可調節粉筆粉塵測量儀的研制

宋帥 張朔 薛偉

摘 要：文章提供一種集粉塵接收、粉塵指標檢測、數據顯示和數據儲存功能為一體的可調節粉筆粉塵測量儀，其應用機械電子控制技術、傳感器技術以及通信技術，利用光電傳感器、單片機和A/D轉換器。此測量儀具備高效、便攜的特點，為實時監測及數據儲存分析大大的提高了工作效率。在相對封閉的空間內、半開放式空間內的實時監測等方面有著很好的應用前景。

關鍵詞：粉筆粉塵測量儀；傳感器；單片機

中圖分類號：TM934.73 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）11-0027-02

Abstract： This paper provides a kind of adjustable chalk dust measuring instrument which integrates dust receiving， dust index detection， data display and data storage functions. It applies mechanical and electronic control technology， sensor technology and communication technology. Using photoelectric sensors， single chip computers （SCM） and A/D converters. This measuring instrument has the characteristics of high efficiency and portability， which greatly improves the working efficiency for real-time monitoring and data storage and analysis. Thus it has a good prospect in the field of real-time monitoring in closed space and semi-open space.

Keywords： chalk dust measuring instrument； sensor； single chip microcomputer （SCM）

引言

教學使用粉筆不可避免的會有粉塵的產生，這種粉塵的顆粒直徑較大，造成粉塵污染。用現代的傳感器測試技術對粉塵進行性質研究，是目前相關領域專家們普遍研究的內容。石林雄[1]等通過測量石英晶體諧振頻率等，計算出粉塵濃度，并對加熱器等控制來滿足測量條件，保證測量準確度。胡倩[2]等通過實時檢測粉塵顆粒，進一步優化算法，從而實現對大氣環境下粉塵顆粒濃度的準確測量。本文主要研制一種對像粉筆粉塵這種相對較大顆粒進行檢測的儀器，采用光電傳感器、AT89S51單片機以及24位精度的A/DS1232轉換器，具有可實時監測，實時分析顯示的優點，并用于實驗條件下，同時需要根據測試地點的條件，對粉塵接收口裝置進行設計使其可調整。

1 系統硬件設計

可調節粉筆粉塵測量儀由兩部分組成，柱體中心結構和旁支運動結構。其中柱體中心結構主要為數據采集、分析和顯示以及電源、清潔模塊，旁支運動結構主要為可調節運動的收集模塊和粉塵檢測數據生成模塊。其主要組成部分有光電傳感器、AT89S51單片機、A/D轉換器、放大電路、發送電路、電源、以及LCD顯示屏。該系統的設計思路為：旁支運動機構的導塵口進行粉塵的收集，內部的光電傳感器進行粉塵檢測從而產生模擬電信號，經放大電路和A/D轉換器傳輸給的柱體中心的能夠處理數字信號的AT89S51型號單片機，單片機接收綜合性信息并對數據進行分析整理、分類，然后通過數據線傳輸給LCD顯示模塊在接收其主界面上。

1.1 光電傳感器

光電傳感器將光線發射裝置、光敏感區和光接收探測裝置集與一體。光線發射裝置采用紅外發光二極管，粉筆粉塵具有相對較大的徑級，而紅外檢測系統的激勵光源，最大直徑3.1mm，最大截止波長5μm，采用全玻璃外殼封裝，增加了入射光強度，并且在光源后配置的反光鏡能有效地將發散的光以平行光束的形式發射出去，可以有效的對粉筆粉塵進行檢測，最后經過氣室到達紅外探測器件上，起到了增強探測器的輸出信號的作用。

1.2 AT89S51單片機

可調節粉筆粉塵測量儀在經過光電傳感器檢測粉塵后將產生模擬電信號，為了可以最后以數字的形式呈現給使用者，需要經放大濾波電路后傳遞給單片機進行數據處理。可調節粉筆粉塵測量儀選用AT89S51型單片機為核心部件，可以將光電傳感器中硅電池產生的模擬電信號快速轉換成數字信號，同時又可以快速完成數字信號從單片機到LCD顯示模塊，完成數據顯示。

1.3 LCD顯示模塊

可調節粉筆粉塵測量儀需要顯示粉塵的濃度，本文采用LCD顯示屏，它主要原理是通過電流刺激液晶分子產生點、線、面與側面照明裝置相配合構成顯示界面。同時具有以下優點：它更省電、不產生高溫、花蜜那柔和不傷眼。本文采用的用于數據顯示的顯示屏是點陣式液晶顯示器ACM12864。它由于驅動器、列驅動器和128×64全點陣液晶顯示屏組成。LCD的驅動電壓范圍是3～6V，以適應單片機的5V電壓為工作電壓。

1.4 系統硬件相應指標

外形尺寸：外掛爪部12cm×12cm×24cm；顯示儀尺寸：10cm×6cm×3cm；連接桿：6cm；回應時間0.5min；工作溫度：15～40℃；工作電源：5v。

2 系統的軟件設計

可調節粉筆粉塵測量儀的整體運行依靠相關主程序運行模塊和從程序運行模塊，其中主程序運行模塊負責初始化子程序、粉塵檢測子程序、傳遞數據子程序、液晶顯示子程序，從程序運行模塊負責報警程序、數據儲存程序和響應程序。主運行程序主要用于各子程序相關信息的設定及通信處理；初始化程序包括通信初始化、采集累計數據初始化和輸出端口初始化；粉塵檢測子程序包括紅外發光二極管通/斷電子程序、光源探測器電信號輸出子程序；液晶顯示子程序主要完成測量數據的收集、讀取與顯示。從程序是對主程序服務的，工作要同時進行，如果工作過程中出現中斷，從程序會自動診斷故障原因，且在發現中斷時，主程序會及時想從程序發送信號，從程序以最快速度做出響應。

3 可調節粉筆粉塵測量儀的整體結構及實施方案

可調節粉筆粉塵測量儀包括粉塵檢測裝置、數據處理裝置、數據顯示裝置和粉塵清潔裝置。

通過有限元分析技術（CAE），對設計的可調節粉筆粉塵測量儀進行運動仿真分析，建立起各零部件的仿真模型，得出合理的各零部件運動和結構的參數。本測量儀可以進行實時的檢測和數據分析、顯示、儲存的功能。整體結構的設計分為柱體中心結構和旁支運動結構。其中柱體中心結構主要為數據采集、分析和顯示以及電源、清潔模塊，旁支運動結構主要為可調節運動的收集模塊和粉塵檢測數據生成模塊。

為了實現便攜、高效、準確的性能，本測量儀的技術方案是提供了一種如下粉塵檢測裝置，其特征在于，包括粉塵實時監測、顯示、存儲功能。其機構主要為：粉塵接收裝置、數據處理裝置、數據顯示裝置和粉塵清潔裝置。其主要呈圓柱外掛四只爪形，爪部主要為粉塵接收裝置及粉塵清潔裝置，粉塵接收裝置由導塵口、粉塵通道、光電傳感器（激光源、凸鏡1、凸鏡2···），清潔裝置由過濾膜組成，導塵口位于粉塵通道的上部，光電傳感器位于粉塵通道內部，其外部整體結構如圖1所示。其主體主要有數據處理裝置、數據顯示裝置和連接裝置三部分，數據顯示裝置位于圓柱體的頂端的上部，數據處理裝置位于圓柱體內，其中圓柱柱身是兩層中空結構，內部為電線鋪置提供合理空間，為了爪部的轉動，爪部和圓柱柱身的連接通過金屬軌道和塑料伸拉器，實現導通電路，并且安全、便捷的轉動爪部。風扇安裝在柱身的底部。

粉塵自粉塵檢測裝置的導塵口進入粉塵通道，粉塵經粉塵通道中的光電傳感器檢測后落入粉塵清潔裝置，粉塵清潔裝置由過濾網膜組成，其作用是吸收粉塵，防止阻塞風扇。粉塵檢測裝置的變向導電裝置和塑料伸拉器連接到機構中心柱體上。變向導電裝置由金屬導軌和導電環兩部分組成。金屬導軌連接系統總電源，導電環與粉塵檢測裝置連接，金屬導軌和導電環兩者銜接后導通電量，實現傳電。粉塵檢測裝置的核心是光電傳感器，由激光源、輸入準直器和光源接收器組成，光線由激光源射出，經輸入準直器進入測量區域，最后進入光源接收器進行數據處理。

4 結束語

粉筆在大部分學校的使用中依舊不可或缺，且使用量相當龐大。但是在使用的過程中會產生大量的粉塵，使得周圍空氣中漂浮一定的粉筆粉塵。本研究針對粉筆粉塵這種顆粒的性質，利用機械電子控制技術、傳感器技術以及通信技術，旨在研制出一種集快速收集、檢測粉塵、實時處理數據并顯示數據的動態變化，同時可以根據不同位置進行調節的粉塵測量裝置。經實驗證明，此測量儀具有良好的收集、測量功能，可以實時監測一定空間內的粉塵濃度，為粉筆使用者提供實時數據，有利于調節室內空氣的流速，達到環保健康的要求，是一種可用于實際的比較理想的儀器，在粉塵測量領域中有良好的發展前景。

參考文獻：

[1]石林雄.粉塵濃度測量儀[J].計量技術，1996（10）：24-27.

[2]胡倩.基于激光差分探測的粉塵濃度檢測技術研究[D].西安工業大學，2014.