摘 要

当前，经济的高速发展所带来的空气污染问题引发了人们的关注，尤其是大气中PM2.5浓度大小，引起社会各界的高度重视。因此，研究PM2.5测量技术以及开发PM2.5检测仪器显得意义重大。

本论文主要的研究内容包括以下几方面：

（1）总结对比多种空气颗粒物测量方法，结合Mie散射理论得出光电计数方法测量空气中颗粒物浓度的可行性和可靠性，设计系统整体方案；

（2）进行光学传感器的结构设计，有效地完成PM2.5浓度-散射光强度-电流信号的测量量转换；

（3）进行信号调理电路的设计，实现把光学传感器输出的微弱电流信号转化为可以测量的电压信号；

（4）进行信号处理电路的设计，主要包括基于STM32的最小系统电路、串口转WiFi模块接口电路、TFT-LCD显示驱动及接口电路、外部FLASH电路等的设计；

（5）进行系统软件的设计，主要包括uC/OS-III的移植与任务划分、A/D采集与滤波程序、低功耗睡眠模式程序、独立看门狗抗干扰程序以及基于LabVIEW的上位机的设计；

（6）对本PM2.5测量系统进行标定，运用MATLAB对所测的数据进行最小二乘法直线拟合，并得到转换系数K。

测试结果表明，本次设计的基于光电计数的PM2.5检测系统可以较准确地得到空气中PM2.5的浓度值，同时满足便携性、易操作、低功耗、实时性和智能化的需求。

关键词：Mie散射；PM2.5；STM32；LabVIEW

Abstract

At present, the problem of air pollution brought by the rapid development of economy have been paid more and more attention.Especially, the concentration of PM2.5 in the atmospheric has aroused great attention from the society. Therefore, it is significant to study the measurement technology of air particulate matter and develop instrument of detection of air particulate matter.

The main research contents of the paper include the following aspects:

(1)summarizes the methods for measuring air particles, and combines with Mie light scattering theory to verify the feasibility and reliability of the particle concentration measurement by photoelectric counting,and designs the overall systerm;

(2)designs the structure of the optical sensor based on light scattering, and finishes the conversion between concentration of PM2.5 and intensity of scattered light and current signal;

(3)designs the circuit of signa conditioning, to achieve converting a weak current signal to a voltage signal that can be measured;

(4)designs the circuit of signal processing, mainly including the minimum system circuit based on STM32, the serial port to WiFi module interface circuit, TFT-LCD displaying driver and interface circuit and the external FLASH circuit;

(5)designs the software of the whole system, including the transplanting of uC/OS-III and the task partition, the A/D acquisition and filtering procedures, the low-power consumption mode program, the antijamming procedures by independent watchdog program dog and the design of host computer based on LabVIEW;

(6)calibrates the data measured by the PM2.5 detection system, uses MATLAB to get the conversion coefficient K by least-squares theory.

Test results show that the design of the PM2.5 detection system based on photoelectric counting can get the accurate value of the concentration of PM2.5 in the air and also meets the portability, handleability, low-power consumption, and the real-time and intelligent demand.

Key Words：Mie scattering；PM2.5；STM32；LabVIEW

目 录

第1章 绪论 1

1.1 论文背景与研究意义 1

1.2 空气颗粒物测量技术现状分析 1

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 系统理论基础与方案设计 6

2.1 系统测量理论基础 6

2.1.1 光的散射类型 6

2.1.2 Mie散射简述 6

2.1.3 微粒子浓度测量的理论基础 7

2.2 系统总体方案设计 8

2.2.1 系统设计要求 8

2.2.2 系统方案设计 9

第3章 系统硬件设计 10

3.1 光学传感器模块设计 10

3.1.1 光路系统方案设计 10

3.1.2 光源的选择 12

3.1.3 光电转换器件的选择 15

3.2 信号调理电路模块设计 17

3.2.1 I/V转换电路 17

3.2.2 滤波电路 19

3.2.3 主放大电路 21

3.2.4 运算放大器的选用 22

3.3 信号处理电路模块设计 23

3.3.1 主控芯片的选用 23

3.3.2 串口转WiFi模块的选用 24

3.3.3 电源模块设计 25

3.3.4 TFT-LCD驱动与接口电路设计 26

3.3.5 外部FLASH电路设计 28

3.3.6 JLINK-SWD模式调试接口 29

3.4 PCB电路板设计 29

第4章 系统软件设计 32

4.1 软件总体程序流程图 32

4.2 独立看门狗监测功能设计 34

4.3 低功耗睡眠模式设计 35

4.4 数据采集与滤波处理 37

4.5 基于LabVIEW的上位机界面设计 39

4.6 系统数据标定与结果误差分析 40

4.6.1 系统数据测量 41

4.6.2 系统数据标定 43

4.6.3 测量结果误差分析 44

第5章 总结与展望 46

5.1 总结 46

5.2 展望 46

参考文献 48

致谢 49

绪论

1.1 论文背景与研究意义

PM2.5指的是大气中直径小于或等于2.5μm的颗粒物^[1]，它给人们的日常生活已经带来了极大的影响，其中一个显著的例子就是雾霾天数逐年增加，对人们的健康、交通运输等方面产生负面影响。

发达国家在PM2.5监测方面，起步较早，已经形成各种有效的监测手段，包括完善的监测技术以及明文规定的法律法规。与发达国家相比，我国多数一线或二线城市的PM2.5污染很严重，PM2.5的监测力度也不大，无法有效遏制生产工厂偷排的工业废气以及大量汽车排放的尾气，造成国内出现大范围雾霾天气的严重后果。

所幸的是，近些年来，人们也开始更加注重呼吸健康问题，国内空气质量问题逐渐得到社会各界的重视。另一方面，在工业生产中，空气颗粒物的大小及浓度也对产品的质量产生直接的影响，很多工业生产领域，比如石油、化工、医疗、电子等都对无尘环境有着严格的规定^[2]。

正是由于我国对于空气环境质量问题的不断重视，工业生产对空气颗粒物日趋严格的把控要求，以及颗粒物测量技术原理在其他生产领域也发挥着关键作用，国内颗粒物检测仪器与设备的研发与应用正在快速地发展。