工作電流200μA，由MK40DX64的ADC模塊輸入獲取濕度信息。溫度傳感器由NTC溫敏電阻加調(diào)理電路實現(xiàn)，工作電流可以忽略不計，由MK40DX64的ADC模塊輸入采樣獲取溫度信息；另外系統(tǒng)需要驅(qū)動抽氣閥使空氣流通，由MK40DX64引腳驅(qū)動NPN三極管基級進行功率放大。

圖2 GP2Y1010AU0F空氣質(zhì)量傳感器

2.3 人機界面

人機界面包括觸摸按鍵輸入，段碼式LCD輸出，USB通訊等。觸摸按鍵輸入采用低成本電容式方法，MK40DX64內(nèi)部集成了TSI模塊，當(dāng)有手指按上時，寄生電容發(fā)生變化，TSI模塊的充放電計數(shù)發(fā)生改變；段碼式LCD顯示采用單片機直接驅(qū)動的方法，MK40DX64內(nèi)部集成了段式LCD驅(qū)動，LCD的顯示界面可以直接定制為數(shù)字或圖形；USB通訊采用全速CDC模式，MK40DX64內(nèi)部集成了USB控制器及PHY，可以直接輸出USB信號。

2.4 低電壓檢測及電池反接保護

針對電池供電可能遇到電池電壓過低的情況，需要在電池電壓過低的情況下提醒使用者，MK40DX64集成了電壓比較器及1.0 V，3%精度的內(nèi)部參考電壓，通過給電池電壓分壓及比較，可以輕松實現(xiàn)電池電壓檢測；針對電池安裝可能遇到反接的情況，通過在供電回路串入低RDSon PMOS的方法有效防止電池接反的情況，同時兼顧了供電效率。

3 軟件實現(xiàn)

3.1 軟件流程圖

整個軟件實現(xiàn)流程圖如圖3所示，是典型的前后臺控制程序。系統(tǒng)上電后，需要對PWM、LCD、USB、TSI、CMP等單片機模塊進行初始化，接著進入While主循環(huán)，在循環(huán)中首先判斷低電壓檢測中斷有無置位，若有置位則進行換電池提醒，反之接下來檢測觸摸按鍵，觸摸按鍵判斷工作在掃描方式，通過檢測TSI通道數(shù)值的變化來界定有無按鍵觸發(fā)，根據(jù)觸發(fā)的按鍵進行模式調(diào)節(jié)，接下來是空氣質(zhì)量、濕度、溫度等傳感器的采樣與處理，最后是LCD的現(xiàn)實與USB傳輸?shù)膶崿F(xiàn)[5]。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 低電壓檢測

圖4 低電壓檢測

電壓檢測示意圖如圖4所示。電池額定工作電壓為7.4 V，低于5 V可以認(rèn)為需要更換電壓，通過對電池電壓1/5分壓，輸入單片機運放比較器的一端，另外一端設(shè)置為單片機內(nèi)部的參考電壓，典型值為1 V。當(dāng)電池工作電壓低于5 V，分壓后單片機輸入低于1 V，此時運放輸出會發(fā)生反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生中斷。

3.3 觸摸按鍵檢測

觸摸按鍵原理檢測如圖5所示，人的手指接觸到按鍵會附加一個pF級的耦合電容，單片機TSI模塊內(nèi)部有恒流源對電容進行充放電，通過判斷充放電周期來檢測按鍵觸發(fā)。同時，TSI模塊內(nèi)部集成了PWM載波信號產(chǎn)生器，通過計算充放電周期內(nèi)載波信號的個數(shù)判斷按鍵觸發(fā)。圖5分為A、B、C、D共4個狀態(tài)：A狀態(tài)是無觸發(fā)的情況，此時TSI通道讀取的數(shù)值作為基準(zhǔn)Baseline；B狀態(tài)是手指按下，此時TSI通道讀數(shù)超過事先設(shè)定的閾值Threshhold；C狀態(tài)是手指在按鍵上停留；D狀態(tài)是手指從按鍵上松開。

圖5 觸摸按鍵檢測

3.4 傳感器采樣

如圖6所示，空氣質(zhì)量傳感器的采樣是基于光電轉(zhuǎn)換原理，需要MCU產(chǎn)生1路100 Hz即周期10 ms、占空比為0.032的PWM輸出信號，通過NPN驅(qū)動放大后，輸入到圖2 GP2Y1010AU0F空氣質(zhì)量傳感器的3腳，此時GP2Y1010AU0F的5腳會產(chǎn)生模擬輸出，在PWM輸出為高的0.32 ms的0.28 ms時刻進行采樣，采集數(shù)據(jù)必須根據(jù)電壓空氣質(zhì)量曲線進行擬合與校驗；另外，濕度傳感器與溫度傳感器也是通過單片機輸入，ADC采樣后進行校驗。

圖6 空氣質(zhì)量傳感器采樣

3.5 LCD顯示

MK40DX64有48個LCD驅(qū)動引腳可以支持最高320段（8x40），連接示意圖如圖7所示。LCD引腳直接連接Segment LCD，根據(jù)LCD的規(guī)格，將引腳配置成Front Planes或Back Planes模式；通過軟件配置可以點亮每一段液晶，從而顯示數(shù)字，字母乃至圖像。

3.6 USB通訊

MK40DX64集成了全速USB收發(fā)器，可以直接接到USB連接器進行通訊。Freescale提供了基于Codewarrior的USB驅(qū)動，用戶可以直接使用。

4 結(jié)束語

基于MK40DX64的新型空氣檢測儀采用了業(yè)界公認(rèn)的超低功耗與高性價比的ARM單片機，實現(xiàn)了對空氣質(zhì)量，濕度及溫度的測量，同時系統(tǒng)具有觸摸按鍵，LCD顯示，USB通訊等功能。

圖7 段碼式LCD顯示

目前，整個系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)調(diào)試已經(jīng)完成，實驗數(shù)據(jù)表明該設(shè)計具有人機界面友好、精度高、功能強、價格低的優(yōu)點，適合普通家庭及辦公場合使用。

［1］伏晴艷.PM2.5將納入我國空氣質(zhì)量檢測范圍［J］.質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化，2012（2）：15-18.

［2］宋寶華.設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［3］陳卓，王田，梁新元.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［4］解菁，高宏堂，葉孝佑.提高激光傳感器用于現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置精度的研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2012（4）：398-402.

［5］暢新愛.智能家居空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)［J］.家電科技，2011（10）：44.