一種基于嵌入式技術(shù)的靜電粉塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究和實(shí)現(xiàn)

吳戰(zhàn)國(guó)　王美

摘 要：針對(duì)工業(yè)粉塵濃度需要實(shí)時(shí)監(jiān)控的問(wèn)題，提出了一種基于靜電感應(yīng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的在線粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；該方案有效地利用靜電感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)靜電荷的測(cè)量，以及利用嵌入式芯片的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理，完成了粉塵濃度的測(cè)量及顯示；該系統(tǒng)在靈敏性，可靠性以及可維護(hù)性均具有一定的優(yōu)勢(shì)，具有很大的實(shí)用性和推廣性。

關(guān)鍵詞：粉塵濃度；靜電感應(yīng)；嵌入式；C8051F060；μC/OS-Ⅱ

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展和公共環(huán)境保護(hù)意見(jiàn)的不斷增強(qiáng)，工業(yè)粉塵的排放越來(lái)越受到人們的關(guān)注。粉塵是懸浮在空氣中的同體微粒，工業(yè)粉塵主要指在工業(yè)生產(chǎn)中由于物料的破碎、篩分、堆放、轉(zhuǎn)運(yùn)、燃燒或其他機(jī)械處理而產(chǎn)生的固體微粒[1]。工業(yè)粉塵對(duì)環(huán)境，對(duì)人體都有很強(qiáng)的危害性，主要表現(xiàn)在由于粉塵積累和變化，使空氣中粉塵濃度逐漸增加，導(dǎo)致城市上空能見(jiàn)度普遍下降，發(fā)生粉塵引起的爆炸事件也有著上升趨勢(shì)；另外如果人長(zhǎng)期吸入一定量的粉塵，粉塵在肺內(nèi)逐漸沉積，使肺部產(chǎn)生進(jìn)行性、彌漫性的纖維組織增多，出現(xiàn)塵肺病。針對(duì)這一狀況，國(guó)家對(duì)工業(yè)粉塵排放濃度制訂了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制粉塵濃度。因此，為了進(jìn)行有效的除塵和降塵以確保人身安全和提高環(huán)境質(zhì)量，如何及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)就成了我們必須面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。

目前，世界各國(guó)對(duì)粉塵濃度的測(cè)量技術(shù)都做了大量研究，研制了一系列粉塵監(jiān)測(cè)儀器，如粉塵采樣器、直讀式測(cè)塵儀、粉塵濃度傳感器等。本文介紹一種基于靜電感應(yīng)和嵌入式技術(shù)的在線粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在靈敏性，可靠性以及可維護(hù)性均具有一定的優(yōu)勢(shì)，在傳統(tǒng)的布袋除塵系統(tǒng)中完全可以替代人工檢漏，并能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前粉塵濃度，具有很大的推廣性。

2 靜電荷測(cè)量原理

任何粉體狀的物質(zhì)在氣力的輸送過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生碰撞和磨擦，因此粉體粒子都會(huì)失去電子而形成帶正電荷的粒子和顆粒，隨濃度的變化及粉體流速的變化，其電荷量也按一定規(guī)律變化。粉塵顆粒所帶的電荷形成靜電場(chǎng)。利用靜電感應(yīng)原理即可測(cè)得靜電場(chǎng)的大小及變化，通過(guò)信號(hào)處理，即可顯示氣固兩相中粉體濃度的數(shù)量值。

3 靜電粉塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

靜電粉塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主要由信號(hào)檢測(cè)和控制器兩大單元組成。其中，信號(hào)檢測(cè)單元主要完成靜電的感應(yīng)，放大以及整流等工作，以保證輸出4～20MA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。而控制器單元主要功能是接收電流信號(hào)，完成數(shù)據(jù)的采集，顯示以及向中心傳輸數(shù)據(jù)的功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.1 信號(hào)檢測(cè)單元

信號(hào)檢測(cè)單元主要實(shí)現(xiàn)電荷的收集和放大，最終輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。電荷放大器采用LMC6081芯片，LMC6081是一種低電壓放大器，它采用4.5V～15V直流電壓供電，最低輸入可達(dá)150uV，輸出可達(dá)20mV，是一種應(yīng)用比較廣泛的低電壓放大器。在二級(jí)放大電路中，采用的是OP177。

3.2 核心處理器的選擇

控制中心模塊選用C8051F060單片機(jī)，它是美國(guó)Cygnal公司推出的完全集成混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU。C8051F060單片機(jī)采用與8051兼容的專(zhuān)利內(nèi)核CIP-51，速度高達(dá)25MIPS，并具有59個(gè)數(shù)字I/O引腳、5個(gè)16位通用定時(shí)器、6個(gè)帶有捕捉/比較模塊的可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列。同時(shí)，片內(nèi)還集成了2個(gè)12位DAC、3個(gè)電壓比較器、看門(mén)狗定時(shí)器，VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。該芯片上集成有64KB的FLASH和4352B內(nèi)部RAM，以及硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和2個(gè)UART串行接口，還集成了CAN總線控制器。最重要的是，C8051F060單片機(jī)還有兩個(gè)16位、1Msps的ADC，在高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用C8051F060單片機(jī)無(wú)需外擴(kuò)ADC轉(zhuǎn)換芯片，這使得采用C8051F060單片機(jī)具有開(kāi)發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低廉、可適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集等特點(diǎn)。

3.3 外部接口電路設(shè)計(jì)

外部接口電路主要包括幾部分，ADC數(shù)據(jù)輸入電路，DAC輸出電路，顯示與鍵盤(pán)接口電路以及RS232通信接口電路。ADC數(shù)據(jù)輸入電路主要功能是接受4～20mA電流信號(hào)，通過(guò)硬件濾波，輸入C8051F060單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。DAC輸出電路的主要功能是將經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)換算成濃度值，再將濃度值同過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，再次還原成4～20mA電流信號(hào)，為其他一些設(shè)備或者系統(tǒng)提供可靠的粉塵濃度信號(hào)。RS232通信接口電路采用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，它是連接本地控制器與控制中心的設(shè)備，通過(guò)RS232總線，實(shí)現(xiàn)控制中心與本地控制器之間的數(shù)據(jù)交換。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)需要完成的功能，將用戶程序劃分為幾個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，任務(wù)具體劃分幾任務(wù)間關(guān)系如圖3所示。

各任務(wù)間根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的信號(hào)量、郵箱以及消息隊(duì)列的方式進(jìn)行通信。其中，ADC采集任務(wù)中經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在DAC轉(zhuǎn)換任務(wù)中需要將其經(jīng)過(guò)人工處理后再將其轉(zhuǎn)換為4～20mA模擬信號(hào)發(fā)出供其他設(shè)備或系統(tǒng)使用；在LCD顯示任務(wù)中需要將這些經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算，實(shí)時(shí)的將粉塵濃度顯示在LCD屏上；而在RS232任務(wù)中，也需要將這些數(shù)據(jù)定時(shí)通過(guò)RS232總線上傳到控制中心。四個(gè)任務(wù)同時(shí)使用這一組數(shù)據(jù)，因此使用μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的信號(hào)量來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。按鍵掃描任務(wù)在得到當(dāng)前鍵盤(pán)輸入情況后，可以通過(guò)郵箱信號(hào)將最新鍵值傳送到LCD顯示任務(wù)中，LCD顯示任務(wù)通過(guò)識(shí)別鍵值來(lái)確定當(dāng)前顯示內(nèi)容；同樣鍵盤(pán)可以通過(guò)郵箱方式與EEPROM讀寫(xiě)任務(wù)進(jìn)行通信，從而完成參數(shù)配置的功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，采用靜電粉塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可是實(shí)時(shí)，準(zhǔn)確的得到粉塵濃度信息，為有效的防塵和除塵提供了可靠的依據(jù)，對(duì)環(huán)境保護(hù)有著巨大的作用。這種在線粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域作出不同的功能擴(kuò)展，可廣泛用于冶金、電力、化工、制藥、食品加工、建材、木材加工等布袋除塵系統(tǒng)的檢漏。

參考文獻(xiàn)

[1]申麗，張殿.工業(yè)粉塵及其性質(zhì)[J].金屬世界，1997.