基于HT32F52 MCU的PM2.5激光粉尘传感器设计

PM2.5是影响人体健康和大气环境的凶手，有效开展细颗粒物监测非常必要。本文介绍了以HT32F52230 MCU为主控的PM2.5激光粉尘器方案，通过合理设计的的激光发射通道和风道机构，以米氏散射(Mie scattering)原理计算出不同粒径颗数与颗粒质量浓度，并换算成空气中PM1.0、PM2.5的质量浓度，可检测的最小颗粒物直径为0.3µm，可用于空气净化器、新风机盒子等相关产品。

方案特点

本方案采用激光散射原理，计算出不同粒径的粒子个数，再换算成颗粒质量浓度。

根据米氏散射(Mie scattering)原理，不同粒径的颗粒通过激光散射区时，激光被颗粒散射并被光敏接收管检测到，形成光电流;光电流经过I-V转换、滤波、放大后，形成不同振幅的脉冲供MCU处理。脉冲的振幅与颗粒粒径大小有关，而脉冲的数量与颗粒的数量有关。通过分析脉冲信号，可换算出不同粒径颗粒数与颗粒质量浓度。

图1. PM2.5激光粉尘传感器功能图及实物

PM2.5激光粉尘传感器是以HT32F52230(24SSOP)为主控MCU，采用专门算法计算单位体积内空气中不同粒径的颗数和物质量浓度，并通过UART将数据传出。方案的PM2.5测量精度高，可检测0.3µm以上的颗粒物。

图2. PM2.5激光粉尘传感器电路图

硬件结构上，PM2.5激光粉尘传感器包含外设接口、LDO稳压电路、风扇驱动电路、激光发射控制电路、I/V转换/滤波放大电路。主要特点如下：

- 主控MCU：HT32F52230;

- 工作电压：5V(4.5-5.5V);

- 工作电流：<100mA;

- 颗粒物测量范围：0.3~1.0µm、1.0~2.5µm、2.5~10µm;

- PM2.5质量浓度量程：0~500µg/m³;

- 室温环境下浓度一致性(PM2.5标准值)：±15%@100~500µg/m3，±15%µg/m3@0~100µg/m3;

- 输出接口：UART(9600, N, 8, 1)。

芯齐齐BOM分析

该PM2.5激光粉尘传感器BOM共有53个元件，核心元件HT32F52230来自台湾Holtek，两个LDO TPS79901、TPS780及运放LMV602均由TI提供。

图3. PM2.5激光粉尘传感器BOM表

芯齐齐智能BOM工具显示，主控MCU HT32F52230采用24SSOP封装，内核为32bit Arm Cortex-M0+，内建32K Bytes Flash ROM、4K Bytes SRAM、HIRC 8MHz、系统频率40MHz。该芯片含有丰富外设，1组ADC用于采集光电流信号，获取颗粒数和计算质量浓度; 1组PWM 用于控制风扇转速;1组UART用于通信;4个I/O分别用于激光控制、风扇使能转速侦测及休眠模式。

BOM表中的TPS79901为低静态电流、超低噪声、高PSRR LDO，TPS780为快速瞬态响应、高效率、高稳定性LDO芯片，LMV602是单、双和四路低电压、低功耗运算放大器，采用节省空间的8引脚VSSOP封装，节约了PCB占地面积。

图4. PM2.5激光粉尘传感器PCB走线

PM2.5激光粉尘传感器PCB走线时，风扇转速等反馈信号线尽量避开光电转换电路，且GND走线回路尽量短。

审核编辑：汤梓红