工業(yè)廢氣排放質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡中南,樊蓓蓓

(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200444；2.上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436)

0 引言

工業(yè)廢氣的排放在對天氣和氣候產(chǎn)生不利影響的同時，也會腐蝕物品，影響物品質(zhì)量，縮短物品壽命。工業(yè)廢氣質(zhì)量監(jiān)測需要從工業(yè)廢棄物、污染物等影響空氣質(zhì)量的主要因素著重考慮，例如NO2、SO2等[1]。

對此，本文提出了工業(yè)廢氣排放質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，將工業(yè)廢氣排放質(zhì)量研究與無線通信研究相結(jié)合，發(fā)揮無線通信的作用，使工業(yè)廢氣監(jiān)測遍布工廠的各個區(qū)域，改變工業(yè)廢氣監(jiān)測不完善的狀況。系統(tǒng)使用nRF24L01構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了鋪設(shè)線路的成本。系統(tǒng)采用主站和從站實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的多點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)測[2]。主站是空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)募傉?。從站是空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)收集的基本單元和平臺。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

工業(yè)廢氣排放質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)可根據(jù)功能分為兩個模塊：從站系統(tǒng)和主站系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主站系統(tǒng)的微控制器采用STC15F2K60S2單片機(jī)，接收由從站通過nRF24L01無線通信模塊發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過LCD12864液晶屏實(shí)時顯示所接收到的信息。在主站的界面上也可實(shí)時地顯示數(shù)據(jù)，用戶可以方便地觀察數(shù)據(jù)信息，并及時地針對數(shù)據(jù)作出回應(yīng)。系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)保存和查詢功能，以便用戶后續(xù)查看和進(jìn)一步分析空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)[3]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)對象主要包括空氣煙塵檢測傳感器模塊和無線通信模塊。其中，空氣煙塵檢測傳感器模塊的硬件設(shè)計(jì)對象主要包括SO2傳感器和NO2傳感器[4]。

2.1 空氣煙塵檢測傳感器模塊的硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 SO2傳感器的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中采用2SH12傳感器對排放廢氣中的SO2氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2SH12和STC15F2K60S2的連接電路如圖2所示。

圖2 2SH12與STC15F2K60S2的連接電路圖

在硬件設(shè)計(jì)中，2SH12傳感器模塊的模擬信號連接到STC15F2K60S2的P1.7引腳。 STC15F2K60S2本身有A/D轉(zhuǎn)換電路，不需要外圍電路，可以直接將2SH12傳感器模塊獲取的模擬信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出。

2.1.2 NO2傳感器的硬件設(shè)計(jì)

本硬件設(shè)計(jì)采用NE-NO2傳感器作為NO2傳感器。 NE-NO2是新開發(fā)的NO2傳感器。由于其輸出電流大，可以準(zhǔn)確檢測出低濃度的NO2。NE-NO2傳感器還具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定的運(yùn)行性，所以采用NE-NO2傳感器作為檢測NO2氣體的傳感器，是非常合適的。

NE-NO2和STC15F2K60S2的連接電路如圖3所示。

圖3 NE-NO2與STC15F2K60S2的連接電路圖

由圖3可知，NE-NO2傳感器模塊的模擬信號輸出端子連接到STC15F2K60S2的P1.0引腳。因?yàn)镾TC15F2K60S2本身有A/D轉(zhuǎn)換電路，不需要外圍電路就可以將NE-NO2傳感器模塊獲取的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出。

2.2 無線通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

無線通信采用的是nRF24L01通信模塊[5]。STC15F2K60S2、nRF24L01，以及電源的連接電路分別如圖4～圖6所示。電阻器R3、R4、R5、R6、R7和R8是0.47 kΩ限流電阻器，用于保護(hù)nRF24L01無線通信模塊，防止其燒壞。對于通信系統(tǒng)，電源穩(wěn)定才能保證整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通信準(zhǔn)確。傳感器的電源端電壓波動盡量小，才能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。因此，本設(shè)計(jì)使用穩(wěn)定電壓芯片AMS1117-3.3 V。它可以穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化電壓，將VCC(5 V)轉(zhuǎn)換為3.3 V的VDD，為nRF24L01模塊供電。

圖4 STC15F2K60S2的連接電路圖

圖5 nRF24L01的連接電路圖

圖6 VCC與VDD的連接電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計(jì)

PM2.5和PM10數(shù)據(jù)采集程序流程如圖7所示。

圖7 PM2.5和PM10數(shù)據(jù)采集程序流程圖

工業(yè)廢氣排放監(jiān)測的準(zhǔn)確性對于工業(yè)廢氣的監(jiān)測尤為重要[6]。

首先，進(jìn)行串口初始化并將串行通信波特率配置為9 600 kbit/s。然后，對PMS3003傳感器初始化，配置PMS3003的采集模式和傳輸模式，判斷接收的數(shù)據(jù)是否為0x42。如果收到的數(shù)據(jù)不是0x42，繼續(xù)等待直到22字節(jié)的PM2.5和PM10濃度值數(shù)據(jù)被連續(xù)接收。最后，校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

SO2、NO2、CO和O3數(shù)據(jù)采集程序流程如圖8所示。 首先，進(jìn)行ADC初始化，將ADC配置為查詢模式；然后，分別采集SO2、NO2、CO和O3傳感器的輸出電壓；最后，使用傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)公式進(jìn)行標(biāo)定處理。

圖8 SO2、NO2、CO和O3數(shù)據(jù)采集程序流程圖

3.2 從站系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要集中在功能設(shè)計(jì)，最關(guān)鍵的是各種工業(yè)廢氣的監(jiān)測以及監(jiān)測結(jié)果的傳輸問題。當(dāng)按下S1按鈕奇數(shù)次時，從站系統(tǒng)會判定無線通信模塊的傳輸模式，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡荆芍髡鞠到y(tǒng)自動識別并執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序[7]，以執(zhí)行按鍵掃描。如果沒有按下S1按鈕，按流程實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集，檢測工業(yè)廢氣排放參數(shù)[8]，進(jìn)行空氣質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算和空氣質(zhì)量信息顯示，并將結(jié)果通過無線通信模塊進(jìn)行無線傳輸數(shù)據(jù)。

從站系統(tǒng)程序流程如圖9所示。

圖9 從站系統(tǒng)程序流程圖

3.3 主站系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

主站系統(tǒng)程序流程如圖10所示。

圖10 主站系統(tǒng)程序流程圖

主站的作用是接收從站傳來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)作處理后進(jìn)行顯示。主站系統(tǒng)的主要功能[9]包括無線數(shù)據(jù)傳輸、LCD12864顯示、串行通信和循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclic redundancy check,CRC)等子程序。在設(shè)計(jì)的主站系統(tǒng)中，如果接收到空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，立即從中提取轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的空氣質(zhì)量信息并使用液晶模塊進(jìn)行顯示。最后，通過串口設(shè)置將空氣質(zhì)量信息發(fā)送到上位機(jī)部分。

4 系統(tǒng)調(diào)試分析

系統(tǒng)調(diào)試包括硬件系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。 由于硬件和軟件是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間獨(dú)立設(shè)計(jì)的，所以在硬件完成之前會單獨(dú)調(diào)試軟件，但沒有在運(yùn)行軟件的情況下調(diào)試硬件。

4.1 硬件系統(tǒng)調(diào)試分析

從站主要負(fù)責(zé)利用各種傳感器采集工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)，然后再將采集到的工業(yè)廢氣數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡旧?，方便主站?shí)時顯示有效的數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上供用戶實(shí)時查看[10]。調(diào)試從站系統(tǒng)硬件電路時：首先，查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，使用Altium Designer軟件繪制從站系統(tǒng)原理圖；然后，按照電路原理圖焊接電路，用萬用表仔細(xì)檢查焊接電路板是否有虛焊或開路、短路等；最后，給從站系統(tǒng)供電。供電時要注意電源的正極和負(fù)極要正確連接。從站系統(tǒng)上電后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求觀察電源指示燈是否正常顯示，以及電路板上的主要部件是否能夠正常工作。在觀察到所有部件都能按照設(shè)計(jì)要求正常工作后，再進(jìn)行下一步的系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。

4.2 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試分析

首先上電，觀察電源指示燈是否顯示，啟動從站的OLED模塊顯示系統(tǒng)界面。系統(tǒng)啟動后，從站中OLED12864模塊將循環(huán)顯示空氣質(zhì)量信息[11]。如果未插入nRF24L01模塊，OLED12864模塊將在系統(tǒng)自檢時顯示nRF24L01模塊未連接，提醒用戶檢查nRF24L01模塊是否已插入。無線通信模塊是整個系統(tǒng)的核心，其調(diào)試工作非常重要。

主系統(tǒng)連接到主機(jī)后，主系統(tǒng)上電。首先，可以觀察主站中LCD12864模塊顯示系統(tǒng)的啟動界面。在系統(tǒng)啟動后，LCD12864模塊將循環(huán)顯示收到的空氣質(zhì)量信息[11]。如果nRF24L01模塊未插入，LCD12864模塊將在系統(tǒng)自檢時顯示nRF24L01模塊未連接，提醒用戶檢查nRF24L01模塊是否已插入。如果主系統(tǒng)不接收從站數(shù)據(jù)，LCD12864模塊將顯示“未接收”。

從以上調(diào)試結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的工業(yè)廢氣排放質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了收集、無線傳輸、監(jiān)測和評估空氣質(zhì)量信息的功能。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的工業(yè)廢氣排放質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)由從站系統(tǒng)和主站系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)體積小，重量輕，攜帶方便，便于實(shí)時測量和顯示工業(yè)廢氣排放監(jiān)測點(diǎn)的空氣質(zhì)量。主站系統(tǒng)可以接收和顯示從站系統(tǒng)發(fā)回的各種空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便研究人員查看和比較數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)，可分析工業(yè)廢氣排放中哪些氣體的污染程度最高，以及需要采用何種應(yīng)對措施。該系統(tǒng)的功耗較低，大大延長了使用時間，節(jié)省了系統(tǒng)的維護(hù)成本。本研究降低了成本，打開了市場，可以廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)代工廠的廢氣研究中。