基于dsm501a粉尘传感器的pm25检测仪设计

基于dsm501a粉尘传感器的pm25检测仪设计

本研究介绍了新pm.5检测方法，主要包括pm-5检测系统的组成、设计方法和实物生产。PM2.5又称细颗粒物,是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5µm的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中,其在空气中含量(浓度)越高,就代表空气污染越严重,对人体健康和大气环境质量的影响也就越大。2012年联合国环境规划署公布的《全球环境展望5》指出,每年有近200万的过早死亡病例与颗粒物污染有关。PM2.5粉尘颗粒的即时检测,是有效防治PM2.5污染的前提和重要保障。为此,将介绍基于DSM501A灰尘传感器的PM2.5检测仪的设计方法。单位体积内粒子绝对个数检测PM2.5检测仪由单片机系统、DSM501A灰尘传感器、LED显示电路及报警电路等部分组成。DSM501A灰尘传感器采用与粒子计算器相同的工作原理,可以检测出单位体积内粒子的绝对个数。它采用PWM脉宽调制输出方式,低脉冲有效,其低脉冲比率为RT=LT/UT*100%。PM2.5检测仪工作时,单片机系统检测计算出DSM501A的低脉冲率,通过查表,获得DSM501A特性曲线对应的当前环境中PM2.5的粒子数,经数据处理后,在LED显示电路上,显示出PM2.5的数值。当粒子数超过PM2.5检测仪设定的最大值时,进行报警,并存储当前PM2.5数值和时间参数等信息。2.5测试系统的设计1.实时系统仿真(1)PROTEUS软件介绍PROTEUS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件,它不仅能仿真模拟、数字电路以及模数混合电路,还能够仿真基于单片机的电子系统。该软件由ISIS和ARES软件构成,ISIS是原理图编辑与仿真软件,ARES是布线编辑软件。ISIS软件能进行智能原理布图,可进行单片机软件调试和单片机与外围电路的协同仿真,还支持常见的单片机类型及常见的外围器件如ADC0809等,也可以与WAVE编程软件集成使用,把用汇编语言或者C语言编写的程序编译后,进行软、硬件结合的系统仿真。(2)仿真电路绘制为了便于系统开发,有利于单片机程序的编写与调试,首先在PROTEUS软件环境下,绘制仿真电路。仿真电路主要由单片机最小系统、LED数码管、脉冲发生器及示波器等部分组成,如图1所示。DSM501A是韩国SYHITECH公司的最新专利产品,在PROTEUS的元器件库没有它的仿真模型,基于DSM501A灰尘传感器是PWM脉宽调制输出方式,低脉冲有效。因此,在仿真电路中设置脉冲发生器代替DSM501A灰尘传感器,同时用示波器检测脉冲发生器的输出波形。2.基于所使用的三公仪器控制程序(1)WAVE软件介绍WAVE软件是南京伟福公司的单片机开发软件,一般用在C51单片机上,不需要仿真器,使用软件模拟器就可以实现编译和运行,使用方便。WAVE6000编译软件采用中文界面,用户源程序大小不受限制,有丰富的窗口显示方式,能够多方位、动态地展示程序的执行过程。其项目管理功能强大,可使单片机程序化大为小,化繁为简,便于管理。另外,书签、断点管理功能以及外设管理功能等为C51单片机的仿真带来极大的便利。(2)控制程序编制PM2.5检测仪实现检测、数据处理的中心是单片机系统,单片机系统的控制程序是PM2.5检测仪运行的关键。本例是在WAVE软件环境下,采用汇编语言编写的控制程序,结合PROTEUS仿真电路进行仿真和调试,如图2所示。(3)控制程序的设计思路单片机系统的主程序用于设定定时器、中断系统的初值,然后一直等待产生定时中断,如图3所示。定时中断程序是控制程序的核心部分,在定时中断程序中实现PM2.5检测仪的检测、数据处理和数码显示。进入定时中断程序,程序首先判断输入端口是否低电平,如图4所示。如果是低电平,则LT(总的低脉冲时间)加1,否则呼叫数码管显示子程序、重装定时器初值,然后中断返回。当UT(单位测量时间)等于30s,计算出RT(低脉冲比率)的值,RT=LT/UT*100%。根据低脉冲比率RT查表得出PM2.5的粒子数。2.5测试1.基于光散射法的基于dsm501a粉煤灰传感器目前,PM2.5浓度检测的方法一般有β射线吸收法、重量法以及光散射法。β射线吸收法的原理为:空气被抽气泵吸进采样管,其中的可吸入颗粒物沉积在滤膜上,β射线通过这样的滤膜时发生β吸收,通过对β吸收的测量可计算出可吸入颗粒物的浓度。但是抽气泵能耗高、噪声大,不适合大面积推广应用。重量法的原理为:需要大量的人工工作来实现滤膜更换和取样,自动化程度低。光散射法的原理为:光学传感器的探测光经尘埃粒子散射后产生的光脉冲被光敏元件接收并转换成电脉冲信号,该信号被后续电路放大输出、甄别计数,通过与标准粒子信号进行比较可推知微粒个数和粒径大小。DSM501A灰尘传感器是基于光散射原理的粒子计数灰尘传感器,其结构原理如图5所示。DSM501A模块内置1个加热器Heater,热引起上升气流使外部空气流进模块内部,空气中的香烟灰、花粉及孢子等灰尘粒子被LED光源发出的探测光照射后,引起探测光发生散射,散射光经过透镜(Lens)汇聚后,光电转换器PT把光脉冲转化成电脉冲,再经过电路的进一步放大输出,完成对粒子个数的计数以及粒子大小的判断。该传感器可以感知1µm以上微小粒子,它体积小、重量轻、便于安装且保养简单。DSM501A灰尘传感器采用PWM脉宽调制输出方式,输出波形如图6所示。低脉冲率等于总的低脉冲时间除以单位时间再乘以百分之百,表达式为RT=LT/UT*100%。低脉冲率与粒子数的关系特性曲线如图7所示。2.变压器输出dc5v电压DSM501A灰尘传感器采用的是5V输入电路,信号处理十分方便。在本例中,先采用变压器将220V转换成9V交流电,9V交流电经过整流电路、滤波电路、7805稳压电路及滤波电路后,输出DC5V电压,如图8所示。5V直流电压为单片机系统和DSM501A灰尘传感器供电。3.传感器显示电路如图9所示,在单片机控制系统中,主要包括DSM501A灰尘传感器数据采集电路和LED显示电路,显示电路采用4位共阳级7段数码管,采用动态显示方式,4位阳极循环高电平,逐一点亮每一位数码管,使4位7段数码管高速循环显示,从而显示出当前数值。采样流量误差PM2.5检测仪的主要技术指标包括:采样流量:2L/min;采样流量误差:≤2.5%;浓度测量范围:0.5~1000mg/m3;测量误差:≤10%;稳定性相对误差:±2.5%;显示方式:数码LED