基于嵌入式的PM2.5檢測(cè)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

時(shí)間：2021-10-05 17:42:47

關(guān)鍵字：嵌入式 PM2.5 檢測(cè)器報(bào)警

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[導(dǎo)讀]摘要：近來空氣污染嚴(yán)重，以PM2.5較為突出，嚴(yán)重影響了人們的身體健康。因此文中設(shè)計(jì)了一款基于嵌入式平臺(tái)的PM2.5檢測(cè)器，能夠準(zhǔn)確測(cè)出周邊環(huán)境的PM2.5濃度，并將數(shù)值顯示在液晶屏上。當(dāng)PM2.5濃度超出警戒值時(shí)檢測(cè)器會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒人們應(yīng)注意環(huán)境問題。該設(shè)計(jì)集檢測(cè)、顯示和報(bào)警功能于一體，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)化程度不斷提高，人為因素的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，尤其 PM2.5 對(duì)人們的身體健康產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。各種環(huán)境檢測(cè)器如雨后春筍，其中PM2.5 檢測(cè)器深受市場歡迎。因此本課題基于STM32 平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了一款 PM2.5 檢測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、顯示與報(bào)警等功能。

本課題采用常見的STM32芯片（ARMCortexTLS-P906 型），該芯片具有數(shù)據(jù)采集、處理和輸出等功能。STM32芯片由控制單元、從屬單元和總線矩陣三部分組成，通過總線矩陣將控制單元和從屬單元連接在一起。其程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和輸入輸出端口寄存器在同一個(gè)線性地址空間里。本課題采用SDS011PM2.5傳感器模塊，并將傳感器模塊與STM32芯片連接在一起，通過USB轉(zhuǎn) TTL接口與電腦連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中PM2.5數(shù)據(jù)的采集和分析。嵌入式系統(tǒng)硬件的基本組成如圖 1所示。

基于嵌入式的PM2.5檢測(cè)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1 數(shù)據(jù)采集介紹

數(shù)據(jù)采集（DAQ）指模擬或數(shù)字傳感器抑或其他設(shè)備的被測(cè)單元自動(dòng)采集非電量或電量信號(hào)，并送到上位機(jī)進(jìn)行分析、處理，從數(shù)據(jù)源收集、識(shí)別和選取數(shù)據(jù)的功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)或其他專用測(cè)試平臺(tái)測(cè)量軟硬件為方便各類用戶操作而設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)的各種物理量，如溫度、濕度、顆粒物、壓強(qiáng)等，這些既可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。一般通過采樣方式采集，即間隔一定時(shí)間（采樣周期）對(duì)同一點(diǎn)數(shù)據(jù)重復(fù)采集。采集的數(shù)據(jù)可能是某段時(shí)間內(nèi)的一個(gè)特征值，但在大多數(shù)情況下是瞬時(shí)值。準(zhǔn)確來說，數(shù)據(jù)采集以準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)測(cè)量為基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)量測(cè)方法分為接觸式和非接觸式兩種，檢測(cè)元件多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被測(cè)對(duì)象狀態(tài)和測(cè)量環(huán)境為前提，保證數(shù)據(jù)的正確性。數(shù)據(jù)采集含義廣泛，包括對(duì)面狀連續(xù)物的物理量采集。在計(jì)算機(jī)輔助制圖、測(cè)圖、設(shè)計(jì)中，對(duì)圖形或圖像的數(shù)字化過程也可稱為數(shù)據(jù)采集，此時(shí)采集的量包括灰度等物理量和數(shù)據(jù)等幾何量。數(shù)據(jù)采集整體結(jié)構(gòu)與流量圖如圖 2 所示。

基于嵌入式的PM2.5檢測(cè)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過將模塊化硬件、應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)相結(jié)合來進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，如空氣中的顆粒物、溫度、氣壓、濕度等。盡管數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用需求有不同的定義，但各系統(tǒng)采集、分析和顯示信息的目的卻都相同。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)、傳感器、激勵(lì)器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和應(yīng)用軟件的完美結(jié)合。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖 3 所示。

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2 數(shù)據(jù)采集器的選型與設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集器的選型與設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用SDS011PM2.5 檢測(cè)器，其具有如下特點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確：激光檢測(cè)，穩(wěn)定，一致性好；

（2）響應(yīng)快速：場景變換響應(yīng)時(shí)間小于 10 s ；

（3）便于集成：串口輸出（或 IO 口輸出可定制），自帶風(fēng)扇；

（4）分辨率高：分辨顆粒最小直徑達(dá) 0.3 μm ；

SDS011 傳感器模塊實(shí)物圖如圖 4 所示，傳感器配用的串口線與USB 實(shí)物如圖 5 所示，傳感器接入電源后的組裝圖如圖 6 所示。

基于嵌入式的PM2.5檢測(cè)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.2 工作原理

本器件采用激光散射原理，當(dāng)激光照射到檢測(cè)位置的顆粒物時(shí)會(huì)發(fā)生微小的光散射。在一些特定方向，光散射波形與顆粒直徑有關(guān)，將不同粒徑的波形分類統(tǒng)計(jì)并通過換算公式可以得到顆粒物的實(shí)時(shí)濃度，按照標(biāo)定方法得到與官方單位統(tǒng)一的質(zhì)量濃度。

技術(shù)指標(biāo)見表 1 所列，LCD 顯示屏結(jié)構(gòu)圖如圖 7 所示，基于STM32 的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖 8 所示。

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2.3 選擇的數(shù)據(jù)采集器的工作原理

通過串口調(diào)試助手軟件可以顯示出以十個(gè)字節(jié)為單位的信息：報(bào)文頭 + 指令號(hào) + 數(shù)據(jù)（6 字節(jié)）+ 校驗(yàn)和+ 報(bào)文尾，具體見表 2 所列。

基于嵌入式的PM2.5檢測(cè)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

計(jì)算時(shí)要求數(shù)據(jù)為十進(jìn)制，但輸出的數(shù)據(jù)是 16 進(jìn)制，因此要對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換。

PM2.5 數(shù) 據(jù) 內(nèi) 容：PM2.5（μg/m3）=（（PM2.5 高字節(jié)×256）+PM2.5 低字節(jié)）/10

PM10 數(shù) 據(jù) 內(nèi) 容：PM10（μg/m3）=（（PM10 高字節(jié)×256）+PM10 低字節(jié)）/10

PM2.5 的輸出如圖 9 所示。實(shí)物連接運(yùn)行圖如圖10 所示。

基于嵌入式的PM2.5檢測(cè)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

首先應(yīng)在電腦上安裝驅(qū)動(dòng)（USB轉(zhuǎn) TTL電路的驅(qū)動(dòng)），然后用數(shù)據(jù)線連接傳感器模塊與轉(zhuǎn)換插頭，再與電腦相連。打開電腦運(yùn)行串口調(diào)試軟件，選擇模塊接口，將波特率設(shè)置為 9600波特/秒，數(shù)據(jù)位為8位。通過軟件觀察數(shù)據(jù)接收的情況。串口輸出數(shù)據(jù)顯示如圖 11 所示。

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圖11 串口輸出數(shù)據(jù)顯示

3 基于嵌入式處理器數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

接通電源并調(diào)試完成后，嵌入式處理器 LCM046 顯示屏實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)室中 PM2.5 的濃度為 3.3 μg/m3。嵌入式處理器顯示數(shù)據(jù)實(shí)物圖如圖 12 所示。