研究pm5檢測(cè)儀科研報(bào)告

研究pm2.5檢測(cè)儀科研報(bào)告PM2.5、單片機(jī)、粉塵濃度、DSM501自動(dòng)檢測(cè)一、pm2.5檢測(cè)儀社會(huì)意義和社會(huì)應(yīng)用前景21世紀(jì)的今天，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步同時(shí)也帶動(dòng)了測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備不同于以前，它們?cè)谛阅芎徒Y(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。我們已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展的信息時(shí)代，測(cè)量技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)的主流，廣泛地深入到應(yīng)用工程的各個(gè)領(lǐng)域。因?yàn)榭諝赓|(zhì)量的惡化，陰霾天氣現(xiàn)象出現(xiàn)增多，危害現(xiàn)象加重。中國(guó)不少地區(qū)把陰霾天氣現(xiàn)象并入霧一起作為災(zāi)害性天氣預(yù)警預(yù)報(bào)。統(tǒng)稱(chēng)為“霧霾天氣”。霧霾主要由 PM25PM10PM0.1以及重金屬銀碑銘鉛等顆粒組成。在空氣動(dòng)力學(xué)和環(huán)境氣象學(xué)中，顆粒物是按直徑大小來(lái)分類(lèi)的，粒徑小于 100微米的稱(chēng)為T(mén)SP（TotalSuspendedParticle）,即總懸浮物顆粒；粒徑小于 10微米的稱(chēng)為PM10（PMfeParticulateMatter縮寫(xiě)），即可吸入顆粒物；粒徑小于 2.5微米的稱(chēng)為PM2.5,即可入肺顆粒物，它的直徑僅相當(dāng)于人的頭發(fā)絲粗細(xì)的 1/20o雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它與較粗的大氣顆粒物相比，粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量影響更大。世界衛(wèi)生組織發(fā)布的報(bào)告顯示，無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，目前大多數(shù)城市和農(nóng)村人口均遭受到顆粒物對(duì)健康的影響。 高污染城市中的死亡率超出相對(duì)清潔城市的 15卷20%據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歐洲，PM2.5每年導(dǎo)致386000人死亡，并使歐盟國(guó)家人均期望壽命減少 8.6個(gè)月。人體的生理結(jié)構(gòu)決定了對(duì)PM2.5沒(méi)有任何過(guò)濾、阻攔能力，而PM2.5對(duì)人類(lèi)健康的危害卻隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，逐步暴露出其恐怖的一面。氣象專(zhuān)家和醫(yī)學(xué)專(zhuān)家認(rèn)為，由細(xì)顆粒物造成的灰霾天氣對(duì)人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大。 粒徑10微米以上的顆粒物，會(huì)被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5微米至10微米之間的顆粒物，能夠進(jìn)入上呼吸道，但部分可通過(guò)痰液等排出體外，另外也會(huì)被鼻腔內(nèi)部的絨毛阻擋，對(duì)人體健康危害相對(duì)較??；而粒徑在 2.5微米以下的細(xì)顆粒物，直彳5相當(dāng)于人類(lèi)頭發(fā)的 1/10大小，不易被阻擋。被吸入人體后會(huì)直接進(jìn)入支氣管，刺激呼吸道，干擾肺部的氣體交換，從而引發(fā)咳嗽、呼吸困難、哮喘、慢性支氣管炎等呼吸系統(tǒng)的疾病并導(dǎo)致心律不齊、非致命性心臟病等心血管方面的疾病。其中，老人、小孩以及心肺疾病患者是 PM2.5污染的敏感人群。因此，對(duì)PM2.5的監(jiān)測(cè)與治理便顯得越來(lái)越重要。二、pm2.5檢測(cè)儀國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況、水平和發(fā)展趨勢(shì)在美國(guó)，上世紀(jì)90年代的開(kāi)始關(guān)于PM2.5細(xì)顆粒物對(duì)人體健康的影響方面的研究。美國(guó)環(huán)保局 1997年發(fā)布PM2.5標(biāo)準(zhǔn)，1993年12月，在著名的《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》上，刊登了Dockery博士等撰寫(xiě)的研究文章《空氣污染和六城市致死率》，該文揭示了細(xì)顆粒物 PM2.5城市非正常死亡的關(guān)系，1995年，美國(guó)癌癥協(xié)會(huì)（ACS發(fā)表了著名的6城市50個(gè)地理控制社區(qū)的研究，成PM2.5立法的科學(xué)依據(jù)。2006年美國(guó)修訂了空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PM2.5做出了更嚴(yán)格的要求。2005年世界衛(wèi)生資質(zhì)引進(jìn)了這一標(biāo)準(zhǔn)。 2003年?yáng)|京推出日本歷史上第一個(gè)針對(duì)浮游粒子狀物質(zhì)（尤其是柴油機(jī)、汽車(chē)尾氣排放）的立法。如今，日本汽車(chē)在出廠(chǎng)時(shí)都已安裝了過(guò)濾器，排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了歐洲三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，這使得東京空氣中的 PM2.5含量大幅度下降。目前東京對(duì)PM2.5的排放標(biāo)準(zhǔn)是亞洲最嚴(yán)格的，它要求每天每立方米不超過(guò) 35微克。自80年代以來(lái)歐盟致力于監(jiān)控空氣顆粒物。2005年，歐盟關(guān)于限制PM10的法令生效；2010年，對(duì)PM2.5的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)生效。目前，歐盟的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)包含對(duì) PM10年均濃度與日均濃度、PM2.5年均濃度的要求，是世界上對(duì) PM10監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格的地區(qū)之一。2011年12月4日晚7時(shí)12分。網(wǎng)友“美帝是管空氣”在微博上轉(zhuǎn)發(fā)了美國(guó)駐華使館在twitter上發(fā)布的當(dāng)日最新北京PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示，晚上7時(shí)，美國(guó)駐華使館監(jiān)測(cè)到的PM2.5濃度為522,空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）為500,健康提示為“BeyondIndex（指數(shù)以外）"，其內(nèi)容與北京市環(huán)保局官方微博在2011年12月3日下午發(fā)布的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)內(nèi)容形成鮮明對(duì)比， 該預(yù)報(bào)稱(chēng)：“預(yù)計(jì)2011年12月4日20:00時(shí)至12月5日08:00時(shí)，空氣污染指數(shù)范圍：150?170,首要污染物為可吸入顆粒物?！盤(pán)M2.5由此進(jìn)入普通國(guó)人的視野。 2007年，中國(guó)工程院、環(huán)保部聯(lián)手開(kāi)展的戰(zhàn)略研究對(duì)引入 PM2.5標(biāo)準(zhǔn)給予高度關(guān)注，將PM2.5納入宏觀(guān)戰(zhàn)略目標(biāo)。2008年環(huán)境保護(hù)部啟動(dòng)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)修訂程序，將PM2.5納入環(huán)境空氣標(biāo)準(zhǔn)和空氣污染治理系統(tǒng)之中。從 2012年開(kāi)始，我國(guó)將在京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等區(qū)域以及直轄市和省會(huì)城市開(kāi)展 PM2.5監(jiān)測(cè)到2016年，PM2.5監(jiān)測(cè)將推廣至全國(guó)。三、pm2.5檢測(cè)儀技術(shù)設(shè)想1、PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)方法J本設(shè)計(jì)提出的“PM2.5監(jiān)測(cè)”的方案最基本的實(shí)現(xiàn)方法是由單片機(jī)、粉塵監(jiān)測(cè)傳感器、顯示模塊、報(bào)警器等4部分組成的電路，系統(tǒng)功能原理圖如圖 1所示。|圖1粉塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本框圖用戶(hù)預(yù)先輸入粉塵濃度報(bào)警值到程序中， 該值作為系統(tǒng)閾值。粉塵濃度傳感器監(jiān)測(cè)值傳輸給單片機(jī)，_|當(dāng)單片機(jī)比較監(jiān)測(cè)到的數(shù)值超出所設(shè)定閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，蜂鳴器報(bào)警。2、粉塵濃度監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)思路本設(shè)計(jì)測(cè)量空氣中粉塵濃度采用灰塵傳感器 DSM501灰塵傳感器DSM501可以感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉，房屋粉塵等，加熱自動(dòng)進(jìn)氣裝置，可調(diào)電阻設(shè)置檢測(cè)灰塵的大小。采用與粒子計(jì)算器相同原理為基礎(chǔ)，檢測(cè)出單位體積粒子的絕對(duì)個(gè)數(shù)J灰塵傳感器DSM501具有尺寸小、重量輕、易安裝等優(yōu)勢(shì)，能夠靈敏檢測(cè)直徑1微米以上的粒子，內(nèi)置加熱器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸入空氣的功能，保養(yǎng)簡(jiǎn)單，便于長(zhǎng)期保持傳感器的特性。廣泛應(yīng)用于空氣清新機(jī)、空氣調(diào)節(jié)器、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀等。實(shí)物圖如圖2所示。|

時(shí)鐘電路在設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路之前，讓我們先了解下 51單片機(jī)上的時(shí)鐘管腳：XTAL1（19腳）：芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端。XTAL2（18腳）：芯片內(nèi)部振蕩電路輸出端。XTAL1和XTAL2是獨(dú)立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器，或者是器件直接由外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。 圖3中采用的是內(nèi)時(shí)鐘模式，即采用利用芯片內(nèi)部的振蕩電路， 在XTAL1XTAL2的引腳上外接定時(shí)元件（一個(gè)石英晶體和兩個(gè)電容），內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。一般來(lái)說(shuō)晶振可以在1.2 ?12MHz之間任選，甚至可以達(dá)到24MHz或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。在本實(shí)驗(yàn)套件中采用的11.0592M的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個(gè)電容的大小對(duì)振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。當(dāng)采用石英晶振時(shí)，電容可以在20?40pF之間選擇（本實(shí)驗(yàn)套件使用30pF）;當(dāng)采用陶瓷諧振器件時(shí)， 電容要適當(dāng)?shù)卦龃笠恍?，?0?50pF之間。通常選取33pF的陶瓷電容就可以了。另外值得一提的是如果讀者自己在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)的印刷電路板 （PCB時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能與單片機(jī)芯片靠近，以減少引線(xiàn)的寄生電容，保證振蕩器可靠工作。檢測(cè)晶振是否起振的方法可以用示波器可以觀(guān)察到XTAL2輸出的十分漂亮的正弦波，也可以使用萬(wàn)用表測(cè)量（ 把擋位打到直流擋，這個(gè)時(shí)候測(cè)得的是有效值）XTAL2和地之間的電壓時(shí)，可以看到2V左右一點(diǎn)的電壓。時(shí)鐘電路如圖3所示。T卜X1CRYSTALETEXT]-?XTAL1X1CRYSTALETEXT]-?XTAL1KFL2C2T卜30pF圖3時(shí)鐘電路圖復(fù)位電路在單片機(jī)系統(tǒng)中，復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序跑飛（運(yùn)行不正常）或死機(jī)（停止運(yùn)行）時(shí)，就需要進(jìn)行復(fù)位。MCS-51系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST（第9管腳）出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位操作通常有兩種基本形式： 上電自動(dòng)復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位 。上電瞬間，電容兩端電壓不能突變 ：此時(shí)電容的負(fù)極和 RESET相連，電壓全部加在了電阻上， RESET的輸入為高，芯片被復(fù)位。隨之+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于 0,芯片正常工作。并聯(lián)在電容的兩端為復(fù)位按鍵，當(dāng)復(fù)位按鍵沒(méi)有被按下的時(shí)候電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，在芯片正常工作后 ，通過(guò)按下按鍵使RST管腳出現(xiàn)高電平達(dá)到手動(dòng)復(fù)位的效果。復(fù)位電路圖如圖4所示。

國(guó)4短位電路圖EA/VPP（31腳） 的功能和接法51單片機(jī)的EA/VPP（31腳）是內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器的選擇管腳。當(dāng)EA保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，只訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器。對(duì)于現(xiàn)今的絕大部分單片機(jī)來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器（一般為 flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲(chǔ)器，而是直接使用內(nèi)部的存儲(chǔ)器。在本實(shí)驗(yàn)套件中，EA管腳接到了VCC上，只使用內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器。這一點(diǎn)一定要注意，很多初學(xué)者常常將EA管腳懸空，從而導(dǎo)致程序執(zhí)行不正常。P0口外接上拉電阻51單片機(jī)的P0端口為開(kāi)漏輸出，內(nèi)部無(wú)上拉電阻（見(jiàn)圖 3）。所以在當(dāng)做普通I/O輸出數(shù)據(jù)時(shí),由于V2截止，輸出級(jí)是漏極開(kāi)路電路，要使“1”信號(hào)（即高電平）正常輸出，必須外接上拉電阻，如圖5所示。圖5P0口外慢上拉電型另外，避免輸入時(shí)讀取數(shù)據(jù)出錯(cuò)，也需外接上拉電阻。在這里簡(jiǎn)要的說(shuō)下其原因：在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從引腳上讀來(lái)的信號(hào)一般是一致的，但也有例外。例如，當(dāng)從內(nèi)部總線(xiàn)輸出低電平后，鎖存器Q=0,Q= 1,場(chǎng)效應(yīng)管V1開(kāi)通，端口線(xiàn)呈低電平狀態(tài)。此時(shí)無(wú)論端口線(xiàn)上外接的信號(hào)是低電士還是高電平，從引腳讀入單片機(jī)的信號(hào)都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號(hào)。又如，當(dāng)—從內(nèi)部總線(xiàn)輸出高電平后，鎖存器 Q=1,Q=0,場(chǎng)效應(yīng)管V1截止。如外接引腳信號(hào)為低電平，從引腳上讀入的信號(hào)就與從鎖存器讀入的信號(hào)不同。 所以當(dāng)P0□作為通用I/O接口輸入使用時(shí),在輸入數(shù)據(jù)前，應(yīng)先向P0口寫(xiě)“1”，此時(shí)鎖存器的Q端為“0”，使輸出級(jí)的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管VI、V2均截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，才可作高阻輸入。總結(jié)來(lái)說(shuō)：為了能使P0口在輸出時(shí)能驅(qū)動(dòng)NMOS電路和避免輸入時(shí)讀取數(shù)據(jù)出錯(cuò)，需外接上拉電阻。在本實(shí)驗(yàn)套件中采用的是外加一個(gè)10K排阻。止匕外，51單片機(jī)在對(duì)端口P0P3的輸入操作上，為避免讀錯(cuò)，應(yīng)先向電路中的鎖存器寫(xiě)入“1”，使場(chǎng)效應(yīng)管截止，以避免鎖存器為“0”狀態(tài)時(shí)對(duì)引腳讀入的干擾。LED驅(qū)動(dòng)電路細(xì)心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在最小系統(tǒng)中，發(fā)光二極管（LED的接法是采取了電源接到二極管正極再經(jīng)過(guò)1K電阻接到單片機(jī)I/O口上的（見(jiàn)圖4中的接法1）。為什么這么接呢？首先我們要知道 LED的發(fā)光工作條件，不同的LED其額定電壓和額定電流不同，一般而言，紅或綠顏色的 LED的工作電壓為1.7V~2.4V,藍(lán)或白顏色的LED工作電壓為2.7~4.2V,直徑為3mmLED的工作電流2mA~10mA在這里采用紅色的3mm的LED其次，51單片機(jī)（如本實(shí)驗(yàn)板中所使用的 STC89C52單片機(jī)）的I/O口作為輸出口時(shí)，拉電流（向外輸出電流）的能力是“A級(jí)別，是不足以點(diǎn)亮一個(gè)發(fā)光二極管的。 而灌電流（往內(nèi)輸入電流）的方式可高達(dá)20mA故采用灌電流的方式驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。 當(dāng)然，現(xiàn)今的一些增強(qiáng)型單片機(jī)，是采用拉電流輸出（接法2）的，只要單片機(jī)的輸出電流能力足夠強(qiáng)即可。 另外，圖4中的電阻為1K阻值，是為了限制電流，讓發(fā)光二極管的工作電流限定在 2mA~10mA圖3LED的接法2、粉塵濃度監(jiān)測(cè)采集電路的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)測(cè)量空氣中粉塵濃度采用灰塵傳感器 DSM501灰塵傳感器DSM501主要特性：?灰塵傳感器DSM501可以感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉，房屋粉塵等?1微米以上的微小粒子.體積小，重量輕，便于安裝.5V的輸入電路，便于信號(hào)處理.內(nèi)藏氣流發(fā)生器，可以自行吸引外部大氣.灰塵傳感器DSM501保養(yǎng)簡(jiǎn)單，可以長(zhǎng)期保持傳感器的特性.Heater加熱器：模塊內(nèi)置一個(gè)加熱器，熱引起上升氣流使外部空氣流進(jìn)模塊內(nèi)部。檢測(cè)的粒子類(lèi)型：此模塊被設(shè)計(jì)成可以檢測(cè) 1^m以上粒子，如香煙、房屋灰塵、霉菌、花粉、抱子。安裝：①必須垂直安裝；②遠(yuǎn)離人工氣流如風(fēng)扇，如當(dāng)用于空氣清新機(jī)時(shí)，風(fēng)扇的前方和后方都不能安裝，可任選外殼一側(cè)安裝，但外殼上要保留通風(fēng)口以保證外部氣流可以流進(jìn)來(lái)；③注意安裝時(shí)要避免粘性粒子如油類(lèi)進(jìn)入模塊，當(dāng)這種粒子粘在光學(xué)部件上將會(huì)產(chǎn)生故障。④當(dāng)模塊受潮濕將會(huì)影響它的正常功能，因此應(yīng)避免受潮。透鏡：透鏡需要視環(huán)境狀況隔一段時(shí)間進(jìn)行清潔，約6個(gè)月一次。清潔時(shí)用棉簽一頭醮清水輕擦，然后用另一頭擦干。不可以用酒精等有機(jī)溶劑擦拭透鏡。P22圖4粉塵濃度采集電路3、LCD12864顯示功能的實(shí)現(xiàn)基于本設(shè)計(jì)所顯示內(nèi)容信息量大， 本設(shè)計(jì)選擇以液晶顯示信息量大，具有功耗低、 體積小、重量輕、超薄等功能的LCD12864液晶顯示屏作為實(shí)現(xiàn)顯示功能的元件。FYD12864-0402B是一種具有4位/8