一種基于嵌入式技術的靜電粉塵在線監測系統研究和實現

吳戰國　王美

摘 要：針對工業粉塵濃度需要實時監控的問題，提出了一種基于靜電感應技術和嵌入式技術的在線粉塵監測系統設計方案；該方案有效地利用靜電感應原理實現了對靜電荷的測量，以及利用嵌入式芯片的軟硬件設計實現了信號處理，完成了粉塵濃度的測量及顯示；該系統在靈敏性，可靠性以及可維護性均具有一定的優勢，具有很大的實用性和推廣性。

關鍵詞：粉塵濃度；靜電感應；嵌入式；C8051F060；μC/OS-Ⅱ

1 引言

隨著現代工業的快速發展和公共環境保護意見的不斷增強，工業粉塵的排放越來越受到人們的關注。粉塵是懸浮在空氣中的同體微粒，工業粉塵主要指在工業生產中由于物料的破碎、篩分、堆放、轉運、燃燒或其他機械處理而產生的固體微粒[1]。工業粉塵對環境，對人體都有很強的危害性，主要表現在由于粉塵積累和變化，使空氣中粉塵濃度逐漸增加，導致城市上空能見度普遍下降，發生粉塵引起的爆炸事件也有著上升趨勢；另外如果人長期吸入一定量的粉塵，粉塵在肺內逐漸沉積，使肺部產生進行性、彌漫性的纖維組織增多，出現塵肺病。針對這一狀況，國家對工業粉塵排放濃度制訂了相關標準，嚴格控制粉塵濃度。因此，為了進行有效的除塵和降塵以確保人身安全和提高環境質量，如何及時準確地對工業現場粉塵濃度進行監測就成了我們必須面對的一個問題。

目前，世界各國對粉塵濃度的測量技術都做了大量研究，研制了一系列粉塵監測儀器，如粉塵采樣器、直讀式測塵儀、粉塵濃度傳感器等。本文介紹一種基于靜電感應和嵌入式技術的在線粉塵監測系統，該系統在靈敏性，可靠性以及可維護性均具有一定的優勢，在傳統的布袋除塵系統中完全可以替代人工檢漏，并能實時顯示當前粉塵濃度，具有很大的推廣性。

2 靜電荷測量原理

任何粉體狀的物質在氣力的輸送過程中，都會產生碰撞和磨擦，因此粉體粒子都會失去電子而形成帶正電荷的粒子和顆粒，隨濃度的變化及粉體流速的變化，其電荷量也按一定規律變化。粉塵顆粒所帶的電荷形成靜電場。利用靜電感應原理即可測得靜電場的大小及變化，通過信號處理，即可顯示氣固兩相中粉體濃度的數量值。

3 靜電粉塵在線監測系統硬件實現

靜電粉塵在線監測系統硬件主要由信號檢測和控制器兩大單元組成。其中，信號檢測單元主要完成靜電的感應，放大以及整流等工作，以保證輸出4～20MA標準電流信號。而控制器單元主要功能是接收電流信號，完成數據的采集，顯示以及向中心傳輸數據的功能。系統硬件結構圖如圖1所示。

3.1 信號檢測單元

信號檢測單元主要實現電荷的收集和放大，最終輸出4～20mA標準電流信號。電荷放大器采用LMC6081芯片，LMC6081是一種低電壓放大器，它采用4.5V～15V直流電壓供電，最低輸入可達150uV，輸出可達20mV，是一種應用比較廣泛的低電壓放大器。在二級放大電路中，采用的是OP177。

3.2 核心處理器的選擇

控制中心模塊選用C8051F060單片機，它是美國Cygnal公司推出的完全集成混合信號片上系統型MCU。C8051F060單片機采用與8051兼容的專利內核CIP-51，速度高達25MIPS，并具有59個數字I/O引腳、5個16位通用定時器、6個帶有捕捉/比較模塊的可編程定時器/計數器陣列。同時，片內還集成了2個12位DAC、3個電壓比較器、看門狗定時器，VDD監視器和溫度傳感器。該芯片上集成有64KB的FLASH和4352B內部RAM，以及硬件實現的SPI、SMBus/I2C和2個UART串行接口，還集成了CAN總線控制器。最重要的是，C8051F060單片機還有兩個16位、1Msps的ADC，在高精度數據采集系統中使用C8051F060單片機無需外擴ADC轉換芯片，這使得采用C8051F060單片機具有開發相對簡單，費用低廉、可適用于工業現場數據采集等特點。

3.3 外部接口電路設計

外部接口電路主要包括幾部分，ADC數據輸入電路，DAC輸出電路，顯示與鍵盤接口電路以及RS232通信接口電路。ADC數據輸入電路主要功能是接受4～20mA電流信號，通過硬件濾波，輸入C8051F060單片機進行A/D轉換。DAC輸出電路的主要功能是將經過A/D轉換后的數據換算成濃度值，再將濃度值同過D/A轉換，再次還原成4～20mA電流信號，為其他一些設備或者系統提供可靠的粉塵濃度信號。RS232通信接口電路采用MAX3232電平轉換芯片，它是連接本地控制器與控制中心的設備，通過RS232總線，實現控制中心與本地控制器之間的數據交換。

4 軟件實現

根據系統需要完成的功能，將用戶程序劃分為幾個獨立的任務，任務具體劃分幾任務間關系如圖3所示。

各任務間根據實際需要通過μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統的信號量、郵箱以及消息隊列的方式進行通信。其中，ADC采集任務中經過A/D轉換得到的實時數據，在DAC轉換任務中需要將其經過人工處理后再將其轉換為4～20mA模擬信號發出供其他設備或系統使用；在LCD顯示任務中需要將這些經過轉換的數據通過計算，實時的將粉塵濃度顯示在LCD屏上；而在RS232任務中，也需要將這些數據定時通過RS232總線上傳到控制中心。四個任務同時使用這一組數據，因此使用μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統的信號量來實現數據共享。按鍵掃描任務在得到當前鍵盤輸入情況后，可以通過郵箱信號將最新鍵值傳送到LCD顯示任務中，LCD顯示任務通過識別鍵值來確定當前顯示內容；同樣鍵盤可以通過郵箱方式與EEPROM讀寫任務進行通信，從而完成參數配置的功能。

5 結束語

實踐證明，采用靜電粉塵在線監測系統，可是實時，準確的得到粉塵濃度信息，為有效的防塵和除塵提供了可靠的依據，對環境保護有著巨大的作用。這種在線粉塵監測系統，可以根據不同的應用領域作出不同的功能擴展，可廣泛用于冶金、電力、化工、制藥、食品加工、建材、木材加工等布袋除塵系統的檢漏。

參考文獻

[1]申麗，張殿.工業粉塵及其性質[J].金屬世界，1997.