粉尘测量仪设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1课题背景及意义

随着工业的高速发展，工业排放的废气、废物越来越多，对环境空气质量的破坏日益严重。在众多污染物中，粉尘引起了大家越来越多的重视。

粉尘，是指悬浮在空气中的固体微粒。国际标准化组织规定，粒径小于75μm的固体悬浮物定义为粉尘。在大气污染控制中，粉尘根据颗粒的大小可分为飘尘、降尘、总悬浮颗粒。飘尘，系指大气中粒径小于10μm的固体微粒，它能较长期地在大气中漂浮，有时也称为浮游粉尘。也被称为可吸入颗粒物，英文缩写为pm10；降尘，系指大气中粒径大于10μm的固体微粒，在重力作用下，它可在较短的时间内沉降到地面；总悬浮微粒，系指大气中粒径小于100μm的所有固体微粒。也被称为总悬浮颗粒物，英文缩写为tsp。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计内容及目标

本次设计的基本内容是基于单片机设计一款便携式粉尘测量仪，主要用于检测大气中的粉尘质量浓度（PM值），它可广泛应用于煤矿开采，砖瓦厂、建筑工地等粉尘作业场所。该粉尘测量仪通过传感器自动探测工业生产现场中粉尘，检测到粉尘信号，进行信号预处理，进入单片机系统，实现自动测量，具有数据存储、处理、报警和打印功能。本次设计要求测量范围为0.01-2500mg/m3，测量灵敏度为0.001 mg/m3，并能显示趋势曲线图，能同时查看粉尘的实时浓度和变化趋势，可实现全自动在线连续测量。

2.2技术方案

本次设计采用光学原理进行测量，大体由光学系统、单片机系统、Labview软件界面设计三部分组成。仪器以STC89C52单片机为控制器,通过光学系统对粉尘浓度进行采集与测量，并将光信号转换为电信号。输出的电信号模拟量通过单片机系统处理后由LCD液晶显示器实时显示，当浓度超过设定阈值时控制蜂鸣器报警。单片机同时通过串口通讯将测量数据实时发送至PC机，与Labview软件进行交互，进行数据保存和打印，软件界面能显示趋势曲线图并能同时查看粉尘的实时浓度，真正实现粉尘在线连续自动监测。

图1-1 总体结构框图

2.2.1方案对比

由于该粉尘测量仪的光学系统起着数据采集与测量的作用，它的准确性及可靠性影响着测的数据的最终准确性，因此光学系统在本次设计中极为重要。下面将从光学系统设计方面进行方案对比。

1. 方案一

   该方案采用光散射法，光学系统采用激光作为光源，系统包括激光二极管、鼓风扇、进风道、遮光壳体以及光电探测器。采样空气通过鼓风扇推动进入风道进行检测，当空气中的细颗粒物进入激光束所在区域时，激光将发生散射，光电探测器接收到散射光后发生光电效应从而产生电流信号，电流信号经放大及处理后可得到空气中的粉尘浓度。

2. 方案二

   该方案采用光吸收法，光学系统采用红外光线作为光源，系统包括红外发光二极管、红外光电探测器、发热电阻及遮光壳体。空气流进出风口主要靠鼓风扇及热电阻获得热气流流动，当红外光线受到粉尘颗粒阻挡时，红外光电探测器接收到的信号发生变化，根据光电探测器输出的信号计算出空气中的粉尘浓度。

   激光粉尘传感器与红外粉尘传感器相比，其测量精度更高，可检测0.3微米以上的颗粒，主要应用在在PM2.5检测领域，以精度量化PM2.5质量，可嵌入到家用(车载、手持)空气检测仪、空气净化器中。此外激光传感器由于增加了激光发生器和风机等机构且需要复杂电路结构，并有较高的技术门槛，因此成本较高。而红外原理粉尘传感器只能检测到1微米以上的颗粒，主要用于工矿扬尘，检测对象为大粒径、高浓度粉尘，检测级别是mg/m3，且其原理结构简单、技术门槛较低，成本低。

   综上所述，考虑到此次粉尘测量仪的应用对象为生产作业现场扬尘，粉尘的粒径较大、浓度较高，以及考虑到粉尘仪的寿命及成本，本次选择红外传感器对粉尘浓度进行采集和测量。

   2.2.2单片机系统

   单片机系统主要由几大模块组成，包括单片机最小系统、A/D转换电路、LCD液晶显示电路、报警电路以及串口通信电路。

1. 单片机最小系统

   采用STC89C52作为系统控制器，STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统的51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52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。

2. LCD液晶显示

   本测量仪需实时显示测得的粉尘浓度，为进一步增加观察的便利性,显示结果应以测量数值配合对应的单位同时出现。本次设计采用LCD1602液晶显示屏显示，它是广泛使用的一种字符型液晶显示模块，显示屏可以显示两行，每行16个字符，不仅能显示数字,还能显示英文字母和中文字符。LCD1602液晶显示屏采用单 5 V电源供电，外围电路配置简单，具有运行能力强、功能性强、能耗低、性价比高的特点。

3. 报警模块

   单片机控制器通过软件程序计算粉尘浓度，当粉尘浓度超过键盘输入的的阈值时，单片机可程序控制蜂鸣器动作发出报警，同时LED指示灯亮起，起到警惕提醒的作用。

4. 串口通信模块

   单片机与计算机之间可通过串口通信传输数据，从而实现在线实时监测功能。计算机串口使用RS232电平，而单片机串口使用的是TTL电平，实现两者之间的通讯必须通过电平转换电路，本次设计中采用CH340G模块电路实现。

   2.2.3 Labview上位机设计

   为了实现连续在线实时监测，且能同时查看粉尘的实时浓度和变化趋势，本次采用Labview软件设计程序框图，进一步对计算机接收到的数据进行处理，使该测量仪具有粉尘浓度变化曲线图显示、数据存储、数据打印等功能。Labview是一种图形化的编程语言的开发环境，提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 Labview中被称为前面板，使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

1. 张江石.粉尘防治理论与方法[m].北京：煤炭工业出版社，2018.

2. 国家安全生产监督管理总局信息研究院著.企业粉尘危害防护.北京：煤炭工业出版社，2015.

3. 赵银翔.粉尘浓度检测技术现状[j].河北农机，2017,(05):69.

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