西京學院控制工程學院 姚 沖 侯新剛 李紅波 孫 靜 李怡瑤 周湘儀

環(huán)境參數(shù)PM2.5檢測儀設計

西京學院控制工程學院 姚 沖 侯新剛 李紅波 孫 靜 李怡瑤 周湘儀

【摘要】本文是利用GP2Y1050AU0F灰塵傳感器獲取環(huán)境參數(shù)PM2.5的數(shù)據，并將數(shù)據通過STC15W高性能嵌入式控制器進行數(shù)據濾波，其有效數(shù)據借助HMI顯示器進行數(shù)據顯示和曲線繪制，該檢測儀能夠做到環(huán)境參數(shù)PM2.5獲取、處理以及顯示。實驗證明：該檢測儀實用新穎，小巧易攜帶。

【關鍵詞】GP2Y1050AU0F灰塵傳感器；STC15W；手持檢測儀；PM2.5檢測儀

0 引言

空氣質量作為民眾百姓關心的一個重要指標，關乎呼吸健康。應用灰塵傳感器和嵌入式系統(tǒng)通過HMI顯示器制作成一部簡易PM2.5檢測儀，該檢測儀能夠完成環(huán)境參數(shù)PM2.5的獲取，方便人們及時、準確的獲知當前空氣質量以便及時做好預防措施，保護脆弱的呼吸系統(tǒng)，尤其是小孩和老人更能在這部檢測儀中獲益。近些年來，尤其是北京奧運會以后，空氣質量以及PM2.5作為大眾所熟知的新名詞常常掛在人們的嘴邊。但是通過當?shù)貧庀缶?、觀測站的空氣質量數(shù)據僅僅只有參考作用，在大城市中各個地區(qū)的數(shù)值往往區(qū)別很大，而專業(yè)的空氣檢測儀價格動輒上萬操作也是普通人難以掌握的。本文所提出的環(huán)境參數(shù)PM2.5檢測儀在研究和市場應用中顯得十分有必要，該檢測儀具有智能準確、小巧便攜、即開即用等特點，能夠很好的解決環(huán)境參數(shù)PM2.5獲取的需要。

1 STC15W單片機

本檢測儀采用STC（宏晶）公司的STC15W4K48S4單片機，寬電壓設計（2.5V～5.5V），高性能、低功耗、單機器周期，硬件上具有乘法/除法器，性能超過16MIPS，48KB片上Flash ROM，4KB SROM，四個超高速全雙工USART，8通道十位ADC轉換器，采樣率可達300KHz，一個可倍速的SPI接口，5個定時器，支持6路15位PWM帶死區(qū)控制能力的輸出等，其片上資源豐富、性價比高，可以滿足數(shù)據的快速獲取和運算。

2 HMI顯示器

HMI顯示器是DCOLOUR（廣州大彩）公司的一個集TFT顯示驅動、圖片字庫存儲、GUI操作、RTC顯示及各種組態(tài)控件于一體的串口顯示終端，用戶單片機只需要發(fā)送相應的串口命令就可以輕松實現(xiàn)文本、圖片和曲線顯示。顯示系統(tǒng)采用Cortex-M3以及高速FPGA雙核設計，ARM主要進行協(xié)議解析和USB圖片下載，F(xiàn)PGA主要實現(xiàn)Nandflash的圖片讀取和TFT控件顯示。該架構特點從某種程度上確保了系統(tǒng)的健壯性和抗干擾性能強。由于FPGA內部是采用并行處理機制，所以Nandflash的數(shù)據讀取、SDRAM的寫入和RGB數(shù)據輸出全部在同一個時鐘節(jié)拍下執(zhí)行，確保了系統(tǒng)圖片更新速度快，響應時間快等特點，該顯示器廣泛應用于工業(yè)顯示、智能家居等行業(yè)。

圖1 HMI顯示器結構圖

3 GP2Y1050AU0F灰塵傳感器

該傳感器是SHARP（夏普）公司的一款利用光電檢測原理的灰塵傳感器。煙灰或室內灰塵等空氣中的粉塵處于檢測范圍內時，由于這些粉塵而散射的光射入光接收元件作為電壓輸出，傳感器內部MCU進行AD轉換對外使用串口輸出，其參考值出廠前已標定好，相比較以往模擬量輸出的傳感器在輸出精度上更有保證。

4 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計主要包括傳感器信號前端處理電路、STC15W單片機核心板和HMI顯示器接口電路，三大部件共同組成檢測儀。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

5 固件程序設計

固件程序主要包括主程序和數(shù)據濾波程序兩部分，其中主程序用于對單片機、傳感器和顯示器初始化設置以及數(shù)據獲取、上傳等功能，數(shù)據濾波程序主要完成數(shù)據轉換和穩(wěn)定等功能。

5.1 主程序設計

主程序主要包括初始化數(shù)據緩沖區(qū)、I/O口、定時器T0、串行通訊口1、串行通訊口2以及對HMI顯示器和傳感器初始化設置等。當在設定間隔時間內完成采集任務，數(shù)據濾波程序對數(shù)據進行處理后按照設定好的幀格式完成對HMI顯示器定時數(shù)據上傳。系統(tǒng)主程序流程圖如3所示。

圖3 主程序流程圖

主程序代碼如下：

5.2 數(shù)據濾波程序

數(shù)據濾波程序用于將獲取的數(shù)據進行穩(wěn)定運算，使輸出的數(shù)據更加平滑，減少誤差。由于傳感器對外每秒鐘輸出十次數(shù)據，而對屏幕數(shù)據每秒鐘刷新一次，所以采用定時器定時處理獲取到的數(shù)據。

圖4 環(huán)境參數(shù)PM2.5檢測儀界面

6 HMI界面設計

HMI界面設計使用VisualTFT上位機軟件。VisualTFT上位機軟件為DCOLOUR（廣州大彩）公司配套HMI顯示器開發(fā)使用，直接使用內嵌的虛擬串口屏與單片機進行通訊，也支持Keil環(huán)境下直接調試，與真實硬件操作一樣。圖4為環(huán)境參數(shù)PM2.5檢測儀在西安某地區(qū)十小時監(jiān)測數(shù)據。

7 總結

本文利用高性能嵌入式系統(tǒng)和灰塵傳感器以及HMI串口顯示器，設計了簡易的PM2.5檢測儀。該檢測儀運用了夏普灰塵傳感器，其參考值出廠已標定，串口數(shù)據輸出更加穩(wěn)定可靠，在數(shù)據處理中采用嵌入式系統(tǒng)，能夠及時進行數(shù)據的處理、減數(shù)據誤差，顯示采用HMI串口顯示器，通過對顯示界面及通訊的單獨設計，減少設計難度提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。實驗證明，該檢測儀能夠較好的滿足普通環(huán)境下的環(huán)境參數(shù)PM2.5的獲取，達到設計要求。

參考文獻

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基金項目：2015年高校國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（項目編號：201512715802）。

作者簡介：

姚沖（1994—），陜西西安人，大學本科，現(xiàn)就讀于西安西京學院。

侯新剛（1982—），陜西西安人，講師，主要研究方向為電路設計。

李紅波（1982—），陜西西安人，講師，主要研究方向為數(shù)據采集與控制。