霧霾的實時監(jiān)測

劉毅 馬偉東 溫世凡 謝中鵬 楊甜 金嬌 李戰(zhàn)勝

【摘要】霧霾天氣越來越嚴(yán)重，對大家的生活影響越來越大。但是在對霧霾監(jiān)測的技術(shù)上，卻沒有足夠的成果來實現(xiàn)對霧霾的監(jiān)測。本論文是基于51單片機原理，針對水分含量和雜質(zhì)顆粒濃度大小，利用水分傳感器和雜質(zhì)顆粒濃度傳感器來檢測霧霾的大小，從而顯示霧霾的嚴(yán)重程度。該霧霾監(jiān)測儀可以精確的監(jiān)測霧霾濃度，從而判斷對實時霧霾應(yīng)該采取什么辦法進行預(yù)防和控制。

【關(guān)鍵詞】霧霾;監(jiān)測;51單片機

1.引言

近來，全國大部分城市談?wù)撟疃嗟目峙率庆F霾天了。其中，江浙滬所在的長三角地區(qū)影響最大，南京，上海，杭州這些城市已經(jīng)聯(lián)系多日籠罩在大霧之中，從衛(wèi)星云圖中也能看到很大的一塊煙霧地帶。霧霾程度可以用PM2.5值表示出來。江浙滬大部分城市在這個數(shù)值上嚴(yán)重超標(biāo)。對于霧霾的防治要首先從霧霾的監(jiān)測坐起。只有準(zhǔn)確的監(jiān)測霧霾，才能為治理霧霾打下堅實的基礎(chǔ)。

本論文中利用單片機和光學(xué)系統(tǒng)等設(shè)施對霧霾的水分含量和雜質(zhì)濃度測量出來，從而有效的對霧霾進行監(jiān)測。

2.硬件設(shè)計

針對霧霾空氣，霧霾實時檢測儀硬件框圖設(shè)計如圖1所示，首先是采集水分和雜質(zhì)，然后通過傳感器，本研究用兩個傳感器，一個是水分傳感器，另一個是雜質(zhì)顆粒傳感器，由傳感器得到的是微弱的電流信號，根據(jù)本次研究的要求選擇合適的放大器將微弱的電流信號放大轉(zhuǎn)換成實驗結(jié)果良好所需的直流電壓，然后將放大的電壓信號輸入到逐次比較型的A/D轉(zhuǎn)換器中，再連接51單片機，最后通過液晶屏顯示該霧霾的濃度。

圖1 硬件設(shè)計框圖

圖2 紅外線強度衰減與空氣中水分的關(guān)系

（1）Infrared PLUS4501水分傳感器

檢測原理：水分對波長為1.9um的紅外線有很強的吸收能力，對1.8um的紅外線則吸收很少。水分傳感器以1.9um為水分的測量波長、以1.8um為水分的參考波長，根據(jù)兩處紅外線衰減的差值大小檢測運動中空氣的水分含量。紅外線強度衰減與空氣中水分的關(guān)系如圖2所示。

（2）利用光聲效應(yīng)檢測空氣雜質(zhì)顆粒：

光聲光譜是利用光聲現(xiàn)象來檢測物質(zhì)濃度的一種光譜技術(shù)。光聲效應(yīng)的產(chǎn)生首先必須要有光的吸收，光聲檢測技術(shù)從本質(zhì)上來說是基于氣體的紅外吸收理論的，對氣體的定性檢測依賴于氣體的紅外特征吸收譜線，定量測量依賴于氣體的紅外吸收定律。霧霾顆粒物樣品選擇的是用香燃燒后的煙霧來代替。

圖3 裝置圖

圖4 主流程圖

裝置圖如圖3所示，激光發(fā)出一定頻率的單色光，經(jīng)過斬光器把光斬成10HZ～15HZ交變光（斬光器是通過單片機控制馬達的電壓占空比來控制馬達轉(zhuǎn)速，從而控制光頻），單色光經(jīng)過斬光器得到一定頻率的交變光后射入樣品光池內(nèi)，光照射到物質(zhì)上時，與物質(zhì)產(chǎn)生相互作用物質(zhì)吸收光能后，分子躍遷到激發(fā)態(tài)，在返回初始狀態(tài)時，或者通過伴隨發(fā)光的輻射躍遷過程，或者通過無輻射躍遷過程無輻射躍遷部分的振動、轉(zhuǎn)動能量是通過同其他分子碰撞并以熱的形式散逸的。入射密封光聲池的光具有一定的頻率，在樣品吸收點上就產(chǎn)生一個周期性的熱分布，固體樣品的熱量擴散至樣品表面，傳導(dǎo)給周圍的耦合氣體。界層面的氣體在密閉的光聲池里起到氣體活塞作用，在光聲池內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動，被麥克風(fēng)檢測為光聲信號.麥克風(fēng)檢測為光聲信號經(jīng)過放大電路后，用靈敏電壓表測出光聲信號的強度。光聲信號的強度也是霧霾顆粒物樣品對應(yīng)的一個濃度值。

3.軟件設(shè)計（見圖4）

首先采集已經(jīng)獲得的水分和雜質(zhì)顆粒濃度，通過A/D轉(zhuǎn)換器使其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送到八位51單片機CPU中，CPU處理后的數(shù)字信息通過液晶顯示屏輸出該值，然后根據(jù)顆粒濃度與二進制值之間的線性關(guān)系，通過顯示的二進制值得到顆粒的濃度，從而對任意的霧霾進行監(jiān)測，并能通過顯示屏判斷霧霾的嚴(yán)重程度。

4.實驗結(jié)論

本研究通過仿真軟件得到了較為準(zhǔn)確的實驗結(jié)果，此實驗操作結(jié)果顯示該研究能對霧霾進行實時監(jiān)測，從而判斷霧霾的嚴(yán)重程度。

5.結(jié)束語

本研究結(jié)果說明了，從空氣中水分含量和顆粒物濃度兩方面進行檢測，通過確定水分和顆粒物所占比重可以判定，霧霾濃度和是否屬于霧霾天氣。解決了如何監(jiān)測霧霾，判斷霧霾程度的難題。只有完全的掌握霧霾檢測技術(shù)才能適應(yīng)自然，只有適應(yīng)自然才能得到更好的發(fā)展，走良性發(fā)展的道路。

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校級項目：大學(xué)生科研項目。

作者簡介：

劉毅（1993—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院。

指導(dǎo)老師：李戰(zhàn)勝（1978—），男，河南漯河人，主要從事人工智能、自動控制等方面的教學(xué)和研究。