基于CC2540的鋅煙除塵監(jiān)控系統(tǒng)

李雪靜， 鄧成中

(西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610039)

為解決鋼鐵工件表面的腐蝕問題，目前常采用熱浸鍍鋅工藝對鋼鐵工件表面進(jìn)行處理[1]。鍍鋅過程會(huì)產(chǎn)生大量的鋅煙，這不僅給長期工作在此環(huán)境下的人員身體健康造成很大的傷害，也對周邊環(huán)境帶來嚴(yán)重污染。鋅煙的除塵十分重要[2]。

布袋除塵系統(tǒng)因其除塵效率高、結(jié)構(gòu)簡單及運(yùn)行故障率低等特點(diǎn)成為目前處理鋅煙最普及的除塵設(shè)備。傳統(tǒng)的鋅煙除塵系統(tǒng)由PLC實(shí)現(xiàn)對引風(fēng)機(jī)、電磁反吹閥的控制[3]，對鋅煙排放的溫度、壓力等檢測都是單獨(dú)安裝監(jiān)控儀器儀表來實(shí)現(xiàn)。這樣不僅整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜、成本高，而且對其監(jiān)控的實(shí)時(shí)性也不夠，不方便對各設(shè)備進(jìn)行集中管理。隨著單片機(jī)、傳感器和藍(lán)牙技術(shù)的飛速發(fā)展,簡單、高效、智能化程度高、實(shí)時(shí)性高的監(jiān)控系統(tǒng)，廣泛運(yùn)用在工業(yè)設(shè)備中。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于CC2540控制的鋅煙除塵監(jiān)控系統(tǒng)。

1 鋅煙除塵系統(tǒng)

1.1 布袋式鋅煙除塵系統(tǒng)

布袋式鋅煙除塵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[4]如圖1所示。

圖1 布袋式鋅煙除塵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

布袋式鋅煙除塵系統(tǒng)分為上中下三室。上室是凈氣室，主要用來存放已經(jīng)被除塵過的干凈氣體，其內(nèi)部設(shè)有氣包和噴嘴，噴嘴對著各個(gè)布袋口，當(dāng)濾袋外表面累積的鋅煙粉塵較多時(shí)，氣包通過噴嘴向各倉室的濾袋進(jìn)行噴吹清灰。中室是除塵室，它與上室之間安裝很多條布袋,主要用來過濾鋅煙粉塵。下室是鋅煙集塵室，專門收集濾袋過濾掉的鋅煙粉塵。除塵主要是過濾和清灰。過濾狀態(tài)是由引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓將要除塵的鋅煙從入口管道吸入除塵室，經(jīng)除塵室的各布袋過濾，鋅煙粉塵直接被阻擋在濾袋的外表面，凈化后的鋅煙氣體經(jīng)濾袋口進(jìn)入鋅煙凈氣室，最后進(jìn)入出口管道由煙囪排到大氣中。清灰狀態(tài)是除塵系統(tǒng)工作一段時(shí)間后發(fā)生。因?yàn)V袋外表面的鋅煙粉塵越積越多，濾袋內(nèi)的氣壓變小、阻力增加，濾袋的過濾能力減弱，系統(tǒng)沒有辦法進(jìn)行過濾除塵，這時(shí)就要對系統(tǒng)進(jìn)行清灰操作：先關(guān)閉引風(fēng)機(jī)以阻斷除塵室進(jìn)入新的鋅煙粉塵，再打開電磁閥利用氣包中的空氣給濾袋補(bǔ)充氣壓，濾袋得到足夠的氣壓之后迅速脹大，使附著在濾袋外表面的鋅煙粉塵由慣性作用抖落到鋅煙集塵室中[5]，濾袋重新恢復(fù)過濾能力，鋅煙凈氣出口氣壓也恢復(fù)到正常狀態(tài)，這時(shí)關(guān)閉電磁閥，重新開啟引風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)恢復(fù)到過濾狀態(tài)。

1.2 基于CC2540的鋅煙除塵監(jiān)控系統(tǒng)

基于CC2540的鋅煙除塵監(jiān)控系統(tǒng)主要由中央處理器、電源模塊、TFT串口觸摸屏、數(shù)據(jù)采集電路(溫度和出入口壓力傳感器)、電磁反沖閥控制電路、變頻器及引風(fēng)機(jī)控制電路，以及手機(jī)APP組成。其系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理框圖

該系統(tǒng)主要由手機(jī)構(gòu)成的上位機(jī)與CC2540單片機(jī)為核心的下位機(jī)組成。手機(jī)與CC2540利用藍(lán)牙4.0協(xié)議進(jìn)行交互通信。其工作原理是各傳感器采集到除塵設(shè)備環(huán)境中的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)CC2540處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)，并顯示在手機(jī)APP界面上。工作人員得到信息，做相關(guān)判斷后，可通過手機(jī)APP發(fā)送指令給下位機(jī)。下位機(jī)得到指令后，可控制電磁反吹閥、引風(fēng)機(jī)等進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。當(dāng)手機(jī)APP發(fā)生故障或者不能與下位機(jī)通信時(shí)，可以通過TFT串口屏監(jiān)控除塵系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路

主控模塊是整個(gè)除塵監(jiān)控系統(tǒng)的核心，在向下控制與向上交互通信方面都起著至關(guān)重要的作用。除塵系統(tǒng)中各種傳感器采集信息，并傳送給CC2540控制器，經(jīng)控制器處理后通過自身集成的藍(lán)牙模塊、天線及相關(guān)射頻電路上傳給上位機(jī)處理并顯示。其部分主控電路如圖3所示。

圖3 主控電路

本系統(tǒng)的中央處理器為CC2540F256。CC2540是一款集微控制器與藍(lán)牙功能于一體的芯片，工作電壓在2～3.6 V[6]，具有8KB的內(nèi)存和256KB的閃存，21個(gè)I/O口、2個(gè)UART、1個(gè)USB、3個(gè)定時(shí)器、8個(gè)12位的ADC。它的外圍集成了射頻電路與天線，能進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。設(shè)計(jì)中利用電容C251、C256與電感L251、L256構(gòu)成巴倫(Balun)電路，其作用是將輸出信號轉(zhuǎn)換為單極微波，然后經(jīng)天線發(fā)送出去。由于輸出阻抗并不是標(biāo)準(zhǔn)的50 ohm，因此，選用電感L252、L253與電容C253構(gòu)成T型阻抗匹配電路，以解決射頻信號與天線之間的阻抗匹配的不友好。

2.2 溫度檢測電路

熱鍍鋅產(chǎn)生的鋅粉溫度一般非常高，形成的氣流溫度也相對很高。氣體溫度過高會(huì)對濾袋造成損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)。鋅煙除塵倉室內(nèi)的溫度一般控制在200℃以下，溫度檢測電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測電路

本設(shè)計(jì)中選用PT100作為溫度測量的主要器件。該傳感器的檢測溫度域較廣，能達(dá)到-200～650℃[7]。設(shè)計(jì)中由基準(zhǔn)電壓模塊REF3030為其提供精準(zhǔn)的5 V電壓。R1、R3、R2和PT100組成橋式電路(其中4個(gè)電阻均為精度1%的電阻)，對溫度進(jìn)行測量。溫度信號經(jīng)儀表放大器AD623進(jìn)行放大，所需放大倍數(shù)通過電阻R8來調(diào)整(放大公式為G=100K/R8+1)。放大的信號經(jīng)CC2540的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

2.3 氣壓檢測電路

在除塵狀態(tài)中，除塵室的壓力要控制在一定范圍內(nèi)，才能保證除塵的正常進(jìn)行，該值通常為800～1 200 Pa。當(dāng)進(jìn)出口壓力差值超過1 200 Pa時(shí)，系統(tǒng)就進(jìn)入清灰狀態(tài)。對氣壓的檢測是保證除塵正常進(jìn)行的關(guān)鍵所在。其氣壓的檢測電路如圖5所示。

圖5 氣壓檢測電路

本系統(tǒng)選用MPX2010氣壓檢測傳感器。它具有體積小、質(zhì)量輕、檢測精度高及低功耗等特點(diǎn)，可檢測的氣體壓力范圍為0～10 kPa，工作溫度范圍為-40～+125℃，靈敏度為2.5 mV/kPa。MPX2010檢測到的信號經(jīng)過儀表放大器AD620進(jìn)行放大。通過AD620外接的電阻R7來對放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)(放大倍數(shù)公式是G=49.4K/R7+1)。放大后的信號經(jīng)CC2540的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

2.4 輸出模塊

2.4.1 電磁反吹閥控制電路

在除塵過程中，濾袋灰塵加厚使出口氣壓值變大，濾袋氣壓變小，阻力變大，這時(shí)就需要開啟電磁反吹閥，由氣包對濾袋中的氣壓進(jìn)行補(bǔ)充?？紤]到鋅煙除塵系統(tǒng)以后還要擴(kuò)展其他功能，所以在鋅煙除塵系統(tǒng)中對電磁反沖閥控制所需的I/O口利用擴(kuò)展芯片來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)選用擴(kuò)展芯片74HC595來進(jìn)行I/O的擴(kuò)展，通過CC2540芯片的3個(gè)I/O與74HC595的3個(gè)I/O相連接，實(shí)現(xiàn)CC540單片機(jī)擴(kuò)展8個(gè)I/O的目的，如圖6所示。

圖6 電磁閥控制電路

圖中只設(shè)計(jì)了8路電磁反吹閥的擴(kuò)展I/O，在實(shí)際使用中電磁反吹閥路數(shù)遠(yuǎn)不止這些。本設(shè)計(jì)采用鍍鋅除塵專用脈沖閥DMF-Z-20普通型1寸直角，其驅(qū)動(dòng)電壓為直流24 V，功率為15 W，先導(dǎo)頭采用不銹鋼。在電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路中采用ULN2804大功率達(dá)林頓管(單路輸出電流可為500 mA，持續(xù)輸出電壓50 V以上)作為核心驅(qū)動(dòng)元件?？紤]到電磁閥引入的電磁波和高壓干擾，采用OP817高速光耦(100 K速率，隔離電壓高達(dá)5 kV)對控制器輸出信號進(jìn)行光隔離。

2.4.2 引風(fēng)機(jī)控制模塊

鍍鋅除塵系統(tǒng)中的引風(fēng)機(jī)主要作用是將過濾完的干凈氣體排到大氣中。由于外界環(huán)境較為惡劣并且其他干擾因素也較多，因此，為保證控制系統(tǒng)對引風(fēng)機(jī)的控制與通信可靠、穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)選用RS485通信方式。以CC2540為控制器，以三菱FR-A800變頻器為驅(qū)動(dòng)器，采用RS-485串行接口，對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行同步調(diào)速控制[8]。其相關(guān)電路如圖7所示。

圖7 引風(fēng)機(jī)電路

圖中選用了具有低功耗、半雙工收發(fā)器特性的SP485EEN芯片。SP485EEN與單片機(jī)之間通過4條線進(jìn)行連接，為方便編寫程序，將RE數(shù)據(jù)接收使能端和DE數(shù)據(jù)發(fā)送使能端并連在一起連接單片機(jī)的1個(gè)I/O。引風(fēng)機(jī)常年放置在廠外，其本身又是金屬設(shè)備，因此要對其進(jìn)行多級保護(hù)。本設(shè)計(jì)使用SM712與SP485EEN直接并聯(lián)進(jìn)行降壓,使SP485EEN芯片免受雷電引入的浪涌電流損害。雖經(jīng)SM712的阻擋，雷電引入的電壓大大被減弱到幾百V，但電壓還是很高；因此本設(shè)計(jì)還利用瞬態(tài)抑制二極管P6K6.8CA對SP485EEN芯片進(jìn)行限壓保護(hù)。P6K6.8CA是一種廣泛應(yīng)用于限壓防雷保護(hù)的限壓保護(hù)器件，其常規(guī)功率為600 W，反向關(guān)斷電壓為6.8 V，滿足設(shè)計(jì)要求。它與SP485EEN的并聯(lián)使用，進(jìn)行二次電壓限制，使后端電路在8 V左右夾緊，從而實(shí)現(xiàn)對后端引風(fēng)機(jī)的保護(hù)。

為防止引風(fēng)機(jī)一上電或者系統(tǒng)的其他電路發(fā)生問題等導(dǎo)致電流過大而燒毀電路，采用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲JK250-120U對SP485EEN芯片進(jìn)行保護(hù)。JK250-120U是PTC熱敏電阻，允許通過的最大電壓與電流值分別為250 V、10 A。本設(shè)計(jì)采用2個(gè)JK250-120U分別與SP485EEN的A、B端進(jìn)行串聯(lián)，當(dāng)電流過大時(shí)，PTC電阻迅速增大而分走很大一部分電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對SP485EEN和引風(fēng)機(jī)的保護(hù)。

2.5 TFT顯示模塊

TFT顯示屏主要作用是當(dāng)手機(jī)APP端操作不起作用時(shí)，或者手機(jī)信號受到干擾不能通信時(shí)，可以通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)對整個(gè)鋅煙除塵系統(tǒng)的檢測。

TFT串口觸摸屏具有不需更改已有代碼的特點(diǎn)，用戶在使用時(shí)只要添加數(shù)據(jù)的發(fā)送接收函數(shù)就可實(shí)現(xiàn)通信。本設(shè)計(jì)選擇了大彩公司的觸摸屏，其型號為7.0寸DC80480S070_01TW。在進(jìn)行系統(tǒng)觸摸屏的界面設(shè)計(jì)時(shí)，采用Visual TFT軟件，將預(yù)先設(shè)計(jì)好的觸摸屏界面圖使用USB下載到TFT內(nèi)部，然后通過MCU發(fā)送相應(yīng)的串口指令去控制電磁閥、引風(fēng)機(jī)等設(shè)備。其中圖片文件讀取操作均由TFT獨(dú)立完成，同時(shí)TFT內(nèi)部有1個(gè)2K的指令緩沖區(qū)，方便用戶發(fā)送指令后立刻進(jìn)行其他動(dòng)作[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的任務(wù)輪詢調(diào)度

藍(lán)牙與手機(jī)之間通過協(xié)議進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，協(xié)議的具體形式主要是通過協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。協(xié)議棧相當(dāng)于協(xié)議與用戶之間的接口，通信雙方遵循相同的通信標(biāo)準(zhǔn)，以此來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和接收。協(xié)議棧雖然是統(tǒng)一的，但不同的生產(chǎn)廠商提供的協(xié)議棧卻各不相同[10]。本系統(tǒng)是基于藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧BLE-CC254X-1.3.2開發(fā)的，其包含了實(shí)現(xiàn)通信雙方所要求的基本功能，這些功能以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)， TI用一個(gè)名詞OSAL (操作系統(tǒng)抽象層)來管理這些函數(shù)集。OSAL操作系統(tǒng)可以運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，并按照事件和任務(wù)的優(yōu)先級去輪訓(xùn)調(diào)度。系統(tǒng)軟件的主流程如圖8所示。

在系統(tǒng)完成初始化后，整個(gè)系統(tǒng)就進(jìn)入到osal_run_system( )函數(shù)，開始任務(wù)輪詢與事件的處理。鋅煙溫度、氣壓的檢測，電磁閥的控制等鋅煙除塵系統(tǒng)中所有的事件都運(yùn)行在OSAL上并由其來調(diào)度。當(dāng)要執(zhí)行上面其中一個(gè)任務(wù)時(shí)，OSAL調(diào)用這個(gè)任務(wù)的事件處理函數(shù)來進(jìn)行處理，直到輪詢完所有想要執(zhí)行的任務(wù)為止。若沒有想要執(zhí)行的任務(wù)，系統(tǒng)進(jìn)入休眠，等到外部中斷或者預(yù)先設(shè)定的定時(shí)功能類喚醒，系統(tǒng)又再次進(jìn)行事件輪詢。若想同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，則要根據(jù)這些任務(wù)之間的優(yōu)先級來決定，這樣大大降低了鋅煙除塵系統(tǒng)的能耗。

圖8 系統(tǒng)軟件主流程

3.2 手機(jī)端與下位機(jī)的交互通信

整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)主要依靠手機(jī)端與下位機(jī)進(jìn)行交互通信完成，所以手機(jī)端與下位機(jī)的通信是非常重要的部分。整個(gè)交互通信的流程如圖9所示。

圖9 手機(jī)端與下位機(jī)的交互通信

手機(jī)端向下位機(jī)發(fā)出掃描藍(lán)牙設(shè)備的請求，下位機(jī)做出相應(yīng)可以被掃描的回應(yīng)，手機(jī)端得到可以被掃描的回應(yīng)后向下位機(jī)發(fā)出連接此藍(lán)牙設(shè)備的請求，下位機(jī)返回給手機(jī)端可以被連接的回答。這樣手機(jī)端就與下位機(jī)建立了連接。

4 系統(tǒng)測試

4.1 TFT串口屏測試

本系統(tǒng)是在Visual TFT軟件平臺(tái)下進(jìn)行觸摸屏控制界面的設(shè)計(jì)和開發(fā)的。首先通過USB將已經(jīng)設(shè)計(jì)好的整個(gè)鋅煙除塵系統(tǒng)的界面圖下載到觸摸屏中，然后通過串口將觸摸屏與系統(tǒng)連接好，并采用直流穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)界面如圖10所示?？梢钥闯觯|摸屏與下位機(jī)的通信是正常的。

圖10 TFT串口屏界面

4.2 手機(jī)APP測試

利用Android Studio平臺(tái)進(jìn)行手機(jī)APP界面的設(shè)計(jì)和開發(fā)。先保證系統(tǒng)所有的硬件連接都良好并通電，然后打開手機(jī)藍(lán)牙，再打開手機(jī)APP,當(dāng)手機(jī)與CC2540連接上，手機(jī)端的界面就會(huì)顯示當(dāng)前整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。鋅煙除塵系統(tǒng)在手機(jī)上的顯示界面如圖11所示?？梢钥闯?，手機(jī)與下位機(jī)能很好地交互。

測試結(jié)果表明，工作人員不僅在手機(jī)APP界面上可以實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)鋅煙除塵系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，而且只需要簡單的操作就可以實(shí)時(shí)的對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行控制和各參數(shù)的設(shè)置。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過TFT串口觸摸屏和手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的監(jiān)控，不僅能實(shí)時(shí)顯示溫度、壓力等參數(shù)，還能遠(yuǎn)程控制電磁閥、引風(fēng)機(jī)等設(shè)備。該系統(tǒng)的操作流程簡單，實(shí)時(shí)性高。不管是大型工廠還是微小企業(yè)，工作人員只須拿出手機(jī)，進(jìn)行簡單的操作，就可實(shí)時(shí)監(jiān)控除塵系統(tǒng)。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，對鋅煙除塵系統(tǒng)的各種需求將會(huì)越來越多，相信將會(huì)有更廣闊的前景。