【正文】 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)測以應(yīng)對現(xiàn)在面臨的環(huán)境問題。 研究背景 我國是世界上人口多地域廣的大國。 粉塵 隨處都可以看到。 在國際上， 定義粉塵的標(biāo)準(zhǔn)是粒徑范圍，這個范圍是小于 75μm的固體懸浮物。 我們生存的環(huán)境也會被空氣中的粉塵或多或少的影響。 飄在大氣中的有些粉塵一般會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 ，有時嚴(yán)重時更會使人得肺癌。 另 外， 一些有價值的古代建筑也會被粉塵所腐蝕 。 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)生過粉塵的爆咋事故，導(dǎo)致了很多人的死亡，大量的經(jīng)濟財產(chǎn)遭受到了損失，嚴(yán)重的威脅著人們的生存與健康。 我們?nèi)绻窍爰皶r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 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)測系統(tǒng)。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。但是在一些工作場所以及一些工作環(huán)境中，了解我們所處的粉塵的濃度有事很重要的。 就目前來看，過個國家都對粉塵濃度的測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儀器。 國外對于在線實時監(jiān)測粉塵濃度的研究是比較早的，通過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。然而 由于相分布和流型變化都會影響到電容的測量，并且粉塵的濃度以及測量值之間也并不是直接的一一對應(yīng)的關(guān)系，所以導(dǎo)致電容法存在一定的缺陷，測得的值并不是很準(zhǔn)確。 他和其吸收的物質(zhì)的物化性并沒有什么關(guān)系，而只是和所吸收的質(zhì)量有一定的關(guān)系 ，雖然測量的結(jié)果是比較準(zhǔn)確的，但是缺點就是需要對粉塵進(jìn)行一定的采樣后還得進(jìn)行對比，并且不能夠滿足我們實時的要求。雖然我國的技術(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)出來所對應(yīng)的產(chǎn)品，所以生成的產(chǎn)品在市場上并不是主要的，并且還得有待于完善。 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。 粉塵濃度傳 感器就是在測量探測變化的光信號，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)粉塵濃度的測量。由于其他的一些原因，因此，有部分光被鎖通過的物質(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 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的方向； 剩下的那部分仍按以前的方向傳播并且通過介質(zhì)。我們稱這種關(guān)系是朗伯 —— 比爾關(guān)系 。這種方法在高粉塵濃度時測量的比較準(zhǔn)確。運動著的顆粒與插入流暢的金屬電極之間會發(fā)生碰撞、摩擦， 從而產(chǎn)生一些靜電荷，他們的符號相反，我們研究的這種方法就是對這些靜電荷進(jìn)行測量 ，用來反映粉塵濃度的關(guān)系。 國外目前有代表性的產(chǎn)品有英國的 Sims lin 系列監(jiān)測儀和它的升級產(chǎn)品 OSIRIS 粉塵傳感器和計算機監(jiān)測系統(tǒng)； 其他的一些國家比如日本、美國等國家又研制出了一些產(chǎn)品，他們都具有各自的特點以及特殊的優(yōu)點。 國內(nèi)現(xiàn)在由于起步比國外要晚，導(dǎo)致我們現(xiàn)在的技術(shù)也是比國外要稍稍落后，大多還都是用直讀式和采樣式測試儀。在國家的提倡下，既這一開發(fā)后，粉塵濃 度傳感器的開發(fā)如雨后春筍般出現(xiàn)。他實現(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測量粉塵，更好的滿足了更大的需求。 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。 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。以 空氣中懸浮的細(xì)小顆粒物 作為研究對象， 粉塵傳感器測量懸浮于氣相介質(zhì)或者是液相介質(zhì)中的微小顆粒是利用光學(xué)的方法來測量的儀器，優(yōu)點具有：光測技術(shù)非接觸式測量以及不被擾動的特點。當(dāng)一些顆粒物被一束平行光照射到時，顆粒旁邊就會出現(xiàn)散射以及吸收的現(xiàn)象，安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 這樣的話光的強度就會被減弱。而待測粉塵的相對濃度可以通過相對衰減率的大小的線性來反映出來。 與 本系統(tǒng)主要分為三個部分：一是 電源 模塊，二是 粉塵傳感器采集粉塵以及對粉塵濃度的顯示 ，三是 把顯示的濃度與標(biāo)準(zhǔn)合格的濃度對比，超過的話會產(chǎn)生報警 。經(jīng)過查閱資料可以知道， gp2y1010auof 灰塵傳感器是需要 5V 直流電源來供電。在控制方面，我們可以使用單片機來控制，由于所需的控制較為簡單，我們采用 51 單片機來進(jìn)行控制就可以了。在其他控制方 面，我們打算采用按鍵控制。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 2 粉塵濃度檢測儀的硬件 原理 粉塵濃度檢測儀的功能和技術(shù)指標(biāo) 所設(shè)計的系統(tǒng)的功能 1）在顯示屏上可以直接顯示出所測得的當(dāng)前的粉塵濃度 2）當(dāng)所測得的濃度超過一定值時，系統(tǒng)會發(fā)生報警 系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) 所測地的環(huán)境溫度： C?0 ～ 70C? 測量誤差： 177。 本文所采用的是 電容法，它是將通過一定的方法或者儀器采集到的含有灰塵的空氣通過一裝置的濾膜時，裝置上的濾膜會捕捉到空氣中的粉塵，這樣就可以利用光學(xué)的原理測得粉塵的粒徑。 本論文打算采用 光學(xué)原理的檢測方法，這種檢測方法比較方便簡單，誤差比較小，符合我們設(shè)計的要求，方法就是 濁度發(fā)。因為當(dāng)一束光通過物質(zhì)后，會產(chǎn)生 散射以及 出現(xiàn) 其他的吸收 ，而使光強發(fā)生減弱的現(xiàn)象。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 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 計算。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。由公式 22 得 : ),(ln 11 110 dmQdwII Mi ???? (23) 在入射光為單色光時可以得到 式 23。 可以通過計算機算出 T中 的 每個元素 。 ? ?TMWWWW ......., 21? 代表著粉塵濃度的分布情況。很容易看出，在多波長減弱光的測塵中，要得到總的粉塵濃度是通過測得各種粒徑粉塵的質(zhì)量濃度來實現(xiàn)的，所以 可以 準(zhǔn)確地 隨時展現(xiàn) 出粉塵分布的影響， 我們可以利用此使其達(dá)到更高精度的測量成為了可能。 信號幅值 U 是根據(jù)粉塵顆粒具有的散射特性確定的，并且通過最小粒徑潛質(zhì)輸出端輸出的。使用其中的一種作為測試的標(biāo)準(zhǔn)。 A/D 轉(zhuǎn)換、按鍵的輸入、 LCD 顯示電路是系統(tǒng)的外圍電路。 圖 21模塊化注釋： 1) 模擬信號收集部分 ： 敏感、 轉(zhuǎn)換 以及放大 三部分 。 2) 顯示 :粉塵濃度。 4) 鍵盤電路：超過 時 報警。 5) 報警電路：模擬如果粉塵超過限定值時，開啟換氣裝置或者啟動噴霧使用報警安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 電路。 系 統(tǒng)信 號 采 集 部 分 顯 示 部 分 鍵 盤 部 分看 門 狗 部 分主 控 部 分 c p u 圖 22 各模塊框圖 系統(tǒng)編程要有四個部分： a）采集信號程序； b） LCD 顯示程序； c）按鍵輸入程序； d）看門狗復(fù)位程序； e）主控程序。我們先將 12V 的電壓降到 5V，將電壓接到傳感器上。由于我們開始時設(shè)定過一濃度值，因此，當(dāng)所測得的濃度值大于所設(shè)值的時候，就會發(fā)生報警。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 3 粉塵 測試儀硬件設(shè)計 單片機部分 系統(tǒng) CPU 器件選擇 粉塵檢測器的核 心是微處理器，它的特性以及功能對于整臺的一起具有至關(guān)重要的作用， 完成采集數(shù)據(jù)、處理、輸出 以及 顯示等功能 ，因此可以看出它的重要性。本設(shè)計擬采用單片機為 51單片機來進(jìn)行控制。 自從最初的 8031 開始，單片機也僅過了一段時間的發(fā)展， 隨著時代的進(jìn)步，科技的發(fā)展，人們對于單片機的要求也越來越高，在這種情況下， Flash rom 應(yīng)用 技術(shù) 得到了較快的進(jìn)步，在此基礎(chǔ)上 ， 8031 系列出現(xiàn)了較快的發(fā)展，成為了在當(dāng)時最流行的八位單片機之一。 AT89S52 具有能 耗小、通用性強 以及工作 性能穩(wěn)定良好 。因此， AT89S52 作為 CPU 芯片在 在本系統(tǒng)中作為控制器件是我們的首選 。它的制造方法比較特殊，使用的是非易失性高密度存儲器技術(shù) 。它完全兼容 工業(yè) 80C51 引腳和 產(chǎn)品 。通過我們了解，這種單片機 在運行的時候耗能是比較低的，并且運行穩(wěn)定性好，所需要的其他部件也少。 1） AT89S52功能特性： AT89S52具有 的 標(biāo)準(zhǔn)功能 是 ： 兩個數(shù)據(jù)指針；全雙工串行口； 8k字節(jié) Flash； 定時器是 看門狗； 單片機能夠調(diào)到省電的模式，并且可以降低到 0赫茲。當(dāng)在運行過程中 單片機發(fā)生故障，即掉電時， 就會出現(xiàn) 系統(tǒng)的運行發(fā)生停止，但是 RAM的內(nèi)容會被保存下來，一直到下次的中斷。 片內(nèi)振蕩器是單片內(nèi)部的一個重要部分，它是由放大器所組成。在片內(nèi)接至內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸入端 和 振蕩器的反 相放大器輸出端。 RST: 復(fù)位輸入。 看門狗計時完結(jié) 后， 96個晶振周期的高電平由 RST 腳 送 出 。 P0口 ： P0口 是 八 位漏極開路并且是雙向的輸入輸出口。 寫“ 1” ，作高阻抗輸入 。 P1 口 ： 這是入輸出口， 具有雙向的輸入輸出功能，它 作為 地址接收 ，若是想要用作輸入，則應(yīng)該對其輸入高電平。 引腳號 第二功能 T2 T2EX MOSI MISO SCK P3 口： 這也是一個雙向的輸入輸出口。 主要的構(gòu)成是外圍芯片。如圖 32所示： 圖 32 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U7A T 8 9 S 5 2安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 12 4） 存儲器 的基本 結(jié)構(gòu) MCS51器件 獨自 擁 有 著兩種 存儲器 。 下面是兩種存儲器的簡介。 數(shù)據(jù)存儲器 ： 這個是單片機內(nèi)部 本身就具有的片內(nèi)存儲器。 單片機引腳分配及連接 1）振蕩器電路 89S52 單片機 如果使用外部振蕩器， XTAL1 引腳應(yīng)接地 ， 外部振蕩信號的輸入 接XTAL2 引腳。本設(shè)計 用 12MHZ， 1C 和 2C 是 30pF， 1C 和 2C 能微調(diào)并且穩(wěn)定振蕩頻率。 圖 33 振蕩器電路 2）復(fù)位 電路 復(fù)位的操作是比較重要的，能夠?qū)纹瑱C初始化，當(dāng)然也能夠使其重新啟動。 如果 24 個時鐘振蕩脈沖的高電平出現(xiàn)在單片機引腳上，就能實現(xiàn)單片機的復(fù)位。 圖 34 復(fù)位電路 I/O 口功能分配： C11 0 uC21 0 uX11 2 M安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 13 ～ 八 位數(shù)字信號經(jīng) 轉(zhuǎn)換器傳入系統(tǒng) ～ 完成數(shù)碼管的段選 ～ 完成數(shù)碼管的位選 ～ 連接鍵盤電路 3P 口主要完成 控制外圍電路 信號采集電路 敏感元件 GP2Y1010AU0F 粉塵濃度傳感器的結(jié)構(gòu)特征如圖 35 所示， GP2Y1010AU0F 是一種光學(xué)空氣質(zhì)量感應(yīng)器。這種傳感器測得的濃度數(shù)據(jù)適合電壓成正比，我們只需要測得電壓就可以知道所測得的濃度了。當(dāng)一些顆粒物被一束平行光照射到時，顆粒旁邊就會出現(xiàn)散射以及吸收的現(xiàn)象，這樣的話光的強度就會被減弱。而待測粉塵的相對濃度可以通過相對衰減率的大小的線性來反映出來。 我們?nèi)羰窍胍浪鶞y量的 空氣中 灰 塵的濃度，我們只需要得到經(jīng)過一些轉(zhuǎn)換后得到光 電脈沖數(shù)就好了。）。 在正常運行狀態(tài)下所需要的電壓是 至 7V 之間，流過儀器的電流是 20MA。 這是一款 利用 光學(xué)原理來 檢測空氣中灰