基于S3F94A5XZZ—AQ95的PM2.5監測系統的設計與實現

許樹華 張家欣 姜彥吉

摘 要：空氣污染、霧霾天氣會對人體健康造成不容忽視的影響，可誘發多種呼吸系統疾病。為實時監測PM2.5的數值，文中設計了一款基于S3F94A5XZZ-AQ95微處理器的PM2.5監測系統，選擇GDP90A光散射粉塵濃度傳感器測量PM2.5的數值，通過程序設定，PM2.5超出標準值時，蜂鳴器報警，并在LCD5110屏上動態顯示，以提示人們做好預防措施。測試結果表明，該系統能夠較精確地測量出PM2.5的數值，誤差約3%，操作簡便，能耗低，壽命長，具有一定的應用價值。

關鍵詞：S3F94A5XZZ-AQ95微處理器；PM2.5；霧霾；光散射；監測系統；GDP90A激光傳感器

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-02

0 引 言

隨著經濟不斷發展，工業制造業發展迅猛，同時帶來的大氣污染也越來越嚴重，一些城市空氣質量不斷惡化，霧霾天氣比率逐年增加。

霧霾是對大氣中各種懸浮顆粒物含量超標的籠統表述，而PM2.5[1]（空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物）被認為是造成霧霾天氣的“元兇”，其粒徑小，活性強，易附帶有毒、有害物質（如重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對環境質量的影響較大，同時也是威脅人體健康的隱患[2]。

1 系統總體結構

本系統由傳感器，單片機，LCD屏和蜂鳴報警器組成。在測量之前，首先通過程序設定PM2.5的基準值作為報警裝置的閾值，系統內部的空氣引流裝置將空氣傳至測量裝置，傳感器發射出激光，然后依據光散射原理將隨PM2.5濃度變化而變化的光信號傳到S3F94A5XZZ-AQ95微處理器并進行數值分析[3，4]，再將數字信號傳遞給LCD屏幕和蜂鳴報警器，總體結構如圖1所示。

2 硬件組成

2.1 傳感器選型

粉塵傳感器對整體設計起著決定性作用，直接影響到PM2.5濃度值采集的精準度和可靠性。GDP09A激光粉塵傳感器是一款基于激光散射原理的數字式通用顆粒物濃度傳感器，令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產生散射，同時在某一特定角度收集散射光，連續采集并計算單位體積內空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個數，即顆粒物濃度分布，進而換算為質量濃度，并以通用數字接口的形式輸出，得到散射光強隨粉塵濃度變化的曲線[5]。通過微處理器利用基于米氏（MIE）理論的算法[6，7]，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內不同粒徑的顆粒物數量。若檢測顆粒直徑在0.3 μm以上（0.3～1.0，1.0～2.5，2.5～10，單位：μm），則傳感器內置氣體發生器可自行引入外部空氣。本傳感器可嵌入各種與空氣中懸浮顆粒物濃度相關的儀器儀表或環境改善設備[8]，為其提供及時準確的濃度數據。

實時測量曲線如圖2所示。

2.2 控制核心選型

本設計選用S3F94A5XZZ-AQ95微處理器作為控制核心，其工作頻率為72 MHz，兼容性優越，具有4個可配置的I/O端口（26針）以及26個中斷源和8個中斷級，其最顯著的特點是可在低功耗、短啟動和多種啟動程序之間達到最佳平衡[9]，非常適用于PM2.5粉塵傳感器，以滿足對粉塵濃度傳感器長時間使用和快速監測的功能要求，處理器引腳如圖3所示。

2.3 電路電壓轉換

電路電壓轉換裝置主要為設備提供合適的電壓：S3F94A5XZZ-AQ95單片機工作電壓為5 V，LCD5110顯示屏等模塊工作電壓為3.3 V，GDP90A激光粉塵傳感器工作電壓為5 V，蜂鳴報警器工作電壓為10 V。電壓轉換電路由本質安全型電源電路[10]轉換成三個電壓，即3.3 V，5 V和10 V。電路電壓轉換如圖4所示。

2.4 報警裝置

當粉塵濃度超過設定的標準值時，ABS蜂鳴報警系統中的報警器會發出報警鳴聲，從而達到報警效果。蜂鳴報警器由續流二極管、蜂鳴器、濾波電容及三極管構成。蜂鳴報警器電路如圖5所示。

3 軟件實現

此系統程序由C語言編寫，C語言是一門通用的計算機編程語言，其應用廣泛，能提供一種簡易的編譯方式，產生少量的機器碼，且無需任何運行環境支持。單片機每從傳感器接收一次PM2.5濃度數值，便將其存放在一個數組中，程序主函數處理該數據后得出PM2.5值并將其顯示在LCD屏上，同時判定該值是否超出預先設置的報警峰值，若超出報警峰值，則蜂鳴器報警。軟件實現程序流程如圖6所示。

4 實驗測試

為測試本文所設計的系統監測效果，在葫蘆島市4個不同地區采集當天的PM2.5數值作統計計算，將得到的數值與環保局發布的數據做對比。測試一周，誤差率小于等于3%，結果較為準確。測試結果見表1所列。

5 結 語

本文設計了一種基于S3F94A5XZZ-AQ95單片機的PM2.5監測系統，利用GDP90A激光粉塵傳感器采集數據，將粉塵濃度值進行分析并傳到LCD顯示屏，當濃度超過設定值時，蜂鳴報警器會發出警報提醒。該系統具有測量精準、能耗低等特點，便于人們了解所處環境的空氣質量，具有一定的應用價值。

參考文獻

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