張榮華，鄒超華

(四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢643000)

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基于STM32的大氣粉塵濃度實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張榮華，鄒超華

(四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢643000)

為了實(shí)時(shí)測量大氣中粉塵濃度，設(shè)計(jì)了一套基于光散射原理的檢測系統(tǒng)。根據(jù)朗伯-比爾定律可知，準(zhǔn)確測量透射光強(qiáng)是檢測的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)采用鋰電池供電，以STM32微處理器為核心，測量光束通過被測介質(zhì)前后的光強(qiáng)變化，轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)運(yùn)放放大后送入ADC處理，實(shí)現(xiàn)濃度信息采集，DHT11檢測環(huán)境中溫濕度，實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置系統(tǒng)的日期和時(shí)間，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后動態(tài)顯示在LCD5110上，可以通過菜單和AD鍵盤進(jìn)行功能設(shè)置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)便攜實(shí)時(shí)測量，相對誤差小于10%，精度較高，具有功能豐富、超限報(bào)警、實(shí)用性強(qiáng)、功耗低、操作簡單、固件升級容易等特點(diǎn)。

實(shí)時(shí)測量；粉塵濃度；光散射；STM32微處理器

引言

現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展引起了越來越多的污染問題，尤其是空氣質(zhì)量下降。除了廢氣、廢水，空氣中的微小顆粒物已經(jīng)成為一個十分突出的問題，已有研究表明，大氣中的顆粒物能攜帶大量的病毒和一些重金屬，一旦粉塵被人吸入，會對人體的健康造成極大的傷害。大氣中的粉塵濃度是衡量空氣質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，粉塵的檢測就變得十分重要。國內(nèi)外對粉塵濃度檢測方法主要有電容法、光學(xué)法、摩擦電法等[1-3]。文獻(xiàn)[4]在電容測量法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于電橋法的測量電路，對工業(yè)粉塵濃度進(jìn)行測量。文獻(xiàn)[5]建立了棒狀電極與粉塵顆粒間的電荷感應(yīng)數(shù)學(xué)模型，電極周圍的粉塵濃度與感應(yīng)所得交變信號的波動性呈正相關(guān)關(guān)系，具有較好的重復(fù)性，克服了粉塵濃度傳感器管路易堵塞的問題。電容法的測量原理簡單，但測量值對流型分布敏感，電荷法測量易受微粒流速影響，容易引起較大誤差[6]。為了便于人們了解空氣的污染程度，而光散射法具有快速、簡便、靈敏度高的特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)了一套基于光散射原理的低功耗、低成本、測量快速、操作簡單的粉塵濃度檢測系統(tǒng)，對空氣中的粉塵濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測。

1　系統(tǒng)工作原理及總體方案

當(dāng)光束通過含塵空氣時(shí)，粉塵對光有吸收和散射作用，使透射光強(qiáng)發(fā)生衰減[7-9]。根據(jù)朗伯-比爾定律(Lambert-Beer)[10]，吸光度A定義為：

(1)

其中，I和I0分別表示出射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)，它們的比值用透射比T表示，c表示粉塵濃度，d為吸收層厚度，k為消光系數(shù)。

根據(jù)式(1)得：

(2)

由式(2)可知，準(zhǔn)確測量透射光強(qiáng)是檢測粉塵濃度的關(guān)鍵因素。

粉塵檢測系統(tǒng)測量光束通過被測介質(zhì)前后的光強(qiáng)，并轉(zhuǎn)換為電信號，放大為0～3 V的模擬電壓信號，經(jīng)過STM32內(nèi)部的12位ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時(shí)檢測環(huán)境中溫濕度，實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置系統(tǒng)的日期和時(shí)間，LCD5110液晶顯示和AD鍵盤作為人機(jī)交互接口，如果超過限定值單片機(jī)驅(qū)動蜂鳴器報(bào)警。系統(tǒng)采用3.7 V鋰電池供電，實(shí)現(xiàn)便攜實(shí)時(shí)測量，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由電源管理、STM32微處理器[11-13]、粉塵檢測及信號處理電路、DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘、溫濕度傳感器、按鍵輸入及LCD5110顯示組成。

電源管理主要包含鋰電池充電和電源轉(zhuǎn)換部分，使用鋰電池供電，有助于實(shí)現(xiàn)便攜，而系統(tǒng)中大部分芯片是3.3 V，所以還需將鋰電池的3.7 V轉(zhuǎn)化為3.3 V輸出(圖2)。采用單節(jié)鋰電池充電芯片TP4056，待機(jī)電流55 uA，可編程充電電流高達(dá)1000 mA，充電精度達(dá)±1.5%，當(dāng)外接電源(交流適配器或USB電源)切斷時(shí)，TP4056自動進(jìn)入低電流狀態(tài)，當(dāng)連通時(shí)，TP4056也可置于停機(jī)模式。充電電路如圖2(a)所示，R41、R43和D8、D9組成了充電指示，充電時(shí)D9紅燈亮，D8綠燈亮起時(shí)，表示充電結(jié)束。

圖2　電源管理電路圖

采用低壓差穩(wěn)壓芯片LP2985轉(zhuǎn)換鋰電池的3.7 V電壓。LP2985待機(jī)電流小于1 uA，是低功耗用電器的首選。圖2(b)中的BAT54C為兩個肖特基二極管，防止接入U(xiǎn)SB時(shí)電流直接流向電池，電流過大燒毀電腦接口，開關(guān)KEY為電路總開關(guān)，通過電阻R26和R30進(jìn)行分壓取樣，STM32的AD1檢測電池電壓，當(dāng)電壓過低時(shí)自動關(guān)機(jī)，當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入休眠模式，程序使所有I/O口為高阻態(tài)，此時(shí)R27上拉到3.3 V使PNP三極管Q4處于截止?fàn)顟B(tài)，所有模塊停止供電，這時(shí)待機(jī)電流小于5 uA，當(dāng)通過VCC_WK喚醒單片機(jī)時(shí)，程序控制PW輸出低電平，三極管導(dǎo)通，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作，點(diǎn)亮發(fā)光二極管D7。

光電二極管檢測出光強(qiáng)度，光強(qiáng)度越大，二極管導(dǎo)通率越大，輸出電壓值就越大。但傳感器輸出電壓是毫伏級別，還需經(jīng)運(yùn)算放大器放大，單片機(jī)ADC才能檢測到信號。其電路如圖3所示，IRED接微處理器的PC14引腳，控制二極管的亮滅。運(yùn)算放大器選用OP413，單電源供電范圍3 V～36 V，具有低噪聲、低漂移特性和數(shù)字校正功能，性能精密。

圖3　粉塵檢測信號處理電路

微控制器選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位低功耗STM32F103C8T6，CPU頻率為72 MHz，有128 K字節(jié)的FLASH和20 K字節(jié)的SRAM，2個12位的ADC、3個通用16位定時(shí)器和1個PWM定時(shí)器，通信接口豐富，2個I2C、SPI、3個USART、USB和CAN接口各1個，有37個I/O口。豐富的外設(shè)配置，使STM32F103C8T6能夠應(yīng)用多種場合，如電機(jī)驅(qū)動、可編程控制器(PLC)、打印機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)等。微處理器電路如圖4所示。

環(huán)境溫濕度測量采用DHT11集成傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，與高性能8位單片機(jī)相連，使用單總線數(shù)字信號方式傳輸數(shù)據(jù)，測濕范圍20～90% RH，精度±5% RH，測溫范圍0～50oC，精度±2oC，響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好。

LCD顯示屏選用諾基亞LCD5110，分辨率84×48，間隔200 ms刷新一次，可顯示6行英文或者4行漢字，支持多種串行通信協(xié)議，傳輸速率高達(dá)4 Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時(shí)間。采用PNP三極管控制LED背光燈的亮滅，用模擬SPI的方式傳輸數(shù)據(jù)。

STM32F103C8T6的PA11和PA12是硬件的USB協(xié)議接口，USB和CAN共用一個專用的512字節(jié)的SRAM存儲器，用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，因此不能同時(shí)使用。USB設(shè)備在枚舉前將數(shù)據(jù)線通過1.5 kΩ電阻上拉到電源，當(dāng)USB主機(jī)檢測到信號后才發(fā)送設(shè)備描述符請求，開始枚舉設(shè)備，實(shí)現(xiàn)USB通信。

圖4　微處理器電路圖

實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用美國DALLAS公司的低功耗芯片DS1302，可以對年、月、日、星期、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能。內(nèi)部總共12個寄存器，與日歷、時(shí)鐘相關(guān)的有7個，還包含存放臨時(shí)數(shù)據(jù)的31字節(jié)RAM空間，使用32.768 kHz獨(dú)立晶振，當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)也能使用自帶的紐扣電池精確走時(shí)，工作電壓為2.5 V～5.5 V，只需3條線就能與CPU通信。其電路如圖5所示。

圖5　實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

常用的按鍵電路有矩陣鍵盤和AD鍵盤。在矩陣鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接，需要單片機(jī)逐行掃描，占用較多的I/O口，電路和編程相對復(fù)雜而且耗時(shí)。而AD鍵盤將輸出的模擬電壓值進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量傳給單片機(jī)，只需要2根線，系統(tǒng)中使用一根電源線和一個I/O接口實(shí)現(xiàn)6個按鍵，分別為K1“設(shè)置”、K2“確定”、K3“向上翻頁”、K4“向下翻頁”、K5“粉塵濃度上限加10鍵”、K6“粉塵濃度上限減10鍵”。

3　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包含驅(qū)動層，任務(wù)管理層。在Keil uVision5[14-15]開發(fā)環(huán)境下，使用C語言編寫粉塵檢測系統(tǒng)的應(yīng)用程序，系統(tǒng)初始化主要針對STM32內(nèi)部ADC、DS1302、DHT11、LCD顯示驅(qū)動等，軟件流程如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)軟件流程圖

二極管發(fā)出的光經(jīng)過待檢測的氣體時(shí)，出射光強(qiáng)變低，光強(qiáng)與粉塵濃度有相關(guān)關(guān)系，粉塵檢測中需要精確測量光電二極管接收端的電壓變化。檢測過程要確保嚴(yán)格的時(shí)序控制，根據(jù)LED驅(qū)動周期，設(shè)置脈沖周期10 ms、脈沖寬度0.32 ms、取樣時(shí)間0.28 ms，并計(jì)算1 s內(nèi)100次取樣的平均值。檢測流程如圖7所示，初始化單片機(jī)主要是指配置STM32的AD轉(zhuǎn)換接口和轉(zhuǎn)換位數(shù)，I/O口的復(fù)用功能及相應(yīng)寄存器。

圖7　粉塵檢測流程圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了測試所設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)的測量精度和性能，對廣州地區(qū)[16]一天內(nèi)不同時(shí)刻的空氣取樣，測得PM2.5的含量，并與當(dāng)?shù)丨h(huán)保局發(fā)布的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表1。

表1　粉塵濃度測試數(shù)據(jù)對比

從表1可以得知，在采樣時(shí)間段內(nèi)，所設(shè)計(jì)的大氣粉塵濃度實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)測得粉塵濃度平均值為80.25，環(huán)保局發(fā)布數(shù)值平均值為81，相對誤差在±10%以內(nèi)，具有較高的測量精度。

5　結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一套基于光散射原理的大氣粉塵監(jiān)測系統(tǒng)，以STM32為控制核心，單片機(jī)內(nèi)部ADC采集信號，能檢測環(huán)境溫濕度，用LCD液晶屏和鍵盤作為人機(jī)交互界面。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)便攜實(shí)時(shí)測量、超限報(bào)警，低功耗，精度較高，具有一定的實(shí)用性和市場推廣價(jià)值，有助于人們及時(shí)了解空氣質(zhì)量情況，指導(dǎo)日常行為。

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Design of Real-time Detection System of Dust Concentration in Atmospheric Based on STM32

ZHANG Ronghua, ZOU Chaohua

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering , Zigong 643000, China)

In order to realize real-time measurement of dust concentration in atmosphere, a kind of detection system based on the principle of light scattering is designed. According to the law of the Lambert-Beer, accurate measurement of transmitted light intensity is the key factor of the system. The system uses lithium battery-powered, with STM32 microprocessor as the core; the concentration information is collected by measuring the change of light intensity when light transforming the change into electrical signals through the measured medium, and transmitting the signals to the ADC after amplified; temperature and humidity are detected by DHT11; the date and time are set by real-time clock; the data, processed by the MCU dynamic, is displayed on LCD5110; and function can be set through the menu and AD keyboard. The experimental results show that the system can realize portable and real-time measurement, has a high accuracy with the relative error less than 10%, and possesses the characteristics of abundant functions such as warning over limit, strong practicality, low power dissipation, simple operation, easy firmware upgrading.

real-time measurement; dust concentration; light scattering; STM32 microprocessor

2016-02-28

企業(yè)信息化與物聯(lián)網(wǎng)測控技術(shù)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2015WYY01)

張榮華(1987-),女,四川廣元人,助教,碩士,主要從事嵌入式系統(tǒng)方面的研究,(E-mail)zrh3536@163.com

1673-1549(2016)02-0014-05

10.11863/j.suse.2016.02.04

TP277

A