智能粉尘浓度检测系统设计

田军委　邓晓荣　程洪涛　张鑫

摘 要：针对当前空气污染严重，为准确监测粉尘的浓度，笔者设计出智能粉尘浓度检测系统。该粉尘浓度检测系统围绕ARM为控制中心，完成数据的采集、参数设置、粉尘浓度值计算等系统各模块的程序设计。结合SM-PWM-01A传感器、电源模块、风扇模块、储存模块的硬件电路实现每个模块的功能，从而实现智能检测粉尘PM2.5和PM10的浓度值。同时文章对采集处理后的数据进行了分析。

关键词：粉尘浓度 ARM处理器 光散射

中图分类号：TD714 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（b）-0024-02

粉尘是指悬浮在空气中的固体颗粒物，过多过少的粉尘将对环境产生灾难性的影响[1]。目前，全国各大中小城市PM值都长期超标，尤其在煤矿[2]、建筑工地可产生大量的粉尘，粉尘浓度可达到1 000 mg/m3[3]，危害人的身体健康。因此，及时地对作业现场的粉尘进行监测，有效地除尘和降尘昂，对确保人身安全和提高环境质量发挥着极其重要的作用。

目前，世界各国对粉尘浓度的监测技术做了大量研究。英国研制的Sims linx系列监测仪和OSIRIS粉尘传感器。美国研制的RAM系列实时粉尘检测仪器、3400型粉尘监测仪、TSI粉尘测定仪，粉尘浓度的表示由尘粒计数法换算成粉尘质量测定法。日本研制的P-5Hg、日本柴田LV-5E、LD-IE型的近红外光散射相对浓度测试仪。德国研制的KAII/Model3511、FW-561、FW-100、FW-200、OMD-41、RM-210能够在比较恶劣的环境中使用，以再较短的时间内测试出粉尘的浓度。

国内粉尘浓度监测技术主要以采样器、直读式测尘仪为主。煤炭科学研究总院重庆研究院最先在国内开发出了GCG500粉尘浓度传感器。国内其他厂家也纷纷研制了粉尘传感器，如郑州光力科技股份有限公司生产的GCG1000测尘仪、中国科学院合肥光机研究、无锡市化工防腐设备厂生产的CC-1A测试仪、上海大恒光学精密机械有限公司生产的测试样机JFC-1和北京地质仪表厂生产的AZPC-1等仪器。

国内外粉尘浓度在线监测技术大多都才用光散射原理。由于光散射原理的粉尘浓度传感器是采用的光学原理，探测器易受污染，如不进行处理，会导致探测器灵敏度降低。需要经常标定，增加劳动强度。而且这些设备价格高，外形庞大，移动不便，不能满足当前一些部门和企业对检测设备廉价、移动灵活的要求。

通过分析国内外已有的粉尘检测技术，研究数据采集和传输技术的发展趋势，在原有的技术的基础上，研究开发出具有实用性、可靠性的粉尘数据采集和数据传输系统。向着快速测量，多点连续测量、耐污染、使用寿命长、廉价、外形小巧等方向发展，尽量缩小与先进国家的水平。

1 系统整体组成

根据环境监测功能和系统功耗的要求，该文设计的高精度粉尘检测模块，主要由粉尘采集模块、ARM处理器，光源系统、光探测系统、放大电路、单片机处理、电源电路、数据存储电路、风扇电路构成，用来监测空气中的PM2.5和PM10微颗粒。其控制电路整体框图如图1所示。

空气进入进气孔后，大颗粒灰尘被过滤。过滤后的气体，由微型风扇吸入到粉尘采集模块。粉尘采集模块将采集到的粉尘浓度以脉冲低电平输出，连接到ARM。ARM处理器应用软件编程，计算出扬尘PM2.5和PM10的浓度值，并将信息储存到储存芯片，通过RS485串口输出。在测量数据过程中，利用MC34063变换器控制电压，通过电压稳压器分别给吸气风扇、扬尘模块、ARM采集板供电。

2 系统控制单元及主要外围电路

2.1 控制核心STM32F103C8T6

控制核心采用STM32F103C86，STM32F103C8T6使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，它与所有的ARM工具和软件兼容。其工作频率为72MHz，内置高速存储器，具有丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设。其能够处理多达43个可屏蔽中断通道和16个优先级。STM32F103C8T6最显著的特点是支持三种低功耗模式，可以在要求低功耗、短启动时间和多种唤醒事件之间达到最佳的平衡，其非常适合应用于粉尘传感模块，以便满足对粉尘传感器的长时使用和快速检测的功能要求。

2.2 粉尘采集模块

该装置采用SM-PWM-01A粉尘传感器。SM-PWM-01A是一款利用光学方法检测空气中粉尘浓度的传感器。在此传感器中，一个发光二极管和一个探测器光轴相交，当带粉尘的气流通过交叉区域，产生散射光，探测器就会检测到粉尘散射的IR LED光线，然后将光信号转换成电信号。探测器输出电信号经放大电路放大，放大器输出信号经A/D转换电路转成数字信号。如果低脉冲宽度增加时，表示灰尘浓度增加。显示的灰尘浓度与采样周期内的低脉冲占空比对应。他能够检测到尺寸1.0 μm的室内香烟等小颗粒物和尺寸大于2.5 μm的灰尘粒子浓度。粉尘传感器外形紧凑，质量轻，便于安装。

该设计中将粉尘采集模块输出端连接到STM32F103C8T6的PA1和PA2引脚。通过ARM处理器进行程序处理并计算出粉尘浓度。STM32F103C8T6基本外围电路如图2所示。

2.3 电源电路

粉尘采集模块、STM32F103C8T6和参数存储电路、风扇驱动电路依次采用5 V、3.3 V、10 V供电电源供电，分别采用MC34063、78M05、LM1117供电。

2.4 风扇驱动电路

扬尘检测模块利用吸气风扇使空气循环通过粉尘采集模块，形成恒定的气流，清除气腔内残留的尘埃，便于实时准确检测。

2.5 参数存储电路

此电路利用得电可擦除存储芯片FM24C04，通过两线串行的总线和单片机通讯。芯片内的资料可以在断电的情况下保存100年。

3 数据采集和处理

3.1 数据采集

该环境监测系统需要实时显示检测结果，而取样法监测采样时间较长、仪器维修量大、花费成本较高、自动化程度低，不适合本监测系统，采用适合于该监测系统的基于光散射原理的SM-PWM-01A粉尘传感器。SM-PWM-01A粉尘传感器将采集到的信息以低脉冲信息宽度输出。1 μm左右的小颗粒输出信号为由窄脉冲或重叠的连续的脉冲波形，5～20 μm大粉尘颗粒输出信号为由宽脉冲或不重叠脉冲。该粉尘模块利用传感器输出的PWM波的低电平占空比来计算粉尘的浓度，P1表示小颗粒物浓度输出，P2表示大颗粒物浓度输出，二者低脉冲占空比计算公式为：

3.2 数据处理

该次数据滤波所采用的滤波方法及中位值平均滤波法（复合滤波）。中位值平均滤波法相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”。优点：融合了两种滤波法的优点这种方法既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰。缺点：测量速度较慢，和算术平均滤波法一样，比较浪费RAM。

ARM处理器将采集到的大量数据通过编程软件进行复合滤波，将采集到的N个数据进行从小到大的顺序排序。去掉M个最大和最小的粉尘浓度值，在特殊情况下所测得的粉尘浓度值，复合滤波法排出了这些不稳定的数据。再将所剩的比较稳定的数据求平均值，使所测的数据更加稳定准确。

4 结语

从各个方面分析设计的粉尘模块与国控点所测数据的不一致的原因：首先，由于地理差异，外界环境导致国控监测点与粉尘模块测量点检测的数据具有一定的偏差；再者，国控点的测量仪器与粉尘模块在检测原理、检测精度、检测误差等方面也不一致；最后，国控点数据发布是每小时更新一次，而且有一定的延迟，而粉尘模块检测为每5秒或10秒更新一次，实时性较高。

参考文献

[1] 孙滨，姜传林，陈元勇.基于光学粉尘传感器的车载空气净化装置设计[J].电子技术，2013，4（26）：2-4.

[2] 郭红光，王飞.煤矿井下粉尘治理的PM2.5标准初探[J].煤矿安全，2015（4）：34-36.

[3] 黄钦海，周志衡.某市部分企业工作场所噪声和粉尘危害现状分析[J-36].中国职业医学，2014（4）：13-14.