PM25粉尘浓度检测装置的系统组成原理及及技术实现方案

PM2.5粉尘浓度检测装置的系统组成原理及及技术实现方案2013-05-23阅读次数:6083次摘要本文介绍了PM2.5粉尘浓度检测装置的系统组成原理及及技术实现方案。本实验装置采用单片机技术，采集空气中粉尘粒子浓度及空气温湿度信息，并利用无线传输技术，将采集到的信息传输到计算机主机，进行分析统计，最终测量出大气中PM2.5浓度及空气温湿度等信息。关键词：PM2.5、温湿度、传感、单片机、无线1.引言最近一段时间，“PM2.5”成为大家关注的对象了，什么是PM2.5呢?我通过Internet查阅相关的资料(来自“百度搜索”)。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。PM2.5粒径小，含有大量的有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。2012年2月，国务院同意发布新修订的《环境空气质量标准》增加了PM2.5监测指标。2012年10月6日，北京35个PM2.5监测站点试运行数据全部上线发布。很多人这么想，要是能实时检测自己家附近或者学校操场的PM2.5参数该多好啊?通过调查和查找文献，我发现，PM2.5监测站装置目前基本以专业为主，而一个专业站点的成本大约在几十万，整套系统成本在几千万甚至上亿级别，远非个人家庭能接受。所以萌发了自己做个PM2.5参数实时检测的装置。另外，我们也检索了其它简易PM2.5浓度检测设备，市场上目前有手持式的PM2.5浓度检测仪，这类设备有携带方便、测量过程直观简单等特点，但只能提供在线实时结果检测，不能进行分析统计等功能。这类设备主要应用于医院、商场等公共场所的空气质量检验，设备成本大概在几千元到几万元不等。2.系统设计2.1系统组成我是从以下两出发点来考虑的：首先，价格要便宜，整个装置下来也就人民币几百元(无线单片机65元，电路板20元、其他器件35元，传感器200元);第二，要有一定的准确度或者测量数据对我们的出行有一定的参考价值。通过论证，采用粉尘、温湿度采集模块在室外实时采集空气中粉尘的浓度以及温湿度信息，通过单片机无线传输系统传输到计算机主机，主机即可进行数据分析、计算并进行统计。选用具有低功耗，低花费，高稳定性等特点的Zigbee技术来建立一个用来监测粉尘浓度，大气温度和湿度的无线传感器网络。选择Netbeans作为开发环境来开发PC软件，同时选择TWaverJava包来是图形更加美化。注：ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。系统原理框图如下图所示：整个系统分为三个部分：数据采集和处理，建立无线通信信道和软件开发。第一部分是单片机CC2430连接粉尘传感器DSM501和温湿度传感器SHT11，采集粉尘浓度、空气温湿度信息;第二部分是使用Zigbee技术建立无线信道。网络中有两个单片机CC2430。前端单片机与传感器连接将数据发送到接收端单片机。接收端单片机是整个Zigbee无线网络的核心，它负责建立一个新的连接，并管理网络连接。第三部分是接收端单片机和PC主机连接并通过串口传递数据;PC主机通过软件读取数据并进行分析、统计和显示。整个系统工作流程如下：网络的建立：粉尘传感器、温湿度传感器与前端单片机的连接建立;接收端单片机与PC机连接的建立(通过USB接口);收端单片机和PC主机工作，准备建立无线网络，等待前端节点的加入，连接建立后，节点信息将反馈到PC主机;打开PC主机软件，等待数据传输;对前端采集设备进行加电;PC主机通过收端单片机将收到前端设备地址信息，无线传输网络建立起来;系统软件将接收到粉尘浓度和温湿度信息。2.2器件选型系统中采用的传感器、单片机等器件需要选型。本项目通过比较分析，选择DSM501粉尘传感器、温湿度传感器SHT11、单片机CC2430器件。简要介绍如下：2430，接在用建立CC2430单片机CC2430主要实现粉尘、温湿度采集模块与计算机主机之间的无线传输。传输频率为2.4GHz，采用Zigbee无线网络传输技术。CC2430模块下图所示。DSM501其原理结构图如下图所示。注：PT：光电探测器；LED：发光二极管；Heater：加热器；Lens：透镜传感器采用粒子计数原理。模块内设置加热器，加热使得气流上升，外部空气进入模块内部，如有粉尘等粒子通过时，阻断LED光源，光电检测器检测不到光源，光电检测器则低电位输出；如无粒子通过，则光电检测器高电位输出，形成PMW脉冲宽度调制信号，信号经过放大输出。PMW信号如下图所示：低脉冲率=UT/LTx100%下图是DSM501粉尘传感器在30秒(一个测量周期)时间内输出PWM波形的例子。传感器的低脉冲率与粉尘粒子数成线性关系。其特性曲线如图。只要计算到一定时间内低脉冲的比率，参照特性曲线，即可得到检测到的粒子数，进而计算出PM2.5的参数。该款传感器可灵敏检测直径1微米以上的粒子，如香烟、房屋灰尘、霉菌、花粉、孢子。内置加热器可实现自动吸入空气，该传感器尺寸重量轻、易安装使用。DSM501的电气参数如下表所示：实物照片如下：SHT11SHT11传感器可以实时输出数字化的温湿度信息，精度可以达到2%~5%左右。完全满足我们日常需要。实际上，从传感器测量的数据不是我们所需要的实际数据，我们需要对传输过来的数据进行相应的处理，才能将我们通常的数据显示在PC机上。对于粉尘传感器，每30s内低电平数的百分比显示即为最后我们所需要的粉尘浓度的数据，但是对于温湿度传感器，我们需要按照以下公式来计算。相对湿度：RHlinear=c1+c2×SORH+c3×SORH2(%RH)相对湿度的精度为12bit，根据手册，我们取C1=-4,C2=0.0405,C3=-2.8*10-6。由于实际温度与测试参考温度25℃(~77℉)的显著不同，湿度信号需要温度补偿。温度校正粗略对应于0.12%RH/℃@50%RH，温度补偿系数如下:RHtrue=(T℃-25)×(t1+t2×SORH)+RHlinear其中t1=0.01,t2=0.00008温度：T=d1+d2*SOT由能隙材料PTAT(正比于绝对温度)研发的温度传感器具有极好的线性。可用如下公式将数字输出(SOT)转换为温度值，其中d1=-39.06,d2=0.01。2.3软件设计整个系统软件可分为无线通信网络(Zigbee网络)软件和系统后台处理软件两个部分。Zigbee无线通信软件是整个软件的重要组成部分，通过该软件实现监测数据的获取、接收及传送等功能，我们选择C语言作为设计语言。软件移植了Z堆栈协议，该协议支持cc2430的Zigbee系统解决方案。系统后台处理软件实现检测数据的接收、分析统计、在线显示等多种功能;并保证人机界面的友好性及可管理性。该软件流程图如下图所示：模块设计：1.系统登录：系统登录需用户名和密码，有两种类型用户:系统管理员和普通用户;2.用户管理(只对系统管理员)：系统管理员可以完成普通用户的建立、授权、编辑和删除等功能;3.用户操作：用户可以完成数据获取、显示及更改用户密码等操作;4.监控点设置:用户可以选择监控点，增加或删除一个监控点，设置每一个监控点告警门限等操作。5.数据浏览：用户可以选择浏览当前、历史数据，并查看告警历史记录等。3系统实现整个系统的实物连接图如下图所示：我们首先把自制的电源板和CC2430无线发射装置进行连接，对其进行供电，然后把粉尘传感器、温湿度传感器分别与CC2430无线发射装置进行连接，这样就组成了一个前端监测点。同样我们把自制的USB接口板(主要实现串口通信功能)和CC2430无线接收装置进行连接，并通过USB端口和PC机进行连接，这样接收端组建完成。我们把监测点设备放在所需监测的地方，并打开前端监测点上电源，系统启动，监测点和接收端的无线通信网络建立(大概几秒钟)。打开PC机上后台处理软件，启动监测功能，系统即可监测到粉尘浓度及空气温湿度等相关信息，并进行实时显示，显示结果如下图所示：4.总结和讨论目前系统程序只能对粉尘浓度、温湿度等信息进行实时展示，未能进行统计分析。因此在后续的工作中需进一步改进，形成实时采集、实时展示并可进行分析统计的完整系统。本次实验设计中，我主要工作完成电源电路的制作、系统搭建和调测工作;系统程序部分由于涉及到JAVA编程，目前我尚未掌握，因此主要由指导老师完成。通过本次实验设计，学习了新知识，提高了实践能力，解决了实际问题，因此受益匪浅。同时也对在本次实验设计中给予我大力支持和帮助的老师和同学深表谢意!参考文献[1][2][3][4][5]GB3095-2012《环境空气质量标准》[6]DSM501用户手册