基于嵌入式的PM2.5檢測(cè)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)化程度不斷提高，人為因素的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，尤其 PM2.5 對(duì)人們的身體健康產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。各種環(huán)境檢測(cè)器如雨后春筍，其中PM2.5 檢測(cè)器深受市場(chǎng)歡迎。因此本課題基于STM32 平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了一款 PM2.5 檢測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、顯示與報(bào)警等功能。

本課題采用常見的STM32芯片（ARMCortexTLS-P906 型），該芯片具有數(shù)據(jù)采集、處理和輸出等功能。STM32芯片由控制單元、從屬單元和總線矩陣三部分組成，通過總線矩陣將控制單元和從屬單元連接在一起。其程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和輸入輸出端口寄存器在同一個(gè)線性地址空間里。本課題采用SDS011PM2.5傳感器模塊，并將傳感器模塊與STM32芯片連接在一起，通過USB轉(zhuǎn) TTL接口與電腦連接， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中PM2.5數(shù)據(jù)的采集和分析。嵌入式系統(tǒng)硬件的基本組成如圖 1所示。

1 數(shù)據(jù)采集介紹

數(shù)據(jù)采集（DAQ）指模擬或數(shù)字傳感器抑或其他設(shè)備的被測(cè)單元自動(dòng)采集非電量或電量信號(hào)，并送到上位機(jī)進(jìn)行分析、處理，從數(shù)據(jù)源收集、識(shí)別和選取數(shù)據(jù)的功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)或其他專用測(cè)試平臺(tái)測(cè)量軟硬件為方便各類用戶操作而設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)的各種物理量，如溫度、濕度、顆粒物、壓強(qiáng)等，這些既可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。一般通過采樣方式采集，即間隔一定時(shí)間（采樣周期）對(duì)同一點(diǎn)數(shù)據(jù)重復(fù)采集。采集的數(shù)據(jù)可能是某段時(shí)間內(nèi)的一個(gè)特征值，但在大多數(shù)情況下是瞬時(shí)值。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)采集以準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)測(cè)量為基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)量測(cè)方法分為接觸式和非接觸式兩種，檢測(cè)元件多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被測(cè)對(duì)象狀態(tài)和測(cè)量環(huán)境為前提，保證數(shù)據(jù)的正確性。數(shù)據(jù)采集含義廣泛，包括對(duì)面狀連續(xù)物的物理量采集。在計(jì)算機(jī)輔助制圖、測(cè)圖、設(shè)計(jì)中，對(duì)圖形或圖像的數(shù)字化過程也可稱為數(shù)據(jù)采集，此時(shí)采集的量包括灰度等物理量和數(shù)據(jù)等幾何量。數(shù)據(jù)采集整體結(jié)構(gòu)與流量圖如圖 2 所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過將模塊化硬件、應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)相結(jié)合來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，如空氣中的顆粒物、溫度、氣壓、濕度等。盡管數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用需求有不同的定義，但各系統(tǒng)采集、分析和顯示信息的目的卻都相同。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)、傳感器、激勵(lì)器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和應(yīng)用軟件的完美結(jié)合。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖 3 所示。

2 數(shù)據(jù)采集器的選型與設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集器的選型與設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用SDS011PM2.5 檢測(cè)器，其具有如下特點(diǎn)：

SDS011 傳感器模塊實(shí)物圖如圖 4 所示，傳感器配用的串口線與USB 實(shí)物如圖 5 所示，傳感器接入電源后的組裝圖如圖 6 所示。

2.3 選擇的數(shù)據(jù)采集器的工作原理

通過串口調(diào)試助手軟件可以顯示出以十個(gè)字節(jié)為單位的信息 ：報(bào)文頭 + 指令號(hào) + 數(shù)據(jù)（6 字節(jié)）+ 校驗(yàn)和+ 報(bào)文尾，具體見表 2 所列。

計(jì)算時(shí)要求數(shù)據(jù)為十進(jìn)制，但輸出的數(shù)據(jù)是 16 進(jìn)制，因此要對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換。

PM2.5 的輸出如圖 9 所示。實(shí)物連接運(yùn)行圖如圖10 所示。

圖11 串口輸出數(shù)據(jù)顯示

4 結(jié) 語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了精確測(cè)量室內(nèi) PM2.5 的功能，同時(shí)加入 了報(bào)警功能，與一般的傳感器相比更能讓人們對(duì)環(huán)境的惡化 情況加以重視，較好地完成了本課題。