基于單片機的粉塵監控報警系統研究

肖 強，徐 冬，王曉超，萬在紅，李翔文

（1.南昌航空大學 信息工程學院，江西 南昌 330063；2.南昌工學院，江西 南昌 330108）

基于單片機的粉塵監控報警系統研究

肖 強1，徐 冬2，王曉超1，萬在紅1，李翔文1

（1.南昌航空大學 信息工程學院，江西 南昌 330063；2.南昌工學院，江西 南昌 330108）

近些年粉塵爆炸事故頻發，面粉生產車間首當其沖，考慮到員工的安全，文章設計基于單片機的粉塵實時監控報警系統，減少因粉塵爆炸事故造成的人員傷亡和財產損失，提高生產安全。根據STC89C51單片機的功能結構特點以及粉塵傳感器的特點，通過粉塵傳感器實時檢測廠房粉塵濃度，利用藍牙模塊，可以將檢測數據發送到上位機查看，當檢測濃度值達到預警值時，開啟聲光報警，同時啟動除塵裝置，從而保障生產車間的安全。

單片機；傳感器；藍牙模塊

隨著工業化程度不斷提升，面粉廠的生產量也逐漸加大，提升生產車間的安全將極為重要，尤其是粉塵達到一定濃度容易引起爆炸。現今市面上使用的粉塵濃度監控設備笨重而且價格昂貴，另外，無法及時獲取檢測數據，需專人看管，當達到報警值時要人為打開除塵裝置，效率低。基于上述背景，設計一個基于STC89C51單片機的粉塵實時檢測監控裝置，使用低成本的粉塵傳感器實時監控車間粉塵濃度，本設計成本低、容易推廣；檢測數據會顯示在LCD1602液晶顯示屏上，同時保存下來，當使用者需要查看時，通過按鍵打開藍牙模塊，自動將數據傳送到手機上查看，體現了本設計的便利性；最后，本設計將電子自動控制技術引入到預警裝置，可以根據不同的生產需求，設置不同的報警值，當超過報警值時，將自動啟動聲光報警和除塵開關。

1 系統硬件設計

1.1 系統設計總體框架

根據系統的設計要求，系統硬件模塊包括：單片機控制模塊，采用STC89C51單片機；傳感器模塊，采用粉塵傳感器檢測粉塵濃度；無線傳輸模塊，采用藍牙模塊進行數據傳送；液晶顯示模塊，采用LCD1602液晶顯示器；A/D轉換模塊，采用將檢測的數據進行模數轉換送入單片機；聲光報警模塊，采用蜂鳴器和LED燈；按鍵模塊，采用矩陣鍵盤。系統的總體框如圖1所示。

圖1 系統框

1.2 粉塵傳感器模塊

夏普GP2Y1010AUOF粉塵傳感器是一款通過光學感測的傳感器，在沒有粉塵或濃度非常低的時候，傳感器輸出電壓為最大值，當粉塵濃度在0.1 mg/m3時，輸出電壓會發生變化[1]。激光發生器發出的平行光照射到粉塵上時，粉塵的散射光強度與其質量濃度成正相關，光電轉換器將該散射光轉換成光電流，光電流積分電路將其轉換成與散射光強成正比的光電脈沖數[2]。根據不同的輸出電壓脈沖模式可以區分出粉塵和其他顆粒物，傳感器電路如圖2所示，LED接STC89C51單片機P0.5口，傳感器輸出Vo接AD輸入通道，其余接電源線。

圖2 粉塵傳感器電路

1.3 AD轉換模塊

本模塊主要是將粉塵傳感器輸出的模擬電壓通過AD芯片進行模數轉換送入單片機處理，執行相應的功能。因51單片機IO口有限故采用串行AD模塊，AD7890是一款8通道12位串行A/D轉換器，轉換時間較快為9.5 μs左右，低功耗，信噪比較高（大于70 dB）[3]。將傳感器的輸出接入一個輸入通道，單片機通過接口啟動A/D轉換。AD7890芯片與單片機的連接線路如圖3所示。

圖3 AD7890連接線路

1.4 藍牙無線傳輸模塊

藍牙技術是一種低功耗、高速率的無線數據傳輸技術，采用了跳頻技術，相比其他工作在2.4 GHz頻段上的系統，藍牙跳頻更快，數據包更短，使得藍牙系統更穩定[4]。本模塊使用的是主從一體式的HC-05藍牙模塊，如圖4所示，該模塊采用藍牙2.0技術，無線收發射頻率2.4 GHz，空中波特率達2.0 Mbps，數據收發通過UART串口收發，供電電壓在3.1～4.2 V。HC-05藍牙模塊有兩種工作模式：命令響應工作模式和自動連接工作模式。在自動連接的工作模式下模塊有3種角色：主、從和回環，并且在該模式下模塊會自動根據事先設定的方式進行數據傳送；在命令響應工作模式下，用戶可設定控制參數或發布控制命令[5]；另外，在藍牙模塊外部引腳接入高低電平，能夠動態轉換藍牙模塊的工作狀態。藍牙模塊通過串口與單片機連接（即藍牙模塊的RXD引腳接單片機的P3.1口，TXD引腳接P3.0）。

圖4 藍牙模塊

1.5 聲光報警模塊

本模塊由蜂鳴器電路模塊和LED發光電路組成，當粉塵傳感器檢測到粉塵濃度值超過預警值時，聲光報警模塊開始工作，單片機P0.6口輸出一定頻率的方波，通過三極管驅動蜂鳴器工作，從而蜂鳴器發出響聲，如圖5所示。單片機P0.7接LED發光模塊，當觸動報警信號時，P0.7口按一定頻率輸出低電平使LED燈閃爍。當粉塵傳感器檢測的粉塵濃度值低于下限值時，聲光報警模塊停止工作。

圖5 聲光報警電路

1.6 鍵盤模塊

本模塊由4×4矩陣鍵盤構成，通過不同的鍵值實現不同的功能。按鍵功能有：報警值的設定鍵、數字鍵、確定鍵和取消鍵，實現報警值的設定；啟動藍牙模塊按鍵，實現藍牙發送數據。根據鍵盤的設定，使用者可利用其完成相應的功能。鍵盤模塊接入STC89C51單片機的P2口，電路連接如圖6所示。

圖6 矩陣鍵盤電路

1.7 液晶顯示模塊

本模塊采用的是LCD1602液晶顯示器。LCD1602是一款5×7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，可以顯示兩行，每行16個字符，相當于32個LED數碼管，顯示信息較多[6]。LCD1602在顯示過程中擁有恒定的背光，高畫質，低功耗，并且LCD1602與單片機的接口可靠，操作方便。LCD1602的數據端口D0～D7連接到單片機的P1口，數據/命令選擇端口RS接P3.4口，使能端E接P3.5口，電路如圖7所示。

圖7 LCD1602連接電路

2 系統軟件設計

本次軟件設計共分為6部分，主要包括系統初始化程序設計，初始化程序由各個模塊配置及定時中斷初始化組成；鍵盤程序設計；LCD1602液晶顯示程序設計[7]；AD采樣中斷程序設計；藍牙無線傳輸程序設計；聲光報警程序設計等。系統主程序流程如圖8所示，中斷子程序如圖9所示。

3 結語

本系統結合電子自動化和無線傳輸技術設計了一個基于單片機的粉塵監控報警系統，成本較低，容易推廣。應對不同的生產需求，用戶可以通過鍵盤設定不同的報警值，還可以通過手機藍牙接收數據查看，十分方便，當檢測濃度值高于報警值時，會自動報警并開啟除塵裝置，提高了效率，實用性強，大大避免了車間粉塵爆炸事故的發生。

圖8 主程序流程

圖9 中斷程序流程

[1]孫濱，姜傳林，陳元勇.基于光學粉塵傳感器的車載空氣凈化裝置設計[J].電子技術，2013（4）：77-79.

[2]季康樂.利用光散射原理的低成本粉塵傳感器的應用[J].山東工業技術，2015（7）：147.

[3]湯楠，李明.AD7890型串行數/模轉換器與51系列單片機的接口設計[J].國外電子元器件，2006（8）：4-7.

[4]張燕紅.藍牙技術在智能家居中的應用[D].北京：北京工業大學，2003.

[5]陳鋼.基于Android的智能家居藍牙控制系統設計[J].智能建筑與智慧城市，2016（9）：50-51.

[6]趙亮.跟我學51單片機（七）—LCD1602液晶顯示模塊[J].電子制作，2011（7）：74-77.

[7]林嘉.基于89S52的LCD1602程序設計[J].電腦知識與技術，2012（26）：6376-6378.

Study on dust monitoring and alarming system based on single chip microcomputer

Xiao Qiang1, Xu Dong2, Wang Xiaochao1, Wan Zaihong1, Li Xiangwen1
（1.Information Engineering School of Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 2.Nanchang Institute of Science&Technology, Nanchang 330108, China）

In recent years, the dust explosion accidents are frequent, especially flour production workshop. Taking into account the safety of employees, the dust real-time monitoring and alarming system based on single chip microcomputer was designed in this paper, used to prevent casualties and property damage caused by dust explosion, improved production safety. According to the function and characteristics of STC89C51 single chip microcomputer and dust sensors, dust sensor real-time detection of plant dust concentration, the use of Bluetooth module, the test data can be sent to the host computer to view, when the detection concentration reaches the warning value, sound and light alarming module will alarm and start the dust removal device, thus ensuring the safety of the production workshop.

single chip microcomputer; sensor; Bluetooth module

肖強（1995— ），男，江西贛州人。