太阳能供电空气质量监测系统的设计

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摘要：针对我国空气污染日益严重的现状及传统空气质量监测系统蓄电池供电存在缺陷的问题，设计了一种太阳能供电的空气质量监测系统。本设计的创新之处在于利用太阳能光伏电池板转化的电能给蓄电池充电，蓄电池输出电压直接用于主控单元对系统电压、电流信号的监测，蓄电池经降压稳压模块后的输出电压可作为整个系统的工作电压。主控单元以脉冲宽度调制方式控制蓄电池充电。经反复试验证明，设计的太阳能供电空气质量监测系统很好地解决了传统系统供电时间短、供电不稳定的问题，且对空气中有害气体的监测精度高。

关键词：太阳能供电；空气质量；降压；监测

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）01-0180-02

随着经济的持续发展，工业的不断进步，我国大气污染日益严重，特别是近年來，雾霾不停地在各地肆虐，尤其是中东、华北地区一些城市，PM2.5指数持续爆表，人们谈“霾”色变。要治理大气污染，首先要从源头上控制大气污染物的排放量[1]。本文正是针对这一问题而设计的太阳能供电空气质量监测系统。它可以实时检测出空气中有害气体颗粒物的浓度，并以此给监管及执法部门提供监管及执法依据。且相比传统蓄电池供电的空气质量监测系统，该设计具有工作时间长，供电稳定，维护成本低等优点。本设计目前正处于试验阶段。

1 系统的总体设计

本文设计的太阳能供电空气质量监测系统集对有害气体的采集、处理、报警和显示于一体，利用主控单元对采集到的数据进行处理，保证前台数据的实时性与准确性，有利于进行系统级评定[2]。本系统以STM32微控制器为控制核心，由传感器采集空气中有害气体的浓度，经微控制器处理后，在液晶屏上显示，人机界面友好，用太阳能光伏电池板把吸收的太阳能转化为电能，供整个系统的电源供给及储能备用。

1.1 系统组成

太阳能供电空气质量监测系统主要由主控单元（STM32F103RCT6）、液晶显示模块（LCD12864）、粉尘灰尘颗粒浓度检测模块、用户输入模块（按键）、声光模块（5V蜂鸣器、LED灯）及电源模块（太阳能电池板、蓄电池）等组成。

系统要求达到的技术指标为：

（1）空气中PM2.5浓度的测量范围为0-0.6mg/m3。

（2）浓度测量精度为±0.1%。

（3）对于时钟，要求性能稳定，误差为±0.5s，掉电后不会造成数据的丢失。

（4）太阳能光伏电池板平均无障碍工作时间≥8000h。

（5）50%放电深度循环寿命1000次。

1.2 系统功能设定

按键模块可进行三种不同监测模式的切换及监测的启动、停止。

粉尘灰尘颗粒浓度检测模块对空气中的PM2.5颗粒敏感。传感器检测到的气体浓度先被转化为电压信号，然后通过A/D转换芯片被转换为数字信号。

显示模块采用LCD12864显示屏，能够实时监控太阳能供电模块的输出电压、电流信号的变化及PM2.5浓度是否超标和当前时间值[3]。

当检测到PM2.5浓度超标时，声光模块的蜂鸣器被驱动发出报警声，同时点亮LED灯。

2 系统的硬件设计

2.1 系统原理

太阳能供电空气质量监测系统以STM32F103RCT6低功耗嵌入式微控制器为主控芯片。空气中的有害气体（PM2.5）通过粉尘灰尘颗粒浓度检测传感器后，输出一个与气体浓度相对应的电压信号，然后A/D转换芯片按一定的采样频率，将模拟电压信号转换为对应的数字信号，最后送入主控芯片进行数据处理。主控芯片对采样值完成数据处理后，与预先设定的气体浓度阈值进行比较，同时主控芯片驱动液晶显示模块显示被测空气中PM2.5的浓度是否超标，若超标，声光模块会发出相应的报警信号。

2.2 主控单元

主控单元采用STM32F103RCT6微控制器进行数据采集、处理，之后产生浓度结果数据，并将该结果数据进行超限对比。当PM2.5的浓度大于设定的阈值时，系统会自动报警并亮警示灯，并通过显示模块显示浓度情况，最终完成对数据的存储。

2.3 A/D转换模块

A/D转换芯片选用ADC0809，为8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。拥有8位分辨率（最高分辨率可达28=256）、转换时间仅需32us，能够满足普通模拟量的转换条件。A/D转换芯片把粉尘灰尘颗粒浓度检测传感器测得的模拟量信号，转换成主控芯片STM32F103RCT6能够识别的数字量信号。

2.4 粉尘灰尘颗粒浓度检测模块

APM粉尘灰尘颗粒浓度传感器是一款专用于检测空气中PM2.5浓度的传感器。尺寸小，重量轻，易安装使用，对于直径1um以上的粒子能灵敏检测，内置的加热器可实现自动吸入空气。且价格低廉。完全能满足本设计的需求。工作电流低，最大只有90mA。稳定时间短，加热器电源接通后约1分钟。该模块的显著特点是利用粒子计数原理，以PWM脉宽调制输出。输出脉冲的低脉冲率与空气中粉尘粒子的浓度成正比。

2.5 用户输入模块

系统的用户输入模块总共有4个按键构成，依次分别是“模式0键”、“模式1键”、“模式2”键、和“停止键”。模式0为每8小时检测一次，模式1为立即检测1次，模式2为每10分钟检测一次[5]。

2.6 电源模块

本系统的电源模块采用“太阳能电池板+蓄电池”的组合供电模式，这也是本设计的一大创新点。利用太阳能光伏电池板把吸收的太阳能转换成电能，这些电能通过DC-DC 5A降压模块输出12V-15V的电压，供给蓄电池充电，充电电压由PWM控制；再通过DC-DC 5A可调降压模块输出6V的电压，经过7805稳压芯片输出5V电压供给主控芯片及其它模块使用[6-7]。

3 系统的软件设计

系统的软件部分采用C语言编写。先将系统按实现的工作模式划分为若干个子模块，然后根据子模块要实现的功能完成各个子程序的编写。

主程序主要实现了每8小时检测一次、立即检测一次和每10分钟检测一次这三种工作模式下对空气中PM2.5浓度检测的任务及对应输出。

4 实验结果

图1对比了有黑色薄膜遮挡与无黑色薄膜遮挡两种情况下，太阳能电池板未接DC-DC 5A PWM可变降压模块时，某一天12：00-15：00时间段内，输出电压与光照强度之间的关系。可以看出，无论有无黑色薄膜遮挡，未接DC-DC 5A PWM可变降压模块时的输出电压都在12V-20V之间，这个電压无法直接用于蓄电池的充电。图2是相同天气情况的某一天12：00-15：00时间段内，接上DC-DC 5A PWM可变降压模块后的输出电压与光照强度之间的关系。可以看出，此时的输出电压都稳定在12V左右，可以用于蓄电池的充电。

5 结语

通过对各种光照强度下的太阳能光伏电池板可靠性的检测，确定了本设计的可实现性，提高了空气质量监测系统的使用寿命，降低了系统维护的成本，节约了能源。为了有效保护发明创造成果，本设计已经申请了国家发明专利。专利技术的实施进一步推动成果的转换，有利于产品在节能、环保和有害气体监测等方面的广泛推广和应用。

参考文献

[1]王春迎.空气质量监测系统的发展现状及方向[J].广东化工，2012，6（1）：106-109.

[2]张志通等.太阳能高效发电与空气质量监控系统的研究[J].自动化与仪表，2015（5）：120-125.

[3]魏德仙.风光互补供电的空气质量监测系统设计[J].自动化仪表，2014（16）：10-15.

[4]王霞.基于ZigBee的空气质量监测系统的研究设计[J].机械制造与自动化，2014（2）：23-27.

[5]苏峰.基于四旋翼的空气质量监测系统设计与实现[J].电子设计工程，2014（5）：55-60.

[6]张光南.一种新型室内空气质量检测仪的设计[J].河南科学，2014（32）：1478-1482.

[7]索云天.基于无线传感器网络的空气质量监测系统的研究[J].计算机时代，2014（10）：27-30.

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