工業廢氣排放質量監測系統設計

胡中南,樊蓓蓓

(1.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200444；2.上海飛機制造有限公司，上海 200436)

0 引言

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

對此，本文提出了工業廢氣排放質量監測系統，將工業廢氣排放質量研究與無線通信研究相結合，發揮無線通信的作用，使工業廢氣監測遍布工廠的各個區域，改變工業廢氣監測不完善的狀況。系統使用nRF24L01構建無線通信網絡，節省了鋪設線路的成本。系統采用主站和從站實現空氣質量的多點遠程監測[2]。主站是空氣質量數據傳輸的集總站。從站是空氣質量數據收集的基本單元和平臺。

1 系統總體結構

工業廢氣排放質量監測系統可根據功能分為兩個模塊：從站系統和主站系統。系統總體結構如圖1所示。主站系統的微控制器采用STC15F2K60S2單片機，接收由從站通過nRF24L01無線通信模塊發送的監測數據，并通過LCD12864液晶屏實時顯示所接收到的信息。在主站的界面上也可實時地顯示數據，用戶可以方便地觀察數據信息，并及時地針對數據作出回應。系統具備數據保存和查詢功能，以便用戶后續查看和進一步分析空氣質量數據[3]。

圖1 系統總體結構框圖

2 系統硬件設計

本系統中的硬件設計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計對象主要包括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計

2.1.1 SO2傳感器的硬件設計

本系統中采用2SH12傳感器對排放廢氣中的SO2氣體濃度數據進行采集。

2SH12和STC15F2K60S2的連接電路如圖2所示。

圖2 2SH12與STC15F2K60S2的連接電路圖

在硬件設計中，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據轉換為數字信號并輸出。

2.1.2 NO2傳感器的硬件設計

本硬件設計采用NE-NO2傳感器作為NO2傳感器。 NE-NO2是新開發的NO2傳感器。由于其輸出電流大，可以準確檢測出低濃度的NO2。NE-NO2傳感器還具有良好的重復性和穩定的運行性，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。因為STC15F2K60S2本身有A/D轉換電路，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換為數字信號并輸出。

2.2 無線通信模塊的硬件設計

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nRF24L01無線通信模塊，防止其燒壞。對于通信系統，電源穩定才能保證整個系統數據的通信準確。傳感器的電源端電壓波動盡量小，才能實現監測數據的準確傳輸。因此，本設計使用穩定電壓芯片AMS1117-3.3 V。它可以穩定地轉化電壓，將VCC(5 V)轉換為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 系統軟件設計

3.1 空氣質量數據采集的軟件設計

PM2.5和PM10數據采集程序流程如圖7所示。

圖7 PM2.5和PM10數據采集程序流程圖

工業廢氣排放監測的準確性對于工業廢氣的監測尤為重要[6]。

首先，進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，判斷接收的數據是否為0x42。如果收到的數據不是0x42，繼續等待直到22字節的PM2.5和PM10濃度值數據被連續接收。最后，校驗數據。

SO2、NO2、CO和O3數據采集程序流程如圖8所示。 首先，進行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，使用傳感器數據校準公式進行標定處理。

圖8 SO2、NO2、CO和O3數據采集程序流程圖

3.2 從站系統的軟件設計

系統的軟件設計主要集中在功能設計，最關鍵的是各種工業廢氣的監測以及監測結果的傳輸問題。當按下S1按鈕奇數次時，從站系統會判定無線通信模塊的傳輸模式，并將數據傳輸到主站，由主站系統自動識別并執行外部中斷服務程序[7]，以執行按鍵掃描。如果沒有按下S1按鈕，按流程實現空氣質量數據采集，檢測工業廢氣排放參數[8]，進行空氣質量指標計算和空氣質量信息顯示，并將結果通過無線通信模塊進行無線傳輸數據。

從站系統程序流程如圖9所示。

圖9 從站系統程序流程圖

3.3 主站系統的軟件設計

主站系統程序流程如圖10所示。

圖10 主站系統程序流程圖

主站的作用是接收從站傳來的數據，對數據作處理后進行顯示。主站系統的主要功能[9]包括無線數據傳輸、LCD12864顯示、串行通信和循環冗余校驗(cyclic redundancy check,CRC)等子程序。在設計的主站系統中，如果接收到空氣質量數據，立即從中提取轉換為數字信號的空氣質量信息并使用液晶模塊進行顯示。最后，通過串口設置將空氣質量信息發送到上位機部分。

4 系統調試分析

系統調試包括硬件系統調試和系統聯合調試。 由于硬件和軟件是在系統設計期間獨立設計的，所以在硬件完成之前會單獨調試軟件，但沒有在運行軟件的情況下調試硬件。

4.1 硬件系統調試分析

從站主要負責利用各種傳感器采集工業廢氣數據，然后再將采集到的工業廢氣數據傳輸到主站上，方便主站實時顯示有效的數據，并且能夠將數據傳輸到計算機上供用戶實時查看[10]。調試從站系統硬件電路時：首先，查閱相關數據，使用Altium Designer軟件繪制從站系統原理圖；然后，按照電路原理圖焊接電路，用萬用表仔細檢查焊接電路板是否有虛焊或開路、短路等；最后，給從站系統供電。供電時要注意電源的正極和負極要正確連接。從站系統上電后，根據設計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計要求正常工作后，再進行下一步的系統聯合調試。

4.2 系統聯合調試分析

首先上電，觀察電源指示燈是否顯示，啟動從站的OLED模塊顯示系統界面。系統啟動后，從站中OLED12864模塊將循環顯示空氣質量信息[11]。如果未插入nRF24L01模塊，OLED12864模塊將在系統自檢時顯示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的核心，其調試工作非常重要。

主系統連接到主機后，主系統上電。首先，可以觀察主站中LCD12864模塊顯示系統的啟動界面。在系統啟動后，LCD12864模塊將循環顯示收到的空氣質量信息[11]。如果nRF24L01模塊未插入，LCD12864模塊將在系統自檢時顯示nRF24L01模塊未連接，提醒用戶檢查nRF24L01模塊是否已插入。如果主系統不接收從站數據，LCD12864模塊將顯示“未接收”。

從以上調試結果可以看出，本文設計的工業廢氣排放質量監測系統基本實現了收集、無線傳輸、監測和評估空氣質量信息的功能。

5 結論

本文設計的工業廢氣排放質量監測系統由從站系統和主站系統組成。該系統體積小，重量輕，攜帶方便，便于實時測量和顯示工業廢氣排放監測點的空氣質量。主站系統可以接收和顯示從站系統發回的各種空氣質量監測數據，以便研究人員查看和比較數據。通過這些數據，可分析工業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對措施。該系統的功耗較低，大大延長了使用時間，節省了系統的維護成本。本研究降低了成本，打開了市場，可以廣泛地應用在現代工廠的廢氣研究中。