PM2.5检测仪研究报告.pdf

作品研究报告 摘要 因为空气质量的恶化，阴霾天气现象出现增多，危害现象加重。中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报。统称为“雾霾天气”。雾霾主要由 PM2.5、PM10、PM0.1 以及重金属镍砷铬铅等颗粒组成。有关雾霾的重大事件层出不穷，如 1952 年伦敦烟雾事件，伦敦杀人雾在四天内夺走了 4000 多条人命；还有 2013 年初北京肆虐横行的雾霾事件，轰动一时。因此，对 PM2.5 的测量显得越来越重要。本设计采用 AT89C52 单片机为控制中心，由 DSM501 灰尘传感器测量空气粉尘浓度，LCD12864 显示屏显示当前空气粉尘浓度。当空气中粉尘浓度达到所设定限度启动蜂鸣器自动报警。实践证明，该系统电路简单、工作稳定、集成度高，调试方便，测试精度高，具有一定的实用价值。关键字：PM2.5、单片机、粉尘浓度、DSM501、自动检测 一、社会意义和社会应用前景 21 世纪的今天，科学技术的发展日新月异，科学技术的进步同时也带动了测量技术的发展，现代控制设备不同于以前，它们在性能和结构发生了翻天覆地的变化。我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术是当今社会的主流，广泛地深入到应用工程的各个领域。因为空气质量的恶化，阴霾天气现象出现增多，危害现象加重。中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报。统称为“雾霾天气”。雾霾主要由 PM2.5、PM10、PM0.1 以及重金属镍砷铬铅等颗粒组成。在空气动力学和环境气象学中，颗粒物是按直径大 小 来 分 类 的，粒 径 小 于100微 米 的 称 为TSP(TotalSuspendedParticle)，即总悬浮物颗粒；粒径小于 10 微米的称为 PM10(PM 为 ParticulateMatter 缩写)，即可吸入颗粒物；粒径小于 2.5 微米的称为 PM2.5，即可入肺颗粒物，它的直径仅相当于人的头发丝粗细的 1/20。虽然 PM2.5 只是地球大气成分中含量很少的组分，但它与较粗的大气颗粒物相比，粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量影响更大。世界卫生组织发布的报告显示，无论是发达国家还是发展中国家，目前大多数城市和农村人口均遭受到颗粒物对健康的影响。高污染城市中的死亡率超出相对清洁城市的 15%至 20%。据统计，在欧洲，PM2.5 每年导致 386000 人死亡，并使欧盟国家人均期望寿命减少 8.6个月。人体的生理结构决定了对 PM2.5 没有任何过滤、阻拦能力，而PM2.5 对人类健康的危害却随着医学技术的进步，逐步暴露出其恐怖的一面。气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。粒径 10 微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在 2.5 微米至 10 微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在 2.5 微米以下的细颗粒物，直径相当于人类头发的 1/10 大小，不易被阻挡。被吸入人体后会直接进入支气管，刺激呼吸道，干扰肺部的气体交换，从而引发咳嗽、呼吸困难、哮喘、慢性支气管炎等呼吸系统的疾病并导致心律不齐、非致命性心脏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，对 PM2.5 的监测与治理便显得越来越重要。二、国内外发展概况、水平和发展趋势 在美国，上世纪90年代的开始关于 PM2.5细颗粒物对人体健康的影响方面的研究。美国环保局1997年发布 PM2.5标准，1993年12月，在著名的新英格兰医学杂志上，刊登了 Dockery 博士等撰写的研究文章空气污染和六城市致死率，该文揭示了细颗粒物 PM2.5城市非正常死亡的关系，1995年，美国癌症协会（ACS）发表了著名的6城市50个地理控制社区的研究，成 PM2.5立法的科学依据。2006年美国修订了空气质量标准对 PM2.5做出了更严格的要求。2005年世界卫生资质引进了这一标准。2003年东京推出日本历史上第一个针对浮游粒子状物质（尤其是柴油机、汽车尾气排放）的立法。如今，日本汽车在出厂时都已安装了过滤器，排放标准达到了欧洲三级标准，这使得东京空气中的 PM2.5含量大幅度下降。目前东京对 PM2.5的排放标准是亚洲最严格的，它要求每天每立方米不超过35微克。自80年代以来欧盟致力于监控空气颗粒物。2005年，欧盟关于限制 PM10的法令生效；2010年，对 PM2.5的监控标准生效。目前，欧盟的空气质量标准包含对 PM10年均浓度与日均浓度、PM2.5年均浓度的要求，是世界上对PM10监控标准最严格的地区之一。2011年12月4日晚7时12分。网友“美帝是管空气”在微博上转发了美国驻华使馆在 twitter 上发布的当日最新北京 PM2.5监测数据，数据显示，晚上7时，美国驻华使馆监测到的PM2.5浓度为522，空气质量指数（AQI）为500，健康提示为“Beyond I ndex（指数以外）”，其内容与北京市环保局官方微博在2011年12月3日下午发布的空气质量预报内容形成鲜明对比，该预报称：“预计2011年12月4日20：00时至12月5日08：00时，空气污染指数范围：150170，首要污染物为可吸入颗粒物。”PM2.5由此进入普通国人的视野。2007年，中国工程院、环保部联手开展的战略研究对引入 PM2.5标准给予高度关注，将 PM2.5纳入宏观战略目标。2008年环境保护部启动环境空气质量标准修订程序，将 PM2.5纳入环境空气标准和空气污染治理系统之中。从2012年开始，我国将在京津冀、长三角、珠三角等区域以及直辖市和省会城市开展 PM2.5监测到2016年，PM2.5监测将推广至全国。三、技术设想 1、PM2.5 监测系统的基本实现方法 本设计提出的“PM2.5 监测”的方案最基本的实现方法是由单片机、粉尘监测传感器、显示模块、报警器等 4 部分组成的电路，系统功能原理图如图 1 所示。图 1 粉尘浓度监测系统基本框图 用户预先输入粉尘浓度报警值到程序中，该值作为系统阈值。粉尘浓度传感器监测值传输给单片机，当单片机比较监测到的数值超出所设定阈值时，驱动蜂鸣器，蜂鸣器报警。2、粉尘浓度监测的实现思路 本设计测量空气中粉尘浓度采用灰尘传感器 DSM501，灰尘传感器 DSM501 可以感知烟草产生的烟气和花粉,房屋粉尘等,加热自动进气装置，可调电阻设置检测灰尘的大小。采用与粒子计算器相同原理为基础,检测出单位体积粒子的绝对个数.灰尘传感器 DSM501 具有尺寸小、重量轻、易安装等优势，能够灵敏检测直径 1 微米以上的粒子，内置加热器可实现自动吸入空气的功能，保养简单，便于长期保持传感器的特性。广泛应用于空气清新机、空气调节器、空气质量监测仪等。实物图如图 2 所示。图 2 DSM501 实物图 3、粉尘浓度显示的实现思路 以往的显示模块多采用数码管，虽然数码管显示的亮度高，成本低，电路简单，但是数码管一般只适合数字显示，占用的 I/O 多。而本系统设计采用的 LCD12864，虽然相对来说程序和电路都复杂些，但是液晶显示信息量大，具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其他显示器无法比拟的优点，近年来已被广泛应用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。四、设计内容的实现 1、微处理器单片机的组成 单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对 51 系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备等（见图 3）。图 3 单片机最小系统框图 1.时钟电路 在设计时钟电路之前，让我们先了解下 51 单片机上的时钟管脚：XTAL1（19 脚）：芯片内部振荡电路输入端。XTAL2（18 脚）：芯片内部振荡电路输出端。XTAL1 和 XTAL2 是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。图3 中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在 1.2 12MHz 之间任选，甚至可以达到 24MHz 或者更高，但是频率越高功耗也就越大。在本实验套件中采用的 11.0592M 的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。当采用石英晶振时，电容可以在 20 40pF 之间选择（本实验套件使用 30pF）；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在 30 50pF 之间。通常选取 33pF 的陶瓷电容就可以了。另外值得一提的是如果读者自己在设计单片机系统的印刷电路板（PCB）时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少引线的寄生电容，保证振荡器可靠工作。检测晶振是否起振的方法可以用示波器可以观察到 XTAL2 输出的十分漂亮的正弦波，也可以使用万用表测量（把挡位打到直流挡，这个时候测得的是有效值）XTAL2 和地之间的电压时，可以看到 2V 左右一点的电压。时钟电路如图 3 所示。图 3 时钟电路图 2.复位电路 在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。MCS-5l 系列单片机的复位引脚 RST（第 9 管脚）出现 2 个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和 RESET 相连，电压全部加在了电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位。随之+5V 电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于 0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使 RST 管脚 出现高电平达到手动复位的效果。复位电路图如图 4 所示。图 4 复位电路图 3.EA/VPP（31 脚）的功能和接法 51 单片机的 EA/VPP（31 脚）是内部和外部程序存储器的选择管脚。当 EA 保持高电平时，单片机访问内部程序存储器；当 EA 保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器，只访问外部存储器。对于现今的绝大部分单片机来说，其内部的程序存储器（一般为flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存储器，而是直接使用内部的存储器。在本实验套件中，EA 管脚接到了 VCC 上，只使用内部的程序存储器。这一点一定要注意，很多初学者常常将 EA 管脚悬空，从而导致程序执行不正常。4.P0 口外接上拉电阻 51 单片机的 P0 端口为开漏输出，内部无上拉电阻（见图 3）。所以在当做普通 I/O 输出数据时，由于 V2 截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻，如图 5所示。图 5 P0 口外接上拉电阻 另外，避免输入时读取数据出错，也需外接上拉电阻。在这里简要的说下其原因：在输入状态下，从锁存器和从引脚上读来的信号一般是一致的，但也有例外。例如，当从内部总线输出低电平后，锁存器 Q 0，Q 1，场效应管 V1 开通，端口线呈低电平状态。此时无论端口线上外接的信号是低电平还是高电平，从引脚读入单片机的信号都是低电平，因而不能正确地读入端口引脚上的信号。又如，当从内部总线输出高电平后，锁存器 Q 1,Q 0,场效应管 V1 截止。如外接引脚信号为低电平，从引脚上读入的信号就与从锁存器读入的信号不同。所以当 P0 口作为通用 I/O 接口输入使用时，在输入数据前，应先向 P0 口写“1”，此时锁存器的 Q 端为“0”，使输出级的两个场效应管 V1、V2 均截止，引脚处于悬浮状态，才可作高阻输入。总结来说：为了能使 P0 口在输出时能驱动 NMOS 电路和避免输入时读取数据出错，需外接上拉电阻。在本实验套件中采用的是外加一个10K 排阻。此外，51 单片机在对端口 P0P3 的输入操作上，为避免读错，应先向电路中的锁存器写入“1”，使场效应管截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。5.LED 驱动电路 细心的读者可能已经发现，在最小系统中，发光二极管（LED）的接法是采取了电源接到二极管正极再经过 1K 电阻接到单片机 I/O 口上的（见图 4 中的接法 1）。为什么这么接呢？首先我们要知道 LED 的发光工作条件，不同的 LED 其额定电压和额定电流不同，一般而言，红或绿颜色的 LED 的工作电压为 1.7V2.4V，蓝或白颜色的 LED 工作电压为 2.74.2V，直径为 3mm LED 的工作电流 2mA10mA。在这里采用红色的 3mm 的 LED。其次，51 单片机（如本实验板中所使用的 STC89C52 单片机）的 I/O 口作为输出口时，拉电流（向外输出电流）的能力是A 级别，是不足以点亮一个发光二极管的。而灌电流（往内输入电流）的方式可高达 20mA，故采用灌电流的方式驱动发光二极管。当然，现今的一些增强型单片机，是采用拉电流输出（接法 2）的，只要单片机的输出电流能力足够强即可。另外，图 4 中的电阻为 1K 阻值，是为了限制电流，让发光二极管的工作电流限定在2mA10mA。图 3 LED 的接法 2、粉尘浓度监测采集电路的实现 本设计测量空气中粉尘浓度采用灰尘传感器 DSM501 灰尘传感器 DSM501 主要特性：灰尘传感器 DSM501 可以感知烟草产生的烟气和花粉,房屋粉尘等 1 微米以上的微小粒子.体积小,重量轻,便于安装.5V 的输入电路,便于信号处理.内藏气流发生器,可以自行吸引外部大气.灰尘传感器 DSM501 保养简单,可以长期保持传感器的特性.1、加热器：模块内置一个加热器，热引起上升气流使外部空气流进模块内部。2、检测的粒子类型：此模块被设计成可以检测 1m 以上粒子，如香烟、房屋灰尘、霉菌、花粉、孢子。3、安装：必须垂直安装；远离人工气流如风扇，如当用于空气清新机时，风扇的前方和后方都不能安装，可任选外壳一侧安装，但外壳上要保留通风口以保证外部气流可以流进来；注意安装时要避免粘性粒子如油类进入模块，当这种粒子粘在光学部件上将会 产生故障。当模块受潮湿将会影响它的正常功能，因此应避免受潮。4、透镜：透镜需要视环境状况隔一段时间进行清洁，约 6 个月一次。清洁时用棉签一头醮清 水轻擦，然后用另一头擦干。不可以用酒精等有机溶剂擦拭透镜。5、版权说明：本产品及资料版权归 SYHITECH 所做编译只是为了促进该产品在中国地区的销售及应用，资料如有不符请以原厂为准。包装 模块尺寸：59*45*20(mm)重量：约 25g 托 盘：5*5=25pcs/盘 中 盒：5 盘=125pcs/盒 外包装：4 盒=500pcs/包 尺寸：670*250*420（mm）重量：不超过 13Kg 符号 尺寸(mm)L 59 W 45 H 20 L W H 如图 4 所示。图 4 粉尘浓度采集电路 3、LCD12864 显示功能的实现 基于本设计所显示内容信息量大，本设计选择以液晶显示信息量大，具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等功能的 LCD12864 液晶显示屏作为实现显示功能的元件。FYD12864-0402B 是一种具有 4 位/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为 12864,内置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 84行 1616 点阵的汉字.也可完成图形显示.LCD12864 管脚图如图 5 所示。图 5 LCD12864 管脚图 电路接线图如图 6 所示。1939U121RP1CS11CS22GND3VCC4V05RS6R/W7E8DB09DB110DB211DB312DB413DB514DB615DB716RST17-Vout18LCD1AMPIRE128X64C130pF 图 6 LCD12864 电路接线图 4、蜂鸣器报警功能的实现 将温湿度传感器采集出来的监测值传输给单片机，当单片机比较监测到的数值超出所设定阈值时，驱动风扇，若风扇降温的效果低于温度升高的速度，当温度超过所设置温度最大限度值，蜂鸣器便开始工作报警，直到温度达到安全温度范围内，停止鸣叫报警。同理，当湿度达到所设置湿度最高限度值时蜂鸣器也开始工作报警，直到湿度达到正常湿度范围内，停止鸣叫报警。蜂鸣器报警电路如图 7 所示。图 7 蜂鸣器报警电路 5、温湿度调节功能的实现 温湿度调节主要分为升温模块，降温模块，干燥模块和加湿模块。系统温湿度调节的实现通过单片机控制电暖器升温，控制风扇降温，控制加湿器加湿空气。本设计主要实现风扇降温功能。降温模块主要元件由小马达组成，用塑料片剪成扇叶形状装在小马达上，当温湿度传感器所测当前温度高于所设定限度值，系统自动启动小马达起到降温的作用，直到温度恢复到正常值范围内，系统自动停止马达的转动从而起到调节温度制冷作用。风扇降温电路如图 8 所示。图 8 降温电路图 五、研究方法分析 六、总结 七、参考文献