PM2.5環境檢測系統的設計與分析

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摘要：

大氣顆粒物污染對人類健康和生態環境造成了很大的影響，這讓人們逐漸重視起對細顆粒物PM2.5檢測技術的研究。本文闡述了PM2.5濃度檢測的五種方法，在對上述各方法分析總結的基礎上針對日常生活中PM2.5污染檢測的實際需求，設計了一種PM2.5濃度檢測的方案。本設計通過GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器采集周圍環境空氣中PM2.5的濃度值，由ADC0832模數轉換芯片將傳感器輸出的模擬電壓轉信號轉換成數字信號，并將數據傳送給單片機STC89C52。單片機分析處理數據得到最終的檢測結果，將其顯示在LCD1602液晶屏上。當檢測到的PM2.5濃度值大于預先設置的PM2.5濃度值時，蜂鳴器和發光二極管發出聲光報警。本論文對這些功能模塊進行了設計，并制作電路實現了相應的功能。通過進一步的調試與集成，實現整個系統的功能，達到檢測目的。

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一．研究背景及意義：

隨著工業的發展，各種新產品不斷被制造出來，人們的生活水平得到了很大的提高。但是這些工業產品在生產、使用過程中造成的污染卻越來越嚴重。工廠排放的工業廢氣，汽車排放的尾氣、燃燒產生的煙霧、還有很多化學性爆炸等都可以導致大氣的污染。大氣污染使得空氣質量惡化，會導致陰霾天氣頻繁出現，這種“不見天日”的天氣讓人們感到深深地恐懼。從1952年倫敦的殺人霧事件再到2013年北京霧霾持續不散的現象，無不透露出大氣污染已產生了巨大的危害。造成大氣污染的元兇就包括本課題要研究的對象PM2.5。雖然PM2.5在地球大氣成分中含量很少，但它與空氣中粗大顆粒物相比，富含更多的有毒、有害物質而且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，對大氣環境質量影響更大。因此，對PM2.5污染的檢測和治理便顯得越來越重要。

我國于1982年由國家環境保護局首次發布《大氣環境質量標準》，但并未規定PM2.5的安全閾值，隨后在1996年、2000年和2012年進行了3次修訂也沒有針對PM2.5濃度限值做出修改。直到2012年2月29日，環境保護部公布了新修訂的《環境空氣質量標準》，才增設了細顆粒物（粒徑≤2.5μm ）濃度限值。

［1］與新標準同步還實施了《環境空氣質量指數（AQI ）技術規定（試行）》。PM2.5

是指環境空氣中空氣動力學當量小于等于2.5微米的顆粒物，也稱細顆粒物、可入肺顆粒物。PM2.5被吸入人體后會進入支氣管和肺腔，干擾肺部的氣體交換，引發包括哮喘、支氣管炎和心腦血管病等方面的疾病；這些細顆粒物還可以通過支氣管和肺泡進入血液，其中的可溶性物質、有害氣體、重金屬等溶解在血液中，對人體健康的傷害更加大。

通過對PM2.5濃度進行檢測，得到一個現實的可參考的數據，讓人們能很直觀地知道PM2.5污染的嚴重程度。為了可以得到更準確、更科學的檢測結果，要對PM2.5檢測技術進行研究尋求更先進的檢測技術。檢測環境空氣的PM2.5是做好預防PM2.5污染的第一步，也是為實施大氣污染治理提供準確的技術數據的關鍵所在。對PM2.5進行科學、準確地檢測，可以增強對大氣PM2.5的預測預警，將研究成果應用到各地，可以提高政府對公共事件指揮應急水平，降低對市民健康的潛在危害，減少經濟損失，促進社會穩定和諧，產生社會、經濟和生態效應等。

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國內外研究現狀：

對于PM2.5的檢測，國內國外都擁有多種成熟的檢測技術，包括地面PM2.5檢測技術、基于衛星遙感技術的氣溶膠光學厚度結合空間聚類分析預測PM2.5的濃度等［2］。目前，在地面檢測空氣中PM2.5濃度常用的技術主要有5種，分別是重量法，壓電晶體法，光散射法，β射線法，微量振蕩天平法。

經過第一階段的比對測試工作，中國環境檢測總站開展的比對測試已取得一定成果，并提出可滿足我國自動檢測需要的PM2.5檢測方法及其采用的相關儀器的關鍵技術指標要求。所提的三種PM2.5自動檢測方法為：微量振蕩天平儀器加膜動態測量系統（TEOM+FDMS）、β射線方法儀器加動態加熱系統（β+DHS）、β射線方法儀器加動態加熱系統聯用光散射法（β+DHS+光散射）。美國熱電公司的TEOM1405F 、TEOM1405檢測設備就是基于微量振蕩天平技術開發的；河北先河環保公司的XHPM-2000E 監測儀、武漢天虹公司的TH2000TM 監測儀是利用β射線法原理對PM2.5進行檢測的；美國熱電的5030-SHARP 檢測儀同時利用了β射線法和光散射法原理。

目前按照重量法設計的采樣設備也比較多，如中國生產的TH —150型智能中流量顆粒物采樣器、四通道PM2.5采樣器（PR2300）、美國URG 公司生產的通用型大氣污染物采樣儀（URG —3000k ）、德國GRIMM 分析儀等。這些采樣儀器利用PTFE 膜或PTEE 濾膜對PM2.5進行采樣，再采用稱重的方法計算顆粒物質量濃度。

此外人們還設計了基于光散射法的粉塵傳感器來檢測PM2.5濃度。空氣中的粉塵在暗室內受到激光發生器發出的平行光照射時，粉塵的散射光強度正比于質量濃度，該散射光經過光電轉換器轉換成光電流，經主控板的光電流積分電路轉換成與散射光強度成正比的光電脈沖數。計算脈沖數即可測出粉塵的相對質量濃度。如夏普灰塵傳感器二代GP2Y1050AU ，美國GE 粉塵傳感器SM-PWM-01A ，SDC 智能灰塵控制器等。

基于逆壓電效應的QCM 質量傳感器也是人們研究的重點。QCM 傳感器利用石英晶體作為敏感元件，其表面的敏感薄膜吸附空氣中的顆粒物，石英晶體的固有頻率隨吸附顆粒物質量的變化而變化。對石英晶體施加交變電壓，石英晶體產生振動，當振蕩電路的頻率與石英晶體的振動頻率一致時產生共振，測量此時振蕩電路的頻率就可得到空氣中粉塵的質量濃度。

在實際應用中，由于氣候條件、環境特征、污染源特點等的差異，國外能正常使用的儀器設備，在國內進行檢測時卻存在檢測數據不穩定或偏差較大的問題，如何改進進口設備的性能，或者降低甚至消除對進口設備的依賴是當前我國粉塵污染檢測所面臨的問題。我國針對PM2.5的檢測仍處于起步階段，需要繼續開展大量的基礎工作，研制出符合我國國情的檢測技術和設備，促進建立完備的PM2.5檢測體系。

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研究的主要內容

通過查找關于PM2.5檢測有關的資料，分析對PM2.5濃度進行檢測的技術。如重量法、壓電晶體法、光散射法、β射線法、微量振蕩天平法。分析每種方法的原理和特點，并評價每種方法的優缺點。此外還介紹了可以實現對PM2.5濃度進行檢測的粉塵傳感器。

針對日常生活中對PM2.5污染檢測的實際需求，利用PM2.5檢測傳感器和單片機最小系統設計一種PM2.5濃度檢測系統。

系統功能應包括：

（1）采集PM2.5濃度；（2）模擬電壓轉換成數字信號；

（3）單片機處理數據；（4）顯示檢測結果；（5）設定報警濃度限值。

系統要用到的硬件應包括：（1）系統控制核心單片機；（2）采集裝置粉塵傳感器；（3）模數轉換芯片；(4)液晶顯示屏；（5）聲光報警裝置蜂鳴器和發光二極管。

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本章主要介紹了本設計的研究背景、意義、現狀和研究的主要內容。簡單來說就是人們正面對著PM2.5造成的污染，迫切需要先進、可靠的檢測技術對PM2.5進行檢測，本設計就是討論如何設計一種PM2.5濃度檢測系統。

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二．總體設計方案：

本設計要實現對PM2.5濃度的檢測系統的設計。設計具體要滿足對PM2.5濃度采集、對數據信號處理、對檢測結果進行顯示等。因此，先要選擇合適的檢測方法，再選擇合適的采集裝置、A/D轉換芯片、單片機、顯示器等。分析現有的對PM2.5進行檢測的技術，可以達到要求的有5種檢測方法，具體方案如下：

方案一：重量法

重量法是國家標準分析方法。這種方法的原理是用一定切割特征的采樣器（切割器是根據氣流中顆粒是沿流線偏轉還是被擋板阻擋來分離不同粒徑的裝置）抽取定量體積的空氣，把空氣中的PM2.5截留在濾膜上，再用天平進行濾膜稱重，得到采樣前后濾膜的質量，就可計算出PM2.5的濃度。這種方法的優點在于測量直接、數據可靠，還能夠用來對其他方法測量得到的結果的準確性進行驗證。缺點是人工工作量大，自動化程度低，不適合進行遠距離檢測，不能反映PM2.5質量濃度在短時間內的變化。國產的TH —150系列智能中流量顆粒物采樣器就是基于重量法設計而成的［5］。

方案二：微量振蕩天平法

微量振蕩天平法主要是利用錐形原件微量天平原理。錐形原件粗頭固定，細頭裝可以更換的濾膜，采樣氣體通過錐形原件（粗頭進，細頭出），PM2.5被截留在濾膜上，錐形原件質量的變化引起振蕩頻率的改變。測出前后兩個不同時刻的振蕩頻率，就能計算出PM2.5的質量濃度。微量振蕩天平技術與重量法有良好的一致性，還可以實現實時在線檢測，但采樣濾膜易受空氣濕度影響。我國具有PM2.5自動檢測能力的城市有60%以上使用基于微量振蕩天平法的檢測設備，美國生產的TEOM1405系列顆粒物監測儀就是運用微量振蕩天平技術制備的［6］。

方案三：β射線吸收法

β射線吸收法利用了β射線衰減原理。空氣由采樣器吸入采樣管，經過濾膜后排出，PM2.5沉淀在濾膜上，當β射線照射沉積了PM2.5的濾膜時，β射線的能量衰減，根據衰減量就可求出PM2.5質量濃度。β射線吸收法的優點是檢測結果不受細顆粒物物理、化學性質影響，只與其電子密度有關，測量結果較為準確，可以實時檢測PM2.5濃度的變化情況。該法的缺點是濾膜與細顆粒物易吸附空氣中的水分，容易對檢測結果造成影響。我國具有PM2.5自動檢測能力的城市有30%左右使用的設備是采用β射線吸收法制備的，美國METON 的BAM1020粒子檢測器就是采用了β射線吸收法原理對粒子進行檢測［7］。

方案四：壓電晶體法

壓電晶體法檢測PM2.5利用的是壓電晶體的逆壓電效應［8］。該技術采用石英晶體作為測量敏感元件，石英晶體表面的敏感薄膜吸附空氣中的PM2.5，石英晶體的固有頻率隨吸附質量的變化而變化。對石英晶體施加交變電壓，石英晶體產生振動，當振蕩電路的振動頻率與石英晶體的振動頻率一致時產生共振，測量此時振蕩電路的振動頻率就可得到石英晶體的振蕩頻率，進而可求得PM2.5的濃度。壓電晶體法可實現實時在線檢測，測量結果也較為準確，但因石英晶體對質量變化較為敏感，因此需保持良好的清潔來減少測量出現的誤差。QCM 質量型傳感器就是采用壓電晶體法來實現對粉塵濃度的檢測。

方案五：光散射法

光散射法檢測PM2.5濃度利用了細顆粒物的相關性質和Mie 散射理論。當光照射到懸浮在空氣中的細顆粒物上時，會產生散射光。在細顆粒物性質保持一定的前提下，產生的散射光強度與細顆粒物的質量濃度成正比。通過光電倍增管將顆粒物的散射光轉換成光電流，再經光電流積分電路將光電流轉換成電脈沖，通

［9］過測量單位時間的脈沖數，就可以計算得到PM2.5的濃度。光散射法測量PM2.5

質量濃度具有測量快速、準確，檢測靈敏度高，性能穩定等優點。但測量結果易受細顆粒物粒徑組成、結構、折射性等因素影響。夏普粉塵傳感器二代GP2Y1010AU 就是采用光射法原理制備而成的。

通過對以上方案進行比較可以得出：重量法適合對各種方法檢測結果的準確性進行驗證，若作為檢測系統的采集裝置會顯得很笨重；微量振蕩天平技術和β射線吸收法適合用在自動檢測中，它們為達到高精度、高準確性，需要加載膜動態系統，本設計達不到這樣的技術要求，故而不選用；用壓電晶體法來檢測，此法的檢測精度較高，但基于壓電晶體法的QCM 質量型傳感器造價高，不適合作為日常檢測的設備；光散射法檢測可以做到快速、準確，而且設備性能較穩定，此外基于光散射的各種傳感器價格都比較實惠，基于以上的考慮，本次設計選擇方案五的光散射法檢測技術，在此基礎上來選擇合適的采集裝置。

本設計總體方案設計思路是采用單片機和傳感器技術相結合來實現對PM2.5濃度的檢測。具體設計是由粉塵傳感器實時采集PM2.5濃度值，通過AD 轉換器將傳感器輸出的模擬電壓轉換成數字信號，并傳送給單片機進行數據處理，檢測結果將顯示在液晶屏上。當檢測到的PM2.5濃度值大于設置的濃度限值時，發光二極管會亮同時蜂鳴器發出聲響。PM2.5的濃度報警值可以通過按鍵進行設置。

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系統總體結構圖如下：

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PM2.5環境檢測系統用例圖：

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PM2.5環境檢測系統總ER圖：

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PM2.5環境檢測系統活動圖：

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依賴關系圖：

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PM2.5環境檢測系統類圖：

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PM2.5環境檢測系統分解圖：

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主控制器

本設計需要對傳感器、顯示器、報警器等進行控制，讓它們發揮各自的功能，STC89C52單片機是一個功能很強的8位微處理器，可以滿足此要求。另外本設計預計要使用23個（不計復用）單片機引腳，STC89C52具有40個引腳也是可以滿足需要的。STC89C52內部程序空間多達8K ，對于本設計而言也算是綽綽有余了，同時STC89C52單片機價格非常低廉，用于日常應用非常合適。不管從功能、價格還是使用的難易程度來說STC89C52都是合適的選擇。因此，本設計采用單片機STC89C52作為整個系統的核心。

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采集裝置

本設計需要用采集裝置來對周圍環境中的PM2.5濃度進行采集，采集裝置的工作狀態要受單片機的控制，另外采集裝置的工作電壓最好與電源電壓、單片機工作電壓相一致，性能上還要具有采集快速，準確的特點。GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器可以完成對PM2.5的采集和輸出模擬電壓信號，其最優工作電壓為5V ，與電源電壓一致。它采集周期不到0.01ms ，檢測結果也較為準確，另外它還具有分辨煙霧和灰塵的功能［10］。因此，選用GP2Y1010AU0F 傳感器為本設計的PM2.5采集裝置。

顯示器

本設計準備顯示測量的實時數據，同時還需要設定PM2.5的報警閾值，因此要選用能顯示兩行內容的顯示器，第一行顯示檢測到的PM2.5濃度值包括“PM2.5、具體數值、單位μg/m3”，第二行要顯示預設定的PM2.5濃度報警限值，顯示具體內容與第一行相仿。液晶LCD 可以顯示數字、字母、符號等，滿足本設計要顯示的內容。另外LCD 還具有功耗小、體積小、使用方便，顯示快速，而且不需要外加驅動電路的特點等，可以使本設計系統的電路和程序的設計簡單化。LCD1602液顯能同時顯示16x2即32個字符，可以提供清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示

移位等多種控制命令，很適合作本次設計的顯示器。因此，本設計采用液晶LCD1602進行顯示。

模數轉換芯片

本設計需要轉換傳感器輸出的0-5V 的模擬電壓，ADC0832為8位分辨率的A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，當輸入信號最大值為5V 時，此AD 可以區分的信號的最小電壓為0.01953V ，能滿足對本次設計模擬電壓轉換要求。另外ADC0832轉換時間僅為32us ，轉換速度快且穩定，而且本次設計對轉換時間的要求并不是很嚴格。此外ADC0832具有獨立的芯片使能輸入，使得處理器控制起來很方便。因此，本設計選擇ADC0832模數轉換芯片來對傳感器輸出的模擬電壓信號進行轉換。

電源

本設計采用的單片機、傳感器、A/D轉換芯片、顯示器等都是在5V 電壓下正常工作，所以本設計采用輸出電壓為5V 的USB 數據線供電， USB供電具有持續且穩定的電壓輸出性能，而且使用起來很方便。用5V 蓄電池供電也是可取的。

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按鍵

本設計采用的按鍵并不是太多，只有1個參數增加按鍵和1個參數減少按鍵，不會占用太多的I/O口，因而采用獨立式按鍵。每個按鍵單獨占有一根I/O接口線, 每個I/O口的工作狀態互不影響。這樣可以使電路設計簡單、編程也相對比較容易。

報警裝置

本設計報警系統由兩部分組成，一是LED 燈光報警，二是蜂鳴器聲音報警。

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本章主要介紹了PM2.5檢測系統的總體方案設計和主要的硬件選擇。采用5VUSB 數據線供電；STC89C52單片機進行數據處理；GP2Y1010AU0F 傳感器采集PM2.5濃度值；ADC0832芯片進行模數轉換；LCD1602進行數據顯示；蜂鳴器和發光二極管進行聲光報警。

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三．硬件電路設計（略）

四．系統軟件設計

程序功能分析

本設計的系統軟件設計主要包括對主程序，ADC0832轉換子程序、LCD1602顯示子程序和定時器0中斷子程序的設計。主程序主要負責濃度的實時顯示和報警裝置的報警；定時器0中斷子程序負責驅動傳感器工作；ADC0832轉換子程序負責對傳感器傳送過來模擬信號進行轉換，轉換成數字信號；LCD1602顯示子程序負責顯示單片機處理分析過的PM2.5濃度值。主程序調用了ADC0832轉換子程序、LCD1602顯示子程序、定時器0中斷子程序。

系統程序設計

從系統要實現功能的角度來看，主程序的流程為：在完成各部分初始化之后，采集模擬輸出電壓，再根據采集到的電壓值，通過擬合計算出PM2.5濃度值，顯示在液晶上。擬合關系近似為y=0.5x+0.9（y 為濃度值/mg?m ，x 為模擬電壓值［15］/V）。

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系統主程序流程圖如下

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系統初始化，所有I/O口都初始化為高電平，代碼如下：

P0=0xFF;

P1=0xFF;

P2=0xFF;

P3=0xFF;

本設計系統采用的定時器0中斷是為了驅動粉塵傳感器，定時器0中斷設定工作為方式1，每次進入中斷后需要不斷地重新賦值。在程序設計中，需要單片機產生周期為9ms 脈寬為0.30ms 的脈沖來驅動傳感器內部的LED 發光，并在0.28ms 對信號進行采集。

定時器0中斷程序流程圖

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定時器0中斷函數賦初值，中斷周期100us ，代碼如下：

TH0=0xFF;

TL0=0xA4;

TR0=0;

count_100us++;

ADC0832的主要作用就是把傳感器輸出的模擬電壓信號轉換為數字信號，再由單片機處理。因為傳感器的采集是從傳感器工作0.28ms 之后開始的，因此A/D轉換也應在傳感器工作0.28ms 后開始。A/D轉換開始后，開始選擇轉換通道，在DI 端輸入的兩位數據為“1、1”表示選擇只對CH1進行單通道轉換。

A/D轉換程序流程圖

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ADC0832轉換通道選擇通道一，代碼如下：

Clk = 0;

DATI = 1;

_nop_();

Clk = 1;

_nop_();

Clk = 0;

DATI = 1;

_nop_();

Clk = 1;

_nop_();

液晶LCD1602顯示首先自定義字符庫，設置好DDRAM 地址后在第一行顯示，根據程序中的數據設置顯示數據的首地址并設置循環量，在循環過程中不斷取字符代碼直至終止，第二行的顯示過程與第一行的顯示過程一樣，兩行顯示完畢便結束子程序。

液晶顯示程序流程圖

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本章小結

本章主要介紹了檢測系統的主程序及主要子程序的設計，分別畫出了它們的流程圖。程序的編寫是根據系統所要實現的功能和所選擇硬件來編寫的，是整個檢測系統的靈魂所在。

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五．安裝與調試

程序調試

本次設計檢測系統的控制程序是采用C 語言編寫的，對程序的調試是通過keil C51軟件進行的。每次編寫完程序，都要從頭運行一次，若是出現錯誤，軟件系統會發出警示并顯示錯誤出現的地方。根據箭頭的提示，在對應的地方找出錯誤，改正后繼續運行。重復這個步驟直到編譯器不提示程序還存在錯誤或者警示。把設計好的程序燒入液晶顯示程序，看顯示器是否正常顯示。如果不正常，檢測LCD1602液晶的各引腳的焊接情況，有沒有虛焊，短焊，錯焊的情況。顯示正常之后，再加入粉塵檢測程序，看粉塵檢測是否正常。最后加入按鍵進行整機調試。

本章小結

系統的調試是設計過程中很重要的一環，不管是程序的編寫還是硬件的安裝，只有不斷發現問題，解決問題才能完善系統，做出合格的檢測系統。

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六．結論與展望

結論

本次設計完成了設計之初的所有要求，所設計的檢測系統簡單實用，適合大眾對PM2.5濃度檢測的需要。最終完成的裝置所使用的材料價格低廉，檢測裝置簡單便攜，操作精度較高，還具有濃度限值可調節的優點。本設計是通過單片機與傳感器技術相結合實現了對PM2.5濃度的檢測。此次設計用單片機STC89C52作為控制中心，傳感器GP2Yl010AU0F 采集的顆粒物濃度，轉換芯片ADC0832進行模數轉換，液晶LCD1602進行結果顯示，發光二極管和蜂鳴進行聲光報警，按鍵設定報警濃度最大限值。通過這次設計將單片機與傳感器技術應用在檢測環境的質量上，提醒人們做出相應的安全防護措施，改善當前環境狀況，是一件非常有意義的事。

通過本次設計我自身的能力也得到了很大的提高，學到了不少課本上沒有的知識，同時也鍛煉了自己的動手能力，將以前學過的零散的知識串到一起，完成了理論與實踐的結合。本次設計主要涉及硬件和軟件兩方面的內容，經過不懈努力，我對51系單片機的接口知識有了更深層次的理解，熟悉了單片機常用的外圍電路引腳和連接方法，如液晶、按鍵、傳感器等。總之本次設計讓我學會了分析問題解決問題的能力，加深了對所學理論知識的理解和運用。

展望

本次設計只完成了針對日常生活中對PM2.5檢測需要的檢測系統，僅僅實現了超過安全濃度值就會報警的功能，功能比較單調。一款成熟的PM2.5檢測裝置應該具有更多的功能，不僅可以檢測PM2.5還可以檢測PM10，甚至可以外帶實現對溫度濕度的檢測；另外也不能只有報警這樣簡答的功能，如果檢測到超過濃度限值會聯網打開空氣凈化器的開關，進行空氣的凈化，在不知不覺之間就給人們省了不少精力。

PM2.5檢測技術還在不斷發展，未來將會有更科學更精確的檢測系統被設計出來。未來的PM2.5檢測裝置會朝著精度高、易操作、體積小、易攜帶、價格低、功能更加完備、普及率更加高的方向發展。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的PM2.5环境检测系统的设计与分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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