基于嵌入式的PM2.5检测器的设计与应用

摘 要：近来空气污染严重，以PM2.5较为突出，严重影响了人们的身体健康。因此文中设计了一款基于嵌入式平台的PM2.5检测器，能够准确测出周边环境的PM2.5浓度，并将数值显示在液晶屏上。当PM2.5浓度超出警戒值时检测器会自动报警，提醒人们应注意环境问题。该设计集检测、显示和报警功能于一体，具有较好的实用价值。

关键词：嵌入式；PM2.5；检测器；报警

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）03-00-03

0 引 言

随着现代工业化程度不断提高，人为因素的环境污染问题日益严重，尤其PM2.5对人们的身体健康产生了严重影响。各种环境检测器如雨后春笋，其中PM2.5检测器深受市场欢迎。因此本课题基于STM32平台设计开发了一款PM2.5检测器，以实现检测、显示与报警等功能。

本课题采用常见的STM32芯片（ARM Cortex TLS-P906型），该芯片具有数据采集、处理和输出等功能。STM32芯片由控制单元、从属单元和总线矩阵三部分组成，通过总线矩阵将控制单元和从属单元连接在一起。其程序存储器、数据存储器和输入输出端口寄存器在同一个线性地址空间里。本课题采用SDS011 PM2.5传感器模块，并将传感器模块与STM32芯片连接在一起，通过USB转TTL接口与电脑连接，从而实现对空气中PM2.5数据的采集和分析。嵌入式系统硬件的基本组成如图1所示。

1 数据采集介绍

数据采集（DAQ）指模拟或数字传感器抑或其他设备的被测单元自动采集非电量或量信号，并送到上位机进行分析、处理，从数据源收集、识别和选取数据的功能。数据采集系统是基于计算机或其他专用测试平台测量软硬件为方便各类用户操作而设计的测量系统。被采集数据是已被转换为电流信号的各种物理量，如温度、湿度、颗粒物、压强等，这些既可以是模拟量，也可以是数字量。一般通过采样方式采集，即间隔一定时间（采样周期）对同一点数据重复采集。采集的数据可能是某段时间内的一个特征值，但在大多数情况下是瞬时值。准确来说，数据采集以准确的数据测量为基础。数据量测方法分为接触式和非接触式两种，检测元件多样。不论哪种方法和元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，保证数据的正确性。数据采集含义广泛，包括对面状连续物的物理量采集。在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像的数字化过程也可称为数据采集，此时采集的量包括灰度等物理量和数据等几何量。数据采集整体结构与流量图如图2所示。

数据采集系统基于PC机实现，通过将模块化硬件、应用软件和计算机相结合来进行数据测量，如空气中的颗粒物、温度、气压、湿度等。尽管数据采集系统根据不同的应用需求有不同的定义，但各系统采集、分析和显示信息的目的却都相同。数据采集系统实现了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件的完美结合。数据采集流程图如图3所示。

2 数据采集器的选型与设计

2.1 数据采集器的选型与设计

本设计采用SDS011PM2.5检测器，其具有如下特点：

（1）数据准确：激光检测，稳定，一致性好；

（2）响应快速：场景变换响应时间小于10 s；

（3）便于集成：串口输出（或IO口输出可定制），自带风扇；

（4）分辨率高：分辨颗粒最小直径达0.3 μm；

SDS011传感器模块实物图如图4所示，传感器配用的串口线与USB实物如图5所示，传感器接入电源后的组装图如图6所示。

2.2 工作原理

本器件采用激光散射原理，当激光照射到检测位置的颗粒物时会发生微小的光散射。在一些特定方向，光散射波形与颗粒直径有关，将不同粒径的波形分类统计并通过换算公式可以得到颗粒物的实时浓度，按照标定方法得到与官方单位统一的质量浓度。

技术指标见表1所列，LCD显示屏结构图如图7所示，基于STM32的数据采集结构图8所示。

2.3 选择的数据采集器的工作原理

通过串口调试助手软件可以显示出以十个字节为单位的信息：报文头+指令号+数据（6字节）+校验和+报文尾，具体见表2所列。

计算时要求数据为十进制，但输出的数据是16进制，因此要对输出数据进行进制转换。

PM2.5数据内容：PM2.5 （μg/m3）=（（PM2.5高字节×256）+PM2.5低字节）/10

PM10数据内容：PM10（μg/m3）=（（PM10高字节×256）+PM10低字节）/10

PM2.5的输出如图9所示。实物连接运行图如图10所示。

首先应在电脑上安装驱动（USB转TTL电路的驱动），然后用数据线连接传感器模块与转换插头，再与电脑相连。打开电脑运行串口调试软件，选择模块接口，将波特率设置为9 600波特/秒，数据位为8位。通过软件观察数据接收的情况。串口输出数据显示如图11所示。

3 基于嵌入式处理器数据采集器的设计结果与分析

接通电源并调试完成后，嵌入式处理器LCM046显示屏实时显示实验室中PM2.5的浓度为3.3 μg/m3。嵌入式处理器显示数据实物图如图12所示。

4 结 语

本次设计实现了精确测量室内PM2.5的功能，同时加入了报警功能，与一般的传感器相比更能让人们对环境的恶化情况加以重视，较好地完成了本课题。

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