【正文】 的嚴(yán)重污染。 以及居民現(xiàn)在買車的在一直增加，汽車尾氣的排放，空氣中粉塵濃度大量增加，導(dǎo)致現(xiàn)在中國(guó)好多地區(qū)產(chǎn)生了大量的霧霾現(xiàn)象，尤其以北上廣等大城市較為嚴(yán)重。 正是由于空氣中粉塵濃度的增加，導(dǎo)致了空氣 環(huán)境 質(zhì)量的嚴(yán)重下降，環(huán)境問(wèn)題 變得越來(lái)越嚴(yán)重。但是 現(xiàn)在要求我們 更好的使人與自然和諧與共，更有利得利用大自然， 就使得我們要做好科學(xué)的研究與環(huán)境的監(jiān)測(cè)以應(yīng)對(duì)現(xiàn)在面臨的環(huán)境問(wèn)題。 人類 如果要想做好治理環(huán)境問(wèn)題，就 要做到知己知彼， 因此 我們可以研究生產(chǎn)一種便攜式隨時(shí)隨地檢測(cè)空氣質(zhì)量的裝置，以便于我們更好更便利及時(shí)的了解到我們所處地方的空氣質(zhì)量，以便做好相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。 研究背景 我國(guó)是世界上人口多地域廣的大國(guó)。 我國(guó)現(xiàn)在處于一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，從其他國(guó)家的工業(yè)革命來(lái)看，在當(dāng)下的這個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，不可避免的會(huì)引起一系列的環(huán)境問(wèn)題，導(dǎo)致空氣中粉塵濃度的大量增加。 粉塵 隨處都可以看到。 在現(xiàn)在人們的生活中，我們對(duì)粉塵有著許多的 稱呼 ， 如灰塵、塵埃、 砂塵、粉末等 。 在國(guó)際上， 定義粉塵的標(biāo)準(zhǔn)是粒徑范圍，這個(gè)范圍是小于 75μm的固體懸浮物。 地球 的 溫度 在 大氣中 粉塵 的作用下得以 保持 。 我們生存的環(huán)境也會(huì)被空氣中的粉塵或多或少的影響。 空氣中的有些粉塵會(huì)對(duì)我們的身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重的影響 ，它們很有可能會(huì)導(dǎo)致人產(chǎn)生很多種疾病 。 飄在大氣中的有些粉塵一般會(huì)含有許多有毒的成分，比如含有一些重金屬，如果人體吸入后，很容易深入肺部，使人得中毒性肺炎或矽肺 ，有時(shí)嚴(yán)重時(shí)更會(huì)使人得肺癌。污染物一旦沉積在肺部并且被溶解， 就會(huì)侵入 到 血液 里面 ， 導(dǎo)致人體 血液 的 中毒， 而那些沒(méi)有 被溶解的污染物，細(xì)胞 也會(huì)有可能 吸收， 從而 導(dǎo)致 細(xì)胞 結(jié)構(gòu) 的破壞。 另 外， 一些有價(jià)值的古代建筑也會(huì)被粉塵所腐蝕 。 一些粉塵飄落到 植物 的葉面上可能 會(huì)阻礙光合作用， 導(dǎo)致 抑制 植物的 生長(zhǎng)。 粉塵在人們的生活當(dāng)中還有著其他的一些危害，比如，在歷史上曾發(fā)生過(guò)粉塵的爆咋事故，導(dǎo)致了很多人的死亡，大量的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)遭受到了損失，嚴(yán)重的威脅著人們的生存與健康。 雖然粉塵濃度過(guò)高時(shí)會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，但如果要是及時(shí)采取措施還是可以避免的。 我們?nèi)绻窍爰皶r(shí)預(yù)防發(fā)生粉塵爆炸的現(xiàn)象發(fā)生，那么我們就要了解發(fā)生粉塵爆炸的 需要因素； 控制好部分地安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 區(qū)粉塵濃度比較高的地方的粉塵濃度，在粉塵濃度比較高的地方經(jīng)常要保持通風(fēng)的狀態(tài)，并且還要避免在這些地區(qū)有易燃物，以及杜絕火源的產(chǎn)生； 有效的采取降塵措施，建立一些預(yù)測(cè)系統(tǒng)。 安裝 一些壓力釋放口等等。另外，在管理的基礎(chǔ)上，建立必要的規(guī)章制度是非常必要的。 研究現(xiàn)狀 因?yàn)榉蹓m顆粒是很小的，我們?nèi)绻皇怯醚劭吹脑捠呛茈y測(cè)出的。但是在一些工作場(chǎng)所以及一些工作環(huán)境中，了解我們所處的粉塵的濃度有事很重要的。所以我們就要設(shè)計(jì)出一種比較方便的儀器來(lái)檢測(cè)空氣中的粉塵。 就目前來(lái)看，過(guò)個(gè)國(guó)家都對(duì)粉塵濃度的測(cè)量做了一定量的研究， 也有了較大的成果，研究制造除了一系列不同的檢測(cè)儀器。為了解決一些粉塵濃度傳感器不能夠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)得檢測(cè)工作場(chǎng)所粉塵的濃度，所以最近出現(xiàn)的 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)所處地的粉塵濃度傳感器滿足了我們所需要條件。 國(guó)外對(duì)于在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)粉塵濃度的研究是比較早的，通過(guò)一系列的辛苦努力也得到了一些可行性的方法，比如光吸收法、摩擦電法以及電容法等等。 在這幾種方法中，相比較就測(cè)量原理而言， 比較容易的當(dāng)屬電容法。然而 由于相分布和流型變化都會(huì)影響到電容的測(cè)量，并且粉塵的濃度以及測(cè)量值之間也并不是直接的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以導(dǎo)致電容法存在一定的缺陷，測(cè)得的值并不是很準(zhǔn)確。 β 射線法 ， 也叫稱重法，它具有很好的優(yōu)點(diǎn)就是可以直接測(cè)出病毒出 所測(cè)地的粉塵的濃度。 他和其吸收的物質(zhì)的物化性并沒(méi)有什么關(guān)系，而只是和所吸收的質(zhì)量有一定的關(guān)系 ，雖然測(cè)量的結(jié)果是比較準(zhǔn)確的，但是缺點(diǎn)就是需要對(duì)粉塵進(jìn)行一定的采樣后還得進(jìn)行對(duì)比，并且不能夠滿足我們實(shí)時(shí)的要求。上面所說(shuō)的一些測(cè)量粉塵的方法是比較成熟的方法，我們可以根據(jù)其原理以及其測(cè)量特性研制出原來(lái)相應(yīng)的產(chǎn) 品，至于其他的一些 方法我們目前來(lái)看還是不太成熟，有些都是處在研究實(shí)驗(yàn)的階段。雖然我國(guó)的技術(shù)人員以及研究人員進(jìn)行了大量的努力以及辛苦，可是就目前來(lái)看，由于上述的原理我們還并不特別的成熟，還不能生產(chǎn)出來(lái)所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品，所以生成的產(chǎn)品在市場(chǎng)上并不是主要的，并且還得有待于完善。這就要求我們這些人在這方面也要做出更大的努力，來(lái)使產(chǎn)品更好，測(cè)得的結(jié)果更準(zhǔn)確。 光散射法原理：通常認(rèn)為含塵氣流是指空氣中散布者固體顆粒的氣溶膠。 原光強(qiáng)的減弱是由于吸收和散射現(xiàn)象會(huì)發(fā)生，在有一束光通過(guò)含有灰塵的空氣時(shí)，這種情況就會(huì)出現(xiàn)。 粉塵濃度傳 感器就是在測(cè)量探測(cè)變化的光信號(hào)，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)粉塵濃度的測(cè)量。 光吸收法原理是當(dāng)光在通過(guò)線性物質(zhì)以及其他的物質(zhì)時(shí)，由于光以及物質(zhì)的特殊性質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致光發(fā)生一些散射以及吸收的現(xiàn)象。由于其他的一些原因，因此，有部分光被鎖通過(guò)的物質(zhì)所吸收，在物質(zhì)內(nèi)部發(fā)熱，導(dǎo)致物質(zhì) 能量 的增加； 還有部分的光則由于反安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 射散射以及其他原因，使光波在介質(zhì)散射的原因下偏離了原來(lái)的方向； 剩下的那部分仍按以前的方向傳播并且通過(guò)介質(zhì)。 通過(guò)人們的研究發(fā)現(xiàn) ， 入射光強(qiáng)和穿透過(guò)的部分存在著一定的關(guān)系。我們稱這種關(guān)系是朗伯 —— 比爾關(guān)系 。通過(guò)一系列的運(yùn)算 前測(cè)出入射光以及出射光強(qiáng)， 來(lái)計(jì)算出粉塵的濃度 ，定律基礎(chǔ)是光吸收型粉塵濃度傳感器 。這種方法在高粉塵濃度時(shí)測(cè)量的比較準(zhǔn)確。 摩擦電法來(lái)測(cè)量粉塵的濃度算是最近這么多年來(lái)國(guó)際上很受重視的一種粉塵濃度測(cè)量方法。運(yùn)動(dòng)著的顆粒與插入流暢的金屬電極之間會(huì)發(fā)生碰撞、摩擦， 從而產(chǎn)生一些靜電荷，他們的符號(hào)相反，我們研究的這種方法就是對(duì)這些靜電荷進(jìn)行測(cè)量 ，用來(lái)反映粉塵濃度的關(guān)系。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、不用維護(hù)、靈敏度比較高。 國(guó)外目前有代表性的產(chǎn)品有英國(guó)的 Sims lin 系列監(jiān)測(cè)儀和它的升級(jí)產(chǎn)品 OSIRIS 粉塵傳感器和計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； 其他的一些國(guó)家比如日本、美國(guó)等國(guó)家又研制出了一些產(chǎn)品，他們都具有各自的特點(diǎn)以及特殊的優(yōu)點(diǎn)。這些產(chǎn)品所使用的原理就是上文所介紹的一些比較普及的，像光散射法、光吸收法和電摩擦法。 國(guó)內(nèi)現(xiàn)在由于起步比國(guó)外要晚，導(dǎo)致我們現(xiàn)在的技術(shù)也是比國(guó)外要稍稍落后，大多還都是用直讀式和采樣式測(cè)試儀。但是現(xiàn)在國(guó)家大力提倡發(fā)展科技，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，信息化，通過(guò)我國(guó)研究人員的不懈努力，開(kāi)發(fā)出來(lái)了比較先進(jìn)的 GCG500 型粉塵濃度傳感器。在國(guó)家的提倡下，既這一開(kāi)發(fā)后，粉塵濃 度傳感器的開(kāi)發(fā)如雨后春筍般出現(xiàn)。 研究人員也是不負(fù)眾望，研制生產(chǎn)了一種最新的更加先進(jìn)科學(xué)高效的粉塵濃度傳感器。他實(shí)現(xiàn)了多種功能于一體的情況，這樣就使人們更加便捷的能夠使用傳感器來(lái)測(cè)量粉塵，更好的滿足了更大的需求。 它可以直接采集所在工作地的空氣中的粉塵，然后將所采集到的粉塵做一些處理，進(jìn)而可以在儀器屏幕的顯示屏上直接顯示所在地的空氣粉塵濃度值，天平可以稱重其顆粒分布 ，可以測(cè)定所采集的濾膜粉塵以及其他粉塵的顆粒分散度。 然后我們利用安裝的液晶顯示器顯示我們需要得到的結(jié)果，這樣我們就能夠得到所需要的粉塵的弄度。研究生 產(chǎn)的這種產(chǎn)品，不僅僅性能優(yōu)良，而且，如果突然間發(fā)生了斷電的現(xiàn)象，這種儀器上的顯示屏也能夠延時(shí)顯示上面所測(cè)得的數(shù)據(jù)，這樣我們就不至于在突然掉電的情況下，使數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致工作的重來(lái)。 斷電后， 40組粉塵顆粒分布和粉塵濃度數(shù)據(jù)可以被存儲(chǔ)。 研究?jī)?nèi)容： 本論文研究的是基于 單片機(jī)控制粉塵實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)操作的一臺(tái)儀器 。以 空氣中懸浮的細(xì)小顆粒物 作為研究對(duì)象， 粉塵傳感器測(cè)量懸浮于氣相介質(zhì)或者是液相介質(zhì)中的微小顆粒是利用光學(xué)的方法來(lái)測(cè)量的儀器，優(yōu)點(diǎn)具有：光測(cè)技術(shù)非接觸式測(cè)量以及不被擾動(dòng)的特點(diǎn)。在光的照射下 ，一些能量會(huì)被微粒 和粉塵分子所吸收，并且散射現(xiàn)象也會(huì)出現(xiàn)在其上。當(dāng)一些顆粒物被一束平行光照射到時(shí)，顆粒旁邊就會(huì)出現(xiàn)散射以及吸收的現(xiàn)象，安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 這樣的話光的強(qiáng)度就會(huì)被減弱。然后我們就可以得到 相對(duì)衰減率 ，其實(shí)入射光通過(guò)濃度場(chǎng)得到的 。而待測(cè)粉塵的相對(duì)濃度可以通過(guò)相對(duì)衰減率的大小的線性來(lái)反映出來(lái)。電信號(hào)的強(qiáng)弱和光強(qiáng)的大小有正相關(guān)的關(guān)系， 因此我們只需要得到電信號(hào)的大小就可以再得到 相對(duì)衰減率 了。 與 本系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：一是 電源 模塊，二是 粉塵傳感器采集粉塵以及對(duì)粉塵濃度的顯示 ，三是 把顯示的濃度與標(biāo)準(zhǔn)合格的濃度對(duì)比，超過(guò)的話會(huì)產(chǎn)生報(bào)警 。 擬采用的研究思路與方法 通過(guò)對(duì)相關(guān) 內(nèi)容的學(xué)習(xí)以及對(duì)粉塵傳感器的了解，我們打算采用以下的方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，大概的方法以及思路如下：在電源方面，為了電壓的穩(wěn)定，本文擬采用降壓電源措施。經(jīng)過(guò)查閱資料可以知道， gp2y1010auof 灰塵傳感器是需要 5V 直流電源來(lái)供電。為了電壓的穩(wěn)定以及攜帶的方便，本課題采用將 12V 左右電源降到 5V使用。在控制方面，我們可以使用單片機(jī)來(lái)控制，由于所需的控制較為簡(jiǎn)單，我們采用 51 單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制就可以了。 51單片機(jī)可以提供發(fā)出周期為 10ms，寬度為 的方波。在其他控制方 面，我們打算采用按鍵控制。電源通過(guò)降壓裝置達(dá)到 5V，在通過(guò)按鍵來(lái)控制單片機(jī)，進(jìn)而使單片機(jī)發(fā)出方波，方波通過(guò)灰塵傳感器，經(jīng)過(guò) 這個(gè) 傳感器的監(jiān)測(cè)，可以檢測(cè)出所在地的空氣中粉塵的濃度，空氣中粉塵的濃度可以通過(guò)現(xiàn)實(shí)裝置來(lái)顯示出來(lái)，查看是否超出一定值，超出的話發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 2 粉塵濃度檢測(cè)儀的硬件 原理 粉塵濃度檢測(cè)儀的功能和技術(shù)指標(biāo) 所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功能 1）在顯示屏上可以直接顯示出所測(cè)得的當(dāng)前的粉塵濃度 2）當(dāng)所測(cè)得的濃度超過(guò)一定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生報(bào)警 系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) 所測(cè)地的環(huán)境溫度： C?0 ～ 70C? 測(cè)量誤差： 177。 5% 電壓輸入范圍： 0V～ 5V 粉塵的檢測(cè)原理 在文章的上面已經(jīng)介紹了幾種常用的檢測(cè)粉塵濃度的方法。 本文所采用的是 電容法，它是將通過(guò)一定的方法或者儀器采集到的含有灰塵的空氣通過(guò)一裝置的濾膜時(shí)，裝置上的濾膜會(huì)捕捉到空氣中的粉塵，這樣就可以利用光學(xué)的原理測(cè)得粉塵的粒徑。 如果使用光學(xué)原理測(cè)量的話，有兩個(gè)原理會(huì)被用到， 朗伯特 比爾（ LambertBeer）定律和米（ Mie）理論。 本論文打算采用 光學(xué)原理的檢測(cè)方法，這種檢測(cè)方法比較方便簡(jiǎn)單，誤差比較小，符合我們?cè)O(shè)計(jì)的要求，方法就是 濁度發(fā)。 朗伯特 比爾定律 是根據(jù)測(cè)定一束光通過(guò)被測(cè)介質(zhì)后出現(xiàn)的光強(qiáng)比，來(lái)確定粉塵的濃度。因?yàn)楫?dāng)一束光通過(guò)物質(zhì)后，會(huì)產(chǎn)生 散射以及 出現(xiàn) 其他的吸收 ，而使光強(qiáng)發(fā)生減弱的現(xiàn)象。 由于當(dāng)光照射到粉塵顆粒上時(shí)，粉塵顆粒會(huì)對(duì)光進(jìn)行散射和吸收，這樣就會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)發(fā)生變化，光的強(qiáng)度發(fā)生減弱。因此， 要的到入射光和出射光之間的關(guān)系， 我們利用上面現(xiàn)象將 一束平行光照射到需要檢測(cè) 的均勻分布 粉塵濃度的區(qū)域， 再利用定律，就可以得到 ： I ? ? ? ?)2/(3e x pe x p dQ W LILANQI OO ???????? (21) 式中： Q 表示消光系數(shù)，它的大小 和 粉塵 顆粒 直徑 d、入射光波長(zhǎng)λ以及粉塵物質(zhì)折射率 m 相 關(guān)，一些專用算法程序 和 Mie理論可以用來(lái) 計(jì)算。粉塵密度 用 N 表示 ，粉塵顆粒 的截面積 用 A 表示 ，直徑為 d，粉塵的質(zhì)量濃度用 W 來(lái)表示；ρ代表粉塵的質(zhì)量密度。如果設(shè)一種分布的粉塵 顆粒半 徑為 二分之一 d1， w1為濃度。則： ? ????????? ??MiO dmQdwCII 1 11e xp,?(22) 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 上式 ： )2/(3 ?LC? ,C 對(duì)于所測(cè)得粉塵來(lái)說(shuō)是常數(shù)； 粉塵 顆粒粒徑的分層 數(shù)用 M 來(lái)表示。由公式 22 得 : ),(ln 11 110 dmQdwII Mi ???? (23) 在入射光為單色光時(shí)可以得到 式 23。 對(duì)應(yīng) 入射光采用多波長(zhǎng) 的 每一波長(zhǎng) 的 λ i,都會(huì)有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的 式 23，因此得到方程： TWE? (24) 上式消光列向量 ： ? ? ? ? ? ?? ?TMIIIIIIE /ln, . . . . . . ./ln,/ln 02020? ， 能由 0I 和 I 測(cè)得： ? ? NMijtT ?? (25) 上式中 T表示的是 消光系數(shù)矩陣。 可以通過(guò)計(jì)算機(jī)算出 T中 的 每個(gè)元素 。? ? 11 /, ddmQt iij ?? 。 ? ?TMWWWW ......., 21? 代表著粉塵濃度的分布情況。 W及粉塵的總質(zhì)量濃度 利用 24便可得到 。很容易看出，在多波長(zhǎng)減弱光的測(cè)塵中，要得到總的粉塵濃度是通過(guò)測(cè)得各種粒徑粉塵的質(zhì)量濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以 可以 準(zhǔn)確地 隨時(shí)展現(xiàn) 出粉塵分布的影響， 我們可以利用此使其達(dá)到更高精度的測(cè)量成為了可能。 在這基礎(chǔ)上，測(cè)量粉塵濃度的時(shí)候，還能一起檢測(cè)粉塵的粒度分布（分散度）。 信號(hào)幅值 U 是根據(jù)粉塵顆粒具有的散射特性確定的，并且通過(guò)最小粒徑潛質(zhì)輸出端輸出的。事先要設(shè)置好格擋的電平，每個(gè)直徑檔定義為 m。使用其中的一種作為測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖 單片機(jī)構(gòu)成本系統(tǒng) 重要 的主控部分，形成各種控制信號(hào)并接收外部操作指令， 進(jìn)行著很重要的信息處理，以及 完成記錄的各種信息。 A/D 轉(zhuǎn)換、按鍵的輸入、 LCD 顯示電路是系統(tǒng)的外圍電路。如 21圖所示。