基于單片機的空氣粉塵檢測收集儀系統(tǒng)

盧群 何東升 董浩 薛玉利 刁廣強 洪亭軒

摘 要：針對人類所處環(huán)境污染嚴重，尤其粉塵污染一直威脅人類身心健康的問題，設計了一款由單片機為核心的空氣粉塵檢測收集儀系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動檢測粉塵濃度的目的。若環(huán)境中的粉塵濃度超出設定標準，則系統(tǒng)開始工作，如吸收粉塵、回收過濾處理粉塵、排出過濾空氣等。實驗表明，該系統(tǒng)成本低、安全性高，具有廣闊的市場前景和研發(fā)價值。

關鍵詞：單片機;自動檢測;回收過濾;傳感器;沉降;高頻諧振

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-02

0 引 言

國際上把粒徑范圍小于75 μm的固體懸浮物定義為粉塵。空氣中漂浮的粉塵會對我們產生較大影響，一旦吸入肺部，嚴重者將患肺炎甚至肺癌。圖1所示為2000—2016年吸入粉塵的患病率。2010年2月，河北秦皇島某有限公司因淀粉發(fā)生爆炸，造成19人死亡，49人受傷，由此可見，粉塵在我們的日常生活中也存在極大安全隱患，但如果能夠及時采取措施，便可以有效避免危害。調查顯示，雖然人們給予粉塵污染足夠的關注，卻缺少有效措施來遏制粉塵污染的蔓延與加重。在此行業(yè)背景下，本文設計了一種基于單片機的空氣粉塵檢測收集儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有自動檢測粉塵濃度，超出設定標準便吸收粉塵，回收、過濾、處理粉塵，排出過濾空氣等功能[1-4]。

1 系統(tǒng)的總體設計

空氣粉塵檢測收集儀系統(tǒng)主要由單片機核心板、光學粉塵傳感器檢測模塊、粉塵濃度調控模塊、空氣智能排氣扇模塊、負離子發(fā)生模塊、水霧化模塊、活性炭網(wǎng)過濾模塊等組成。從粉塵發(fā)生的源頭入手，在建設工地、面粉加工廠、采石場等大型場地進行分析，設計出一套針對粉塵進行檢測并施以回收過濾的系統(tǒng)—空氣粉塵檢測收集儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)可檢測周圍環(huán)境空氣中的粉塵濃度，并且根據(jù)檢測的數(shù)值觸發(fā)系統(tǒng)的收集與過濾回收功能[5-6]。系統(tǒng)流程如圖2所示。

2 硬件電路設計

2.1 光學粉塵傳感器檢測模塊

光學傳感器的檢測是根據(jù)紅外線或激光照射粒徑濃度的光散射原理實現(xiàn)的，空氣自由流過檢測裝置，發(fā)射足夠多的光線，光線遇到灰塵會發(fā)生散射，通過檢測經(jīng)過空氣中的灰塵散射過后的光線從而判斷灰塵含量。其結果是，入射光可以通過測試場衰減率的相對濃度來確定。衰減率線性響應的相對尺寸可相對于灰塵字段的濃度進行測量。將成比例的光強度和尺寸轉化為電信號，可以測量相對衰減率，因此濃度可在現(xiàn)場通過粉塵進行測量。

2.2 粉塵濃度調控模塊

超聲波作為探測的有力手段，當其檢測到障礙物時會及時反射，距離測量一般采用回波時間法，即檢測超聲波往返所測距離的時間，當發(fā)射器發(fā)出一個短脈沖時，定時器啟動;當接收器接收到返回脈沖時，定時器立即停止。

粉塵濃度調控系統(tǒng)由STC12C5A60S2芯片、24C02芯片、USB電路、繼電器控制電路、液晶接口、E2PROM電路等

組成。STC12C5A60S2芯片自帶A/D轉換功能，具有斷電保護功能。串行24C02即E2PROM電路由于其具有接口方便、體積小、數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點，可隨時保存系統(tǒng)設置的數(shù)據(jù)。運用兩個繼電器，即5 V觸發(fā)繼電器和中間12 V觸發(fā)220 V繼電器，可根據(jù)系統(tǒng)需要隨時進行開關觸發(fā)。液晶接口可隨時接收系統(tǒng)檢測到的外界粉塵信息。

該系統(tǒng)裝有一個顯示屏，可將檢測到的外界空氣粉塵濃度顯示于顯示屏上，上方設定的粉塵濃度可通過下方兩個開關來調節(jié)大小;下方為當前空氣中的粉塵濃度。同時顯示的還有平均標準設定粉塵濃度值，該系統(tǒng)可通過對自身的設置更改平均標準設定粉塵濃度值，大小調節(jié)更加方便，可滿足不同環(huán)境的使用要求[7-10]。

2.3 空氣智能排氣扇模塊

排氣扇為此系統(tǒng)的主要收集裝置，當光學粉塵傳感器檢測到外界空氣里的粉塵含量濃度大于系統(tǒng)所設置的標準值時，空氣智能排氣扇自動啟動。排氣扇置于一個帶有孔洞的正方體盒中，排氣扇在向排氣管排氣的同時，外界的粉塵會隨著風從正方體的孔洞進入。

2.4 負離子發(fā)生模塊

負離子發(fā)生器是一種生成空氣負離子的裝置，其原理是利用尖端直流高壓產生高電暈增加空氣中的負離子成分，使空氣帶上凈電荷，負離子成分能夠吸附塵埃從而起到凈化空氣的作用。負離子能中和空氣中的正離子，消除靜電及PM2.5，對人體有較好的保健作用。我們根據(jù)其特點，將其放置在收集粉塵的通道中，讓粉塵更有效的與負離子結合，從而達到沉降的效果。圖3所示為負離子發(fā)生器結構原理。

2.5 水霧化模塊

水霧化是通過陶瓷霧化片的高頻諧振，將液態(tài)水分子結構打散而產生自然飄逸的水霧。水霧化模塊產生的水霧與來自排氣管里的空氣混合后，空氣里的粉塵因遇到水霧而發(fā)生沉降。系統(tǒng)有一個回收盒，盒內存儲有一些水用于吸收沉降的大顆粒粉塵。

2.6 活性炭過濾網(wǎng)模塊

活性炭過濾網(wǎng)具有活性炭吸附性能好、吸附效率高的優(yōu)點，可用于空氣環(huán)境凈化，去除揮發(fā)性有機化合物和空氣中的污染物。將水霧化裝置產生的水霧與空氣混合后沉降的粉塵經(jīng)活性炭過濾網(wǎng)以凈化混合氣體，之后將無毒無害的氣體排出。此外，系統(tǒng)還配有重量檢測裝置，該重量檢測裝置利用HX711對模擬量進行A/D轉換，數(shù)據(jù)由LCD1602液晶顯示，當粉塵沉淀超過一定重量時，自動更換過濾網(wǎng)。

3 結 語

本文設計實現(xiàn)的空氣粉塵檢測收集儀系統(tǒng)能夠檢測周圍環(huán)境空氣的粉塵濃度，并且根據(jù)檢測的數(shù)值觸發(fā)系統(tǒng)的收集與過濾回收功能，從而實現(xiàn)對大型工廠、工地的環(huán)境保護及工人的生命安全保護。該系統(tǒng)的功能模塊簡單，價格實惠，并且投資小，收益大，能夠有效對外界的粉塵濃度進行檢測，并且及時響應，具有較高的利用價值。

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