基于单片机的运动型PM2.5防护口罩系统设计

江汉大学物理与信息工程学院 王 恒 胡小楠 段金杰 钟守昌

基于单片机的运动型PM2.5防护口罩系统设计

江汉大学物理与信息工程学院 王 恒 胡小楠 段金杰 钟守昌

本文结合颗粒物过滤原理，结合特殊的气囊，提出了PM2．5运动口罩在过滤效率和泄漏性上可行的设计方法。利用TI公司的MSP430F169单片机和PM2．5传感器设计了一套运动型PM2．5防护口罩，装置由PM2．5浓度检测及风速控制两部分组成。PM2．5传感器用于检测过滤前后的PM2．5浓度，经过信号放大处理电路后,由单片机进行AD采样,计算当前测试区域的PM2．5浓度，过滤后的空气进入缓冲区的气囊中储存，送到口罩。装置还能实时调控风机转速以适应使用者的呼吸量。该装置在PM2．5环境监测及体育运动等领域具有广阔的应用前景。

运动型；口罩；PM2．5； PM2．5传感器；单片机；风机；气囊

引言

在日常生活中，雾霾天气越来越严重，而雾霾中含有大量对人体有害的物质。其中，颗粒物是雾霾的主要大气污染物。在这些颗粒物中，空气动力学当中直径≤2.5um的就称为PM2.5,也称为细颗粒物。因其粒径小，表面积大，易于富集空气中的有害物质，可以随着呼吸进入人体，引起肺泡或心血管疾病，所以PM2.5成为检测空气质量指标的一个重要参数。随着2013年我国大部分地区雾霾天气的爆发，健康问题被越来越多的人所关注，本文所述的运动型PM2.5防护口罩将各种因素加以考虑并最终形成设计。

本文所述运动型PM2.5防护口罩在原有PM2.5防护口罩的基础上，加上了独有的气囊和风机，气囊主要解决了人们运动时供气量不足带来的头晕，胸闷等问题，风机则主要用于提供给运动人群充足的空气，给人们带来舒适的运动体验。

1.系统组成与设计原理

运动型PM2.5防护口罩由MSP430F169单片机整体调控，主要有PM2.5浓度检测和风速控制两部分，系统框图如图1所示。

图1 系统框图

运动型PM2.5防护口罩的工作原理为风机鼓风区的风机首先开始送风，同时PM2.5传感器检测风机鼓风区的PM2.5浓度，空气通过过滤区的滤纸过滤后，储存在空气缓冲区中的气囊中，气囊中的PM2.5传感器检测其PM2.5浓度，最后气囊中储存的气体输送到口罩中。当PM2.5浓度过高时，继电器开始工作，报警系统启动，提醒人们避免出门锻炼。

PM2.5浓度检测部分为通过PM2.5传感器检测空气缓冲区和风机鼓风区环境中PM2.5浓度，实时的将PM2.5浓度发送到MSP430F169单片机，MSP430F169单片机判断环境PM2.5浓度是否达到报警值，若达到，则将警报信号反馈到继电器，输出动作接通警铃，提醒用户避免出行。

风速控制部分为通过手动调节按键，将改变信息反馈到MSP430F169单片机中，MSP430F169单片机通过改变PWM波占空比输出到风机，改变风机转速，给人最舒适的呼吸体验。

2.硬件组成和设计

2.1 风速控制部分设计

风速控制部分的主控芯片选用TI公司的MSP430F169单片机，它采用5V供电，具有60K Flash的存储器；2KB的RAM，能有效控制各部分的高速运行，可外接的通用IO口，可自由连接的外设，PM2.5传感器的PM2.5浓度信息储存在MSP430F169单片机里，便于实时分析数据从而给出合理的建议。

风速控制部分通过控制按键控制风量大小，从而达到自由调控风机转速改变空气流量的目的，以满足人们在不同环境中对空气流量的不同需求。

2.2 PM2.5浓度检测设计

PM2.5传感器将采到的PM2.5浓度数据发送到MSP430F169单片机，经MSP430F169单片机分析可以判断PM2.5浓度是否过高（即浓度大于70ug/m3），如过高，则及时发出警报同时给出合理化的建议。当环境PM2.5浓度过高时，可通过继电器输出动作接通警铃提醒用户。继电器控制电路如图2所示。

图2 继电器控制电路

在上图中，J1选用12V磁保持继电器，用MSP430F169单片机的P2.0端口控制继电器的置位和复位，当P2.0=1时，Q1导通，Q2截止，set端为低电平，reset端为高电平，继电器动作置位，从而使用户端子L+和L-得电可控制风机或警铃等外部设备。当P2.0=0时， Q1截止，Q2导通，set端为高电平，reset端为低电平，继电器复位，外部设备将断电。三级管选用S8050，当有高电平过来，整体继电器控制电路导通。

3.软件设计

MSP430F169单片机对PM2.5传感器按地址进行巡检，PM2.5传感器被巡检到时会把自身状态(故障或正常)反馈给MSP430F169单片机，MSP430F169单片机通过改变PWM占空比来改变风机转速，同时通过串口接收PM2.5传感器的读数，当环境PM2.5浓度过高时，可通过继电器输出动作接通警铃提醒用户。MSP430F169单片机软件流程图如图3所示。

图3 软件流程图

表1 风机占空比在不同环境的PM2.5浓度关系

4.数据分析

测试环境为空气和松香燃烧产生大量有毒气体的混合气体环境，测试前将一组PM2.5传感器放在洁净空气中检测一次环境PM2.5浓度，并由MSP430F169发送检测命令让每个PM2.5传感器输出其环境PM2.5浓度值，并将浓度值存储在MSP430F169单片机中，再改变风机占空比，观察PM2.5浓度变化。表1是风机占空比在不同环境的PM2.5浓度关系。

根据表1，我们得到风机占空比在不同环境的PM2.5浓度关系曲线，如图4所示。其中横坐标为风机占空比，单位为%；纵坐标为不同环境的PM2.5浓度，单位为ug/m3。

图4 风机占空比和PM2.5浓度对应关系图

图中系列1为风机鼓风区的PM2.5浓度，系列2为空气缓冲区的PM2.5浓度。从图中我们可以看出，风机鼓风区的PM2.5浓度随着风速增大而逐渐增大，空气缓冲区的PM2.5浓度趋于稳定。对实验数据进行分析可知，PM2.5传感器有很好的测量精度，空气缓冲区的PM2.5浓度达到了国家35ug/m3的标准。

5.结束语

利用MSP430F169单片机设计的运动型PM2.5防护口罩可以监测被测环境的实时状态，同时能对被测区域中PM2.5浓度进行高精度测量和智能化管理。同时该系统可根据空气中PM2.5浓度变化，给出外出建议。还能通过按键自由调控PWM占空比，灵活改变室内环境的空气流量，独有的气囊解决人们供气量及气体交换的特殊需求，给使用者带来舒适的用户体验。

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[3]丁松涛,姚红,房鹤．解析霾与公众防护,中国个体防护装备, 2015-04-15．

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王恒（1996—），男，湖北武汉人，本科生，现就读于江汉大学通信工程专业。