基于单片机的粉尘检测仪控制电路.docx

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基于单片机的粉尘检测仪控制电路

基于单片机的粉尘检测仪控制电路

摘要

随着现代工业的发展，工业化水平的提高，人们的生活和工作有了很多便利。

然而我们的环境污染越来越严重，尤其是空气质量日益下降。

除废气、废水外，颗粒状粉尘、烟尘向大气排放所造成的污染已成为一个十分突出的问题。

粉尘是空气质量的重要指标，粉尘的检测就愈重要。

粉尘检测仪主要用于检测环境中的粉尘浓度，适用于工矿企业劳动部门生产现场粉尘浓度的测定、环境环保监测部门大气飘尘检测和污染源调查等。

本课题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、显示等电路的设计。

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：

粉尘，光散射，空气采样，A/D转换，显示

TheDustDetectorBasedonSingleChipControlCircuit

ABSTRACT

Withmodernindustrialdevelopment,industrializationlevel,people'slifeandworkhavealotofconvenience.However,wemoreandmoreseriousenvironmentalpollution,especiallyairqualityhasdeclined.Inadditiontoemissions,wastewater,theparticlesofdust,smokeanddustemissionstotheairpollutionhasbecomeaveryprominentissue.Dustisanimportantindicatorofairquality,dust,themoreimportanttest.Dustdetectorismainlyusedfordetectionofdustconcentrationintheenvironment,thelabordepartmentforindustrialandminingproductionsitedeterminationofdustconcentration,theenvironmentdepartmentofenvironmentalmonitoringofairborneparticulatepollutiondetectionandinvestigation.Thetopicstolightscatteringtheory,basedaroundtheMCUcore,completedetectordataacquisitionanddisplaycircuit.Developmentofacompletelowcost,stableandreliableoperation,theadvantagesofshortdevelopmentcycle,high-performancecontrolsystems,andmastermicrocontrollersystemandrelatedsoftwaredebuggingtools.

Keywords:

dust,lightscattering,airsampling,A/Dconverter,display

目录

摘要I

ABSTRACTII

1绪论1

1.1前言1

1.2选题背景及研究意义1

1.2.1选题背景1

1.2.2研究意义1

1.3国内外相关发展情况2

1.3.1粉尘测量方法2

1.3.2粉尘检测仪的性能与优点3

1.4本文主要研究内容3

1.4.1硬件电路3

1.4.2系统联调4

2基于单片机的粉尘检测仪硬件设计5

2.1系统的功能和技术指标5

2.1.1系统功能功能5

2.1.2主要技术指标5

2.2粉尘检测原理5

2.3系统硬件设计框图6

2.4软件程序流图7

2.5工作原理7

3粉尘测试仪硬件设计9

3.1单片机部分9

3.1.1系统CPU器件选择9

3.1.2单片机引脚分配及连接12

3.2信号采集电路13

3.2.1敏感元件13

3.2.2A/D转换电路14

3.2.3ADC0809的主要特性14

3.2.4ADC0809芯片的引脚图及引脚功能15

3.2.5ADC0809对输入模拟量要求及通道选择16

3.2.6ADC0809的应用说明17

3.2.7ADC0809数据采集时序图17

3.2.8ADC0809与AT89C51单片机的接口设计17

3.2.974LS7418

3.2.1074LS37320

3.2.1174LS02介绍22

3.2.1274LS04介绍23

3.3数码管显示部分24

3.3.1LED数码管概述24

3.3.2LED数码管动态显示方式26

3.3.3显示接口设计28

3.4键盘电路设计29

3.5报警电路设计（蜂鸣器）30

3.6看门狗部分的设计30

4联调结果及仿真32

4.1设计软件Proteus32

4.1.1Proteus功能特点32

4.1.2功能模块32

4.2系统概述33

4.3keil与Proteus联调34

5结论36

致谢37

参考文献38

附录1电路图39

附录2PCB图41

1绪论

1.1前言

随着现代工业的发展，工业化水平的提高，人们的生活和工作有了很多便利。

然而人们享有方便生活和工作的同时，不得不面对，由于对自然的不合理开发，对自然环境的污染等，使生态环境遭到严重破坏，生存环境越来越差的现实。

人类必须采取相应的措施，合理利用开发自然资源，与自然和谐共生。

我们的环境污染越来越严重，尤其是空气质量日益下降。

维护生态环境质量越来越成为社会的迫切要求。

除废气、废水外，颗粒状粉尘、烟尘向大气排放所造成的污染已成为一个十分突出的问题。

粉尘是空气质量的重要指标，粉尘的检测就愈重要。

已有研究表明，大气中的可吸入颗粒物对人体健康和生态环境有很大的影响。

我国空气质量超标的城市中68%都存在可吸入颗粒物的问题。

我们必须要做到“知己知彼”，既要做到监控和额检测。

知道病灶所在才能对症下药，从而药到病除。

因此市面上出现了各种各样形形色色的环境测试仪。

1.2选题背景及研究意义

1.2.1选题背景

粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒，是保持地球温度的主要因素之一，大气中过多或过少的粉尘都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之一，特别是煤矿粉尘，一方面严重危害工人的身体健康，致使工人患尘肺病；另一方面粉尘浓度过高还潜伏着爆炸的危险。

每年因为粉尘灾害而造成的人员伤亡数量极大，也给国家造成了巨大的经济损失。

粉尘又称可以入颗粒物（inharableparticularmatter），粉尘作为病菌的载体，一同散入空气中，极易传播疾病。

生产中许多及其工作环境对粉尘浓度也有要求。

目前，国家环保部和煤矿安全监察局对粉尘危害非常重视，对作业场所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，及时有效地对作业场所的粉尘浓度进行监测，能更好地掌握粉尘浓度状况，进行有效的除尘和降尘，对确保人身安全和提高环境质量发挥着极其重要的作用。

由此可以看出粉尘对人类健康和生产危害十分严重。

因此，粉尘浓度测试仪意义很重大[8]。

1.2.2研究意义

粉尘检测仪主要用于检测环境中的粉尘浓度，适用于工矿企业劳动部门生产现场粉尘浓度的测定、环境环保监测部门大气飘尘检测和污染源调查等【9】。

1.3国内外相关发展情况

国内外有很多种粉尘检测仪。

粉尘检测仪主要由信号采集，信号处理，数字显示以及对参数的控制和设置等几部分构成。

以89S52单片机为主控制器，对粉尘传感器检测到的粉尘数据进行处理后并显示同时与PC机进行数据通信，PC机可更改用户参数完成不同情况测量同时可输出存储的数据测量方法也各不相同。

 目前，世界各国对粉尘浓度的测量技术都做了大量研究，研制了一系列粉尘监测仪器，如粉尘采样器、直读式测尘仪、粉尘浓度传感器等。

特别是粉尘浓度传感器的出现，解决了粉尘采样器、直读式测尘仪不能实时监测作业场所粉尘浓度的问题[8]。

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一5E、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。

国内外粉尘浓度在线监测技术大多采用光散射法原理，但在其测量误差、测量范围和工作电流上有所差别。

国外仪器大多采用分段方式测量，而且工作电流较小，除Simslin-Ⅱ之外，其他测尘仪的测量准确度较高，但粉尘浓度测量范围偏小。

国内仪器测量范围宽、准确度低、工作电流大，其中GC1000型粉尘浓度传感器测量误差达到了25%。

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。

1.3.1粉尘测量方法

国外对粉尘浓度在线监测技术研究较早，主要有电容法、β射线法、光散射法、光单，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[1]；β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，并成功地应用于烟道粉尘浓度测量和煤矿井下粉尘浓度测量上。

按照粉尘测量方法的不同，粉尘测量方法主要有光学法、采样称重法和静电法三种。

a）采样称重法不适合于在线测量。

b）静电法易受干扰,国内技术并不成熟。

c）光学法又进一步分为浊度法和散射法,而浊度法是目前国外普遍采用的用来测量烟尘（粉尘）浓度的方法,这种国外仪器在国内许多单位也都得到了成功应用。

光学法测量的缺点是需要保持光学镜头的相对清洁。

对于烟道中烟尘的测量,实践证明,通过微正压的清洁保护风,就可实现对光学镜头的可靠保护。

1.3.2粉尘检测仪的性能与优点

1）智能采样与去噪数字滤波算法相结合,测量和信号处理灵活性强,因而在一套装置可以进行不同变量和浓度的测量,可排除个别的不正常值,同步计算平均值。

2）采用嵌入式单片机内核技术,将计算机嵌入到烟尘粉尘测量对象中,实现智能化控制,依据烟尘粉尘测量环境要求,充分考虑了物理环境（小型）、电气/气氛、环境（可靠）、成本（价廉）的要求;充分考虑了最小软、硬件配置和相应的接口电路。

采用内核技术,提供了一个裸设备与应用程序间的抽象层,可以在更高的层次上读写磁盘;允许多个程序看起来在同时运行,将处理器在其间共享。

3）可选用GPRS网络技术,以智能烟尘粉尘测量仪软件为平台,通过中文短信的方式,用自动群呼和列队接收办法,形成了崭新的环保监测网络。

4）可远程进行参数设置及数据传输,通过中心控制软件,方便地输入用户参数、校准仪器,并可输出存储的测量数据。

1.4本文主要研究内容

1.4.1硬件电路

该粉尘测试仪是以采集5V的模拟信号并通过ADC0809转换成数字信号，再将比较过的数字信号动态显示在LCD上，若超过最高时报警。

通过键盘来设定最高值。

同时将市电转换成5V给各器件供电。

我主要完成硬件电路的设计，只检测、显示分成的浓度。

1.4.2系统联调

实现Protues和Keil的联调。

在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：

*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。

目标代码文件：

*.HEX由Keil编译生成。

最终模拟出显示结果。

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：

～70

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：

（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：

（2-2）

式中：

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:

（2-3）

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：

（2-4）

式中：

为消光列向量，可以通过实测各个波长对应的

及

测得：

（2-5）

其中：

T称为消光系数矩阵。

T中个元素

，可由计算机预先算出。

为粉尘总的质量浓度分布列向量。

求解式④便可求得W及粉尘的总质量浓度。

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。

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。

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。

图2-3软件流程图

3粉尘测试仪硬件设计

3.1单片机部分

3.1.1系统CPU器件选择

CPU是粉尘检测器的核心[1]，完成数据采集、处理、输出、显示等功能,是整个仪器正常工作的基础，它的选择直接关系到整个系统的工作。

选择通用性强、功耗小、性能稳定良好的8位CMOS微处理器芯片AT89S52以低廉的价格、强大的功能,完全符合经济的原则并且满足本系统的要求。

所以,在本系统中我们选用AT89S52作为CPU芯片。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，具有越低功耗、强大的LCD驱动能力等功能力，实践证明，它具有性能价格比高、外围扩展器件少、系统功耗低。

使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

1）AT89S52功能特性：

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

2）部分引脚功能：

XTAL1：

接外部晶振的一个引脚。

在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

它采用外部振荡器时，此引脚应接地。

XTAL2：

接外部晶振的一个引脚。

在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。

当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。

RST:

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/

：

ALE表示允许地址锁存允许信号。

当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口P0的地址总线（A0-A7）锁存进入锁存器中。

在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。

：

访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。

在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次

信号。

在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生

信号。

P0：

P0口（P0.0～P0.7）是一个8位漏极开路双向输入输出端口，内部没有上拉电阻，所以端口要外接八个上拉电阻。

当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。

外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。

P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。

P1：

P1口（P1.0～P1.7）口是具有内部提升电路的双向I/0端口（准双向并行I/O口），其输出可以推动4个LSTTL负载。

仅供用户作为输入输出用的端口。

P2：

P2口（P2.0～P2.7）是具有内部提升电路的双向I/0端口（准双向并行I/O口），当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。

外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。

每一个引脚可以推动4个LSTL负载。

P3：

P3口（P3.0～P3.7）口是具有内部提升电路的双向I/0端口（准双向并行I/O口），它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。

其特殊功能引脚分配如下：

P3.0RXD串行通信输入

P3.1TXD串行通信输出

P3.2

外部中断0输入,低电平有效

P3.3

外部中断1输入,低电平有效

P3.4T0计数器0外部事件计数输入端

P3.5T1计数器1外部事件计数输入端

P3.6

外部随机存储器的写选通，低电平有效

P3.7

外部随机存储器的读选通，低电平有效

引脚如图3-1所示：

图3-189S52单片机引脚

3）89S52单片机的基本结构

如图4-2所示它由8个部件组成，即中央处理器（CPU），片内数据存储器（RAM）内部程序存储器，输入输出接口（Input/Output,简称I/O口，分为P0口、P1口、P2口、P3口）可编程串口，定时/计数器，中断系统及特殊功能寄存器（SFR），各部分通过内部总线相连。

基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上，却采用了特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方法。

如图3-2所示：

图3-2单片机内部结构

3.1.2单片机引脚分配及连接

1）振荡器电路

89S52单片机它采用外部振荡器时XTAL1引脚应接地，XTAL2引脚接外部振荡信号的输入。

如图3-3所示。

晶振范围在0～24MHZ，本设计选择12MHZ，

与

值为30pF，

与

可稳定频率并对振荡频率有微调作用。

为了减少寄生电容振荡器和电容尽可能安装得与单片机芯片靠近。

图3-3振荡器电路

2）复位电路

复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。

单片机的复位都是靠外部复位电路来实现，在时钟电路工作后，只要单片机的RESRT引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机就能实现复位。

简单复位电路有上电复位、按键电平复位、按键脉冲复位，本设计采用按键电平复位。

如图3-4所示。

图3-4