一種基于單片機的智能粉塵監(jiān)測報警系統(tǒng)

馬冬寧　趙鵬菲　王振帥　唐源

摘要：傳統(tǒng)粉塵監(jiān)測報警系統(tǒng)的閾值固定，無法滿足不同生產(chǎn)過程的需求。在傳統(tǒng)的粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)上加入單片機及遙控設(shè)備，可以實現(xiàn)對報警閾值的遠程設(shè)定，不但能夠解決上述問題，還實現(xiàn)了人機空間隔離。文章從研究背景、系統(tǒng)設(shè)計、工作原理、應(yīng)用前景四個方面對這一系統(tǒng)進行了介紹。

關(guān)鍵詞：粉塵監(jiān)測；濃度報警；單片機控制；遙控控制；人機空間隔離 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP368 文章編號：1009-2374（2017）05-0009-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.005

1 研究背景

粉塵是指懸浮在空氣中的固體微粒。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定，粒徑小于75μm的固體懸浮物定義為粉塵。粉塵中往往含有多種有毒成分，如鉻、錳、鎘、鉛等。小于5μm的微粒極易深入肺部，引起中毒性肺炎或矽肺，嚴(yán)重影響人體健康。此外，過量的粉塵還會對工業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響。

傳統(tǒng)粉塵監(jiān)測儀最大的缺點是無法自行設(shè)定報警濃度閥值，在不同的生產(chǎn)生活條件下需要特制不同的探測報警器，造成了資源浪費。此外，傳統(tǒng)粉塵監(jiān)測報警系統(tǒng)接收端與監(jiān)測端未分離，而在某些特殊的生產(chǎn)環(huán)境下，人員需對粉塵濃度監(jiān)測儀進行遠程控制，這也是一個亟待解決的問題。

在傳統(tǒng)系統(tǒng)上加入單片機及遙控設(shè)備，可以實現(xiàn)閾值的在線遠程設(shè)定，能夠較好地解決上述問題。顯示設(shè)備還可以將濃度信息顯示，便于使用者的觀察與記錄。此外，本系統(tǒng)還在系統(tǒng)中加入溫度濕度的監(jiān)測傳感器，使其成為一個更加全面的監(jiān)測儀，能夠?qū)τ谒幁h(huán)境狀況做出更多方面的評估。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)綜述

經(jīng)過對研究背景中提到的問題的仔細分析后，設(shè)計了如圖1所示的單片機及遙控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由兩部分組成：接收端與監(jiān)測端。接收端的核心模塊為接收端單片機，接收端還包含按鍵、數(shù)碼管、蜂鳴器，分別用于控制及報警。監(jiān)測端的核心模塊為監(jiān)測端單片機，監(jiān)測端還包含傳感器（集成AD模塊）。接收端與監(jiān)測端通過紅外通訊設(shè)備進行數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)了遠程控制。

2.2 接收端設(shè)計

2.2.1 單片機。經(jīng)過對問題的分析和對不同產(chǎn)品的篩選，我們采用ATMEL公司的ATMega16作為接收端單片機，其指令集先進，高數(shù)據(jù)吞吐率，并且還具有成本低、功耗低的特點，完全滿足本系統(tǒng)的性能要求。單片機在接收端所實現(xiàn)的主要功能有接收按鍵模塊發(fā)來的控制信號、接收紅外通信設(shè)備發(fā)來的測量數(shù)據(jù)、對測量數(shù)據(jù)進行分析與處理、向蜂鳴器與數(shù)碼管發(fā)送顯示與報警信號。此外，單片機還承擔(dān)著存儲報警閾值數(shù)據(jù)、存儲紅外編碼信息等任務(wù)。ATMega16的引腳配置如圖2所示：

2.2.2 按鍵模塊。接收端按鍵模塊化，將四個按鍵集成到一塊電路板上，并加入濾波電容實現(xiàn)防抖。按鍵模塊在接收端所實現(xiàn)的功能為人機交互。使用者通過按鍵來改變報警閾值，按鍵模塊將響應(yīng)信號發(fā)給單片機進行進一步處理。

2.2.3 數(shù)碼管模塊。在數(shù)碼管的選擇上，采用了MAX7219作為本系統(tǒng)使用的模塊。MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動器，它擁有指令簡單、驅(qū)動方便、亮度可調(diào)以及方便級聯(lián)等優(yōu)點。接收端數(shù)碼管用于顯示由單片機傳輸來的當(dāng)前濃度數(shù)之和用戶自定義的報警閾值。

2.2.4 蜂鳴器模塊。蜂鳴器是一種采用直流電壓供電的發(fā)聲裝置，在本系統(tǒng)內(nèi)加入了控制引腳，其主要用途為聲音報警。

2.3 監(jiān)測端設(shè)計

2.3.1 單片機。監(jiān)測端同樣選擇了ATMega16作為單片機。單片機在監(jiān)測端所實現(xiàn)的主要功能有接收傳感器模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)信號并對其進行處理、將處理后的數(shù)據(jù)編碼，發(fā)給紅外傳輸設(shè)備，同樣，在監(jiān)測端的單片機內(nèi)也存儲著紅外編碼信息。

2.3.2 傳感器。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，監(jiān)測端的傳感器有兩種，用于檢測粉塵濃度的傳感器以及用于檢測環(huán)境溫濕度的傳感器。我們選用了夏普公司的GP2Y1051AU0F粉塵濃度傳感器。這款傳感器相比于上一版本1010AU0F，不但在精度和耐用性方面進行了優(yōu)化，而且不需要搭建外圍電路，數(shù)據(jù)的傳輸也可以用USART完成，因此我們決定選用這一款傳感器。

而在溫濕度傳方面，我們選用了精度高、工作條件廣泛的DHT22作為本系統(tǒng)使用的溫濕度傳感器。

這兩個傳感器都自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，并且出廠時都經(jīng)過了校正，因此由這兩個模塊得到的數(shù)據(jù)是基本可靠，符合本系統(tǒng)設(shè)計要求的。

2.4 紅外通信模塊設(shè)計

紅外通信模塊的目的是實現(xiàn)接收端與監(jiān)測端之間的信號傳輸，從而實現(xiàn)人機隔離及遠程操控。我們選擇了NEC紅外模塊通訊對，該模塊集成編解碼系統(tǒng)及調(diào)制系統(tǒng)，傳輸可靠、運行穩(wěn)定，與單片機之間只需要USART進行通訊就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，減少了對單片機資源的占用。

3 工作原理

3.1 工作原理綜述

整個系統(tǒng)的工作周期如圖3所示。左側(cè)為接收端的工作流程框圖，右側(cè)為監(jiān)測端的工作流程框圖。接收端工作流程的主要環(huán)節(jié)為接收并處理按鍵信號、接收并處理紅外傳來的數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)與報警。監(jiān)測端工作流程的主要環(huán)節(jié)為接收并處理傳感器數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)發(fā)送給紅外。

3.2 接收端工作原理

3.2.1 接收并處理按鍵信號。由于上拉電阻的存在，接在電阻另一端的按鍵在不按下時會輸出高電平，一旦按鍵按下，輸出將與地相連，即會輸出低電平。單片機將這一電平的變化作為信號進行檢測。不同的按鍵分別接在單片機不同的I/O口上來加以區(qū)分，這就是按鍵信號的接收并處理。

3.2.2 接收并處理紅外傳來的數(shù)據(jù)。

只要單片機通過USART向紅外通訊模塊發(fā)送以上格式的數(shù)據(jù)，NEC紅外模塊就會自動將數(shù)據(jù)載波調(diào)制，并通過紅外發(fā)射頭發(fā)射出去。

接收：NEC紅外模塊同樣帶有紅外接收頭，只要模塊處于工作狀態(tài)，若接收到載波信號便會自動解調(diào)，并將如表1所示格式的數(shù)據(jù)通過USART發(fā)送給單片機。

3.2.3 顯示數(shù)據(jù)與報警。

數(shù)據(jù)的顯示：MAX7219內(nèi)部含有多個寄存器，分別用于模式設(shè)置、亮度調(diào)節(jié)、存儲顯示數(shù)據(jù)等。若想通過MAX7219驅(qū)動數(shù)碼管顯示相應(yīng)數(shù)值，則需要完成以下兩個步驟：（1）實現(xiàn)對MAX7219的正確配置（包括亮度、顯示模式等）；（2）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳輸。

MAX7129數(shù)碼管驅(qū)動模塊與單片機之間的通信方式為SPI協(xié)議，同樣，MAX7219也有其特有的數(shù)據(jù)格式，對于一個16位數(shù)據(jù)來說：D15-D12四位不使用，D11-D8四位用于確定寄存器位置。而D7-D0則為需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。詳細的數(shù)據(jù)格式可以在MAX7219的技術(shù)文檔中查到，此處不再贅述。

報警：考慮到不同生產(chǎn)環(huán)境的需求，本系統(tǒng)使用了聲光兩路報警。對于光報警，當(dāng)發(fā)光二極管兩端壓降超過導(dǎo)通閾值時，發(fā)光二極管便可以發(fā)光，從而起到報警的效果。利用不同顏色的二極管還可以表示系統(tǒng)不同的工作模式。對于聲音報警來說，蜂鳴器模塊設(shè)有一I/O口用于控制。當(dāng)I/O口接收到高電平時，蜂鳴器發(fā)出聲音，實現(xiàn)報警功能。

3.3 監(jiān)測端工作原理

3.3.1 接收并處理傳感器數(shù)據(jù)。

粉塵濃度傳感器：粉塵濃度傳感器同樣使用USART向單片機傳輸數(shù)據(jù)，即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制均由數(shù)據(jù)線完成。格式如表2：

溫濕度傳感器：DHT22使用單總線通訊協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，起始信號的時序圖如圖4所示，數(shù)據(jù)發(fā)送的時序如圖5所示：

單片機發(fā)送一次起始信號（把數(shù)據(jù)總線拉低至少800?s）后，DHT22進入高速模式。待開始信號結(jié)束后，DHT22發(fā)送響應(yīng)信號，從數(shù)據(jù)總線串行送出40位數(shù)據(jù)，依次為濕度高位、濕度低位、溫度高位、溫度低位、校驗位，發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束觸發(fā)一次信息采集，結(jié)束后DHT22將自動轉(zhuǎn)入休眠模式，直到下一次通信來臨。

3.3.2 將數(shù)據(jù)發(fā)送給紅外。前文已經(jīng)對紅外通信模塊的工作原理進行了介紹，此處不再重復(fù)。

4 應(yīng)用前景

該設(shè)備市場廣闊，其在一定程度上彌補了傳統(tǒng)粉塵濃度監(jiān)測儀的缺陷，使用者可通過遙控器或粉塵儀上按鍵對報警閾值進行調(diào)節(jié)，簡單便捷。另外，該設(shè)備具有造價低、重量輕和檢測準(zhǔn)確的特點，可廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、化工制造等工業(yè)場所。此外，通過改進對粉塵的檢測算法，也可實現(xiàn)對常見污染顆粒PM2.5的檢測，所以該檢測報警器也可用于普通家庭和日常生活中。綜上所述，該設(shè)備具有較好的應(yīng)用前景和開發(fā)潛能。

參考文獻

[1] 程明月.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].武漢科技大學(xué)，2015.

[2] 張楠.基于ARM的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[D].哈爾濱理工大學(xué)，2014.

[3] 張亞梅.粉塵監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].山西青年，2016，（6）.

[4] 李春立，劉濤，王東明.AVR單片機顯示系統(tǒng)中USART通信接口的應(yīng)用[J].機械管理開發(fā)，2012，（6）.

基金項目：北京科技大學(xué)本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目。

作者簡介：馬冬寧（1996-），男，內(nèi)蒙古通遼人，北京科技大學(xué)本科學(xué)生，研究方向：自動化；趙鵬菲（1996-），男，山東臨沂人，北京科技大學(xué)本科學(xué)生，研究方向：自動化；王振帥（1994-），男，山東臨沂人，北京科技大學(xué)本科學(xué)生，研究方向：自動化；唐源（1996-），男，湖北恩施人，北京科技大學(xué)本科學(xué)生，研究方向：自動化。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）