簡易顆粒物濃度檢測器的設計實現

杜培

摘 要：近年來隨著工業的發展和汽車總量的增加，霧霾天氣越來越嚴重，很大程度上影響了人們的生活質量。在政府工作報告中提出的“藍天保衛戰”，旨在加強重點區域的空氣質量監督檢查，從根源上治理日趨嚴重的霧霾狀況。霧霾的主要成分是PM2.5、PM10等顆粒物，這些成分可以被人吸入到體內，嚴重影響身體健康。為有效治理霧霾，前提是可以準確便捷地測量出濃度，這樣就可以有針對性的制定治理措施。本文提出了一種方便易用的顆粒物濃度檢測器設計方案。

關鍵詞：顆粒物;檢測

1 設計原理

常用的顆粒物濃度測量方法包括濾膜重量分析法、β射線法、微量震蕩天平法和光散射法等。光散射法的特點是在不改變顆粒物物化特性的情況下可以實現即時測量，能夠較快的讀取數據，整個測量過程也是無接觸式的。因此本設計采用光散射法的原理來檢測顆粒物的濃度。光散射法測量顆粒物濃度大小的工作原理是：被測顆粒物的濃度和散射光通量呈線性關系，其中散射光強度可以通過相關散射理論計算得出。

整個系統采用單片機控制，通過AD采集光線接收處的轉換電信號，根據光散射法計算出顆粒物濃度。總體方案如圖1所示：

2 硬件設計

2.1 主要元器件

STM8單片機：是一種8位微控制器，其內部含有130nm非易失性存儲器、10位AD轉換器、SPI端口、I2C端口、CAN2.0接口等多種外設。主要優點包括：含有速度達20MIPS的高性能內核;開發方式簡單易操作，有多種工具支持使用;可靠性高，抗干擾能力強;成本低，性價比較高。

光電模塊：采用120度光散射法設計的信號采集模塊。發光管通過單片機產生的PWM波控制，受光管接收經空氣折射過來的散射光，通過光電轉換，產生電信號，經過有源濾波和多級放大，最后信號到達單片機的AD接口上，對相關數據做處理，計算出顆粒濃度。

LCD液晶顯示屏：本設計中LCD用來顯示輸出基本的字符信息。

2.2 電路設計

單片機最小系統：單片機能夠正常工作所需要的最基本電路，包括單片機、復位電路、時鐘電路、輸出/輸入設備。其結構組成如圖2所示：

電源模塊：主要作用是濾除外部供電的毛刺和波動，給整個系統提供穩定可靠的電能供應。

復位電路：如果單片機中程序運行出現問題，出現失常或者直接不能運行的時候，我們需要對單片機進行復位操作，才能使單片機恢復正常工作，因此復位電路非常重要。本設計中使用的STM8S單片機共有9個復位源，他們都會使RST引腳產生作用，在整個復位操作中一直維持在低電平。

輸入輸出電路：系統輸出主要是通過顯示屏實現，可以顯示顆粒物濃度信息和時間等;系統輸入主要通過和光電模塊連接實現。單片機首先發出方波控制信號給發光二極管，發光二極管發出的光線經由空氣的顆粒物折射，最后到達探測器，顆粒物濃度影響探測器接受到的光線強度。探測器進行光電轉換，將光信號轉變為電信號。由于此電信號比較弱，需要增加濾波和多級放大電路，最后傳輸到單片機AD的引腳上，做下一步的相關處理。

時鐘電路：單片機的時鐘控制器功能強大且靈活方便使用，使開發人員在利用強大性能的同時，也可以把器件的功耗降至最低。STM8S單片機有多種時鐘源可供選擇，本設計中采用了芯片內部的高速RC振蕩器。這個內部RC振蕩器有兩個突出優點：一是有效降低了開發成本，減少開支，尤其在產品批量化生產的時候會更加突出;二是沒有使用外部時鐘源，節省了開發空間，使整體電路尺寸更小，便于整個產品的小型化。

3 軟件設計

系統的主程序由單片機時鐘控制程序，單片機AD控制程序，光電模塊控制程序，LCD顯示屏控制程序等若干個模塊組成。

4 實驗測試

本次設計的檢測器可對辦公室、教室、馬路、公園等多種場合的顆粒物的濃度做快速檢測，操作使用方便快捷。表1是在實驗室內的測試結果：

由測試結果可以看出本檢測器在測量精度上可以滿足居家辦公使用，體積小的特點使其可以隨時隨地展開測試，從而根據測試結果作出下一步的應對措施。

5 總結

本檢測器采用光散射法的原理，通過自行設計光電轉換模塊，使用AD模數轉換采集數據，從而實現顆粒物濃度的測量，并在LCD顯示屏上顯示測量結果。整個設計簡單實用，測量精度高，制作成本低，操作方便高效，可隨時隨地展開測試。

參考文獻

[1]張艷艷PM2.5檢測技術研究進展[J].傳感器世界，2019，25（03）：13-16.

[2]姚展.基于單片機的PM2.5檢測儀設計[J].價值工程，2019，38（07）：154-156.

[3]董昭，張瑋瑋，王勝琰.基于單片機的PM2.5濃度檢測裝置設計[J].安陽工學院學報，2018，17（06）：28-32.