基于S3F94A5XZZ—AQ95的PM2.5监测系统的设计与实现

许树华 张家欣 姜彦吉

摘 要：空气污染、雾霾天气会对人体健康造成不容忽视的影响，可诱发多种呼吸系统疾病。为实时监测PM2.5的数值，文中设计了一款基于S3F94A5XZZ-AQ95微处理器的PM2.5监测系统，选择GDP90A光散射粉尘浓度传感器测量PM2.5的数值，通过程序设定，PM2.5超出标准值时，蜂鸣器报警，并在LCD5110屏上动态显示，以提示人们做好预防措施。测试结果表明，该系统能够较精确地测量出PM2.5的数值，误差约3%，操作简便，能耗低，寿命长，具有一定的应用价值。

关键词：S3F94A5XZZ-AQ95微处理器；PM2.5；雾霾；光散射；监测系统；GDP90A激光传感器

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）04-00-02

0 引 言

随着经济不断发展，工业制造业发展迅猛，同时带来的大气污染也越来越严重，一些城市空气质量不断恶化，雾霾天气比率逐年增加。

雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，而PM2.5[1]（空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的颗粒物）被认为是造成雾霾天气的“元凶”，其粒径小，活性强，易附带有毒、有害物质（如重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对环境质量的影响较大，同时也是威胁人体健康的隐患[2]。

1 系统总体结构

本系统由传感器，单片机，LCD屏和蜂鸣报警器组成。在测量之前，首先通过程序设定PM2.5的基准值作为报警装置的阈值，系统内部的空气引流装置将空气传至测量装置，传感器发射出激光，然后依据光散射原理将随PM2.5浓度变化而变化的光信号传到S3F94A5XZZ-AQ95微处理器并进行数值分析[3，4]，再将数字信号传递给LCD屏幕和蜂鸣报警器，总体结构如图1所示。

2 硬件组成

2.1 传感器选型

粉尘传感器对整体设计起着决定性作用，直接影响到PM2.5浓度值采集的精准度和可靠性。GDP09A激光粉尘传感器是一款基于激光散射原理的数字式通用颗粒物浓度传感器，令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，同时在某一特定角度收集散射光，连续采集并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，即颗粒物浓度分布，进而换算为质量浓度，并以通用数字接口的形式输出，得到散射光强随粉尘浓度变化的曲线[5]。通过微处理器利用基于米氏（MIE）理论的算法[6，7]，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量。若检测颗粒直径在0.3 μm以上（0.3～1.0，1.0～2.5，2.5～10，单位：μm），则传感器内置气体发生器可自行引入外部空气。本传感器可嵌入各种与空气中悬浮颗粒物浓度相关的仪器仪表或环境改善设备[8]，为其提供及时准确的浓度数据。

实时测量曲线如图2所示。

2.2 控制核心选型

本设计选用S3F94A5XZZ-AQ95微处理器作为控制核心，其工作频率为72 MHz，兼容性优越，具有4个可配置的I/O端口（26针）以及26个中断源和8个中断级，其最显著的特点是可在低功耗、短启动和多种启动程序之间达到最佳平衡[9]，非常适用于PM2.5粉尘传感器，以满足对粉尘浓度传感器长时间使用和快速监测的功能要求，处理器引脚如图3所示。

2.3 电路电压转换

电路电压转换装置主要为设备提供合适的电压：S3F94A5XZZ-AQ95单片机工作电压为5 V，LCD5110显示屏等模块工作电压为3.3 V，GDP90A激光粉尘传感器工作电压为5 V，蜂鸣报警器工作电压为10 V。电压转换电路由本质安全型电源电路[10]转换成三个电压，即3.3 V，5 V和10 V。电路电压转换如图4所示。

2.4 报警装置

当粉尘浓度超过设定的标准值时，ABS蜂鸣报警系统中的报警器会发出报警鸣声，从而达到报警效果。蜂鸣报警器由续流二極管、蜂鸣器、滤波电容及三极管构成。蜂鸣报警器电路如图5所示。

3 软件实现

此系统程序由C语言编写，C语言是一门通用的计算机编程语言，其应用广泛，能提供一种简易的编译方式，产生少量的机器码，且无需任何运行环境支持。单片机每从传感器接收一次PM2.5浓度数值，便将其存放在一个数组中，程序主函数处理该数据后得出PM2.5值并将其显示在LCD屏上，同时判定该值是否超出预先设置的报警峰值，若超出报警峰值，则蜂鸣器报警。软件实现程序流程如图6所示。

4 实验测试

为测试本文所设计的系统监测效果，在葫芦岛市4个不同地区采集当天的PM2.5数值作统计计算，将得到的数值与环保局发布的数据做对比。测试一周，误差率小于等于3%，结果较为准确。测试结果见表1所列。

5 结 语

本文设计了一种基于S3F94A5XZZ-AQ95单片机的PM2.5监测系统，利用GDP90A激光粉尘传感器采集数据，将粉尘浓度值进行分析并传到LCD显示屏，当浓度超过设定值时，蜂鸣报警器会发出警报提醒。该系统具有测量精准、能耗低等特点，便于人们了解所处环境的空气质量，具有一定的应用价值。

参考文献

[1] 范明辉.我国环境空气质量标准的政策学习与政策变迁分析[D].大连：大连理工大学，2013.

[2] 薛文博，付飞，王金南，等.中国PM2.5跨区域传输特征数值模拟研究[J].中国环境科学.2014，34（6）：1361-1368.

[3]王清华.光散射法颗粒大小与形状分析[D].南京：南京工业大学， 2003.

[4]张珊珊，雷志勇.基于光散射与透射原理的粉尘浓度测量方法研究[J].计算机与数字工程，2016（2）：362-366.

[5] GORNER P，SIMON X，BéMER D，et al.Workplace aerosol mass concentration measurement using optical particle counters[J].Journal of environmental monitoring jem，2012，14（2）：420 -428.

[6]刘勇洪.基于NOAA/AVHRR1B卫星资料的北京地区霾识别研究[J].气象，2014，40（5）：619-627.

[7] 李伟，邵利民，李树军，等.我国海雾总体特点及其对中红外辐射能量衰减的分析[J].红外与激光工程，2017，1（8）：24-28.

[8] 刘晴阳.仪器仪表智能化进展[J].山东工业技术.2016（4）：141.

[9] WANG X L， WANG B.The electronic counting system design based on single chip microcomputer[J].Advanced materials research，2013（717）：608-612.

[10] 潘雅楠.本质安全型缓启动电源电路的设计[J].煤矿安全，2014，45（12）：113-115.