基于单片机的粉尘检测仪控制电路

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2 基于单片机的粉尘检测仪硬件设计

2.1 系统的功能和技术指标

2.1.1 系统功能功能

1）数字显示当前浓度

2）超过最大值报警（实际中启动换气装置） 2.1.2 主要技术指标

环境温度：0?C ～70?C 测量精度：±5% 电压输入范围：0V ～5V

2.2 粉尘检测原理

吸收法、摩擦电法、超声波法、微波法等粉尘浓度在线测量方法。电容法的测量原理检测尘原理是用粉尘采样器或呼吸性粉尘采样器抽取采集一定体积的含尘空气，含尘空气通过滤膜时，粉尘被捕集在滤膜上，再利用光学原理测得粒径[10]。

光学测粉尘用到两个原理，朗伯特-比尔（Lambert-Beer）定律和米（Mie）理论。本设计检测原理用基于光学检测法中的浊度法。基于朗伯特-比尔定律测量光透过被测物质后，由于散射吸收而使光强减弱，通过测定光束通过被测介质前后的光强比之来定量粉尘浓度。

一束强度为I0的单色平行光照射在含有粉尘的检测区，由于粉尘对光的吸收和散射，出射光强便会衰减。根据朗伯特-比尔定律，对均匀分布的粉尘，入射光强与出射光强有关：

I?IOexp??Q?N?A?L??IOexp?3QWL/(2?d) (2-1)

??式中：Q为消光系数，它与入射光波长λ、粉尘粒子直径d、粉尘物质折射率m有关，可按Mie理论和专用算法程序计算。N为粉尘密度，A是直径为d的粉尘粒子的截面积，W为粉尘的质量浓度；ρ为粉尘的质量密度。若设某种分布的粉尘尘粒直径为d1浓度为w1，则：

M??wI?IOexp??C?Q??,m,d1?? (2-2)

i?1d1??式中：C?3L/(2?),对于某种粉尘的测量系统而言，C是一常数；M为测量时粉尘

粒子按粒径的分档数。由公式2-2得:

6 MI0wln??1Q(?,m,d1) (2-3) Ii?1d1式③是在单色入射光情况下得到的。采用多波长入射时，对每一波长λi,都有对应的一个式③，故得方程：

E?TW (2-4)

式中：E??ln?I0/I?1,ln?I0/I?2,.......ln?I0/I?M?为消光列向量，可以通过实测各个

T波长对应的I0及I测得：

T?tij??M?N (2-5)

其中：T称为消光系数矩阵。T中个元素tij?Q??i,m,d1?/d1，可由计算机预先算出。

T求解式④便可求得W及粉尘的总W??W1,W2.......WM?为粉尘总的质量浓度分布列向量。

质量浓度。不难看出，多波长消光测尘中，是通过测得各种粒径粉尘的质量浓度得到总的粉尘浓度的，因而能实时地反应粉尘分布的影响，为粉尘浓度的高精度测量提供了可能。再者，测量粉尘浓度的同时，还能测粉尘的粒度分布（分散度）。

根据粉尘离子的散射特性，确定最小粒径前置输出端的信号幅值U，然后每个0.1μm定义直径档，并预先设定好各档甄别电平，用其中一种标准粒子输入粉尘测试仪。

2.3 系统硬件设计框图

本系统主要由单片机构成主控部分，进行主要的信息处理，接收外部操作指令形成各种控制信号，完成各种信息的记录。外围电路有：A/D转换、键盘输入、LCD显示电路。如2-1图所示。

图2-1模块化注释：

1) 模拟信号采集单元：敏感元件、小信号放大电路、A/D转换电路。敏感元件 测得粉尘浓度、粒度的模拟信号；由于信号比较小，所以添加信号放大电路；ADC0809将两路5V的模拟信号转换成数字信号，输入到单片机中。 2) 显示:显示数字化粉尘浓度。

3) 看门狗电路：使系统因故死机后能自动恢复正常。

4) 键盘电路：输入最大浓度值，当浓度超过时报警。因为环境对浓度、粒度的要求不同，可以多次输入，设置不同的值。

5) 报警电路：报警电路是为了模拟当粉尘超出限定值时启动换气装置或启动喷雾已将及粉尘浓度。

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可编程看门狗电路LCD显示敏感元件小信号放大电路A/D转换单片机89S52蜂鸣器报警键盘输入 图2-1 硬件电路结构框图

2.4 软件程序流图

由硬件的设计可以画出各模块框图和流程图，如图2-2、2-3所示。

系统信号采集部分显示部分主控部分cpu键盘部分看门狗部分 图2-2 各模块框图

系统编程分四个部分： a）信号采集程序； b）LCD显示程序； c）按键输入程序； d）看门狗复位程序； e）主控程序。

2.5 工作原理

将电源开关打开后，当给一个0V～5V的信号（模拟检测到的粉尘浓度信号）时，通过ADC0809将模拟信号转换成数字信号，传输给单片机。上电后根据环境要求的不同，从键盘输入设定的最高粉尘浓度值。单片机将检测到的数字信号显示在LCD，并与输入设定值进行比较，当检测到的值大于设定值时单片机驱动蜂鸣器报警。蜂鸣器在实际中是步进电机驱动换气装置，但在本设计中简化为蜂鸣器报警。

开始8 系统初始化键盘设定浓度最大限显示浓度最大限采集当前浓度A/D转换报警、显示NO当前浓度<浓度最大限YES采取相应措施切换显示显示当前浓度5s间隔

图2-3 软件流程图