可調(diào)節(jié)粉筆粉塵測量儀的研制

宋帥 張朔 薛偉

摘 要：文章提供一種集粉塵接收、粉塵指標(biāo)檢測、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)儲存功能為一體的可調(diào)節(jié)粉筆粉塵測量儀，其應(yīng)用機(jī)械電子控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及通信技術(shù)，利用光電傳感器、單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器。此測量儀具備高效、便攜的特點，為實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)儲存分析大大的提高了工作效率。在相對封閉的空間內(nèi)、半開放式空間內(nèi)的實時監(jiān)測等方面有著很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：粉筆粉塵測量儀；傳感器；單片機(jī)

中圖分類號：TM934.73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）11-0027-02

Abstract： This paper provides a kind of adjustable chalk dust measuring instrument which integrates dust receiving， dust index detection， data display and data storage functions. It applies mechanical and electronic control technology， sensor technology and communication technology. Using photoelectric sensors， single chip computers （SCM） and A/D converters. This measuring instrument has the characteristics of high efficiency and portability， which greatly improves the working efficiency for real-time monitoring and data storage and analysis. Thus it has a good prospect in the field of real-time monitoring in closed space and semi-open space.

Keywords： chalk dust measuring instrument； sensor； single chip microcomputer （SCM）

引言

教學(xué)使用粉筆不可避免的會有粉塵的產(chǎn)生，這種粉塵的顆粒直徑較大，造成粉塵污染。用現(xiàn)代的傳感器測試技術(shù)對粉塵進(jìn)行性質(zhì)研究，是目前相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覀兤毡檠芯康膬?nèi)容。石林雄[1]等通過測量石英晶體諧振頻率等，計算出粉塵濃度，并對加熱器等控制來滿足測量條件，保證測量準(zhǔn)確度。胡倩[2]等通過實時檢測粉塵顆粒，進(jìn)一步優(yōu)化算法，從而實現(xiàn)對大氣環(huán)境下粉塵顆粒濃度的準(zhǔn)確測量。本文主要研制一種對像粉筆粉塵這種相對較大顆粒進(jìn)行檢測的儀器，采用光電傳感器、AT89S51單片機(jī)以及24位精度的A/DS1232轉(zhuǎn)換器，具有可實時監(jiān)測，實時分析顯示的優(yōu)點，并用于實驗條件下，同時需要根據(jù)測試地點的條件，對粉塵接收口裝置進(jìn)行設(shè)計使其可調(diào)整。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

可調(diào)節(jié)粉筆粉塵測量儀由兩部分組成，柱體中心結(jié)構(gòu)和旁支運(yùn)動結(jié)構(gòu)。其中柱體中心結(jié)構(gòu)主要為數(shù)據(jù)采集、分析和顯示以及電源、清潔模塊，旁支運(yùn)動結(jié)構(gòu)主要為可調(diào)節(jié)運(yùn)動的收集模塊和粉塵檢測數(shù)據(jù)生成模塊。其主要組成部分有光電傳感器、AT89S51單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、放大電路、發(fā)送電路、電源、以及LCD顯示屏。該系統(tǒng)的設(shè)計思路為：旁支運(yùn)動機(jī)構(gòu)的導(dǎo)塵口進(jìn)行粉塵的收集，內(nèi)部的光電傳感器進(jìn)行粉塵檢測從而產(chǎn)生模擬電信號，經(jīng)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器傳輸給的柱體中心的能夠處理數(shù)字信號的AT89S51型號單片機(jī)，單片機(jī)接收綜合性信息并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理、分類，然后通過數(shù)據(jù)線傳輸給LCD顯示模塊在接收其主界面上。

1.1 光電傳感器

光電傳感器將光線發(fā)射裝置、光敏感區(qū)和光接收探測裝置集與一體。光線發(fā)射裝置采用紅外發(fā)光二極管，粉筆粉塵具有相對較大的徑級，而紅外檢測系統(tǒng)的激勵光源，最大直徑3.1mm，最大截止波長5μm，采用全玻璃外殼封裝，增加了入射光強(qiáng)度，并且在光源后配置的反光鏡能有效地將發(fā)散的光以平行光束的形式發(fā)射出去，可以有效的對粉筆粉塵進(jìn)行檢測，最后經(jīng)過氣室到達(dá)紅外探測器件上，起到了增強(qiáng)探測器的輸出信號的作用。

1.2 AT89S51單片機(jī)

可調(diào)節(jié)粉筆粉塵測量儀在經(jīng)過光電傳感器檢測粉塵后將產(chǎn)生模擬電信號，為了可以最后以數(shù)字的形式呈現(xiàn)給使用者，需要經(jīng)放大濾波電路后傳遞給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?？烧{(diào)節(jié)粉筆粉塵測量儀選用AT89S51型單片機(jī)為核心部件，可以將光電傳感器中硅電池產(chǎn)生的模擬電信號快速轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，同時又可以快速完成數(shù)字信號從單片機(jī)到LCD顯示模塊，完成數(shù)據(jù)顯示。

1.3 LCD顯示模塊

可調(diào)節(jié)粉筆粉塵測量儀需要顯示粉塵的濃度，本文采用LCD顯示屏，它主要原理是通過電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面與側(cè)面照明裝置相配合構(gòu)成顯示界面。同時具有以下優(yōu)點：它更省電、不產(chǎn)生高溫、花蜜那柔和不傷眼。本文采用的用于數(shù)據(jù)顯示的顯示屏是點陣式液晶顯示器ACM12864。它由于驅(qū)動器、列驅(qū)動器和128×64全點陣液晶顯示屏組成。LCD的驅(qū)動電壓范圍是3～6V，以適應(yīng)單片機(jī)的5V電壓為工作電壓。

1.4 系統(tǒng)硬件相應(yīng)指標(biāo)

外形尺寸：外掛爪部12cm×12cm×24cm；顯示儀尺寸：10cm×6cm×3cm；連接桿：6cm；回應(yīng)時間0.5min；工作溫度：15～40℃；工作電源：5v。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

可調(diào)節(jié)粉筆粉塵測量儀的整體運(yùn)行依靠相關(guān)主程序運(yùn)行模塊和從程序運(yùn)行模塊，其中主程序運(yùn)行模塊負(fù)責(zé)初始化子程序、粉塵檢測子程序、傳遞數(shù)據(jù)子程序、液晶顯示子程序，從程序運(yùn)行模塊負(fù)責(zé)報警程序、數(shù)據(jù)儲存程序和響應(yīng)程序。主運(yùn)行程序主要用于各子程序相關(guān)信息的設(shè)定及通信處理；初始化程序包括通信初始化、采集累計數(shù)據(jù)初始化和輸出端口初始化；粉塵檢測子程序包括紅外發(fā)光二極管通/斷電子程序、光源探測器電信號輸出子程序；液晶顯示子程序主要完成測量數(shù)據(jù)的收集、讀取與顯示。從程序是對主程序服務(wù)的，工作要同時進(jìn)行，如果工作過程中出現(xiàn)中斷，從程序會自動診斷故障原因，且在發(fā)現(xiàn)中斷時，主程序會及時想從程序發(fā)送信號，從程序以最快速度做出響應(yīng)。

3 可調(diào)節(jié)粉筆粉塵測量儀的整體結(jié)構(gòu)及實施方案

可調(diào)節(jié)粉筆粉塵測量儀包括粉塵檢測裝置、數(shù)據(jù)處理裝置、數(shù)據(jù)顯示裝置和粉塵清潔裝置。

通過有限元分析技術(shù)（CAE），對設(shè)計的可調(diào)節(jié)粉筆粉塵測量儀進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，建立起各零部件的仿真模型，得出合理的各零部件運(yùn)動和結(jié)構(gòu)的參數(shù)。本測量儀可以進(jìn)行實時的檢測和數(shù)據(jù)分析、顯示、儲存的功能。整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計分為柱體中心結(jié)構(gòu)和旁支運(yùn)動結(jié)構(gòu)。其中柱體中心結(jié)構(gòu)主要為數(shù)據(jù)采集、分析和顯示以及電源、清潔模塊，旁支運(yùn)動結(jié)構(gòu)主要為可調(diào)節(jié)運(yùn)動的收集模塊和粉塵檢測數(shù)據(jù)生成模塊。

為了實現(xiàn)便攜、高效、準(zhǔn)確的性能，本測量儀的技術(shù)方案是提供了一種如下粉塵檢測裝置，其特征在于，包括粉塵實時監(jiān)測、顯示、存儲功能。其機(jī)構(gòu)主要為：粉塵接收裝置、數(shù)據(jù)處理裝置、數(shù)據(jù)顯示裝置和粉塵清潔裝置。其主要呈圓柱外掛四只爪形，爪部主要為粉塵接收裝置及粉塵清潔裝置，粉塵接收裝置由導(dǎo)塵口、粉塵通道、光電傳感器（激光源、凸鏡1、凸鏡2···），清潔裝置由過濾膜組成，導(dǎo)塵口位于粉塵通道的上部，光電傳感器位于粉塵通道內(nèi)部，其外部整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主體主要有數(shù)據(jù)處理裝置、數(shù)據(jù)顯示裝置和連接裝置三部分，數(shù)據(jù)顯示裝置位于圓柱體的頂端的上部，數(shù)據(jù)處理裝置位于圓柱體內(nèi)，其中圓柱柱身是兩層中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為電線鋪置提供合理空間，為了爪部的轉(zhuǎn)動，爪部和圓柱柱身的連接通過金屬軌道和塑料伸拉器，實現(xiàn)導(dǎo)通電路，并且安全、便捷的轉(zhuǎn)動爪部。風(fēng)扇安裝在柱身的底部。

粉塵自粉塵檢測裝置的導(dǎo)塵口進(jìn)入粉塵通道，粉塵經(jīng)粉塵通道中的光電傳感器檢測后落入粉塵清潔裝置，粉塵清潔裝置由過濾網(wǎng)膜組成，其作用是吸收粉塵，防止阻塞風(fēng)扇。粉塵檢測裝置的變向?qū)щ娧b置和塑料伸拉器連接到機(jī)構(gòu)中心柱體上。變向?qū)щ娧b置由金屬導(dǎo)軌和導(dǎo)電環(huán)兩部分組成。金屬導(dǎo)軌連接系統(tǒng)總電源，導(dǎo)電環(huán)與粉塵檢測裝置連接，金屬導(dǎo)軌和導(dǎo)電環(huán)兩者銜接后導(dǎo)通電量，實現(xiàn)傳電。粉塵檢測裝置的核心是光電傳感器，由激光源、輸入準(zhǔn)直器和光源接收器組成，光線由激光源射出，經(jīng)輸入準(zhǔn)直器進(jìn)入測量區(qū)域，最后進(jìn)入光源接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4 結(jié)束語

粉筆在大部分學(xué)校的使用中依舊不可或缺，且使用量相當(dāng)龐大。但是在使用的過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，使得周圍空氣中漂浮一定的粉筆粉塵。本研究針對粉筆粉塵這種顆粒的性質(zhì)，利用機(jī)械電子控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及通信技術(shù)，旨在研制出一種集快速收集、檢測粉塵、實時處理數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)的動態(tài)變化，同時可以根據(jù)不同位置進(jìn)行調(diào)節(jié)的粉塵測量裝置。經(jīng)實驗證明，此測量儀具有良好的收集、測量功能，可以實時監(jiān)測一定空間內(nèi)的粉塵濃度，為粉筆使用者提供實時數(shù)據(jù)，有利于調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣的流速，達(dá)到環(huán)保健康的要求，是一種可用于實際的比較理想的儀器，在粉塵測量領(lǐng)域中有良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]石林雄.粉塵濃度測量儀[J].計量技術(shù)，1996（10）：24-27.

[2]胡倩.基于激光差分探測的粉塵濃度檢測技術(shù)研究[D].西安工業(yè)大學(xué)，2014.