环境参数PM2.5检测仪设计

西京学院控制工程学院 姚 冲 侯新刚 李红波 孙 静 李怡瑶 周湘仪

环境参数PM2.5检测仪设计

西京学院控制工程学院 姚 冲 侯新刚 李红波 孙 静 李怡瑶 周湘仪

【摘要】本文是利用GP2Y1050AU0F灰尘传感器获取环境参数PM2.5的数据，并将数据通过STC15W高性能嵌入式控制器进行数据滤波，其有效数据借助HMI显示器进行数据显示和曲线绘制，该检测仪能够做到环境参数PM2.5获取、处理以及显示。实验证明：该检测仪实用新颖，小巧易携带。

【关键词】GP2Y1050AU0F灰尘传感器；STC15W；手持检测仪；PM2.5检测仪

0 引言

空气质量作为民众百姓关心的一个重要指标，关乎呼吸健康。应用灰尘传感器和嵌入式系统通过HMI显示器制作成一部简易PM2.5检测仪，该检测仪能够完成环境参数PM2.5的获取，方便人们及时、准确的获知当前空气质量以便及时做好预防措施，保护脆弱的呼吸系统，尤其是小孩和老人更能在这部检测仪中获益。近些年来，尤其是北京奥运会以后，空气质量以及PM2.5作为大众所熟知的新名词常常挂在人们的嘴边。但是通过当地气象局、观测站的空气质量数据仅仅只有参考作用，在大城市中各个地区的数值往往区别很大，而专业的空气检测仪价格动辄上万操作也是普通人难以掌握的。本文所提出的环境参数PM2.5检测仪在研究和市场应用中显得十分有必要，该检测仪具有智能准确、小巧便携、即开即用等特点，能够很好的解决环境参数PM2.5获取的需要。

1 STC15W单片机

本检测仪采用STC（宏晶）公司的STC15W4K48S4单片机，宽电压设计（2.5V～5.5V），高性能、低功耗、单机器周期，硬件上具有乘法/除法器，性能超过16MIPS，48KB片上Flash ROM，4KB SROM，四个超高速全双工USART，8通道十位ADC转换器，采样率可达300KHz，一个可倍速的SPI接口，5个定时器，支持6路15位PWM带死区控制能力的输出等，其片上资源丰富、性价比高，可以满足数据的快速获取和运算。

2 HMI显示器

HMI显示器是DCOLOUR（广州大彩）公司的一个集TFT显示驱动、图片字库存储、GUI操作、RTC显示及各种组态控件于一体的串口显示终端，用户单片机只需要发送相应的串口命令就可以轻松实现文本、图片和曲线显示。显示系统采用Cortex-M3以及高速FPGA双核设计，ARM主要进行协议解析和USB图片下载，FPGA主要实现Nandflash的图片读取和TFT控件显示。该架构特点从某种程度上确保了系统的健壮性和抗干扰性能强。由于FPGA内部是采用并行处理机制，所以Nandflash的数据读取、SDRAM的写入和RGB数据输出全部在同一个时钟节拍下执行，确保了系统图片更新速度快，响应时间快等特点，该显示器广泛应用于工业显示、智能家居等行业。

图1 HMI显示器结构图

3 GP2Y1050AU0F灰尘传感器

该传感器是SHARP（夏普）公司的一款利用光电检测原理的灰尘传感器。烟灰或室内灰尘等空气中的粉尘处于检测范围内时，由于这些粉尘而散射的光射入光接收元件作为电压输出，传感器内部MCU进行AD转换对外使用串口输出，其参考值出厂前已标定好，相比较以往模拟量输出的传感器在输出精度上更有保证。

4 系统硬件设计

系统硬件设计主要包括传感器信号前端处理电路、STC15W单片机核心板和HMI显示器接口电路，三大部件共同组成检测仪。系统框图如图2所示。

图2 系统框图

5 固件程序设计

固件程序主要包括主程序和数据滤波程序两部分，其中主程序用于对单片机、传感器和显示器初始化设置以及数据获取、上传等功能，数据滤波程序主要完成数据转换和稳定等功能。

5.1 主程序设计

主程序主要包括初始化数据缓冲区、I/O口、定时器T0、串行通讯口1、串行通讯口2以及对HMI显示器和传感器初始化设置等。当在设定间隔时间内完成采集任务，数据滤波程序对数据进行处理后按照设定好的帧格式完成对HMI显示器定时数据上传。系统主程序流程图如3所示。

图3 主程序流程图

主程序代码如下：

5.2 数据滤波程序

数据滤波程序用于将获取的数据进行稳定运算，使输出的数据更加平滑，减少误差。由于传感器对外每秒钟输出十次数据，而对屏幕数据每秒钟刷新一次，所以采用定时器定时处理获取到的数据。

图4 环境参数PM2.5检测仪界面

6 HMI界面设计

HMI界面设计使用VisualTFT上位机软件。VisualTFT上位机软件为DCOLOUR（广州大彩）公司配套HMI显示器开发使用，直接使用内嵌的虚拟串口屏与单片机进行通讯，也支持Keil环境下直接调试，与真实硬件操作一样。图4为环境参数PM2.5检测仪在西安某地区十小时监测数据。

7 总结

本文利用高性能嵌入式系统和灰尘传感器以及HMI串口显示器，设计了简易的PM2.5检测仪。该检测仪运用了夏普灰尘传感器，其参考值出厂已标定，串口数据输出更加稳定可靠，在数据处理中采用嵌入式系统，能够及时进行数据的处理、减数据误差，显示采用HMI串口显示器，通过对显示界面及通讯的单独设计，减少设计难度提高系统稳定性。实验证明，该检测仪能够较好的满足普通环境下的环境参数PM2.5的获取，达到设计要求。

参考文献

［1］陈权昌，李兴富.单片机原理及应用［M］.广州∶华南理工大学出版社，2007∶84-102.

［2］李庆亮.C语言程序设计实用教程［M］.北京∶机械工业出版社，2005∶32-58.

［3］康华光.电子技术基础数字部分［M］.北京∶高等教育出版社，2008∶203-209.

［4］杨欣.电子设计从零开始［M］.北京∶清华大学出版社，2005∶28-102.

基金项目：2015年高校国家级大学生创新创业训练项目（项目编号：201512715802）。

作者简介：

姚冲（1994—），陕西西安人，大学本科，现就读于西安西京学院。

侯新刚（1982—），陕西西安人，讲师，主要研究方向为电路设计。

李红波（1982—），陕西西安人，讲师，主要研究方向为数据采集与控制。