空气细颗粒物检测产品设计

PM2.5检测产品设计专业：[通信工程]班级：080411卓越班学生姓名：[李震，李梦奇，耿驰]完成时间：2019年12月20日空气细颗粒物检测产品设计一、背景细颗粒物又称细粒、细颗粒、PM2.5。细颗粒物指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物。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。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。据悉，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70万人死于因臭氧导致的呼吸系统疾病，有近200万的过早死亡病例与颗粒物污染有关。《美国国家科学院院刊》（PNAS）也发表了研究报告，报告中称，人类的平均寿命因为空气污染很可能已经缩短了5年半。北京，西安等大城市多天雾霾已经严重影响居民们的正常生活，2012年05月24日环保部公布了《空气质量新标准第一阶段监测实施方案》，要求全国74个城市在10月底前完成PM2.5“国控点”监测的试运行。二、问题定义正如以上所说，现在环境污染越来越严重，可吸入灰尘对人体的危害越来越明显，能够及时的了解空气PM2.5污染程度对于我们减少这种危害有很大的帮助。我们所做的仪器主要功能就是：1.测量空气PM2.5的污染程度，即空气中细颗粒物的浓度2.把所测的浓度转换为污染等级在LCD显示器显示出来3.当污染等级大于一定值时，产生声光报警三、需求分析（1）功能需求能准确测量出小环境内PM2.5值和显示等级，并在显示的等级严重影响人的正常生活时产生告警，可扩展，比如链接空调等器件，对灰尘进行控制（2）.可靠性和可用性需求检测环境适合室外室内干燥环境环境温度-20℃——60℃读取结果速度30秒显示小屏LED显示检测灵敏度0.001mg/m3重复性误差%2测量精度%5测量范围0.001-100mg/m3四、技术调研1.主要测量方法如下：1)重量法本方法主要是将PM2.5直接截留到一层很薄的滤膜之上，然后再用天坪进行称重量，此种方法就是重量法。本方法中需要提到的一点就是，滤膜并不能把所有的PM2.5都收集起来，一些直径非常小的颗粒物还是容易漏过，但是能把大部分的颗粒物收集起来。其原则是只要对于颗粒物直径大于0.3微米的颗粒物能截取99%都是允许的。没有截取的损失掉的那部分颗粒物对整体结果的影响并不是十分明显，因为那部分颗粒物对于整个PM2.5的浓度共享量是非常小的。利用重量法测量PM2.5浓度一般普遍的采用比较大流量的采样器材，其原理主要是利用泵抽取一定量的气体进入空气切割器当中。其操作的原理就是将直径小于30微米的颗粒物进行不断的分割和切割，这样PM2.5颗粒物就可以随着气流经过切割器的出口被阻留到了已经称重的器皿上。根据对颗粒物采样前后的质量之差以及采样颗粒物气体的体积，可以计算出PM2.5的浓度。具体的计算公式为：tFWWC12其中C代表的含义是PM2.5的质量浓度，其表示的单位是3mmg，W2表示的含义是采样之后滤膜的质量，其单位是mg；W1表示的含义是采样之前滤膜的质量，其单位是mg；F代表的含义是换算成标准状况下的采样的流量，其单位是L/min；t代表的是采样时间，其单位是min.2)β射线吸收法本方法的原理主要是将PM2.5收集到滤纸上面，然后用一束beta射线进行照射，当射线穿过滤纸或者颗粒物的时候，由于beta射线会被散射而发生衰减，其衰减的程度会根据PM2.5的重量而成正比。因此可以根据射线的衰减情况来测算出PM2.5的重量。Beta射线吸收的原理就是，当原子核在发生着beta衰变时，会放出beta粒子，beta粒子实际上是一种移动速度非常快的带电荷的粒子，它的穿透能力超级强，当它穿过一定厚度的物质被吸收时，其强度会随着吸收层厚度的增加而逐渐减弱，这种现象叫做β吸收。若吸收物质的厚度比beta粒子的射程小得非常多的时，beta射线会被物质所吸收掉。其表达的公式为mmteII0该式之中，I0表达的含义就是滤纸没有进行吸附吸收物质的时候，beta粒子的数量；I表示的含义就是当beta射线穿过物质厚度为tm的滤纸时候，beta粒子的数量；m表示的含义就是质量吸收系数或者称为质量衰减系数，其单位为mgcm2；Beta射线吸收原理测量PM2.5在国际上目前比较流行的方法就是Beta射线自动检测仪。该仪器可以利用抽气泵对大气进行恒流采样来进行。3)微量振荡天坪法其主要实现的方法和步骤就是利用一头粗一头细的空心玻璃管，将粗头的部位固定住，将细头装滤芯。空气从粗头的部分进入，从细头的部分流出，因此PM2.5就被截留在滤芯上面。它们在电场的作用之下，细头部位以一定的频率进行振荡，振荡的频率与细头重量的平方根之间成反比。因此，根据振荡频率的变化，就可以计算出收集到的PM2.5的重量，根据这样可以计算空气中PM2.5的浓度。2.设计框图我们采用的测量方法是重量法。对此我们所要获得的数据有空气中PM2.5的质量M和收取的空气体积V。设计的主要模块有电源模块，控制模块，时钟模块，采样模块，称重模块，告警和显示模块。每部分间的连接框图如图1。图1设计框图电源模块：电源模块给控制模块，采样模块，称重模块等其他模块供电，由于每部分需要的电压不统一，所以电源模块能多电压输出。控制模块：控制模块负责控制采样模块定时工作，获取通过采样模块空气的体积V和称重模块称得的PM2.5的质量M，并进行运算，把结果转化为污染等级，输出到显示器上，并判断是否超标，如超标，做出告警。时钟模块：负责设计中时间的控制，有的时钟模块嵌入到控制模块。采样模块：负责采集空气中的PM2.5，同时记录流过采样器的空气流量。称重模块：称取PM2.5的质量。显示和告警模块：输出设备，输出测量结果和发出告警。3.浓度转化公式空气质量指数（AirQualityIndex，简称AQI）是定量描述空气质量状况的指数，其数值越大说明空气污染状况越严重，对人体健康的危害也就越大。AQI可分为六个等级，如下表空气质量等级PM2.5浓度值污染等级n优0~35μg/m31良35~75μg/m32轻度污染75~150μg/m33中度污染150~200μg/m34中度污染200~300μg/m35严重污染大于300μg/m36浓度与AQI指数之间的转换关系为12150150AQICCCCn其中C1和C2为每个档次的浓度下限和浓度上限。五、软件设计1．称重计算结果代码#includestdio.hintmain(){doublew1,w2,ft,C,m;scanf(%lf%lf%lf,&w1,&w2,&ft);C=((w1-w2)/ft);//计算出的PM2.5浓度单位为mg/m3if(C=0.035){m=(C*50/0.035);printf(%lfⅠ优,m);}elseif(C=0.075||C0.035){m=50+50*(C-0.035)/0.040;printf(%lfⅡ良,m);}elseif(C=0.15||C0.075){m=100+50*(C-0.075)/0.075;printf(%lfⅢ1轻微污染,m);}elseif(C=0.2||C0.15){m=150+50*(C-0.15)/0.05;printf(%lfⅢ2轻度污染,m);}elseif(C=0.25||C0.2){m=200+50*(C-0.2)/0.05;printf(%lfⅣ1中度污染,m);}elseif(C=0.3||C0.25){m=250+50*(C-0.25)/0.05;printf(%lfⅣ2中度重污染,m);}elseif(C0.3){printf(300Ⅴ重度污染);}}该程序可以实现对称重值的计算，单位是mg/m3并将计算的结果转换成空气质量指数和污染等级2.时钟控制代码#includereg52.h#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintuchartimer[3]={0,0,0};//时分秒uinttimer_data;voidmain_init()//程序初始化{timer_data=0;//数据初始化TMOD=1;//使用到定时器0TH0=0xfc;TL0=0x18;//定时1毫秒TR0=ET0=EA=1;//定时器开启}voidmain(){main_init();while(1){//然后在这里判断if()你所需要的时间数据就可以做一些动作了；}}voidtimer0()interrupt1//定时器0入口{TH0=0xfc;TL0=0x18;//本次定时1毫秒if(timer_data==1000)//1000毫秒=1秒{timer[2]++;if(timer[2]==60)//判断是否过了60秒；{timer[1]++;//分钟加1；timer[2]=0;//秒清0if(timer[1]==60)//判断是否过了60分；{timer[0]++;//小时加1；timer[1]=0;//分清0if(timer[0]==24)//判断是否过了24小时{timer[0]=0;//时清0}}}timer_data=0;}else{timer_data++;}}该程序实现24小时内任意时间，控制测量大气pm2.5含量。六、硬件设计我们设计的硬件连接图如图2:图2硬件连接图1.电源设计电源设计每个产品设计必不可少的部分。我们的设计中每个硬件部分需要的电压不完全相同，对电压的精度要求也不相同，例如DSP芯片要求电压小，要求电源足够稳定，否则会烧坏器件。而空气泵对电源的要求要相对低一些。器件需要电压空气泵24V（DC）流量记录仪3V（DC）LCD显示器3V（DC）DSP芯片5V（DC）电子秤3V（DC）2.采样器件采样采用不同的过滤膜，上面两层过滤膜能够过滤直径大于3μm的颗粒，第三层过能滤掉99%的直径小于0.3μm颗粒，对第三层进行多次称重，可以得出PM2.5的质量。流量记录仪器在市面上也有很多现成的设备，对我们的设计而言，对空气流量记录精度要求不是太高，考虑到设计的价格，我们采用中等精度的设备。3.空气泵考虑到设计的体积，不宜采用体型过大的气泵，我们采用微型气泵，气泵的参数如下型号电压负载电流(A)功率(W)流量(L/min)相对真空度(负压)峰值流量平均流量(KPa)VAY8828241.433.62818≈-884.电子称由于所要称取的PM2.5质量很小，所以要求电子称的精度很高，电子称的规格参数如下量程120g可读性0.001mg重复性（标准偏差）（g）0.001mg准确度级别1电压3V（DC）5.DSPDSP是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。我们设计中使用的DSP芯片要求计算量不大，而且要求的功能也不是很多，所以使用最基础的DSP芯片已经可以满足要求了。我们采用TMS320C54x系列的芯片。6.LCD显示LCD主要显示测量的污染等级，使用的体积小，而且不需要其他功能，所以采用普通收音机的显示屏就可以了。需要显示的内容有AQI，空气质量级别，空气质量状况。七、综合测试1.单元测试a.过滤单元测试：对于颗粒物直径大于0.3微米的颗粒物能截取99%都是合格的b.称重单元测试：精度能达到0.001mg/m3即可c.电源单元测试：电压能稳定在220V范围，d.DSP单元测试：准确可靠的计算出数据。e.流量计数仪和空气泵：流量计数准确