基于HT32F52 MCU的PM2.5激光粉塵傳感器設(shè)計

PM2.5是影響人體健康和大氣環(huán)境的兇手，有效開展細顆粒物監(jiān)測非常必要。本文介紹了以HT32F52230 MCU為主控的PM2.5激光粉塵器方案，通過合理設(shè)計的的激光發(fā)射通道和風道機構(gòu)，以米氏散射(Mie scattering)原理計算出不同粒徑顆數(shù)與顆粒質(zhì)量濃度，并換算成空氣中PM1.0、PM2.5的質(zhì)量濃度，可檢測的最小顆粒物直徑為0.3μm，可用于空氣凈化器、新風機盒子等相關(guān)產(chǎn)品。

方案特點

本方案采用激光散射原理，計算出不同粒徑的粒子個數(shù)，再換算成顆粒質(zhì)量濃度。

根據(jù)米氏散射(Mie scattering)原理，不同粒徑的顆粒通過激光散射區(qū)時，激光被顆粒散射并被光敏接收管檢測到，形成光電流;光電流經(jīng)過I-V轉(zhuǎn)換、濾波、放大后，形成不同振幅的脈沖供MCU處理。脈沖的振幅與顆粒粒徑大小有關(guān)，而脈沖的數(shù)量與顆粒的數(shù)量有關(guān)。通過分析脈沖信號，可換算出不同粒徑顆粒數(shù)與顆粒質(zhì)量濃度。

圖1. PM2.5激光粉塵傳感器功能圖及實物

PM2.5激光粉塵傳感器是以HT32F52230(24SSOP)為主控MCU，采用專門算法計算單位體積內(nèi)空氣中不同粒徑的顆數(shù)和物質(zhì)量濃度，并通過UART將數(shù)據(jù)傳出。方案的PM2.5測量精度高，可檢測0.3μm以上的顆粒物。

圖2. PM2.5激光粉塵傳感器電路圖

硬件結(jié)構(gòu)上，PM2.5激光粉塵傳感器包含外設(shè)接口、LDO穩(wěn)壓電路、風扇驅(qū)動電路、激光發(fā)射控制電路、I/V轉(zhuǎn)換/濾波放大電路。主要特點如下：

- 主控MCU：HT32F52230;

- 工作電壓：5V(4.5-5.5V);

- 工作電流：<100mA;

- 顆粒物測量范圍：0.3~1.0μm、1.0~2.5μm、2.5~10μm;

- PM2.5質(zhì)量濃度量程：0~500μg/m3;

- 室溫環(huán)境下濃度一致性(PM2.5標準值)：±15%@100~500μg/m3，±15%μg/m3@0~100μg/m3;

- 輸出接口：UART(9600, N, 8, 1)。

芯齊齊BOM分析

該PM2.5激光粉塵傳感器BOM共有53個元件，核心元件HT32F52230來自臺灣Holtek，兩個LDO TPS79901、TPS780及運放LMV602均由TI提供。

圖3. PM2.5激光粉塵傳感器BOM表

芯齊齊智能BOM工具顯示，主控MCU HT32F52230采用24SSOP封裝，內(nèi)核為32bit Arm Cortex-M0+，內(nèi)建32K Bytes Flash ROM、4K Bytes SRAM、HIRC 8MHz、系統(tǒng)頻率40MHz。該芯片含有豐富外設(shè)，1組ADC用于采集光電流信號，獲取顆粒數(shù)和計算質(zhì)量濃度; 1組PWM 用于控制風扇轉(zhuǎn)速;1組UART用于通信;4個I/O分別用于激光控制、風扇使能轉(zhuǎn)速偵測及休眠模式。

BOM表中的TPS79901為低靜態(tài)電流、超低噪聲、高PSRR LDO，TPS780為快速瞬態(tài)響應(yīng)、高效率、高穩(wěn)定性LDO芯片，LMV602是單、雙和四路低電壓、低功耗運算放大器，采用節(jié)省空間的8引腳VSSOP封裝，節(jié)約了PCB占地面積。

圖4. PM2.5激光粉塵傳感器PCB走線

PM2.5激光粉塵傳感器PCB走線時，風扇轉(zhuǎn)速等反饋信號線盡量避開光電轉(zhuǎn)換電路，且GND走線回路盡量短。

審核編輯：湯梓紅