本实验由粉尘传感器通过DAQ采集卡传递变化的电压值至电脑，在labview中通过相应处理转化为PM2.5的值，达到实时显示、记录各监测点PM2.5值的曲线变化的功能并根据相应设定范围实现显示及报警功能。

该系统主要由检测终端、通信网络和监测中心三大模块组成。检测终端安装在检测现场，主要通过传感器采集空气中PM2.5的含量的数据，并分析、存储采集的数据。在此次课程设计中，检测终端通过连接DAQ数据采集卡作为数据传输的通道，将采集的数据传送到监测中心。由labview设计的数据显示界面及报警界面组成监测中心，用户可以从监测中心中获得所需城市PM2.5含量的实时值。

1. 背景及目的

PM2.5有一个容易理解的中文名——细颗粒物，是对空气中直径小于或等于2.5微米的固体颗粒或液滴的总称。由于PM2.5指的是可入肺颗粒物，其主要对呼吸系统和心血管系统造成伤害，包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困难、降低肺功能、加重哮喘、导致慢性支气管炎、心律失常、非致命性的心脏病、心肺病患者的过早死。老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群。如果空气中PM2.5的浓度长期高于10微克/立方米，死亡风险就开始上升。浓度每增加10微克/立方米，总的死亡风险就上升4%，得心肺疾病的死亡风险上升6%，得肺癌的死亡风险上升8%。PM2.5一般是由汽车尾气排放引起，工业涂料的挥发也会造成空气的污染。

2013年1月10日开始，一场罕见且严重的空气污染侵袭了华北地区的很多城市，多个城市的PM2.5浓度创历史新高，严重影响了是市民的出行与正常的生活。一时间PM2.5污染引发广泛关注和讨论。在2013年的12月份，雾霾再次侵袭全国十省，多个地方PM2.5值爆表。如何监测PM2.5的值成为当下的热点问题。

PM2.5相对粒径小、毒性大、传输距离远、停留时间长，，且其对人体健康、大气辐射和能见度有着重要的影响，开展对PM2.5的监测将有利于提高我国大气环境质量，给老百姓创造一个洁净的空气环境。

2 设计过程

2.1硬件部分

2.1.1 Arduino单片机

Arduino，是一个基于开放原始码的软硬体平台。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。

2.1.2夏普粉尘传感器。

一款光学空气质量传感器，设计用来感应空气中的尘埃粒子，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光，即使非常细小的如烟草烟雾颗粒也能够被检测到，通常在空气净化系统中应用。具体工作原理如图1所示。

图1 粉尘传感器内部原理及工作原理

该传感器具有非常低的电流消耗(最大20mA，典型值11mA)，可使用高达7VDC。该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓度成正比。

可测量0.8微米以上的微小粒子,感知烟草产生的咽气和花粉,房屋粉尘等.体积小,重量轻,便于安装，广泛应用于空气清新机,换气空调,换气扇等产品.

图2传感器输出电压与PM2.5浓度之间的曲线关系

2.1.3 DAQ数据采集卡

数据采集(简称DAQ)就是将电压，电流，温度，压力等物理信号转换为数字量并传递到目标系统的过程，是外部物理世界与目标系统相连接的桥梁。目前目标系统一般都由计算机构成，DAQ系统实际上是基于计算机的DAQ系统。一个完整的DAQ系统包括计算机，传感器和变换器，信号调理模块，数据采集设备，硬件驱动引擎，应用程序编程接口，硬件配置管理软件，应用软件等。

传感器和变换器的作用是将各种物理信号(包括电量信号和非电量信号)转换为DAQ系统可以采集的电量信号。传感器和变换器输出的信号常常不能直接被采集设备读取，需要进行放大，滤波，隔离等操作，信号调理模块的作用就是实现这些操作。经过信号调理的信号就可以送入数据采集设备进行采集。

数据采集设备的租用是将获取的信号转换成计算机能够识别的数据，并送入计算机中。数据采集设备和计算机之间的接口一般有两种：一种是插入式，DAQ卡通过计算机中PCI/PXI插槽直接将获取的数据传输给计算机：另一种是总线式，计算机外的DAQ硬件首先获取数据，然后通过串口，并口，USB，GPIB等总线将数据传输给计算机。

应用程序包括开发软件和最终的应用程序，作用是在软件中实现所需要的功能。在本课程中我们所学习的开发软件就是NI LabVIEW，最终的应用程序可以是在LabVIEW环境中运行的程序，也可以是系统可执行程序。

在本系统中，粉尘传感器第五端口产生模拟电压值通过DAQ数据采集卡NI 9205通过总线式的方式传输到计算机中，然后通过自己编写的LabVIEW应用程序，可以对数据进行处理，并且构建显示界面，控制系统的运行。

2.2软件设计

软件设计部分分为arduino控制传感器程序设计与利用LabVIEW 编写DAQ采集传感器端口数据和显示报警程序设计两部分。这里省略单片机程序设计部分，主要介绍基于labview的程序编写。

图3 Labview软件程序编写流程图

首先利用labview编写DAQ数据采集程序，设置采样率为1000。由labview选择对应的端口接受数据采集卡采集的数据。

图4 前端DAQ数据采集程序

根据传感器5端口处输出模拟电压值与PM2.5含量的关系计算公式y=X*0.83984375*1000-99.9 ，将接收到的电压值转化为PM2.5的值并在波形图中显示采样的结果进而分析采样数据变化。计算每次采样的平均值并根据这个值进行报警功能的设置。

图5 转化为PM2.5含量程序