可吸入颗粒物环境检测系统的设计与实现

摘要

近些年来，细小空气颗粒造成了较为严重的生态污染，这给民众的身心健康及世界生态形成了巨大的危害及制约作用。随着各种危害的逐渐扩大，大家逐渐重视可吸入颗粒物环境监测系统软件的产品开发。该文对针对一系列可吸入颗粒物浓度数值的检测办法进行重点阐述。把其与初始标准进行综合，然后按照实际要求，并且以传感器与其余相关设计为基础，从而完成了就可吸入颗粒物浓度检测方案的设计及制定。在该设计当中，利用粉尘传感器对所处环境中可吸入颗粒物进行检测，同时获取其浓度数值。将电压讯号利用AD转换功能变成数字讯号，然后再通过网络将其发送到单片机进行处理与剖析，最后获得结果再将相关意见输出到LED屏幕。通过传感装置进行环境检测时，如果其污染物浓度大于给定数值时，则蜂鸣器就会发生警示声音，同时驱动二极管联动，从而实现预警功能。

　关键词：检测系统；单片机；传感器

绪论

　　1.检测目标及系统应用

　　1.1监测目标

21世纪工业生产的快速发展推动了各种工业和轻工业的发展趋势。制造了各种改变人们生活水平的商品，人们的生活水平得到了提高。但是快速发展的背后是大规模的环境污染。加工厂的工业废气排放以及焚烧产生的烟尘已对空气造成了巨大的环境污染。由环境污染引起的霾经常出现在我们的日常生活中。这种雾霾和无形的雾霾使每个人都感到问题很严重。从上个世纪的烟雾弥漫的伦敦到2013年烟雾弥漫的北京，都有充足的信息表明环境污染造成了巨大的危害。本文的研究对象是环境污染肇事者可吸入颗粒物。空气中可吸入颗粒物的成分很低，但是与大颗粒的空气污染物相比，有害化学物质很多，存在时间更长，传播距离更长，空气污染水平非常高大。因此，对可吸入颗粒物环境污染的检测和处理似乎变得越来越关键。

1.2应用现状

该系统软件近年来在中国的日常生活中被广泛使用，例如家庭装修，工作，诊断和治疗，在许多情况下尤为突出。

1.便携式空气质量检测仪

近些年我国污染空气指数情况更加不容乐观，环境污染难题备受大家的关心，只看得见霾，却不清楚环境污染到底到处于什么水平，这会让大家觉得非常不安，因此许许多多的人逐渐开始使用空气检测仪。空气检测仪可以将气体污染物的水平数字化，使空气指数环境污染的数据信息具备由此可见性。可吸入颗粒物检测系统也是空气检测仪的关键部件之一，根据可吸入颗粒物检测系统的检验輸出数据信号显示信息空气中可吸入颗粒物的即时浓度值。

　2.新风系统

新风系统多用于办公室及家用住宅，其是一套独立空气处理系统，主要由由送风系统和排风系统组成。此系统最主要就是过滤空气中的可吸入颗粒物颗粒物，大气中的污染物会随着你的呼吸进入到人体呼吸道，对身体造成极大的伤害，可吸入颗粒物在大气中的浓度越高，空气污染就越严重，可吸入颗粒物检测系统是新风系统对于空气智能检测中不可或缺的一环。

3.空气净化器

空气净化器的使用作为室内清除污染物的强力工具，去除室内颗粒污染物自然是空气净化器的重要功能之一。可吸入颗粒物传感器无疑是空气净化器去除粉尘的源头功臣，目前市场上大部分空气净化器中均采用激光型可吸入颗粒物粉尘传感器检测室内粉尘。

在日常的工业生产中，对于材料的加工经常会产生灰尘粉尘等颗粒物，工厂内人员若长期暴露于在灰尘浓度超标的环境里会对其身体造成严重损害。例如工矿企业会产生大量的粉尘，不但会对工作人员健康造成损害，诱发职业病，而且还会导致机械磨损速度的增加。降低高精尖设备及装置的应用寿命，在某些条件下具有爆炸性。粉尘是在工矿企业的生产过程中产生的各种生产工艺：如钻孔、爆破、挖掘切割、打顶煤、建筑施工、水泥生产、露天采矿场采矿剥离、破碎、矿物加工和筛选。生产工人长时间在高浓度粉尘环境中工作，吸入大量细尘，严重危害人体健康，引发煤肺病，煤炭沉默肺病等职业病。为了保护工人的健康，有必要检测和控制生产性粉尘。需要在工作环境中安装相应的可吸入颗粒物传感器对环境进行检测，确保不会吸入过量粉尘。

2.可吸入颗粒物环境检测系统

　　2.1国内外相关研究情况

关于大气内可吸入颗粒物（PM10）研究，全球很多国家都形成特别健全的PM10浓度检测方法，例如路面PM10无损检测法、基于卫星遥感的PM10的聚类检测法等，目前针对空气中PM10浓度检测的实现方法主要包括5种，一是净重法，二是压电式结晶法，三是光散射法，四是β射线法，五是微震荡天平秤法。

通过首期比较实验研究，在我国自然环境试验站在这些方面获得了一定的研究成果，并明确提出了可以满足其技术要求的性能指标。可吸入颗粒物的三种自动识别方式是：TEOM FDMS、β-DHS和β-DHS。而X热电集团则基于微震荡天平秤原理分别成功研制了teom1405f与teom1405检测装置；我国则基于β射线法理论设计并研发了两款检测装置，一是xhpm-2000e，它是由河北仙河环保设备企业成功研制的，二是th2000tm，它是由武汉天虹集团研制的；X热电企业的5030厦普探测仪另外选用了β射线法跟光散射法的原理。

此外，相关学者还基于散射法研制了粉尘传感装置，用来实现对PM0的检测。大气内的烟尘颗粒于暗室环境中，被平行激光进行照射时，在其直射平面会产生散射光抗压强度，而且其大小与介质浓度呈现正比关系，再将散射光通过AD转换变成光电流，再利用主控芯处理之后，则将其利用积分电路变为和漫射光抗压强度呈现正相干性关联的光学脉冲数。最后再通过对该脉冲数的检测与计算则能够获得烟尘的相关浓度。目前采用该机理的传感装置有许多类型，例如，由厦普集团研制的GP2Y1050AU二代传感装置，英国研发的SM-PWM-01A型GE粉尘传感装置等。

基于逆压电效应研制而成的QCM介质传感装置是现今诸多学者探索的核心内容。该传感装置的光敏电阻是通过石英晶体制成的，在它的表面包覆着一层特别灵敏的塑料薄膜，它能够吸附大气内的PM10，而其石英晶体则会伴随其PM0吸附多少而其共振频率出现改变。给石英晶体施加交变电压时，其则会产生震动现象，如果谐振电路与其具备相同振动频率时，则会出现共震，准确检测此时的谐振频率则能够获得大气内的粉尘浓度。

在实际应用过程中，由于气候、生态环境以及污染特征的不同，在国外能够良好应用的检测装置应用到国内时，则会出现检测的波动性以及较大误差等状况。怎样增强进口仪器的性能，亦或是减小甚至完全摆脱对外国产品的依赖，成为国内该领域内的难点。国内关于PM10检测的研究还停留在起步阶段，亟需落实与推进一系列基础性研究，研发与我国国情相契合的检测装置及技术，加快构建完善的PM0检测管理机制。

　2.2研究主要内容

通过对许多与空气PM10浓度检测法相关的文献资料的查阅，以实现综合性分析。目前主要包括5类检测法：一是净重法，二是压电式结晶法，三是光散射法，四是β射线法，五是微震荡天平秤法。对比各检测法的基本理论及特征，同时评估其各自的优势及劣势。另外，还阐述了能够检验PM10浓度的粉尘传感装置。

基于日常对PM10检验的客观要求及标准，进行系统设计和优化改进。

　2.3总体设计方案

该论文的主要任务是完成关于PM10检测系统的设计工作。在此过程中，首先需要获取PM10浓度数值，然后对该数据进行处理与分析，最后获得检验结果同时展示出来。所以，确定某个合适的检测方案，然后再基于实际需要来完成相关配件的选型，例如收集器、AD芯片、微控制器、显示屏等。通过对当前主流PM10检测方法的比选，能够满足设计标准的办法主要包括5种，详情阐述如下：

方案一：重量法

该法属于国家部门所制定的关于行业规范一种统计分析法。其工作机理为通过具备激光切割特性的采样器来获取给定体积的气体，利用滤膜将其中PM10颗粒过滤下来，然后通过天平对滤膜进行称量，从而得到其吸附前后的质量差，从而则能够计算出PM0浓度数值。此法的优点在于检测的精准性以及数据的可靠性，另外，还可通过此法来评估及衡量其他办法的检测精度。然而该法也存在一定的欠缺与不足，例如基本上都通过手动完成的，其自动化水平较差，无法实现远程检测，同时也无法反映出实时浓度变化。

方案二：微量振荡天平法

该法的理论基础为基于锥形原件的微量天平理论。将该原件的粗头保持固定，其细头则设有可拆滤膜，气体样本通过该原件时，则会把其中的PM10颗粒拦截过虑下来，则会导致该原件质量出现变化，从而使其震荡频率发生相应变化。通过对其前后不同时间点震荡频率的检测，则可计算出关于PM10的浓度数值。该法优势可比肩净重法，而且还可以实现实时检测，然而采样滤膜对大气相对温度的波动特别灵敏，导致其受到较大影响。

方案三：β射线吸收法

该法的理论基础为β辐射衰减系数原理。通过采样器将一定量的空气导入采样管内，然后再经由滤纸过滤排放。则将PM10颗粒通过滤纸拦截下来。然后把β辐射定向至该滤纸上，则可根据其动能衰减获得衰减系统。从而获得PM10浓度数值。该法优势体现为，PM10相关物理特征不会对检测结果产生制约作用。二者间仅具备电子密度关联性。其检测结果的准确性更加优良，能够实现该浓度的实时监测。该法的不足体现为滤纸及PM10颗粒极易被大气中的水分所影响，从而导致检测数据出现一定误差。

方案四：压电晶体法

该法主要以压电晶体的逆压电效应原理为基础的[8]。在此法中，将石英晶体来充当光敏电阻，从而实现精准检测。在由该材料制成的谐振器表层覆盖着一层灵敏性较强的塑料薄膜，其作用为吸附PM10颗粒。其谐振频率则会伴随PM10吸附量的改变而波动。如果将交变电压施加到该谐振器上，其就会产生振动。如果谐振线路频率与其达到相同频率时，则会产生谐振现象。那么该谐振器的频率则能够利用谐振线路频率而得到精确数值，从而得到关于PM10的振荡频率。引法能够实现实时检测，而且其结果更为精准。然而，因为该谐振器对质量改变特别灵敏，所以一定要确保其洁净性，以降低误差。

方案五：光散射法

该法的理论基础是基于微小颗粒的有关特征与米氏散射原理。如果对大气内的悬浮微粒施加光照时，则会产生散射光。在确保微小颗粒特征不变的情况下，其散射光抗压强度则会正相干于其浓度。通过光电倍增管则可实现散射光到光电转变，接着再利用积分电路把其转变为脉冲数。基于一定时间内脉冲数的多少，则可精准检测出PM10浓度数值。然而该法也存在一定不足，例如微小颗粒的构成、架构及折射等原因则会对其检测精度造成制约。

综上所述，净重法可实现对所有检验数据的精准性进行评估，而将其应用于实际检测当中，则会显现复杂；通过方案二、三则可实现自动检测。为改善其检测精度，需要将其引入到膜动态应用程序内。此法无法达到技术要求，所以排除应用。方案四虽然具备较高的检验精准度，然而其造价比较高昂，严重影响其普及程度。方案五不但能够实现高效、精准检测，而且检测装置还具备较为优良的工作稳定性，另外，基于该原理的传感装置种类繁多，且价格低廉，所以经过全面思考、综合比选，最终决定采用方案五来设计采集设备。

图1-1系统总体结构图

421933fd64d92d96beb877b26a261fc6 　　该整体设计方案主要是通过微控制器以及传感装置来实现PM10浓度检测设计的。其工作流程为，通过微粒传感装置来实现对PM10浓度的实时获取，再利用AD转换装置把携带PM10浓度数据的模拟电压讯号转变成模拟讯号，然后把其发送到微控制器实施处理分析，最后获得检测结果并输出到显示器呈现出来。如果探测到的PM10浓度数值大于给定浓度时，则会驱动发光二极管工作，同时带动蜂鸣器发出警示信号。该系统利用相关功能键则可实现PM10浓度预警值的设定功能。

2.4系统主要硬件

采集装置

此系统主要是通过采集装置来实现对所处环境内PM10浓度的采集。该收集装置则是通过微控制器来实现操控的。再者，该收集装置的额定电压以同电源及微控制器应用相同电压为宜。额定电压是相同的，而且还需要达到高效精准标准。通过GP2Y1010AU0F型号的灰尘传感装置则可充分实现PM10浓度的获取，同时还能够实现模拟电压讯号的发送。它的采样时间间隔低于0.01ms，检测结构比较精准。除此之外，其还拥有浓烟与灰尘的区分功能。所以，这里决定采用GP2Y1010AU0F传感装置来实现PM10的收集设计。

显示器

该系统需要将检测结果显示出来，则必须设定其PM10浓度预警临界值。所以，其所采用的显示屏一定要具备两行显示功能。其首行内容为检测获得的PM10数值，具体为“PM10，比值，单位μg/m3”。下一行内容则为预先设定的预警值。为满足设计标准，LCD屏需要实现示数字、英文字母及相关符号的显示。再者，LCD更具优势，例如能耗小、尺寸小、便于应用、可快速显示、无须设置外部驱动模块等，能使其电路及程序得到有效简化。LCD1602能实现16×2显示，其显示字符数达到32个。而且其还具备多功能性，例如清屏、闪烁、移位等。其特别适于显示模块设计的实现。故而，这里决定采用LCD1602来完成显示设计。

模数转换芯片

在该系统中，必须将传感装置产生的0-5V模拟电压实施转化处理。ADC0832作为一种解析度达到8位的A/D转换芯片，它的最大解析度能够高达256级。如果其输入讯号达到上极限值5V时，那么此AD可辨识电压的下极限是0.01953V，能够达到设计标准。再者，该芯片的转化速度特别快，只有32us，而且还具备信号传送稳定性。除此之外，它还拥有单独使能输入功能，便于控制器操控。所以，这里决定采用ADC0832芯片来实现讯号的模数转换。

电源

在该系统中，无论是微控制器、传感装置，还是A/D芯片以及显示屏，其标准工作电压均是5V，故而可通过5V USB数据线电源进行供电，可实现平稳且不间断的电压供给，且便于应用。通过5V电池来进行电能供应也是可行的。

按键

在该系统内，所需要的按键较少，仅需要两个按键，分别实现参数的增、减设置即可，仅需要使用较少的I/O端口，故而可选择独立式按键。各按键均使用独立的I/O口连接线，各I/O口没有关联性，可实现独立工作。此法极大简化了电路及程序的设计，便于实现。

报警装置

在该系统中，预警装置主要包括两部分，分别为LED灯光预警及蜂鸣器声音预警。

　3.系统软件设计

　　3.1程序功能分析

在该设计中，其应用程序是由四部分构成的，一是主程序，其功能体现为浓度的即时展示与发出警报；二是ADC0832转换子程序，其功能主要体现为实现传感模拟信号的数字化转换；三是LCD1602显示子程序，其功能为将经微控制器处理后的PM10浓度数值显出来；四是定时器0中断子程序，其主要功能是控制传感装置正常运转。另外，主程序还实现对其他三个子程序的调用功能。

3.2系统程序设计

通过系统必须完成的功能可以看出，主程序需要完成以下流程：对不同子模块采取初始化操作后，对所仿拟的输出电压数据进行搜集，之后基于所搜集的电压数值，利用拟合运算的方式得出PM10的具体浓度值，并于液晶屏幕上进行显现。其中拟合关系非常接近y=0.5x+0.9（这里面y代表具体的浓度值/mg•m，x代表相应的仿拟电压值/V）。

图3-1系统主程序流程图

a069cd5456ac1900b7d8fba3e209faae 　　对整个系统进行初始化操作，全部的I/O端口均通过初始化操作转换成高电平状态，具体代码为：

在该系统中选择使用定时器0中断操作，主要目的是对粉尘传感器进行驱动，采取方式1作为相应的中断设置，一旦处于中断状态必须再次完成赋值操作。程度设计期间，要求将脉冲中微控制器的产生周期设置到9ms，脉宽数据设置为0.30ms，采用此脉冲完成整个传感装置进行LED发光的操作，同时于0.28ms启动相关讯号的搜集工作。

图3-2定时器0中断程序流程图

050f05ac19e86378ad88bfcfa6e81af1 　　定时器0需要对中断函数进行初值设定，并将中断周期设定为100us，具体代码为：

ADC0832的核心功能是将传感器所传送的仿拟电压讯号转变成相应的数字讯号，之后通过微控制器进行处置。由于传感器相关数据的搜集启动点为传感器正式运转0.28ms后，故而模数转换会于此刻进入启动状态。模数转换工作开启后，首先需要对具体的转换通道进行选取，于DI端口处录入“1、1”的两位数，这代表选取CH1来完成相应的单通道转换工作。

图3-3 A/D转换程序流程图

03b6e3c9a76b93dbd8e48c4b2e9c1b41 　　ADC0832变换通道最终确定选取通道一，具体代码为：

液晶LCD1602显示的首要任务是对字符库进行界定，并完成对DDRAM地址的设定工作，结束之后于首行进行显现，按照程序内所涉及到的数据设定来显现相关首地址，同时对具体的循环量进行设定，循环期间获取相应的字符代码指导程序运行结束。第二行的整个显现流程和首行相同，两行均显现方代表整个子模块运行完毕。

图3-4液晶显示程序流程图

6f5e0cd80bab31129d3dcc3c87132dfc 　　4.测试及应用

　　4.1程序调试

在进行检测系统的编写时采用了C语言，并以keil C51软件为基础完成整个程序的调试工作。单个模块的程序在编写完毕后，必须进行测试，寻找漏洞，一旦有漏洞产生，系统就会给出提示，同时将讯息出错的区域显现出来。在箭头警示的基础上，寻找相关区域内的错误信息，并完成纠错操作。此流程要重复多次，直到C语言编译装置不再产生任何错误或者报警信息位置。将所有程序融合到液晶显示屏相关程序内，查看显示屏的运转状态正常与否。若是出现异常情况，须立即检查LCD屏中不同脚位当前的焊接情况，看空焊、短焊、错焊等情况存在与否。若是所有讯息均处于正常运转状况，可按照顺序逐个增加粉尘测量流程，检查粉尘是否出现异常状况。最后在增加功能键来对整体的机械性能进行调试。

　4.2实际应用环境

伴随科学技术的日渐完善，本次设计的检测系统已走进我们寻常百姓家的生活里，在日常生活，环境监测，医院医疗等领域做出了重大贡献。近几年来，可吸入颗粒物环境检测系统实装应用于实时环境监测设备中，以便实时监控检测空气质量，并进行数据反馈。在不久的未来，我们能看到可吸入颗粒物环境检测系统应用于更多的场合、更严峻的环境，加速我国环保事业的发展。

总结

本文最终所展现的设计已实现了初期所提到的全部需求，整个设计中涉及到的监管系统更为简单实用，适用于具有测量PM10需求的全部人群。而且设备制作过程中所选择的原料品质更佳、价格便宜，整体运行更为简易，操作精准性更加，能够实时调试浓度值阈值。此次设计师将微控制器与传感器两种技术进行了有机结合，最终实现了在PM10相关浓度值的测量工作。其中，监控系统选择微控制器设计STC89C52，空气中微粒浓度的采集工作是由传感器GP2Yl010AU0F完成的，转换为集成式icADC0832，再实施AD转换操作，最终的数据展示通过LCD界面完成，通过发光二极管与蜂鸣装置完成声光警报工作，功能键可以对警报浓度值的最大界限进行设置。在此设计的基础上，可运用微控制器与传感技术的互相结合来完成自然环境品质的检测工作，警示所有人选择安全性更高的举措，同时对目前的环境质量进行改良，具有十分重大的现实意义。

在进行此方案的整体设计过程中，笔者本身的能力得到了快速强化，同时了解与掌握了很多以往从未接触过的专业知识。同时，加强了我的自学能力，使我可以从整体角度去了解以往所学习到的较为散乱的知识点，实现了理论分析的整合操作。而此设计的核心主要包含硬件配备与软件设计这两个方面。通过这段时间的实践工作，使我更加清楚地掌握了51型号的微控制器插座设计信息，熟悉了微控制器设计阶段使用频率较高的电路引脚以及连接方法，比如感应装置等。总体来讲，本次设计从根本上增强了我研究问题、解决问题的能力，进一步掌握了有关理论知识在实际上的运用情况。

本文主要是从人们日常生活所需的角度出发，仅针对此部分实现了有关PM10的测量系统，仅具备一旦超出浓度安全数值范围便直接启动报警操作的性能，整体功能更加简易。而一个较为健全的检测装备需要具有更加强大的性能，既要确保对PM10的检测精准度，还可以完成对PM10的测量，更甚者还加载了有关整个环境中温度与湿度的测量功能；同时，不能只具备报警功能即可，假定目前相关含量已然超过了所设置的浓度值阈值，可通过网络直接开启空气净化设备，对空气进行一定程度的净化操作，便于人们在家庭中的使用。

目前，有关PM10检测技术依然处于不断发展的过程中，未来所使用的检测系统精确度更高、更加科学。而且未来所研制的PM10检测装备的整体正朝着所占空间小、便于携带、价格低廉、精准性高、实际操作简单、性能更强、覆盖范围更广的方向不断发展。

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　致谢

经过这几个月的时间，毕业论文即将完成，回想全程，琐碎平淡的工作，细节，字斟句酌，原本以为会轻松的我，却没想到过程是如此的艰辛，借此机会，我要对帮助过我的人表示深深的感谢。

设计期间，指导老师工作态度认真负责、治学严谨，让我深受启迪，使我了解到乐观、积极进取的态度在做人或是做事上的重要性，同时保持永不放弃的精神；此外，和同学进行毕设相关内容的探讨，既增强了友谊，还让我得到了很多新的思路。借此机会特向所有在毕设阶段为我提供了帮助与关怀的朋友们表达最衷心的感谢!

谢谢老师在教导过程中始终保持敬业的态度，没有您的指点我不可能这么高质量地完成了毕业论文。再一次感谢我的同学和老师，你们给带来了许许多多的思路和灵感，让我在写论文的过程中减少了许多困难，带给我无比强大的信心。最后，祝愿所有老师和同学工作顺利、事业有成!