堆场粉尘污染源自动监控系统设计设计.docx
《堆场粉尘污染源自动监控系统设计设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《堆场粉尘污染源自动监控系统设计设计.docx（42页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
堆场粉尘污染源自动监控系统设计设计
堆场粉尘污染源自动监控系统设计设计
毕业设计说明书
设计题目：
堆场粉尘污染源自动监控系统设计
院系：
电气工程与自动化学院
学生姓名：
学号：
专业班级：
指导老师：
2014年5月30日
摘要
储煤场是煤炭生产中的重要设施之一，煤炭企业储煤场由于物料流动、现场装卸作业、风力扰动等原因，煤尘、土等粉尘在空气中弥漫，严重污染了现场作业环境，影响现场作业人员身心健康，而且也损失煤炭资源，影响企业形象。
本文通过分析储煤场作业特点及扬尘原因，研究设计堆煤场粉尘污染源自动监控系统。
该系统采用粉尘传感器和单片机技术，对堆煤场粉尘进行检测控制，以光散射原理为基础，围绕单片机为核心，完成检测仪数据采集、显示、报警及喷雾降尘等电路的设计。
该系统能够实现对堆煤场粉尘浓度实时监测和控制，开发完整的具有成本低、运行稳定可靠、开发周期短等优点的高性能控制系统，并熟练掌握单片机系统及其相关的软件调试工具的使用。
关键词：
堆煤场粉尘监测控制
Abstract
Coalyardisoneoftheimportantfacilitiesincoalproduction,coalenterprisescoalyardduetomaterialflow,on-sitehandlingoperation,winddisturbance,coaldust,soildustintheair,suchasseriouspollutedfieldoperationenvironment,affecttheon-sitestaffmentalandphysicalhealth,butalsothelossofcoalresources,affecttheenterpriseimage.
Inthispaper,throughanalyzingthecharacteristicsofthecoalyardoperationanddustreasons,studydesignpileofcoaldustpollutionsourcemonitoringsystemautomatically.Dustsensorandsingle-chipmicrocomputertechnology,thissystemisusedtotestthepileofcoaldustcontrol,basedontheprincipleoflightscattering,aroundthesinglechipmicrocomputerasthecore,thecompletedetectordataacquisitionanddisplaycircuitdesign.
Thesystemcanrealizereal-timemonitoringtothepileofcoaldustconcentrationandcontrol,todevelopacompletewithlowcost,stableoperation,theadvantagesofshortdevelopmentcycleofhighperformancecontrolsystem,andmastermicrocontrollersystemanditsrelatedsoftwaredebuggingtools.
Keywords:
coalstorageyard；dust；monitor；control
1绪论6
1.1选题目的意义6
1.2国内外粉尘监测技术研究现状7
1.3本文主要工作8
2系统总体方案设计9
2.1设计任务及要求9
2.2堆煤场粉尘监控方案设计9
2.2.1主控制器部分10
3.系统方案原理12
3.1粉尘监测12
3.2粉尘治理15
3.2.1堆煤场扬尘原因及降尘15
3.2.2喷雾降尘16
4系统硬件设计18
4.1单片机最小系统设计18
4.2A/D转换电路20
4.2.1ADC0809引脚及原理20
4.2.274LS373芯片介绍22
4.2.3ADC0809与AT89S52单片机的接口23
4.3键盘电路设计25
4.4显示电路设计26
4.5报警及模拟降尘电路设计27
4.5.1报警电路设计27
4.5.2模拟喷雾降尘电路设计28
4.6通信部分设计29
4.7看门狗部分的设计30
4.8.供电电源设计31
5系统软件设计及仿真33
5.1系统软件设计33
5.1.1主程序流程图设计34
5.1.2键盘扫描程序流程图35
5.1.3数据采集流程图36
5.1.4数码管显示流程图36
5.1.5看门狗流程图37
5.2设计软件Proteus37
6结论与展望39
感谢40
参考文献41
附录42
1绪论
1.1选题目的意义
随着社会的进步，工业化水平的提高，环境污染问题越来越严重，维护生态环境质量越来越成为社会的迫切要求。
环境污染除废气、废水外，雾霾、粉尘及堆煤场粉尘已成为一个十分突出的问题，所以环境质量的提高备受关注。
雾霾天气是一种大气污染状态，雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，尤其是PM2.5（空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物）被认为是造成雾霾天气的“元凶”。
雾霾的源头多种多样，比如汽车尾气、工业排放、建筑扬尘、垃圾焚烧，甚至火山喷发等等，雾霾天气通常是多种污染源混合作用形成的。
但各地区的雾霾天气中，不同污染源的作用程度各有差异。
雾霾天气易诱发心血管疾病，雾霾天气时气压低，湿度大，人体无法排汗，诱发心脏病的几率会越来越高。
诱发呼吸道疾病，雾霾中含有大量的颗粒物，这些包括重金属等有害物质的颗粒物一旦进入呼吸道病粘着在肺泡上，轻则会造成鼻炎等鼻腔疾病外，重则会造成肺部硬化，甚至还有可能造成肺癌
粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒。
国际标准化组织规定，粒径小于75
的固体悬浮物定义为粉尘。
在大气中粉尘的存在是保持地球温度的主要原因之一，大气中过多或过少的粉尘将对环境产生灾难性的影响。
但在生活和工作中，生产性粉尘是人类健康的天敌，是诱发多种疾病的主要原因。
飘逸在大气中的粉尘往往含有许多有毒成分，如铬，锰，镉，铅，汞，砷等。
当人体吸入粉尘后，小于5
的微粒，极易深入肺部，引起中毒性肺炎或矽肺，有时还会引起肺癌。
沉积在肺部的污染物一旦被溶解，就会直接侵入血液，引起血液中毒，未被溶解的污染物，也可能被细胞所吸收，导致细胞结构的破坏。
此外，粉尘还会玷污建筑物，使有价值的古代建筑遭受腐蚀。
降落在植物叶面的粉尘会阻碍光合作用，抑制其生长。
煤炭企业堆煤场由于物料流动、现场装卸作业、风力扰动等原因，煤尘、土等粉尘在空气中弥漫，严重污染了现场作业环境，影响现场作业人员身心健康。
粉尘随风飘逸到周边居民区和庄稼地，严重影响了周边居民的正常生活和农作物生长。
煤炭企业每年因堆煤场对周边环境的污染而需交大量的环境污染及环保赔偿费，给企业造成了不必要的经济损失，而且严重影响了企业的形象。
因此，针对储煤场所处环境、粉尘性质及其飘逸机理，进行治理的技术研究是非常必要。
目前，国家环保部和煤矿安全监察局对粉尘危害非常重视，对堆煤场的粉尘排放浓度制订了相关标准，严格控制粉尘浓度，以减少粉尘危害。
因此，进行堆煤场粉尘自动监控，可以对堆煤场各粉尘源点的粉尘浓度进行实时监测，对加强堆煤场作业人员保护，提高全国煤矿粉尘防治技术和管理具有重要意义。
堆煤场所空气采样及粉尘浓度的监控是治理粉尘的依据和治理效果的验证手段，是预防和减少尘肺病发生的关键。
1.2国内外粉尘监测技术研究现状
国外对粉尘浓度在线监测技术研究较早，主要有电容法、
射线法、光散射法、光吸收法、摩擦电法、超声波法、微波法等粉尘浓度在线测量方法。
国外有代表性的产品为英国的Simslin系列监测仪以及其升级产品OSIRIS粉尘传感器和计算机粉尘监测系统；德国丁达尔公司生产的TM系列粉尘仪；俄国研制的Ⅱ-101型自动测尘仪；日本柴田LV-5E、P5系列微电脑粉尘仪；美国研制的RAM系列实时粉尘监测仪、粉尘雷达和Auburn公司生产的3400型粉尘监测仪。
其中Simslin系列监测仪、TM系列粉尘仪、LV-5E、P5系列微电脑粉尘仪采用光散射法，Ⅱ-101型自动测尘仪采用光吸收法，3400型粉尘监测仪采用摩擦电法测量粉尘浓度。
国内粉尘浓度在线监测技术的发展较晚，主要以采样器、直读式测尘仪为主，但最近几年，随着信息技术的发展及光电子技术、计算机技术的提高，煤炭科学研究总院重庆研究院最先在国内开发出了GCG500型粉尘浓度传感器。
国内其他厂家也陆续引进、开发出了粉尘浓度传感器，其生产厂家有郑州光力科技股份有限公司、江苏三恒科技集团、南京富邺科技股份有限公司等。
文献【16】（矿井粉尘监控和高效治理技术的研究与应用）采用CGCl000粉尘浓度传感器，该传感器是利用
粒子三极电离测尘技术研发出的最新一代可在线连续监测粉尘浓度的传感器，传感器的测量范围0.01-1000mg/
，在量程范围内可任意设定标准值。
测量出的粉尘浓度值不受粉尘颗粒的物理化学性质影响，不受被测气体流速、温度影响，可长期不问断进行粉尘监测，测量准确性高，长期稳定性好，维护工作量小。
文献【4】（基于GPRS网络的粉尘监测系统设计）采用呼吸性粉尘采样器，它从尘粒通过颗粒分离器到聚集在滤膜上的过程模仿了粉尘在人肺泡中沉积分布状态，采样器由事先称重的滤膜盒组成,滤膜盒前面装有尼龙制旋风颗粒分离器,气流量为1.7L/min,测定时间加权平均呼吸性粉尘浓度。
文献【14】（煤矿井下粉尘浓度的监测系统设计）是加拿大O/Eland所生产的光纤光栅粉尘浓度传感器，中心波长用的是1550.60nm，反射率要10.5db，3db带宽，正负2nm，当光源通过有一定浓度的粉尘时，发射出的光强会大幅度消弱，当通过光纤的栅区时，光纤的波长会随着浓度发生变化，通过一个光电转换模块，会把波长的变化转换成电流的变化。
通过现场调查和查阅相关资料，国内粉尘浓度传感器主要是煤炭科学研究总院重庆研究院生产的GCG500型粉尘浓度传感器在市场上的应用较多，先后在安徽、山东、山西、甘肃、贵州、河南、辽宁、内蒙等多个省份使用。
同时以该传感器为核心部件的ZPA-63S型粉尘浓度超限喷雾降尘装置，可根据作业场所粉尘浓度大小进行设限喷雾：
当作业场所粉尘浓度高于设定值时开始喷雾，低于设定值时停止喷雾，从而实现了高效的喷雾降尘，节约了水、电。
1.3本文主要工作
（1）粉尘监测原理分析及传感器选型
粉尘监测方法有很多种，根据不同的粉尘监测方法生产出不同的粉尘浓度传感器，不同的粉尘浓度传感器直接影响到对粉尘浓度的实时监测，所以对粉尘浓度传感器的选型至关重要。
（2）控制部分功能的实现
控制部分是整个系统的核心器件，不同器件的选择直接影响到系统的性能和外围电路的复杂程度。
因此，选择什么样的器件是本课题解决的问题之一。
（3）除尘方法研究
本系统不仅可以实现对粉尘实时监测的功能，还可以控制粉尘的治理。
堆煤场根据作业的不同粉尘产生的原因也有不同，所以要治理粉尘，必须根据粉尘产生的原因提出不同的治理方案，这一点很重要。
2系统总体方案设计
2.1设计任务及要求
平煤集团公司下属有14个生产矿、处，都设有储煤场，分布在700
矿区内。
由于受技术经济条件的制约，这些储煤场均属露天形式，受风作用使煤炭损失严重，不仅造成经济损失，而且严重地污染环境，造成大气、水体和景观污染，危害人民群众的身心健康。
为此，提出根治储煤场的污染。
以平顶山二矿为例。
平顶山二矿堆煤场占地约2500
，要解决污染情况最有效的办法对堆煤场进行喷雾洒水。
因为煤场经喷水后,增加了煤层湿度,并且表面可形成一层3—5cm厚的硬壳，可抵抗较大风力吹动、同时，由于对洒水水质要求不高，可充分利用悬浮物较低的矿井水作为水源，这样也减少了部分废水的外排。
设计对平顶山二矿堆煤场粉尘浓度监测系统，该系统可以对粉尘浓度进行实时监控，并将粉尘浓度实时传输到监控中心，当粉尘浓度超过设置的最大值是，报警器报警，并且喷雾降尘设备启动，进行洒水，做好降尘工作。
系统的基本要求：
环境温度：
现场设备应具有抗风、抗震、防雷、防雨、防尘、防变形的功能。
电磁干扰≤126dB是应能保持正常工作。
粉尘自动监测设备选用通过环保部门制定的监测仪器检测机构适用性检测合格的产品（适用堆煤场）、粉尘测量直径大于0.3
、检出线为0.1mg/
、支持远程控制、具有数字信号传输端口、可设置测量量程等相关技术要求。
喷雾降尘设备选用通过环保部制定的监测仪器检测机构适用性检测合格的产品（适用堆煤场），喷雾距离大于60米，保证堆煤场喷雾覆盖率达到98%以上，支持远程控制。
2.2堆煤场粉尘监控方案设计
本系统采用的主控制器是一个带有RS-232/485接口的单片机控制器。
主控制器采集到的基本数据处理后，执行主控制器内预定的功能（报警、降尘等），并将处理后的数据送至监控中心，监控中心的PC机对这些数据再加工后，一方面将它们在显示屏上以图、表等方式显示出来,另一方面将动作指令发送给主控制器,控制执行机构动作,对一些重要设备进行操作，实施实时监控。
2.2.1主控制器部分
图2-1系统结构框图
1.堆煤场粉尘监控系统主要由中心PC机、主控制器、探测器、降尘设备等部分组成,其结构如图2-1所示。
其中，地面PC机是整个系统的中枢，整个检测系统实际上是一个以PC机为主机、以分布在现场的各主控制器为从机的主从结构模式的分布式数据采集和控制系统。
2.通讯接口。
本粉尘监测控制系统是由一个带有RS-232/485通信接口的单片机控制其构成的分布式数据采集和控制系统。
由于作业场环境恶劣，要保证作业场信息的真实和主机发送的指令能真确到达目的地，通信是系统设计是首先考虑的问题。
3.单片机外围电路。
（1）A/D转换电路。
从放大电路输出的模拟信号进入A/D转换器后，被变成便于单片机处理的数字信号。
A/D转换器采用了TI公司的10位模数转换器TLC1572。
它是高速串行A/D转换器，采样速率高达1250kbps，总不可调整误差±1LSB Max（4.8mV）。
TLC1572为串行输入方式，8脚封装，占位面积小，与单片机的接口也十分简单。
（2）键盘电路。
输入最大浓度值，当浓度超过时报警、降尘设备启动。
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。
（3）LCD显示电路。
我们采用4联发光二极管LED作为系统的显示器件，用来显示当前的粉尘浓度值。
（4）报警、降尘电路。
当所采集到的粉尘浓度值超出限定值时，系统发出报警信号，并且自动启动降尘除尘设备。
（5）电源电路。
为单片机核心及各个部件提供电源，本系统采用的是三端稳压器制成的电源，此方案输出电流精度高，且简单实用。
3.系统方案原理
3.1粉尘监测
粉尘浓度测量在微粒测试技术中具有十分重要的作用。
经过多年研究,目前国内外科研人员已开发出各类测量方法及相应的测尘仪器,大致可分为两类,其原理分别基于取样法和非取样法。
图3-1为粉尘浓度测量方法。
图3-1粉尘浓度测量方法
表3-1为取样法与非取样法的比较。
表3-1取样法与非取样法的比较
取样法
非取样法
定义
从待测区域中抽出部分具有代表性的含尘气样并送入随后的分析测量系统来测量粉尘浓度与粒径的方法
测量时不用取样而是利用粉尘的物理光学等特性直接测量粉尘浓度及粒径的方法
测量原理
简单
较复杂
测量周期
长
短
自动化程度
低
高
测试准确度
低
高
是否干扰测量场
是
否
其他
粉尘的分散度对测量结果无影响；可对粉尘样品作进一步物理化学分析
粉尘的分散度等自身参数影响测量结果,测量中需标定参数
从表3-1可看出,煤矿粉尘浓度测量的主流方法应该是非取样法。
这是因为非采样法具有测量周期短、测试准确度高的优点。
而非采样法也正是煤矿粉尘测量的主要办法。
非采样法主要包括黑度法、光透射法、光散射法等。
电容法的测量原理简单，但电容测量值与浓度之间并非一一对应的线性关系，电容的测量值易受相分布及流型变化的影响，导致较大的测量误差；
射线法虽然测量准确，但需要对粉尘进行采样后对比测量，很难实现粉尘浓度的在线监测；超声波法、微波法测量粉尘浓度还处于试验研究阶段，市场上成型产品较少。
目前市场上主要采用光散射法、光吸收法、摩擦电法进行粉尘浓度在线监测，形成的产品较多，并成功地应用于堆场粉尘浓度测量和煤矿井下粉尘浓度测量上。
图3-2光散射法结构原理图
光散射法原理：
含尘气流可以认为是空气中散布着固体颗粒的气溶胶，当光束通过含尘空气时，会发生吸收和散射，从而使光在原来传播方向上的光强减弱，粉尘浓度传感器就是通过探测变化的光号，经过换算而实现粉尘浓度测量的，其结构原理如图3-2所示。
采用光散射法测量空气中的粉尘浓度，具有快速、简便、连续测量的特点。
本系统使用的GCG500型粉尘浓度传感器，采用光散射原理直接测量总粉尘浓度，测定数据就地显示，同时输出堆煤场粉尘监测监控系统相适应的频率、电流信号（二中信号任选一种），供监测系统处理，是固定安装在作业场所的监测仪器。
该传感器主要由光源、光电转换器、粉尘测量系统、抽气系统、粉尘过滤器和控制电路组成。
特点：
测量快速准确、灵敏度高、性能稳定、粉尘散射比例系数可设定、直接显示粉尘质量浓度。
工作原理：
含尘气流在薄膜泵的作用下，通过淘析型吸尘口进入光散射检测暗室，激光光源照射含尘气流，探测器探测粉尘的散射光强，散射角90℃，在粉尘性质一定的条件下，粉尘的散射光强度正比于粉尘浓度。
C=K·I（3-1）
式中C--粉尘浓度，mg/
；
I--激光光强；
K--光散射比例系数。
GCG500粉尘浓度传感器外观如图3-3技术指标为：
图3-3粉尘浓度传感器外观
总粉尘浓度测量范围：
0.1mg/
~500mg/
测量误差：
±15%
输出信号：
200HZ~000HZ、1mA~5mA
采样流量：
2L/min
工作电压：
12V~24VDC（本安电源）
防爆型式：
ExibI矿用本安型
外形尺寸：
265mm×200mm×190mm
重量：
10k
3.2粉尘治理
3.2.1堆煤场扬尘原因及降尘
堆煤场作用为储存从煤矿运来的原煤，一般情况，堆煤场现场作业设备包括2台斗轮机、2条输煤皮带及2条斗轮机运行铁轨。
煤矿来煤一部分直接进入选煤系统，而大部分来煤要通过斗轮机的装卸作业进出堆煤场，而且大量来煤囤积滞留在堆煤场中。
根据其作业特点，储煤场起尘的主要原因包括：
煤堆受风力扰动起尘；斗轮机装卸煤炭起尘；斗轮机落料口密闭不严及落差起尘。
1.堆煤场粉尘飘逸治理
将堆煤场喷雾降尘系统与消防管道统一布置。
在储煤场周边，每隔20米安装一个冬夏两用可旋转喷雾箱，形成两路喷雾降尘系统，喷枪安装在可以自由旋转360°的回转机构上，可以任意调整喷枪的喷雾姿态，使整个储煤场都处于喷雾降尘的作用范围之内，使其喷射出来的雨雾形成一堵完整的水雾幕墙，彻底阻止粉尘飘向厂区和居民区，喷出的雨雾以一定速度落在储煤场上，通过雨雾对煤粉的包络作用和重力压制，使得粒径在较细的煤粉在飞扬升空不到10m的距离之内就被有效地沉降在储煤场表面。
2.斗轮机作业扬尘治理
堆煤场的两台斗轮机在堆料、取料过程中产生的粉尘也非常大，根据其工作状态，使用水喷雾降尘系统，既满足降尘的要求，又符合经常移动和进行俯仰的工作特点。
具体技术方案为：
考虑到斗轮机经常进行移动和俯仰的作业特点，设置可自动伸缩软管供水卷盘，应用软管对斗轮机前端的作业面进行喷雾除尘。
在斗轮前部作业的位置及下部交叉布置2排喷嘴，使喷出的压力水完全覆盖取料、堆料点，以及煤堆的表面，从而压制其作业时产生的粉尘。
3.斗轮机设备原因造成扬尘的治理
将落料口进行密封改造，制止落料溢尘。
导料槽前、后端加装密封挡尘箱，阻止粉尘外溢。
将导料槽后端延长，在延长导料槽的中间位置安装布袋除尘器。
除尘器吸风口为两个，一个是后端的直接吸风口对导料槽后端进行吸尘，另一个是在除尘器侧面设置的侧面吸风口对密闭的导料槽前端进行侧吸风。
保证整个导料槽的负压状态。
彻底解决导料槽正压诱导风造成的粉尘外溢。
3.2.2喷雾降尘
3.2.2.1喷雾降尘设计依据
高压喷雾降尘装置的降尘机理是雾滴对粉尘碰撞、拦截和捕获，使雾滴与尘粒凝聚，密度增加而加快沉降。
高压水雾速度高，喷嘴出口处的水雾速度达20~30m/s，有效与粉尘颗粒碰撞、凝固；水雾颗粒小，大部分水雾颗粒控制在50
左右，最小为20~30
，最大为100-150
，小水雾容易沉降对人体危害严重的呼吸性粉尘；水雾的分散性好、覆盖面大，有利于提高粉尘与水雾的碰撞几率；水雾的电离子数量明显增加，其与粉尘颗粒的电荷产生相应的电荷效应，增强了粉尘颗粒的吸附性能而凝固沉降。
由水雾降尘性能参数：
水雾颗粒分散度、水雾颗粒运动速度、雾流几何形状与压力的关系，可知压力与水雾颗粒的降尘性能有很大的关系，压力越大水雾颗粒越小，速度越快，雾流体积越大。
根据截获的降尘机理和凝集扩散及其他机理得出粉尘直径和水雾颗粒直径之间最佳的对应关系可依据下式：
式中
——现场占比例最大的粉尘的直径；
粉尘密度；
气流速度；
空气粘度系数；
水的粘度；
最佳的雾粒直径。
粉尘呈对数正态分布，雾滴直径呈正态分布。
如果测量出现场的粉尘直径，及粉尘密度，可由此公式确定最佳的雾粒直径。
由降尘机理知水雾颗粒直径是影响降尘效果的主要因素，水滴小在空气中分布的密度就大，与矿尘的接触机会就多，降尘效果越好。
但如果水滴直径太小，与尘粒接触，尘粒的重量增加不大，难以在空气中沉降下来，同时水分也被风流带走和蒸发，不利捕尘。
根据经验及测定，初步确定最佳雾粒的直径在50-150
之间。
3.2.2.2高压喷雾系统
高压喷雾降尘系统的设备组成如图3-4，性能参数如下：
图3-4高压喷雾降尘系统
喷雾降尘装置主要由电动球阀、过滤器、手动阀和水泵、喷嘴组成。
电动球阀是由球体旋转而控制水路的电动阀门，它由数字逻辑控制电路、方向控制电路、电流采样控制电路和工作状态指示电路等组成。
当粉尘浓度超过设定的限值时，传感器输出的控制信号被电动球阀接收，由电流采样控制电路检测球阀的工作位置，控制球阀的开启与关闭。
过滤器的作用是过滤供给喷嘴的水流，保护喷嘴不被堵塞。
传感器可以通过粉尘浓度控制设备开停。
当主机接收到传感器的信号后，发出控制信号到控制器、电动阀，控制器启动电机电源闭合，电动阀控制水量，同时加压泵启动，管路升压，喷头可以设置多个不同型号喷嘴，调节喷雾效果。
喷枪型号为美国产SR200-24°型喷枪,材质为铝合金,喷嘴口径为48.3mm,喷枪口水压为10kg/cm时,流量为265.8
/h,喷淋半径为85m~90m,喷射角度为24°,喷淋范围为0°~345°。
水泵型号为D280—43×3流量:
280
/h,扬程:
114m,配用电机型号:
Y315—4,电机功率:
160
升级会员 