仪器仪表与检测技术InstrumentationandMeasurment
《自动化技术与应用》2019年第38卷第6期
基于单片机的粉尘浓度监测系统的设计
李欢1,2
（1.工程学院，乌木鲁齐830000；2.特变电工股份有限公司，昌吉831100)
摘
要:无针对工业现场环境中粉尘监测日益受到关注，本文设计了一套基于单片机的红外吸收粉尘监测系统，能够实时精确检测
粉尘的浓度值。系统的硬件部分以MSP430单片机为核心，还包括微控制器模块电路、光源驱动电路、放大滤波电路、液晶显示模块电路的设计等。系统的软件部分主要包括数据采集程序、模数转换程序和上位机程序的设计。最后，通过实际工业现场多次测试，结果表明本系统符合设计需求。
关键词:工业现场；粉尘监测；单片机；测试中图分类号：TP29
文献标志码:A
文章编号:1003-7241(2019)06-0113-04
DesignofDustConcentrationMonitoringSystemBasedonSinglechip
LIHuan1,2
(1.XinjiangInstituteofEngineering,Urumqi830000China;2.TebianElectricApparatusStockCo.,Ltd.,Changji831100China)
Abstract:Inviewoftheincreasingattentionofdustmonitoringintheindustrialenvironment,asetofinfraredabsorptiondustmonitor-ingsystembasedonMCUisdesignedinthispaper,whichcandetecttheconcentrationofdustinrealtimeandaccurately.ThehardwarepartofthesystemisbasedontheMSP430MCU,anditalsoincludesthemicrocontrollermodulecircuit,thelightsourcedrivecircuit,theamplifierfiltercircuit,theLCDmodulecircuitdesignandsoon.Thesoftwarepartofthesys-temmainlyincludesdataacquisitionprogram,analogtodigitalconversionprogramandliquidcrystaldisplaymodulepro-gramdesign.Finally,throughtheactualindustrialfieldtest,theresultsshowthatthesystemmeetsthedesignrequirements.
Keywords:industrialfield;dustmonitoring;singlechip;testing
1引言
在工业生产环境中,粉尘无处不在。所谓粉尘,就是一般指空气中颗粒半径小于100μm的悬浮颗粒物。它们悬浮在空中,可以通过呼吸系统进入血液,严重危害人体的健康。因此,实时监测工业环境中粉尘浓度,减少粉尘污染,保证工作人员的身体健康有重大的意义。本文基于粉尘可以吸收红外光的原理,设计了一种基于MSP430单片机的红外吸收粉尘传感器,可以实时、精确地监测粉尘的浓度。
2粉尘浓度检测方法
目前,国内外对粉尘浓度的检测方法可以分为:取样法和非取样法两种。其中,取样法包括过滤称重法、β射线法、压电振动法等。取样法测量原理简单,方法应用广泛,但是这种方法灵敏度低,周期性强,容易受到温湿度等因素的影响。非取样测量法包括光散射法、光吸收法、摩擦电法和闪烁法等。这种方法虽然检测原理比较复杂,但是可以实现对粉尘浓度实时、连续监测,自动化程度高,精确度高。由于粉尘对红外光吸收的原理,所以本文对粉尘浓度的检测就采用的非取样法中的光吸收法。
收稿日期:2018-04-20
TechniquesofAutomation&Applications113
《自动化技术与应用》2019年第38卷第6期
仪器仪表与检测技术InstrumentationandMeasurment
3系统概述
在工业环境中,粉尘浓度的检测会受到温湿度变化、光源干扰等因素的影响。本文设计了一种差分粉尘浓度检测法,如图1所示,可以避免由于环境和器件带来的误差。图中的MCU选择MSP430F149芯片作为处理器,控制整个系统的稳定运行。MCU发出脉冲调制信号控制驱动光源电路发出红外光源,其中,红外光源选用红外发光二极管IRL715。红外光源经过分束器之后,分别进入参考工业环境和检测工业环境,通过各自的探测仪获取红外信号,然后经过放大滤波电路,进入单片机进行进一步分数据分析和处理。其中,红外探测仪是一种将红外辐射信号转换成电信号的转换器件,是粉尘浓度检测系统的核心器件,本文选择S1337-1010BR型号的光电探测器。为了实现单片机与上位机的远程数据传输,本文选择了RS485完成远程数据通信的任务。
4硬件部分设计
4.1
微控制器模块电路设计
考虑到工业环境下粉尘浓度检测的情况,本文选用MSP430F149芯片的单片机作为微处理器,它处理能力强、功耗低、工作稳定,广泛应用于仪器仪表控制行业。微控制器模块控制电路原理图,如图2所示,控制着光源控制模块、液晶显示模块、通讯模块、电源电路、复位电路和模拟信号输入等电路。其中,液晶显示模块选用LCD1602来显示粉尘浓度的实时数据,通讯模块选择RS485串口通讯,解决单片机与外界通讯的问题。
4.2光源驱动电路设计
本文的红外光源选择IRL715发光二极管,并选择可
调式稳压器LM317为其供电。LM317是一种三端可调的正稳压器,输出可调的电压在1.2V到37V之间,内部还有热过载保护和短路电流,可以给外光光源提供稳定的电源。红外光源驱动电路,如图3所示,LM317为发光二极管提供稳定的电源,CTRL发出脉冲信号,经过Q1来控制发光二极管IRL317的亮灭。
图1粉尘浓度监测系统结构图
图2微控制器模块控制电路原理图
图3
114TechniquesofAutomation&Applications红外光源驱动电路原理图
仪器仪表与检测技术InstrumentationandMeasurment
《自动化技术与应用》2019年第38卷第6期
图4放大滤波电路原理图
4.3放大滤波电路设计
由于探测仪输出信号灯的电流都是微安级的,必须
要经过放大滤波电路,才能达到A/D转换器的要求。本文采用AD620芯片对信号进行放大处理,该芯片具备体积小、功耗低、失调电压低和噪声低等优点,可以避免复杂工业环境中的干扰。放大滤波电路电路,如图4所示,可以根据输出电压U0需要,调节R7、R8、R9这三个电阻值。
图6数据采集程序设计流程图
5软件部分设计
软件部分的设计主要分为数据采集、模数转换和液晶模块的程序设计。软件部分主程序的设计流程图,如图5所示,软件设计的主要程序有:中断程序、数据采集程序、串口通讯程序和上位机程序设计等。本文的软件开发环境是基于IAR开发环境中,编程语言采用C语言。而上位机的开发主要是基于LABVIEW软件开发环境,具有编程难度较低,比较容易上手,界面人性化等优点。
5.1数据采集程序设计
数据采集实在定时器中断过程中完成的,然后将采
集到的数据进行计算处理。数据采集程序设计流程图,如图6所示,当定时器进入中断之后,根据不同中断的定时时间,执行相应的数据采集,最后进行数据处理。
5.2
图5
主程序设计流程图
模数转换程序设计
由于本系统所用的单片机自身集成了ADC转换模
TechniquesofAutomation&Applications115
《自动化技术与应用》2019年第38卷第6期
仪器仪表与检测技术InstrumentationandMeasurment
块,初始化ADC之后,就可以直接使用ADC转换通道,进行模数转换,最后将转换结果存储起来,对数据进行进一步的处理。模数转换程序设计流程图,如图7所示。
试数据。同时,每次系统检测的时候,通过采样法计算出粉尘浓度实际数据,如表1所示。从表中数据可以发现,该粉尘监测系统可以较精确检测出工厂环境的粉尘浓度值。
表1粉尘浓度试验数据
7结束语
针对工业复杂环境下,粉尘浓度需要进行实时、精确监测,保证生产和生活的安全性。本文设计的基于单片机的粉尘浓度监测系统,并经过实际现场多次测试之后,发现该系统可以实时、精确检测出粉尘浓度数值,为工业
图7模数转换程序设计流程图现场的粉尘浓度监测提供有力的技术支持。
5.3上位机程序设计
上位机与单片机通过RS485通信进行数据传输,那
参考文献:
[1]姜万录,雷亚飞,代皓东,等.湿度修正的光散射法在现场粉尘监测中的应用[J].仪器仪表学报,2018,39(1):200-207.
[2]李霄霄.双光路粉尘浓度监测系统研究[J].科技视界,2017(23):90-91.
[3]赵济坤.基于光散射法的烟尘发生及浓度测量装置[D].太原:太原理工大学,2017.
[4]王毅然.两级数据融合算法在煤矿粉尘监测中的应用研究[D].太原:太原理工大学,2017.
[5]王晓进.混合特征选择方法在电厂粉尘浓度监测模型中的应用研究[D].北京:华北电力大学(北京),2017.
[6]费勤天.一种便携式粉尘监测与预警装置的设计[D].上海:东华大学,2016.
[7]申俊泽.基于ARM的粉尘浓度监测仪的研究与实现[J].电脑知识与技术,2015,11(34):193-195.
[8]刘涛,,郭胜均.粉尘浓度在线监测及降尘装置研制[J].煤矿机械,2015,36(10):193-196.
[9]龚剑.高海拔矿山掘进面粉尘运移规律及通风除尘系统优化[D].北京:北京科技大学,2016.
[10]蒋宝平.基于反向建模的锅炉排烟粉尘浓度在线监测方法研究[D].北京:华北电力大学,2015.
么本文粉尘浓度监测系统的上位机界面可以显示测量数据信息和数据图表信息,如图8所示。这样,就可以一目了然的显示不同时间段粉尘浓度值和变化情况。另外,还进行了数据筛选,将超出粉尘浓度阈值的数据用红色显示出来,并且通过LED灯显示。同时,显示不同的检测点的数据连接情况,保证对粉尘浓度的实时监测。
图8粉尘浓度监测系统上位机界面
6实验测试
经过对粉尘浓度监测系统硬件、软件部分设计之后,本文选择了某工厂车间,对其在9点到17点之间,每间隔两小时进行一次粉尘浓度监测,并记录液晶显示模块测
116TechniquesofAutomation&Applications作者简介:李欢（1995-）,男,本科，助理工程师，现从事矿业方面工作。
