太陽能供電空氣質量監測系統的設計

鮑晶晶+麥強

摘要：針對我國空氣污染日益嚴重的現狀及傳統空氣質量監測系統蓄電池供電存在缺陷的問題，設計了一種太陽能供電的空氣質量監測系統。本設計的創新之處在于利用太陽能光伏電池板轉化的電能給蓄電池充電，蓄電池輸出電壓直接用于主控單元對系統電壓、電流信號的監測，蓄電池經降壓穩壓模塊后的輸出電壓可作為整個系統的工作電壓。主控單元以脈沖寬度調制方式控制蓄電池充電。經反復試驗證明，設計的太陽能供電空氣質量監測系統很好地解決了傳統系統供電時間短、供電不穩定的問題，且對空氣中有害氣體的監測精度高。

關鍵詞：太陽能供電；空氣質量；降壓；監測

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0180-02

隨著經濟的持續發展，工業的不斷進步，我國大氣污染日益嚴重，特別是近年來，霧霾不停地在各地肆虐，尤其是中東、華北地區一些城市，PM2.5指數持續爆表，人們談“霾”色變。要治理大氣污染，首先要從源頭上控制大氣污染物的排放量[1]。本文正是針對這一問題而設計的太陽能供電空氣質量監測系統。它可以實時檢測出空氣中有害氣體顆粒物的濃度，并以此給監管及執法部門提供監管及執法依據。且相比傳統蓄電池供電的空氣質量監測系統，該設計具有工作時間長，供電穩定，維護成本低等優點。本設計目前正處于試驗階段。

1 系統的總體設計

本文設計的太陽能供電空氣質量監測系統集對有害氣體的采集、處理、報警和顯示于一體，利用主控單元對采集到的數據進行處理，保證前臺數據的實時性與準確性，有利于進行系統級評定[2]。本系統以STM32微控制器為控制核心，由傳感器采集空氣中有害氣體的濃度，經微控制器處理后，在液晶屏上顯示，人機界面友好，用太陽能光伏電池板把吸收的太陽能轉化為電能，供整個系統的電源供給及儲能備用。

1.1 系統組成

太陽能供電空氣質量監測系統主要由主控單元（STM32F103RCT6）、液晶顯示模塊（LCD12864）、粉塵灰塵顆粒濃度檢測模塊、用戶輸入模塊（按鍵）、聲光模塊（5V蜂鳴器、LED燈）及電源模塊（太陽能電池板、蓄電池）等組成。

系統要求達到的技術指標為：

（1）空氣中PM2.5濃度的測量范圍為0-0.6mg/m3。

（2）濃度測量精度為±0.1%。

（3）對于時鐘，要求性能穩定，誤差為±0.5s，掉電后不會造成數據的丟失。

（4）太陽能光伏電池板平均無障礙工作時間≥8000h。

（5）50%放電深度循環壽命1000次。

1.2 系統功能設定

按鍵模塊可進行三種不同監測模式的切換及監測的啟動、停止。

粉塵灰塵顆粒濃度檢測模塊對空氣中的PM2.5顆粒敏感。傳感器檢測到的氣體濃度先被轉化為電壓信號，然后通過A/D轉換芯片被轉換為數字信號。

顯示模塊采用LCD12864顯示屏，能夠實時監控太陽能供電模塊的輸出電壓、電流信號的變化及PM2.5濃度是否超標和當前時間值[3]。

當檢測到PM2.5濃度超標時，聲光模塊的蜂鳴器被驅動發出報警聲，同時點亮LED燈。

2 系統的硬件設計

2.1 系統原理

太陽能供電空氣質量監測系統以STM32F103RCT6低功耗嵌入式微控制器為主控芯片。空氣中的有害氣體（PM2.5）通過粉塵灰塵顆粒濃度檢測傳感器后，輸出一個與氣體濃度相對應的電壓信號，然后A/D轉換芯片按一定的采樣頻率，將模擬電壓信號轉換為對應的數字信號，最后送入主控芯片進行數據處理。主控芯片對采樣值完成數據處理后，與預先設定的氣體濃度閾值進行比較，同時主控芯片驅動液晶顯示模塊顯示被測空氣中PM2.5的濃度是否超標，若超標，聲光模塊會發出相應的報警信號。

2.2 主控單元

主控單元采用STM32F103RCT6微控制器進行數據采集、處理，之后產生濃度結果數據，并將該結果數據進行超限對比。當PM2.5的濃度大于設定的閾值時，系統會自動報警并亮警示燈，并通過顯示模塊顯示濃度情況，最終完成對數據的存儲。

2.3 A/D轉換模塊

A/D轉換芯片選用ADC0809，為8位逐次逼近式A/D模數轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。擁有8位分辨率（最高分辨率可達28=256）、轉換時間僅需32us，能夠滿足普通模擬量的轉換條件。A/D轉換芯片把粉塵灰塵顆粒濃度檢測傳感器測得的模擬量信號，轉換成主控芯片STM32F103RCT6能夠識別的數字量信號。

2.4 粉塵灰塵顆粒濃度檢測模塊

APM粉塵灰塵顆粒濃度傳感器是一款專用于檢測空氣中PM2.5濃度的傳感器。尺寸小，重量輕，易安裝使用，對于直徑1um以上的粒子能靈敏檢測，內置的加熱器可實現自動吸入空氣。且價格低廉。完全能滿足本設計的需求。工作電流低，最大只有90mA。穩定時間短，加熱器電源接通后約1分鐘。該模塊的顯著特點是利用粒子計數原理，以PWM脈寬調制輸出。輸出脈沖的低脈沖率與空氣中粉塵粒子的濃度成正比。

2.5 用戶輸入模塊

系統的用戶輸入模塊總共有4個按鍵構成，依次分別是“模式0鍵”、“模式1鍵”、“模式2”鍵、和“停止鍵”。模式0為每8小時檢測一次，模式1為立即檢測1次，模式2為每10分鐘檢測一次[5]。

2.6 電源模塊

本系統的電源模塊采用“太陽能電池板+蓄電池”的組合供電模式，這也是本設計的一大創新點。利用太陽能光伏電池板把吸收的太陽能轉換成電能，這些電能通過DC-DC 5A降壓模塊輸出12V-15V的電壓，供給蓄電池充電，充電電壓由PWM控制；再通過DC-DC 5A可調降壓模塊輸出6V的電壓，經過7805穩壓芯片輸出5V電壓供給主控芯片及其它模塊使用[6-7]。