一種便攜式粉塵監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張琦

【摘 要】為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各類工礦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中粉塵濃度測(cè)量以及粉塵濃度超標(biāo)的預(yù)警而設(shè)計(jì)本系統(tǒng)。本系統(tǒng)裝置以單片機(jī)為控制器，能夠?qū)Ψ蹓m濃度進(jìn)行較為準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)與預(yù)警，且該設(shè)計(jì)實(shí)用性強(qiáng)，運(yùn)行速度快，具有靈敏度高、成本低的特點(diǎn)。

【Abstract】A system is design to achieve the dust concentration measurement and an early warning of its excessive concentration for all kinds of industrial and mining operation on the spot. The system device takes the SCM as the controller， it can accurately monitor and warn the dust concentration， this system has the characters as strong practical design， high running speed， high sensitivity and low cost.

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；粉塵傳感器；液晶顯示器；系統(tǒng)報(bào)警

【Keywords】single chip microcomputer；dust sensor；LCD；system alarm

【中圖分類號(hào)】TJ06 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）08-0161-02

1 引言

在各類工礦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生粉塵超標(biāo)。工礦粉塵超標(biāo)給作業(yè)人員生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅，因此，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的粉塵濃度以及對(duì)粉塵濃度超標(biāo)進(jìn)行報(bào)警的系統(tǒng)顯得極其重要，對(duì)于工礦作業(yè)人員人身安全的保障和環(huán)境質(zhì)量的提高有著至關(guān)重要的作用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框架

本系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣粉塵進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)粉塵濃度值超過(guò)設(shè)定的區(qū)間時(shí)，報(bào)警器會(huì)進(jìn)行報(bào)警[1]。首先通過(guò)粉塵傳感器對(duì)空氣濃度進(jìn)行采集與測(cè)量，然后將傳感器傳出的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最后數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理會(huì)在顯示器上進(jìn)行顯示，如若超過(guò)設(shè)定的粉塵設(shè)定值，蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲音，指示燈會(huì)亮?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)以STC89C52為主控制器，用來(lái)控制整個(gè)電路的運(yùn)行。通過(guò)粉塵傳感器采集空氣粉塵濃度值，然后將模擬信號(hào)電壓值通過(guò)ADC0832轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，最終通過(guò)LCD1602顯示粉塵濃度數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)按鍵對(duì)濃度閾值進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)粉塵濃度超標(biāo)時(shí)，蜂鳴器將會(huì)進(jìn)行報(bào)警[2]。因此，這款檢測(cè)粉塵濃度值的系統(tǒng)，能夠?qū)諝夥蹓m進(jìn)行較為準(zhǔn)確地采集及測(cè)量，并能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

3.2 主控制器設(shè)計(jì)

STC89C52是由我國(guó)生產(chǎn)的一種耗能低、運(yùn)行能力強(qiáng)的8位控制器，具有8K可以輸入程序的中央芯片。同時(shí)STC89C52還有其他重要的功能特性，它有著256字節(jié)隨機(jī)存儲(chǔ)內(nèi)存，32位可以用來(lái)使用的接口線，芯片內(nèi)部還帶有定時(shí)器，三個(gè)起到16位定時(shí)或者計(jì)時(shí)的端口，一個(gè)終端端口，串行輸出口，最基本的晶振電路。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

ADC0832是美國(guó)半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種轉(zhuǎn)換芯片， 它具有轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)雙通道，同時(shí)具有8 位分辨率，工作于0～5V之間的電壓。由于它形狀小、功能性強(qiáng)、性價(jià)比高，因而能夠在市場(chǎng)中占有一席之地。粉塵傳感器輸出的電壓值經(jīng)CH0端口輸入到ADC0832芯片，然后由單片機(jī)接收轉(zhuǎn)換后數(shù)字量信號(hào)。

3.4 粉塵濃度傳感器的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇日本夏普公司設(shè)計(jì)的GP2Y1010AU型號(hào)作為粉塵傳感器，它工作于5V～8V電壓下，驅(qū)動(dòng)電流不大于20MA，其測(cè)量范圍在0.8微米以上的粉塵顆粒，可以檢測(cè)到空氣中的花粉、煙霧以及細(xì)小的顆粒。

通過(guò)粉塵傳感器對(duì)空氣中的粉塵顆粒進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該傳感器輸出為模擬電壓值，其值與粉塵濃度成線性關(guān)系，可以根據(jù)曲線圖得出粉塵濃度的大小。

3.5 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是屬于LCD系列的LCD1602，液晶顯示屏具有運(yùn)行能力強(qiáng)、功能性強(qiáng)、能耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn)。LCD1602液晶顯示器的基本構(gòu)造是在兩塊平行的玻璃滲透發(fā)光的液態(tài)晶體，有許多細(xì)微的電線存在于這兩塊玻璃中，通過(guò)給液晶顯示屏通上5V電壓來(lái)控制水晶分子的方向，從而利用折射原理來(lái)進(jìn)行顯示。

3.6 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)，可以采用PNP三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。當(dāng)報(bào)警模塊運(yùn)行時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出的數(shù)字信號(hào)與閥門設(shè)定的固定值進(jìn)行比較[3]。當(dāng)粉塵濃度超標(biāo)時(shí)，報(bào)警裝置就會(huì)發(fā)出信號(hào)，從而引起工作人員的注意從而保證工作人員的安全。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件包括液晶顯示模塊、粉塵濃度采集模塊、閾值設(shè)定模塊和報(bào)警模塊，系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

4.2 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

液晶顯示模塊的主要作用是接受A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)，對(duì)單片機(jī)寫入LCD液晶顯示模塊程序進(jìn)行粉塵濃度值顯示。首先確定液晶顯示屏的RS數(shù)據(jù)指令選擇控制端口、RW讀寫控制端口以及EN使能控制端口與單片機(jī)端口連接的端口代號(hào)，然后編寫液晶顯示屏的運(yùn)行指令、讀寫指令以及清屏初始化的程序，最后編寫兩行顯示數(shù)據(jù)字符串。

4.3 粉塵濃度采集模塊設(shè)計(jì)

ADC0832有兩個(gè)模擬信號(hào)輸入端口，本系統(tǒng)采用CH0端口來(lái)接收模擬信號(hào)。在DI/DO功能通道中，用DI通道來(lái)進(jìn)行雙通道切換，同時(shí)需要單片機(jī)向芯片發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，芯片才能正常工作。當(dāng)粉塵傳感器采集到的粉塵濃度經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為電壓值時(shí)，經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)作為媒介，通過(guò)液晶顯示屏顯示。

4.4 閾值報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

這兩個(gè)模塊內(nèi)容少，但是互相聯(lián)系，因此將閥門設(shè)定值與報(bào)警模塊結(jié)合在一起設(shè)計(jì)。閾值設(shè)定模塊用單片機(jī)兩個(gè)輸入輸出端口來(lái)調(diào)節(jié)粉塵報(bào)警值的大小。當(dāng)粉塵超標(biāo)時(shí)，就代表了當(dāng)前濃度已經(jīng)大于閾值了，報(bào)警模塊中的蜂鳴器就會(huì)實(shí)時(shí)報(bào)警，信號(hào)燈也會(huì)發(fā)亮。報(bào)警模塊則用了單片機(jī)的一個(gè)IO端口進(jìn)行高低電平的輸入。當(dāng)粉塵超標(biāo)時(shí)，端口就輸出高電平，蜂鳴器實(shí)時(shí)報(bào)警；正常情況下，信號(hào)采用低電平。

5 結(jié)論

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各類工礦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中粉塵濃度顯示以及粉塵濃度超標(biāo)的預(yù)警而設(shè)計(jì)本系統(tǒng)。本系統(tǒng)裝置以單片機(jī)為控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)粉塵濃度監(jiān)測(cè)及報(bào)警的基本功能，該系統(tǒng)能夠及時(shí)地把粉塵狀況反饋給工作人員。工作人員通過(guò)攜帶該系統(tǒng)裝置，一旦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的粉塵濃度超標(biāo)，裝置將給出相應(yīng)的警報(bào)提示工作人員，從而能夠有效地保障工礦人員安全健康問(wèn)題。本系統(tǒng)裝置的推廣運(yùn)用，不僅能夠減輕粉塵濃度對(duì)工作人員的危害，同時(shí)能夠響應(yīng)國(guó)家綠色環(huán)保的發(fā)展理念。

【參考文獻(xiàn)】

【1】周子昂，徐坤，吳定允. 一種便攜式井下多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，36（02）：99-104.

【2】馬冬寧，趙鵬菲，王振帥，等 一種基于單片機(jī)的智能粉塵監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)[J]. 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2017（05）：9-11.

【3】潘云，楊希剛，張承武，等. 火電廠濕煙氣超低粉塵排放在線監(jiān)測(cè)技術(shù)探討[J].電力科技與環(huán)保，2016，32（03）：21-23.endprint