论文总字数：17391字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.1.1 PM2.5简介及来源 1

1.1.2 PM2.5的危害 1

1.2 国内外发展现状 1

1.2.1 国外发展现状 1

1.2.2 国内发展现状 2

1.3 本设计主要内容 3

1.4 设计主要工作安排 3

2 硬件电路设计 5

2.1设计的总体框架 5

2.2 硬件电路的总体设计 5

2.3 单片机模块说明 6

2.3.1 单片机的选择 6

2.3.2 电源电路设计 7

2.3.3 复位电路设计 7

2.4 LCD1602液晶显示模块 8

2.4.1 LCD1602工作原理 8

2.4.2 LCD1602的引脚说明及读写控制时序表 8

2.5 夏普粉尘传感器GP2Y1010AU0F 9

2.5.1 GP2Y1010AU0F传感器的技术参数 9

2.5.2 GP2Y1010AU0F传感器的内部结构 10

2.5.3 GP2Y1010AU0F驱动条件 10

2.5.4 GP2Y1010AU0F传感器的工作特性 10

2.6 按键电路 11

2.7 空气净化功能的实现 12

2.7.1 负离子发生器 12

2.7.2 继电器工作原理 12

3 程序设计及软件应用 14

3.1 软件的开发环境 14

3.2 主程序设计流程 14

3.3 AD采样的实现 15

3.4 系统显示功能的设计 15

3.5 卡尔曼滤波算法 16

3.6 按键电路软件设计 17

4 实验及结果分析 18

4.1 实物的制作与焊接 18

4.2 实验及性能验证 19

4.2.1 实验平台的搭建 19

4.2.2 湿度对PM2.5浓度测量影响验证实验 19

4.2.3 BP神经网络数据融合补偿处理 21

4.3 空气净化的实现 22

5 总结 24

参考文献 25

致谢 26

附录 27

附录1：电路原理图 27

附录2：主要源程序 28

基于MSP430单片机的PM2.5测量及空气净化

系统的设计与实现

吴鑫江

, China

Abstract: PM2.5 refers to the diameter of less than 2.5μm particles, which does great harm to air quality and human health because it’s suspended in the air. Therefore, the measurement and control of PM2.5 is urgent. This paper designs the PM2.5 concentration monitoring and air purification system for the status of PM2.5 pollution. The system uses MSP430F149 microcontroller as the control center and Sharp GP2Y1010AU0F dust sensors for collecting PM2.5 concentrations, and then displays the data on the LCD monitor. We set the alarm value by four key, when the concentration of PM2.5 detected reaches the alarm value, the system close relay to make negative ion generator to purify the air. At the same time, taking the impact of humidity on the measured values into account, we design a series of experiments and use BP neutralral network compensation method to compensate the impact of humidity. The design uses a low-power, highly integrated MSP430 MCU, which is portable, stable and well suited for everyday life as well as home air purifier PM2.5 detector.

Keywords: PM2.5; SCM; GP2Y1010AU0F; air purification; Humidity compensation

1 绪论

1.1 研究的背景及意义

人类社会进入21世纪以来，科学的高速发展给人类社会带来了日新月异的变化，但是人们在享受工业化带来的改变的同时，随着城市化进程的加剧，空气质量在不断地恶化，大气污染越来越严重，人们的身体健康也面临巨大威胁。对于全世界人民来说，如何加强空气质量的监测与治理，如何保证自身的身体健康慢慢成为了关注重点。在众多大气污染因素中，PM2.5污染因其广泛性与严重性成为大气污染中最受人们关注的一项。以下我们就从PM2.5的成因以及危害等方面来介绍一下PM2.5。

1.1.1 PM2.5简介及来源

空气中直径小于2.5μm的粒子统称为PM2.5，中文名字是细颗粒物，空气中PM2.5的浓度值越高，污染就越严重。PM2.5主要由有机碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸盐、硫酸盐、铵盐等组成。PM2.5的来源主要是有自然来源和人为来源，自然来源主要是土壤扬尘、火山灰、海盐、植物花粉、细菌等，人为来源包括燃料燃烧如冶金、石油、发电、化工、纺织印染的那个工业过程中燃煤与燃气排放的烟尘。其中危害最大的是人类在生产生活中的排放物如燃煤电厂排放的烟气、汽车尾气排放、化工排放等等^[1]。

1.1.2 PM2.5的危害

PM2.5污染对环境和人体都有极大的危害，PM2.5颗粒悬浮在空气中能对光进行散射和吸收，导致能见度下降，产生阴“霾”天气，影响人们的日常出行，也引发了很多交通事故的发生。其对人体健康的危害要远大于对环境的危害，人类在呼吸的过程中，PM2.5颗粒会进入肺泡，引起呼吸困难，严重时导致“缺氧状态”，引起各种呼吸性疾病和心血管疾病。每年发生在全世界各地的PM2.5污染事件层出不穷。2014年，北京遭遇了持续时间最长、污染最严重的一次雾霾，PM2.5浓度直逼1952年的伦敦烟雾事件。此次污染事件引发了社会各界对雾霾治理的广泛关注^[2]。PM2.5浓度监测成为了我国污染治理必不可少的一项工作。但是，PM2.5污染的广泛性与严重性给治理也带来了很多难题^[2-3]。

1.2 国内外发展现状

1.2.1 国外发展现状

上世纪五六十年代起，很多西方国家就开始了对PM2.5的研究，包括空气质量标准的修订，PM2.5检测系统的建设与完善，PM2.5检测设备的研究和发展等等。1997年，美国第一次将PM2.5纳入国标。但是直到2000年，美国才逐步建立了完善的PM2.5监测系统。PM2.5的检测方法多种多样，目前国内外主要有以下几种方法来测量PM2.5浓度值：

(1)重量法

取一块滤膜，当空气经过滤膜时，PM2.5颗粒会被截留在滤膜上，通过天平称重来测出滤膜的质量变化得出截留在滤膜上的PM2.5颗粒的重量。通过采样前后的质量差来计算出PM2.5的浓度值。用此方法测定PM2.5浓度时，一些细小的粒子依然可以穿透滤膜，所以其截留效率不能达到100%，但是因为可透过的粒子数很少，可以忽略不计，所以通常认为这种方法是合格的。称重法是最直接的测量PM2.5的方法，但是此方法需要人工称重，程序繁琐，费时费力。如图1-1所示为重量法测PM2.5浓度的仪器实物图。

(2) Beta射线法

Beta射线法测PM2.5值同样是将PM2.5颗粒截留在滤膜上，然后照射一束Beta射线，当Beta射线穿过滤膜是会被PM2.5颗粒散射而衰减，衰减的程度和PM2.5的质量呈正比，于是我们可以通过射线的衰减来计算出沉积在滤膜上的PM2.5粒子重量。从而得出PM2.5的浓度值。如图1-2所示为Beta射线法测量PM2.5浓度的仪器实物图。

(3) 微量振荡天平法

振荡天平法是取一个粗细不同的空心管，粗的一头固定，细的一头装滤膜，空气从粗头进，细头出。PM2.5颗粒被截留在滤膜上。通过电场作用是细头以一定频率振荡，根据振荡频率的变化，可以计算出PM2.5的重量^[4]。如图1-3所示为微量振荡天平法测量PM2.5的仪器实物图。

图1-1 重量法测PM2.5 图1-2 Beta射线法测量PM2.5 图1-3振荡天平法测PM2.5

1.2.2 国内发展现状

我国对于PM2.5的研究相对较晚，上世纪70年代初，我国的空气质量检测才刚刚开始起步。直到2012年我国才将PM2.5检测纳入国家空气质量标准。2012年2月，中国环境保护部发布了《环境空气质量标准》（GB3095-2012）。我国和美国对于PM2.5浓度限值设定有一定区别，因此计算出来的PM2.5指数也不同。如表1-1所示为中美PM2.5日均浓度对应的指数等级区别。

由于起步较晚，所以我国的空气质量检测的相关技术远远落后于西方国家，因仪器质量、性能的不足，全国各地的PM2.5监测都收到了极大限制，目前全国仅有少数城市设立了PM2.5监测站点。但都难以达到24小时连续读数的要求。很多生产商推出了家用式PM2.5测量仪器，但由于价格昂贵，效果不佳等原因销售情况并不理想^[5]。

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