基于單片機的空氣粉塵檢測收集儀系統

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，實現了自動檢測粉塵濃度的目的。若環境中的粉塵濃度超出設定標準，則系統開始工作，如吸收粉塵、回收過濾處理粉塵、排出過濾空氣等。實驗表明，該系統成本低、安全性高，具有廣闊的市場前景和研發價值。

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，該系統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 系統的總體設計

空氣粉塵檢測收集儀系統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、負離子發生模塊、水霧化模塊、活性炭網過濾模塊等組成。從粉塵發生的源頭入手，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—空氣粉塵檢測收集儀系統。該系統可檢測周圍環境空氣中的粉塵濃度，并且根據檢測的數值觸發系統的收集與過濾回收功能[5-6]。系統流程如圖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紅外線或激光照射粒徑濃度的光散射原理實現的，空氣自由流過檢測裝置，發射足夠多的光線，光線遇到灰塵會發生散射，通過檢測經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，當發射器發出一個短脈沖時，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、數據掉電不丟失等特點，可隨時保存系統設置的數據。運用兩個繼電器，即5 V觸發繼電器和中間12 V觸發220 V繼電器，可根據系統需要隨時進行開關觸發。液晶接口可隨時接收系統檢測到的外界粉塵信息。

該系統裝有一個顯示屏，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，大小調節更加方便，可滿足不同環境的使用要求[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 負離子發生模塊

負離子發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生沉降。系統有一個回收盒，盒內存儲有一些水用于吸收沉降的大顆粒粉塵。

2.6 活性炭過濾網模塊

活性炭過濾網具有活性炭吸附性能好、吸附效率高的優點，可用于空氣環境凈化，去除揮發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活性炭過濾網以凈化混合氣體，之后將無毒無害的氣體排出。此外，系統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，數據由LCD1602液晶顯示，當粉塵沉淀超過一定重量時，自動更換過濾網。

3 結 語

本文設計實現的空氣粉塵檢測收集儀系統能夠檢測周圍環境空氣的粉塵濃度，并且根據檢測的數值觸發系統的收集與過濾回收功能，從而實現對大型工廠、工地的環境保護及工人的生命安全保護。該系統的功能模塊簡單，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。

參考文獻

[1]高宇.采掘工作面粉塵防治若干問題及對策研究[J].科技創新與應用，2017（18）：110.

[2]鄧天，雷小博，楊曉敏.采掘工作面粉塵防治若干問題及對策研究[J].科技創新與應用，2017（1）：136.

[3]劉過兵，王進學.綜放工作面綜合防塵技術研究[J].華北礦業高等專科學校校報，1999，31（1）：14-17.

[4]段賢斌.關于煤礦采掘工作面粉塵防治技術分析[J].技術與市場，2014，21（11）：87-88.

[5]李德文，郭勝均.中國煤礦粉塵防治的現狀及發展方向[J].金屬礦山，2009，7（S1）：747-752.

[6]李耀東，勾昱君，劉江濤.空氣凈化技術探究[J].潔凈與空調技

術，2019（3）：64-69.

[7]何丹蟬.“水洗空氣”成空氣凈化技術新方向[J].中國科技投資，2013（A16）.

[8]黃翔.納米技術在功能性空氣過濾材料中的應用[J].建筑熱能通風空調，2005（2）：24-26.

[9]朱穎.基于單片機的室內粉塵與異味檢測系統設計[J].自動化與信息工程，2015（1）：27-40.

[10]馬志剛.基于單片機的粉塵監測系統設計與實現[J].安徽電子信息職業技術學院學報，2012（6）：36-38.