盧群 何東升 董浩 薛玉利 刁廣強(qiáng) 洪亭軒

摘 要：針對(duì)人類所處環(huán)境污染嚴(yán)重，尤其粉塵污染一直威脅人類身心健康的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款由單片機(jī)為核心的空氣粉塵檢測(cè)收集儀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)粉塵濃度的目的。若環(huán)境中的粉塵濃度超出設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，則系統(tǒng)開始工作，如吸收粉塵、回收過(guò)濾處理粉塵、排出過(guò)濾空氣等。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)成本低、安全性高，具有廣闊的市場(chǎng)前景和研發(fā)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);自動(dòng)檢測(cè);回收過(guò)濾;傳感器;沉降;高頻諧振

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）05-00-02

0 引 言

國(guó)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(huì)對(duì)我們產(chǎn)生較大影響，一旦吸入肺部，嚴(yán)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(fā)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(shí)采取措施，便可以有效避免危害。調(diào)查顯示，雖然人們給予粉塵污染足夠的關(guān)注，卻缺少有效措施來(lái)遏制粉塵污染的蔓延與加重。在此行業(yè)背景下，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的空氣粉塵檢測(cè)收集儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有自動(dòng)檢測(cè)粉塵濃度，超出設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)便吸收粉塵，回收、過(guò)濾、處理粉塵，排出過(guò)濾空氣等功能[1-4]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

空氣粉塵檢測(cè)收集儀系統(tǒng)主要由單片機(jī)核心板、光學(xué)粉塵傳感器檢測(cè)模塊、粉塵濃度調(diào)控模塊、空氣智能排氣扇模塊、負(fù)離子發(fā)生模塊、水霧化模塊、活性炭網(wǎng)過(guò)濾模塊等組成。從粉塵發(fā)生的源頭入手，在建設(shè)工地、面粉加工廠、采石場(chǎng)等大型場(chǎng)地進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出一套針對(duì)粉塵進(jìn)行檢測(cè)并施以回收過(guò)濾的系統(tǒng)—空氣粉塵檢測(cè)收集儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)可檢測(cè)周圍環(huán)境空氣中的粉塵濃度，并且根據(jù)檢測(cè)的數(shù)值觸發(fā)系統(tǒng)的收集與過(guò)濾回收功能[5-6]。系統(tǒng)流程如圖2所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)粉塵傳感器檢測(cè)模塊

光學(xué)傳感器的檢測(cè)是根據(jù)紅外線或激光照射粒徑濃度的光散射原理實(shí)現(xiàn)的，空氣自由流過(guò)檢測(cè)裝置，發(fā)射足夠多的光線，光線遇到灰塵會(huì)發(fā)生散射，通過(guò)檢測(cè)經(jīng)過(guò)空氣中的灰塵散射過(guò)后的光線從而判斷灰塵含量。其結(jié)果是，入射光可以通過(guò)測(cè)試場(chǎng)衰減率的相對(duì)濃度來(lái)確定。衰減率線性響應(yīng)的相對(duì)尺寸可相對(duì)于灰塵字段的濃度進(jìn)行測(cè)量。將成比例的光強(qiáng)度和尺寸轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，可以測(cè)量相對(duì)衰減率，因此濃度可在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)粉塵進(jìn)行測(cè)量。

2.2 粉塵濃度調(diào)控模塊

超聲波作為探測(cè)的有力手段，當(dāng)其檢測(cè)到障礙物時(shí)會(huì)及時(shí)反射，距離測(cè)量一般采用回波時(shí)間法，即檢測(cè)超聲波往返所測(cè)距離的時(shí)間，當(dāng)發(fā)射器發(fā)出一個(gè)短脈沖時(shí)，定時(shí)器啟動(dòng);當(dāng)接收器接收到返回脈沖時(shí)，定時(shí)器立即停止。

粉塵濃度調(diào)控系統(tǒng)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(zhuǎn)換功能，具有斷電保護(hù)功能。串行24C02即E2PROM電路由于其具有接口方便、體積小、數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點(diǎn)，可隨時(shí)保存系統(tǒng)設(shè)置的數(shù)據(jù)。運(yùn)用兩個(gè)繼電器，即5 V觸發(fā)繼電器和中間12 V觸發(fā)220 V繼電器，可根據(jù)系統(tǒng)需要隨時(shí)進(jìn)行開關(guān)觸發(fā)。液晶接口可隨時(shí)接收系統(tǒng)檢測(cè)到的外界粉塵信息。

該系統(tǒng)裝有一個(gè)顯示屏，可將檢測(cè)到的外界空氣粉塵濃度顯示于顯示屏上，上方設(shè)定的粉塵濃度可通過(guò)下方兩個(gè)開關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)大小;下方為當(dāng)前空氣中的粉塵濃度。同時(shí)顯示的還有平均標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定粉塵濃度值，該系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)自身的設(shè)置更改平均標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定粉塵濃度值，大小調(diào)節(jié)更加方便，可滿足不同環(huán)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(tǒng)的主要收集裝置，當(dāng)光學(xué)粉塵傳感器檢測(cè)到外界空氣里的粉塵含量濃度大于系統(tǒng)所設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，空氣智能排氣扇自動(dòng)啟動(dòng)。排氣扇置于一個(gè)帶有孔洞的正方體盒中，排氣扇在向排氣管排氣的同時(shí)，外界的粉塵會(huì)隨著風(fēng)從正方體的孔洞進(jìn)入。

2.4 負(fù)離子發(fā)生模塊

負(fù)離子發(fā)生器是一種生成空氣負(fù)離子的裝置，其原理是利用尖端直流高壓產(chǎn)生高電暈增加空氣中的負(fù)離子成分，使空氣帶上凈電荷，負(fù)離子成分能夠吸附塵埃從而起到凈化空氣的作用。負(fù)離子能中和空氣中的正離子，消除靜電及PM2.5，對(duì)人體有較好的保健作用。我們根據(jù)其特點(diǎn)，將其放置在收集粉塵的通道中，讓粉塵更有效的與負(fù)離子結(jié)合，從而達(dá)到沉降的效果。圖3所示為負(fù)離子發(fā)生器結(jié)構(gòu)原理。

2.5 水霧化模塊

水霧化是通過(guò)陶瓷霧化片的高頻諧振，將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打散而產(chǎn)生自然飄逸的水霧。水霧化模塊產(chǎn)生的水霧與來(lái)自排氣管里的空氣混合后，空氣里的粉塵因遇到水霧而發(fā)生沉降。系統(tǒng)有一個(gè)回收盒，盒內(nèi)存儲(chǔ)有一些水用于吸收沉降的大顆粒粉塵。

2.6 活性炭過(guò)濾網(wǎng)模塊

活性炭過(guò)濾網(wǎng)具有活性炭吸附性能好、吸附效率高的優(yōu)點(diǎn)，可用于空氣環(huán)境凈化，去除揮發(fā)性有機(jī)化合物和空氣中的污染物。將水霧化裝置產(chǎn)生的水霧與空氣混合后沉降的粉塵經(jīng)活性炭過(guò)濾網(wǎng)以凈化混合氣體，之后將無(wú)毒無(wú)害的氣體排出。此外，系統(tǒng)還配有重量檢測(cè)裝置，該重量檢測(cè)裝置利用HX711對(duì)模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)由LCD1602液晶顯示，當(dāng)粉塵沉淀超過(guò)一定重量時(shí)，自動(dòng)更換過(guò)濾網(wǎng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的空氣粉塵檢測(cè)收集儀系統(tǒng)能夠檢測(cè)周圍環(huán)境空氣的粉塵濃度，并且根據(jù)檢測(cè)的數(shù)值觸發(fā)系統(tǒng)的收集與過(guò)濾回收功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大型工廠、工地的環(huán)境保護(hù)及工人的生命安全保護(hù)。該系統(tǒng)的功能模塊簡(jiǎn)單，價(jià)格實(shí)惠，并且投資小，收益大，能夠有效對(duì)外界的粉塵濃度進(jìn)行檢測(cè)，并且及時(shí)響應(yīng)，具有較高的利用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]高宇.采掘工作面粉塵防治若干問(wèn)題及對(duì)策研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)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(wèn)題及對(duì)策研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（1）：136.

[3]劉過(guò)兵，王進(jìn)學(xué).綜放工作面綜合防塵技術(shù)研究[J].華北礦業(yè)高等?？茖W(xué)校校報(bào)，1999，31（1）：14-17.

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

[5]李德文，郭勝均.中國(guó)煤礦粉塵防治的現(xiàn)狀及發(fā)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(shù)探究[J].潔凈與空調(diào)技

術(shù)，2019（3）：64-69.

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

[8]黃翔.納米技術(shù)在功能性空氣過(guò)濾材料中的應(yīng)用[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2005（2）：24-26.

[9]朱穎.基于單片機(jī)的室內(nèi)粉塵與異味檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與信息工程，2015（1）：27-40.

[10]馬志剛.基于單片機(jī)的粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（6）：36-38.