基于單片機的夏普光學(xué)PM2.5灰塵傳感器

鄧寶善 梁烜嘉 何安文

摘要：本PM2.5檢測儀是基于單片機的夏普光學(xué)PM2.5灰塵傳感器。通過檢測儀我們可以方便的檢測室外PM2.5的具體濃度，然后將PM2.5的濃度上傳到移動端app，及時的提醒用戶做好保護措施，從而可以避免吸入過多的PM2.5等對人體有害的灰塵。此外，此PM2.5檢測儀體積較小，方便攜帶（可以掛在衣服或書包外面）。

關(guān)鍵詞：單片機;PM2.5;檢測儀

1.項目背景

隨著時代的發(fā)展，空氣質(zhì)量越來越差，因為各種工廠、生活的廢氣排放，空氣中混入了越來越多的對人體有害的細顆粒物，這種細顆粒物又稱PM2.5，顆粒半徑小，如果在空氣中長時間停留，污染物很容易被風等其他介質(zhì)帶到很遠的地方，會導(dǎo)致擴大污染范圍。除此之外，由于它本身的特質(zhì)，它還很容易跟床層在空氣中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。其濃度在空氣中越高，就說明空氣污染程度越嚴重。不僅如此，PM2.5還會導(dǎo)致大氣能見度的降低。平均每人每天需要呼吸約10000L空氣，如果空氣中有污染物，人類健康將不可避免地受到損害。鑒于其對環(huán)境質(zhì)量和人類健康的嚴重影響，伴隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，PM2.5已成為評價環(huán)境影響和防治與研究大氣污染的焦點對象。（如圖1所體現(xiàn)）通過綜合治理PM2.5，以達到將其減排及總量控制的目的，首先要做到能夠?qū)崟r確定其在空氣中的含量。因此從整體來看，傳感器能反應(yīng)實時的PM2.5含量，溫度和濕度等情況并且能通過APP在移動端顯示出來。

2.項目原理：

在原理上來看，可分為光吸收和光散射兩種情況。本項目產(chǎn)品運用的是光散射法測塵原理（圖2所示）：當氣流進入灰塵傳感器內(nèi)腔時，含塵空氣被激光管照射，灰塵會使光線產(chǎn)生散射，散射光量與灰塵濃度呈正相關(guān)性。當粒子和分子暴露在光下時，會產(chǎn)生漫射光現(xiàn)象，同時吸收部分光的能量。當被測顆粒場中有一束平行單色光入射時，由于單色光會受到顆粒旁散射和吸收的影響，光強將會被削弱。這樣，可以測量通過測試場的入射光的相對降解率，并且原則上可以線性地逆轉(zhuǎn)相對降解率。光的強度與光電轉(zhuǎn)換的電信號強度成正比。對電信號的測量能達到相對衰減速度。空氣會從傳感器中間的一個小孔吹進來。作為自由流量，定向LED燈會從空氣中檢測粉塵，再通過光折射來測定粉塵含量。如果將散射光量變換成電信號，并通過電路進行處理，則可實現(xiàn)對灰塵濃度的定量測定。

3.項目市場

目前國內(nèi)外市場上已經(jīng)有各種各樣較成型的灰塵傳感器，總體可分為三種：快速測塵儀、稱重法采樣器和連續(xù)監(jiān)測灰塵傳感器。而我們基于單片機的新型產(chǎn)品能夠在灰塵傳感器的基礎(chǔ)上增加了其他的功能，例如煤礦建設(shè)和生產(chǎn)檢測與空氣凈化等等，比如國內(nèi)的賽納威和華曼等，國外的日本神榮，日本夏普等，但這些產(chǎn)品并沒有廣泛地投入使用。隨著人們逐漸提高生活質(zhì)量，生活的環(huán)境越來越受到人們的重視，人們也會逐漸加大對這一類產(chǎn)品市場需求量。

4.項目特色：

（1）傳感器檢測空氣中灰塵反射的光線，以評估灰塵含量，并通過系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿与娫捊K端，以了解用戶如何實時監(jiān)測即將到來的環(huán)境PM2.5變化;

（2）檢測儀采用最小封裝和系統(tǒng)的形式進行制造，盡量簡化電路的復(fù)雜度和大型原件的使用，方便用戶隨身攜帶;

（3）投入成本低，推廣速度快，實用性強，價格親民，性價比高，易被大眾化用戶接受;

（4）檢測儀檢測出來的環(huán)境數(shù)據(jù)誤差小。

5.項目創(chuàng)新點：

（1）電源電路獨立制作，檢測儀的功耗小，一顆紐扣電池就可以使用近一年，電池不需要頻繁更換;

（2）利用檢測儀收集到的信息可以快速傳輸至用戶的手機移動端;

（3）系統(tǒng)具有語音播報功能，當用戶所在的地區(qū)PM2.5值超過一定范圍會實時提醒用戶，從而用戶可以及時采取相對的防護措施;

（4）利用二極管和晶體管檢測空氣中的灰塵反射光直接判斷灰塵含量從而得出PM2.5含量的數(shù)據(jù);

（5）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。

6.夏普光學(xué)PM2.5灰塵傳感器技術(shù)指標：

夏普光學(xué)PM2.5灰塵傳感器技術(shù)指標：濃度的測量范圍：（1～1000）mg/m3;采樣流量：1L/min;采樣流量的誤差：≤1.5%;穩(wěn)定性的相對誤差：±1.5%;測量誤差：≤7%;顯示方式：數(shù)碼LED屏幕。

7.結(jié)束語：

PM2.5濃度灰塵傳感器的誕生，它的誕生解決了我們無法實時了解周圍環(huán)境的空氣質(zhì)量問題。PM2.5灰塵傳感器有著較高的精密度，PM2.5再加上灰塵傳感器，我們隨時都可以掌握PM2.5濃度值從而通過空氣凈化器的聯(lián)動，污染空氣可以設(shè)定指數(shù)的范圍，如果污染超過標準值，可以遠程打開空氣凈化器，改善空氣質(zhì)量，使空氣更加便捷和自由。2.5濃度灰塵傳感器模塊包括各種空調(diào)、空氣凈化器、新風速系統(tǒng)、可以內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)站等。產(chǎn)業(yè)界為工業(yè)超正室灰塵測量、車輛載體凈化設(shè)備或環(huán)境改善設(shè)備等儀器提供快速準確的濃度數(shù)據(jù)。

參考文獻：

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項目來源：區(qū)級大創(chuàng)項目 ?201710595231 ?夏普光學(xué)PM2.5灰塵傳感器

（作者單位：桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院）