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PM2.5空气检测仪的设计与制作.doc

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：6.16M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    前言
    1.2 选题背景
    1.3 国内外发展状态
    1.3.1 粉尘测量方法
    1.3.2 粉尘检测仪的性能与优点
    1.3.3 研究的意义
    1.4 本文主要工作
    二、PM2.5 粉尘浓度测试仪系统设计方案
    2.1 系统的功能和技术指标
    2.2 工作原理
    2.2.1 粉尘检测原理
    2.2.2 系统工作原理
    2.3.1 程序框图设计
    2.3.2 粉尘检测仪程序主流程图设计
    3.1单片机部分
    3.1.1 系统CPU 器件选择
    3.2 信号采集电路
    GP2Y1010AUOF粉尘传感器的结构特征如下3-5图所示。
    P2Y1010AUOF粉尘传感器是用光学方法测量悬浮于气相介质或者液相介质中的微小微粒特性的传感器装
    3.4 声光报警提示电路及LED灯电路
    3.6按键电路
    图3-10按键硬件电路
    四 PM2.5粉尘测试仪系统软件设计
    4.1系统程序流程如4-1图所示。
    图4-1 系统程序流程
    4.2 浓度参考值的键盘设定程序设计
    4.2.1 键盘扫描的设计
    4.3 信号采集部分的程序设计
    4.3.1 数据采集流程图设计
    4.5 LED1602液晶显示部分的程序设计
    4.5.1显示流程图设计
    五 PM2.5粉尘检测仪的测试结果及结论
    5.1 调试
    参 考 文 献
    致 谢
    职业技术学院毕业论文 毕业设计(论文)任务书 （2015 届） 题 目：PM2.5 空气检测仪的设计与制作 专业名称： 姓 学 班 名： 号： 级： 指导教师： 2014 年 09 月 22 日
    职业技术学院毕业论文 目 录 一 绪论 ...................................................... 1 1.1 前言 ............................................................1 1.2 选题背景 ........................................................1 1.3 国内外发展状态 ..................................................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 ........................................2 1.3.3 研究的意义 ....................................................3 1.4 本文主要工作 ....................................................3 二 PM2.5 粉尘浓度测试仪设计系统 ............................... 4 2.1 系统的功能和技术指标 .............................................4 2.2 工作原理 ........................................................ 4 2.3 程序框图和流程图 ................................................ 6 三 PM2.5 粉尘测试仪系统硬件设计 ............................... 8 3.1 单片机部分硬件设计 ..............................................8 3.2 信号采集电路 ...................................................10 3.3 LED1602 液晶屏显示电路 ......................................... 11 3.4 声光提醒报警电路 ............................................... 12 3.5 智能换风机电路 .................................................14 3.6 按键电路 .......................................................14 四 PM2.5 粉尘测试仪系统软件设计 .............................. 15 4.1 系统程序流程图 ................................................. 15 4.2 浓度参考值的键盘设定程序设计 ................................... 16 4.3 信号采集部分的程序设计 ......................................... 17 4.4 蜂鸣器报警部分程序设计 ......................................... 18 4.5 LED1602 液晶显示部分的程序设计 ................................. 19 五 PM2.5 粉尘检测仪的测试结果 ................................ 19 六 结论 ..................................................... 21 七 参考文献 ................................................. 22 八 附录一：系统程序 ......................................... 23 九 致谢 .................................................... 29
    职业技术学院毕业论文 前言 随着社会的进步，工业化水平的提高，人们的生活和工作有了很多便利。然而人们在享有 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，对自然环境造成的野蛮污染， 使生存环境越来越差的现实。所以人类必须采取相应措施，合理利用开发自然资源，与大自然 和睦相处。进入 21 世纪以来，环境问题越来越严重，而这与人们对生活质量要求的提高形成了 矛盾,因此注重环境的保护问题已经慢慢步入了产业化。人类要治理好环境问题，必须要做到“知 己知彼”，在做好监控与检测的同时知道病灶所在然后对症下药，从而药到病除。 粉尘是空气质量的重要指标，所以粉尘的检测就很重要，因此粉尘检测仪成为环保监测部 门及很多工矿企业的必备品。因此市面上出现了各种各形形色色的测试仪。 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。 本文所设计的粉尘检测仪围绕单片机为控制核心，完成数据的采集、显示、参数设置、自 动报警及智能换风等系统各模块的程序设计，结合各模块的硬件电路实现每个模块的功能，从 而实现整个系统的功能。 1.2 选题背景 粉尘又称可吸入颗粒物(inhalable particular matter），它是指能进入呼吸道的，直径 为 10μm 的颗粒物，对人的眼睛、鼻腔、上呼吸道都十分有害。同时这种可吸入粉尘能长驱进 入肺泡且沉积时间长，可导致心肺病、心血管疾病。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,工厂中的很多粉尘携带有有毒化 学物质，人们长久呼吸或长久散落皮肤上容易导致癌症的产生。由此可以看出粉尘对人类健康 和生产的巨大危害性，煤矿井下巷道作业、煤炭生产都要产生大量的粉尘，加之煤矿井下通风 条件较差，在炮采、纵采工作面，煤尘浓度可高达 1000mg/ m3 以上。在此环境中工作的工人就 会吸入这些细微粉尘，粉尘长时间进入人的呼吸系统，就会造成大量粉尘在肺泡中沉，引起慢 性职业病，危及人的身体健康。此外粉尘还是煤矿安全生产的重大隐患, 我国《煤矿安全规程》 规定：“粉尘中游离的 sio2 含量>10% 时，粉尘浓度不得大于 2mg/ m3；当粉尘中游离 sio2 含量 <10% 时, 粉尘浓度不得大于 10mg/ m3。因此, 必须对煤矿井下粉尘进行实时检测，及时了解煤 1
    职业技术学院毕业论文 矿井下工人的劳动环境，掌握井下煤尘浓度及变化情况，为安全生产、防尘、降尘等措施 提供必要现场数据。 因此，粉尘浓度测试仪意义很重大是生活中不可或缺的必备品。 1.3 国内外发展状态 在国内大多采用更加先进的测试技术，有的是β射线原理，其吸收量只与吸收物质的重量 有关，而与吸收物质的物化性质无关完全等同于称重法，可直接读粉尘浓度。并且配不同的采 样入口装置，可实现对总粉尘、可吸入粉尘、呼吸性粉尘进行监测。使用称重法比较，其相关 系数大于 97%，相对偏差小于 10%。仪器采用的射线源符合核安全标准，可长期稳定工作。 而有更加先进的技术该测定仪是集粉尘采样、粉尘浓度测定和粉尘粒度分布测定三者于一 体的多功能粉尘测定仪。它作为粉尘采样器可采集作业场所空气中的粉尘，将采集到的滤膜样 作一些处理，在此仪器上可直接测出粉尘浓度值，粒度分布需用天平称重，可测定采样器采集 的滤膜粉尘和其它形式粉尘的粒度分布（分散度）。粒度分布和浓度测定结果可通过液晶显示 器显示或微型打印机打印。该仪器具有断电保护功能，断电后仍可储存 40 组粉尘粒度分布和 200 组粉尘浓度数据。 袖珍式激光粉尘仪是以激光管为光源、采用前向光散射原理设计，具有国际先进水平的最 新型粉尘仪。该仪器适用于公共场所可吸入颗粒物（PM10）浓度的快速测定以及环境保护、劳 动卫生等方面粉尘浓度检测、工矿企业生产现场粉尘浓度的监测。 1.3.1 粉尘测量方法 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。 (1) 采样称重法不适合于在线测量。 (2) 静电法易受干扰,国内技术并不成熟。 (3) 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 由现代国内外所使用的各种粉尘检测仪的功能可以大体总结出粉尘检测仪具有以下性能和 2
    职业技术学院毕业论文 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。 1.3.3 研究的意义 该粉尘检测仪是以 STC12C5A60S2 为核心外接输入键盘设定参考值，经过 GP2Y1010AUOF 粉 尘传感器采集转换数据经过 STC12C5A60S2 处理然后通过数码管显示出粉尘浓度的简易检测仪， 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、卫生防 疫站公共场所可吸入颗粒物的监测，环境环保监测部门大气飘尘检测和污染源调查等。 1.4 本文主要工作 本文主要是根据光学测尘原理--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。将粉尘浓度转换为 电信号，然后通过信号放大器将电信号转换为 0～5V 的电压信号。 该设计主要是将光学测尘原理所得的 0～5V 的电压模拟信号通过 ADC0809 转换成八位二进 制数字信号，并将数字信号送到单片机 STC12C5A60S2 中经过处理后将数字信号动态显示在数 LED1602 液晶显示上，通过键盘来设定粉尘浓度限定值，如果超过限定值单片机驱动蜂鸣器报警 以及启动换风机，同时可以通过独立按键控制当前粉尘浓度和设定限定值时的显示切换。看门 狗可以根据程序要求实施复位；同时还要将 12V 开关电源转换成 5V 给各器件供电。我主要根据 系统要求完成数据的采集、显示、参数设置及报警等系统各模块的程序设计，然后再结合各部 分的硬件电路完成各模块的功能，从而完成整个系统的功能。 3
    职业技术学院毕业论文 二、PM2.5 粉尘浓度测试仪系统设计方案 2.1 系统的功能和技术指标 (1) 系统功能： 单片机 PM2.5 粉尘检测仪采用 51 单片机+按键+LCD1602+蜂鸣器+换风机+粉尘传感器设 计而成。 1.主控芯片采用增强型 51 单片机 STC12C5A60S2（和 51 单片机一样），自带 AD 转换，使用 更加方便。 2.使用夏普的 GP2Y1010AUOF 粉尘传感器，每间隔 10S 更换一次采集浓度值检测更加准确。 3.有 2 个按键可以调整报警值，可操作性增强。 4.外接 AT24C02，有掉电保存数据功能。 5.当粉尘浓度小于设定值，绿色指示灯会亮，表示当前空气质量良好。 6.当粉尘浓度高于设定值，会自动开启声光报警，换风机人性化工作。 7.LCD1602 实时显示粉尘浓度和设定报警浓度，清晰直观。 (2) 主要技术指标： 1、电源电压：5-7V 2、工作温度：-10-65 摄氏度 3、消耗电流：20mA 最大 4、最小粒子检出值：0.8 微米 5、灵敏度：0.5V/(0.1mg/m3) 6、清洁空气中电压：0.9V 典型值 7、工作温度：-10~65℃ 8、存储温度：-20~80℃ 2.2 工作原理 2.2.1 粉尘检测原理 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。 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 4
    职业技术学院毕业论文 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。其原理如下： 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  I O exp   LANQ     I O exp   3 QWL 2/( d  ) 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： I  I O exp  C    M  i 1  w d 1  , , dmQ 1    式中： C  3 L )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 1-2 得: ln I 0 I  M  i 1  w 1 d 1 , dmQ ,(  ) 1 式(1-3)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(1-3)，故得方程： 式中： E   ln  I 0 / I  1 ln,  I 0 / I  2 ,....... ln 应的 0I 及 I 测得： TWE    MI I / 0 T 为消光列向量，可以通过实测各波长对 其中：T 称为消光系数矩阵。T 中个元素 t ij  i Q , , dm  1 / d 1 ，可由计算机预先算出。 T   ijt MM    WWW  , 1  ....... MW 2 T 为粉尘总的质量浓度分布列向量。求解式 1-4 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。 5
    职业技术学院毕业论文 2.2.2 系统工作原理 本系统的工作原理是：将电源开关打开，当给一个由测尘原理将粉尘浓度转换得来的 0～5V 的电压信号时，信号经过 ADC0809 转换为八位的二进制数进入单片机，经过处理后转变为三位 十进制数通过 I/O 口在 LED1602 液晶显示上显示出精确数值。数值量随输入电压的扰动而变化。 同时键盘设定参考值送入单片机，当采集的当前粉尘浓度小于参考值时黄灯亮，表示当前空气 良好；当采集的当前粉尘浓度大于参考值时，单片机驱蜂鸣器报警并同时启动换风机进行改善 空气环境，否则显示当前浓度。 2.3 程序框图和流程图 因为软件和硬件是密不可分的，所以由系统的硬件结构图可以得出软件设计的程序框 图和流程图。 2.3.1 程序框图设计 根据系统结构图所得出的各模块如图 2-1 所示。 电源电路 按键电路 复位电路 信号电路 STC12C- 5A60S2 单 片 机 1602 显示 换风机 声光报警 LED 灯 如图 2-1 所示系统所设计的程序分为以下五个部分。 (1) 信号采集的程序：该程序设计主要是将模数转换得来的数字信号输入到单片机内部。 (2) LED 的显示程序：本程序设计主要完成粉尘浓度的数字显示及当前环境情况提醒。 (3) 看门狗的复位程序：该程序设计主要完成程序飞跑或死机时系统的复位。 (4) 键盘输入部分：该部分主要完成浓度参考值的设定和显示切换。 (5) 换风机、声光报警部分：该部分主要完成浓度大于参考值的报警及相应措施。 6
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