2015年-PM2.5粉塵檢測儀相關(guān)研究報告

2015-04-15 16:33:16 admin
因為空氣質(zhì)量的惡化，陰霾天氣現(xiàn)象出現(xiàn)增多，危害現(xiàn)象加重。中國不少地區(qū)把陰霾天氣現(xiàn)象并入霧一起作為災害性天氣預警預報。統(tǒng)稱為“霧霾天氣”。霧霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金屬鎳砷鉻鉛等顆粒組成。有關(guān)霧霾的重大事件層出不窮，如1952年倫敦煙霧事件，倫敦殺人霧在四天內(nèi)奪走了4000多條人命；還有2013年初北京肆虐橫行的霧霾事件，轟動一時。因此，對PM2.5的測量顯得越來越重要。本設(shè)計采用AT89C52單片機為控制中心，由DSM501灰塵傳感器測量空氣粉塵濃度，LCD12864顯示屏顯示當前空氣粉塵濃度。當空氣中粉塵濃度達到所設(shè)定限度啟動蜂鳴器自動報警。實踐證明，該系統(tǒng)電路簡單、工作穩(wěn)定、集成度高，調(diào)試方便，測試精度高，具有一定的實用價值。
關(guān)鍵字：PM2.5、單片機、粉塵濃度、自動檢測
一、社會意義和社會應(yīng)用前景
21世紀的今天，科學技術(shù)的發(fā)展日新月異，科學技術(shù)的進步同時也帶動了測量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備不同于以前，它們在性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。我們已經(jīng)進入了高速發(fā)展的信息時代，測量技術(shù)是當今社會的主流，廣泛地深入到應(yīng)用工程的各個領(lǐng)域。
因為空氣質(zhì)量的惡化，陰霾天氣現(xiàn)象出現(xiàn)增多，危害現(xiàn)象加重。中國不少地區(qū)把陰霾天氣現(xiàn)象并入霧一起作為災害性天氣預警預報。統(tǒng)稱為“霧霾天氣”。霧霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金屬鎳砷鉻鉛等顆粒組成。在空氣動力學和環(huán)境氣象學中，顆粒物是按直徑大小來分類的，粒徑小于100微米的稱為TSP(TotalSuspendedParticle)，即總懸浮物顆粒；粒徑小于10微米的稱為PM10(PM為ParticulateMatter縮寫)，即可吸入顆粒物；粒徑小于2.5微米的稱為PM2.5，即可入肺顆粒物，它的直徑僅相當于人的頭發(fā)絲粗細的1/20。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它與較粗的大氣顆粒物相比，粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量影響更大。
世界衛(wèi)生組織發(fā)布的報告顯示，無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，目前大多數(shù)城市和農(nóng)村人口均遭受到顆粒物對健康的影響。高污染城市中的死亡率超出相對清潔城市的15%至20%。據(jù)統(tǒng)計，在歐洲，PM2.5每年導致386000人死亡，并使歐盟國家人均期望壽命減少8.6個月。人體的生理結(jié)構(gòu)決定了對PM2.5沒有任何過濾、阻攔能力，而PM2.5對人類健康的危害卻隨著醫(yī)學技術(shù)的進步，逐步暴露出其恐怖的一面。氣象專家和醫(yī)學專家認為，由細顆粒物造成的灰霾天氣對人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大。粒徑10微米以上的顆粒物，會被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5微米至10微米之間的顆粒物，能夠進入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會被鼻腔內(nèi)部的絨毛阻擋，對人體健康危害相對較??；而粒徑在2.5微米以下的細顆粒物，直徑相當于人類頭發(fā)的1/10大小，不易被阻擋。被吸入人體后會直接進入支氣管，刺激呼吸道，干擾肺部的氣體交換，從而引發(fā)咳嗽、呼吸困難、哮喘、慢性支氣管炎等呼吸系統(tǒng)的疾病并導致心律不齊、非致命性心臟病等心血管方面的疾病。其中，老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群。
因此，對PM2.5的監(jiān)測與治理便顯得越來越重要。
二、國內(nèi)外發(fā)展概況、水平和發(fā)展趨勢
在美國，上世紀90年代的開始關(guān)于PM2.5細顆粒物對人體健康的影響方面的研究。美國環(huán)保局1997年發(fā)布PM2.5標準，1993年12月，在著名的《新英格蘭醫(yī)學雜志》上，刊登了Dockery博士等撰寫的研究文章《空氣污染和六城市致死率》，該文揭示了細顆粒物PM2.5城市非正常死亡的關(guān)系，1995年，美國癌癥協(xié)會（ACS）發(fā)表了著名的6城市50個地理控制社區(qū)的研究，成PM2.5立法的科學依據(jù)。2006年美國修訂了空氣質(zhì)量標準對PM2.5做出了更嚴格的要求。2005年世界衛(wèi)生資質(zhì)引進了這一標準。2003年東京推出日本歷史上第一個針對浮游粒子狀物質(zhì)（尤其是柴油機、汽車尾氣排放）的立法。如今，日本汽車在出廠時都已安裝了過濾器，排放標準達到了歐洲三級標準，這使得東京空氣中的PM2.5含量大幅度下降。目前東京對PM2.5的排放標準是亞洲最嚴格的，它要求每天每立方米不超過35微克。自80年代以來歐盟致力于監(jiān)控空氣顆粒物。2005年，歐盟關(guān)于限制PM10的法令生效；2010年，對PM2.5的監(jiān)控標準生效。目前，歐盟的空氣質(zhì)量標準包含對PM10年均濃度與日均濃度、PM2.5年均濃度的要求，是世界上對PM10監(jiān)控標準最嚴格的地區(qū)之一。2011年12月4日晚7時12分。網(wǎng)友“美帝是管空氣”在微博上轉(zhuǎn)發(fā)了美國駐華使館在twitter上發(fā)布的當日最新北京PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示，晚上7時，美國駐華使館監(jiān)測到的PM2.5濃度為522，空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）為500，健康提示為“Beyond I ndex（指數(shù)以外）”，其內(nèi)容與北京市環(huán)保局官方微博在2011年12月3日下午發(fā)布的空氣質(zhì)量預報內(nèi)容形成鮮明對比，該預報稱：“預計2011年12月4日20：00時至12月5日08：00時，空氣污染指數(shù)范圍：150～170，首要污染物為可吸入顆粒物。”PM2.5由此進入普通國人的視野。2007年，中國工程院、環(huán)保部聯(lián)手開展的戰(zhàn)略研究對引入PM2.5標準給予高度關(guān)注，將PM2.5納入宏觀戰(zhàn)略目標。2008年環(huán)境保護部啟動環(huán)境空氣質(zhì)量標準修訂程序，將PM2.5納入環(huán)境空氣標準和空氣污染治理系統(tǒng)之中。從2012年開始，我國將在京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域以及直轄市和省會城市開展PM2.5監(jiān)測到2016年，PM2.5監(jiān)測將推廣至全國。
三、技術(shù)設(shè)想
1、PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的基本實現(xiàn)方法
本設(shè)計提出的“PM2.5監(jiān)測”的方案最基本的實現(xiàn)方法是由單片機、粉塵監(jiān)測傳感器、顯示模塊、報警器等4部分組成的電路，系統(tǒng)功能原理圖如圖1所示。
 
用戶預先輸入粉塵濃度報警值到程序中，該值作為系統(tǒng)閾值。粉塵濃度傳感器監(jiān)測值傳輸給單片機，當單片機比較監(jiān)測到的數(shù)值超出所設(shè)定閾值時，驅(qū)動蜂鳴器，蜂鳴器報警。
2、粉塵濃度監(jiān)測的實現(xiàn)思路
本設(shè)計測量空氣中粉塵濃度采用灰塵傳感器DSM501，灰塵傳感器DSM501可以感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉,房屋粉塵等,加熱自動進氣裝置，可調(diào)電阻設(shè)置檢測灰塵的大小。采用與粒子計算器相同原理為基礎(chǔ),檢測出單位體積粒子的絕對個數(shù).
灰塵傳感器DSM501具有尺寸小、重量輕、易安裝等優(yōu)勢，能夠靈敏檢測直徑1微米以上的粒子，內(nèi)置加熱器可實現(xiàn)自動吸入空氣的功能，保養(yǎng)簡單，便于長期保持傳感器的特性。廣泛應(yīng)用于空氣清新機、空氣調(diào)節(jié)器、空氣質(zhì)量監(jiān)測儀等。實物圖如圖2所示。
3、粉塵濃度顯示的實現(xiàn)思路
以往的顯示模塊多采用數(shù)碼管，雖然數(shù)碼管顯示的亮度高，成本低，電路簡單，但是數(shù)碼管一般只適合數(shù)字顯示，占用的I/O多。而本系統(tǒng)設(shè)計采用的LCD12864，雖然相對來說程序和電路都復雜些，但是液晶顯示信息量大，具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等許多其他顯示器無法比擬的優(yōu)點，近年來已被廣泛應(yīng)用于單片機控制的智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中。
四、設(shè)計內(nèi)容的實現(xiàn)
1、微處理器單片機的組成
單片機的最小系統(tǒng)就是讓單片機能正常工作并發(fā)揮其功能時所必須的組成部分，也可理解為是用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對51 系列單片機來說， 最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括： 單片機、時鐘電路、復位電路、輸入/ 輸出設(shè)備等（見圖3）。 

1. 時鐘電路
在設(shè)計時鐘電路之前，讓我們先了解下51 單片機上的時鐘管腳：
XTAL1（19 腳） ：芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端。
XTAL2（18 腳） ：芯片內(nèi)部振蕩電路輸出端。
XTAL1 和XTAL2 是獨立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器，或者是器件直接由外部時鐘驅(qū)動。圖3中采用的是內(nèi)時鐘模式，即采用利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2 的引腳上外接定時元件（一個石英晶體和兩個電容），內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。一般來說晶振可以在1.2 ～ 12MHz 之間任選，甚至可以達到24MHz 或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。在本實驗套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。當采用石英晶振時，電容可以在20 ～ 40pF 之間選擇（本實驗套件使用30pF）；當采用陶瓷諧振器件時，電容要適當?shù)卦龃笠恍?0 ～ 50pF 之間。通常選取33pF 的陶瓷電容就可以了。
另外值得一提的是如果讀者自己在設(shè)計單片機系統(tǒng)的印刷電路板（PCB） 時，晶體和電容應(yīng)盡可能與單片機芯片靠近，以減少引線的寄生電容，保證振蕩器可靠工作。檢測晶振是否起振的方法可以用示波器可以觀察到XTAL2 輸出的十分漂亮的正弦波，也可以使用萬用表測量（ 把擋位打到直流擋，這個時候測得的是有效值）XTAL2 和地之間的電壓時，可以看到2V 左右一點的電壓。
2. 復位電路
在單片機系統(tǒng)中，復位電路是非常關(guān)鍵的，當程序跑飛（運行不正常）或死機（停止運行）時，就需要進行復位。
MCS-5l 系列單片機的復位引腳RST（ 第9 管腳） 出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST 持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。
復位操作通常有兩種基本形式：上電自動復位和開關(guān)復位 。上電瞬間 ，電容兩端電壓不能突變 ，此時電容的負極和 RESET 相連，電壓全部加在了電阻上，RESET 的輸入為高，芯片被復位。隨之+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0 ，芯片正常工作。并聯(lián)在電容的兩端為復位按鍵，當復位按鍵沒有被按下的時候電路實現(xiàn)上電復位，在芯片正常工作后 ，通過按下按鍵使RST管腳
出現(xiàn)高電平達到手動復位的效果。

3. EA/VPP（31 腳） 的功能和接法
51 單片機的EA/VPP（31 腳） 是內(nèi)部和外部程序存儲器的選擇管腳。當EA 保持高電平時，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器；當EA 保持低電平時，則不管是否有內(nèi)部程序存儲器，只訪問外部存儲器。
對于現(xiàn)今的絕大部分單片機來說，其內(nèi)部的程序存儲器（一般為flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲器，而是直接使用內(nèi)部的存儲器。
在本實驗套件中，EA 管腳接到了VCC 上，只使用內(nèi)部的程序存儲器。這一點一定要注意，很多初學者常常將EA 管腳懸空，從而導致程序執(zhí)行不正常。
4. P0 口外接上拉電阻
51 單片機的P0 端口為開漏輸出，內(nèi)部無上拉電阻（見圖3）。所以在當做普通I/O 輸出數(shù)據(jù)時，由于V2 截止，輸出級是漏極開路電路，

    另外，避免輸入時讀取數(shù)據(jù)出錯，也需外接上拉電阻。在這里簡要的說下其原因：在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從引腳上讀來的信號一般是一致的，但也有例外。例如，當從內(nèi)部總線輸出低電平后，鎖存器Q ＝ 0， Q ＝ 1，場效應(yīng)管V1 開通，端口線呈低電平狀態(tài)。此時無論端口線上外接的信號是低電平還是高電平，從引腳讀入單片機的信號都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號。又如，當從內(nèi)部總線輸出高電平后，鎖存器Q ＝ 1, Q ＝ 0,場效應(yīng)管V1 截止。如外接引腳信號為低電平， 從引腳上讀入的信號就與從鎖存器讀入的信號不同。所以當P0 口作為通用I/O 接口輸入使用時，在輸入數(shù)據(jù)前，應(yīng)先向P0 口寫“1”，此時鎖存器的Q 端為“0”，使輸出級的兩個場效應(yīng)管V1、V2 均截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，才可作高阻輸入。
總結(jié)來說：為了能使P0 口在輸出時能驅(qū)動NMOS 電路和避免輸入時讀取數(shù)據(jù)出錯，需外接上拉電阻。在本實驗套件中采用的是外加一個10K 排阻。此外，51 單片機在對端口P0—P3 的輸入操作上，為避免讀錯，應(yīng)先向電路中的鎖存器寫入“1”，使場效應(yīng)管截止，以避免鎖存器為“0”狀態(tài)時對引腳讀入的干擾。
5. LED 驅(qū)動電路
細心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在最小系統(tǒng)中，發(fā)光二極管（LED）的接法是采取了電源接到二極管正極再經(jīng)過1K 電阻接到單片機I/O 口上的（見圖4 中的接法1）。為什么這么接呢？首先我們要知道LED 的發(fā)光工作條件，不同的LED 其額定電壓和額定電流不同，一般而言，紅或綠顏色的LED 的工作電壓為1.7V~2.4V，藍或白顏色的LED 工作電壓為2.7~4.2V， 直徑為3mm LED 的工作電流2mA~10mA。在這的LED。其次，51 單片機（如本實驗板中所使用的STC89C52單片機）的I/O 口作為輸出口時，拉電流（向外輸出電流）的能力是μA 級別，是不足以點亮一個發(fā)光二極管的。而灌電流（往內(nèi)輸入電流）的方式可高達20mA，故采用灌電流的方式驅(qū)動發(fā)光二極管。當然，現(xiàn)今的一些增強型單片機，是采用拉電流輸出（接法2）的，只要單片機的輸出電流能力足夠強即可。另外，圖4 中的電阻為1K 阻值，是為了限制電流，讓發(fā)光二極管的工作電流限定在2mA~10mA。

2、粉塵濃度監(jiān)測采集電路的實現(xiàn)
本設(shè)計測量空氣中粉塵濃度采用灰塵傳感器DSM501
灰塵傳感器DSM501主要特性：
●灰塵傳感器DSM501可以感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉,房屋粉塵等
●1微米以上的微小粒子.
●體積小,重量輕,便于安裝.
●5V的輸入電路,便于信號處理.
●內(nèi)藏氣流發(fā)生器,可以自行吸引外部大氣.
●灰塵傳感器DSM501保養(yǎng)簡單,可以長期保持傳感器的特性.
 

1、 加熱器：模塊內(nèi)置一個加熱器，熱引起上升氣流使外部空氣流進模塊內(nèi)部。
2、 檢測的粒子類型：此模塊被設(shè)計成可以檢測1μm 以上粒子，如香煙、房屋灰塵、霉菌、
花粉、孢子。
3、 安裝： ①必須垂直安裝；
②遠離人工氣流如風扇，如當用于空氣清新機時，風扇的前方和后方都不能安裝，
可任選外殼一側(cè)安裝，但外殼上要保留通風口以保證外部氣流可以流進來；
③注意安裝時要避免粘性粒子如油類進入模塊，當這種粒子粘在光學部件上將會
產(chǎn)生故障。
④當模塊受潮濕將會影響它的正常功能，因此應(yīng)避免受潮。
4、 透鏡：透鏡需要視環(huán)境狀況隔一段時間進行清潔，約6 個月一次。清潔時用棉簽一頭醮清
水輕擦，然后用另一頭擦干。不可以用酒精等有機溶劑擦拭透鏡。
5、 版權(quán)說明：本產(chǎn)品及資料版權(quán)歸SYHITECH
所做編譯只是為了促進該產(chǎn)品在中國地區(qū)的銷售及應(yīng)用，資料如有不符請以原廠為準。
■ 包裝
模塊尺寸：59*45*20 (mm)
重量：約25g
托 盤： 5*5= 25pcs/盤
中 盒：5 盤=125pcs/盒
外包裝：4 盒=500pcs/包
尺寸：670*250*420（mm）
重量：不超過13Kg
符號 尺寸(mm)
L 59
W 45
H 20
L
W
H
 

圖4  粉塵濃度采集電路
3、LCD12864顯示功能的實現(xiàn)
基于本設(shè)計所顯示內(nèi)容信息量大，本設(shè)計選擇以液晶顯示信息量大，具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等功能的LCD12864液晶顯示屏作為實現(xiàn)顯示功能的元件。
FYD12864-0402B是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.
LCD12864管腳圖如圖5所示。
 
電路接線圖如圖6所示。

4、蜂鳴器報警功能的實現(xiàn)
將溫濕度傳感器采集出來的監(jiān)測值傳輸給單片機，當單片機比較監(jiān)測到的數(shù)值超出所設(shè)定閾值時，驅(qū)動風扇，若風扇降溫的效果低于溫度升高的速度，當溫度超過所設(shè)置溫度最大限度值，蜂鳴器便開始工作報警，直到溫度達到安全溫度范圍內(nèi)，停止鳴叫報警。
同理，當濕度達到所設(shè)置濕度最高限度值時蜂鳴器也開始工作報警，直到濕度達到正常濕度范圍內(nèi)，停止鳴叫報警。

圖7  蜂鳴器報警電路
5、溫濕度調(diào)節(jié)功能的實現(xiàn)
溫濕度調(diào)節(jié)主要分為升溫模塊，降溫模塊，干燥模塊和加濕模塊。系統(tǒng)溫濕度調(diào)節(jié)的實現(xiàn)通過單片機控制電暖器升溫，控制風扇降溫，控制加濕器加濕空氣。
本設(shè)計主要實現(xiàn)風扇降溫功能。
降溫模塊主要元件由小馬達組成，用塑料片剪成扇葉形狀裝在小馬達上，當溫濕度傳感器所測當前溫度高于所設(shè)定限度值，系統(tǒng)自動啟動小馬達起到降溫的作用，直到溫度恢復到正常值范圍內(nèi)，系統(tǒng)自動停止馬達的轉(zhuǎn)動從而起到調(diào)節(jié)溫度制冷作用。
五、研究方法分析
六、總結(jié)
七、參考文獻
 
 
 


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