一種便攜式粉塵監測與預警系統的設計

張琦

【摘 要】為了能夠實現對各類工礦作業現場中粉塵濃度測量以及粉塵濃度超標的預警而設計本系統。本系統裝置以單片機為控制器，能夠對粉塵濃度進行較為準確的監測與預警，且該設計實用性強，運行速度快，具有靈敏度高、成本低的特點。

【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.

【關鍵詞】單片機；粉塵傳感器；液晶顯示器；系統報警

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

【中圖分類號】TJ06 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）08-0161-02

1 引言

在各類工礦作業現場中，經常會發生粉塵超標。工礦粉塵超標給作業人員生命財產帶來了嚴重威脅，因此，設計出能夠實時監測作業現場中的粉塵濃度以及對粉塵濃度超標進行報警的系統顯得極其重要，對于工礦作業人員人身安全的保障和環境質量的提高有著至關重要的作用。

2 系統設計總體框架

本系統旨在實現對空氣粉塵進行檢測，當粉塵濃度值超過設定的區間時，報警器會進行報警[1]。首先通過粉塵傳感器對空氣濃度進行采集與測量，然后將傳感器傳出的模擬量轉化為數字信號，最后數據經單片機處理會在顯示器上進行顯示，如若超過設定的粉塵設定值，蜂鳴器會發出聲音，指示燈會亮。總體設計框圖如圖1所示：

3 系統硬件設計

3.1 系統硬件結構

該系統以STC89C52為主控制器，用來控制整個電路的運行。通過粉塵傳感器采集空氣粉塵濃度值，然后將模擬信號電壓值通過ADC0832轉換器進行數字轉換，最終通過LCD1602顯示粉塵濃度數據，同時通過按鍵對濃度閾值進行設置。當粉塵濃度超標時，蜂鳴器將會進行報警[2]。因此，這款檢測粉塵濃度值的系統，能夠對空氣粉塵進行較為準確地采集及測量，并能夠對測量數據進行監測與預警。

3.2 主控制器設計

STC89C52是由我國生產的一種耗能低、運行能力強的8位控制器，具有8K可以輸入程序的中央芯片。同時STC89C52還有其他重要的功能特性，它有著256字節隨機存儲內存，32位可以用來使用的接口線，芯片內部還帶有定時器，三個起到16位定時或者計時的端口，一個終端端口，串行輸出口，最基本的晶振電路。

3.3 A/D轉換器設計

ADC0832是美國半導體公司生產的一種轉換芯片， 它具有轉換模擬信號雙通道，同時具有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、性價比高，因而能夠在市場中占有一席之地。粉塵傳感器輸出的電壓值經CH0端口輸入到ADC0832芯片，然后由單片機接收轉換后數字量信號。

3.4 粉塵濃度傳感器的設計

本系統選擇日本夏普公司設計的GP2Y1010AU型號作為粉塵傳感器，它工作于5V～8V電壓下，驅動電流不大于20MA，其測量范圍在0.8微米以上的粉塵顆粒，可以檢測到空氣中的花粉、煙霧以及細小的顆粒。

通過粉塵傳感器對空氣中的粉塵顆粒進行數據采集，該傳感器輸出為模擬電壓值，其值與粉塵濃度成線性關系，可以根據曲線圖得出粉塵濃度的大小。

3.5 液晶顯示模塊設計

本系統設計采用的是屬于LCD系列的LCD1602，液晶顯示屏具有運行能力強、功能性強、能耗低、性價比高的特點。LCD1602液晶顯示器的基本構造是在兩塊平行的玻璃滲透發光的液態晶體，有許多細微的電線存在于這兩塊玻璃中，通過給液晶顯示屏通上5V電壓來控制水晶分子的方向，從而利用折射原理來進行顯示。

3.6 報警模塊設計

對于報警模塊的設計，可以采用PNP三極管來驅動蜂鳴器。當報警模塊運行時，通過轉換模塊發出的數字信號與閥門設定的固定值進行比較[3]。當粉塵濃度超標時，報警裝置就會發出信號，從而引起工作人員的注意從而保證工作人員的安全。

4 系統軟件設計

4.1 系統軟件結構

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

4.2 液晶顯示模塊設計

液晶顯示模塊的主要作用是接受A/D轉換器轉換過來的數字信號，對單片機寫入LCD液晶顯示模塊程序進行粉塵濃度值顯示。首先確定液晶顯示屏的RS數據指令選擇控制端口、RW讀寫控制端口以及EN使能控制端口與單片機端口連接的端口代號，然后編寫液晶顯示屏的運行指令、讀寫指令以及清屏初始化的程序，最后編寫兩行顯示數據字符串。

4.3 粉塵濃度采集模塊設計

ADC0832有兩個模擬信號輸入端口，本系統采用CH0端口來接收模擬信號。在DI/DO功能通道中，用DI通道來進行雙通道切換，同時需要單片機向芯片發送時鐘信號，芯片才能正常工作。當粉塵傳感器采集到的粉塵濃度經傳感器轉換為電壓值時，經轉換器轉換成數字信號，再由單片機作為媒介，通過液晶顯示屏顯示。

4.4 閾值報警模塊設計

這兩個模塊內容少，但是互相聯系，因此將閥門設定值與報警模塊結合在一起設計。閾值設定模塊用單片機兩個輸入輸出端口來調節粉塵報警值的大小。當粉塵超標時，就代表了當前濃度已經大于閾值了，報警模塊中的蜂鳴器就會實時報警，信號燈也會發亮。報警模塊則用了單片機的一個IO端口進行高低電平的輸入。當粉塵超標時，端口就輸出高電平，蜂鳴器實時報警；正常情況下，信號采用低電平。

5 結論

為了能夠實現對各類工礦作業現場中粉塵濃度顯示以及粉塵濃度超標的預警而設計本系統。本系統裝置以單片機為控制器，能夠實現粉塵濃度監測及報警的基本功能，該系統能夠及時地把粉塵狀況反饋給工作人員。工作人員通過攜帶該系統裝置，一旦作業現場環境的粉塵濃度超標，裝置將給出相應的警報提示工作人員，從而能夠有效地保障工礦人員安全健康問題。本系統裝置的推廣運用，不僅能夠減輕粉塵濃度對工作人員的危害，同時能夠響應國家綠色環保的發展理念。

【參考文獻】

【1】周子昂，徐坤，吳定允. 一種便攜式井下多參數監控系統的設計及實現[J]. 河南理工大學學報（自然科學版），2017，36（02）：99-104.

【2】馬冬寧，趙鵬菲，王振帥，等 一種基于單片機的智能粉塵監測報警系統[J]. 中國高新技術企業，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測技術探討[J].電力科技與環保，2016，32（03）：21-23.endprint