便携式粉尘测试仪的设计.doc

南 京 理 工 大 学 毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：专 业：测控技术与仪器设计(论文)题目：便携式粉尘测试仪的设计指 导 教 师: 2011年 3 月 6 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述一 课题研究的背景粉尘是指在生产过程中产生并能较长时间悬浮于气体中的固体颗粒。现代工业的迅速发展不仅给人类带来现代化的生活,同时也给自然环境造成了极大污染,而大气中悬浮颗粒物的超标是环境污染中的一个重要方面。空气中的悬浮颗粒物（又称 “粉尘”）能较长时间悬浮在空气中。环境保护部门将空气动力学当量直径10um 的悬浮颗粒称为可见粉尘。它们在静止空气中会快速沉降；空气动力学当量直径10um的悬浮颗粒称为可吸入颗粒物。这些小粒径颗粒物能长时间漂浮于空气中,难以沉降到地面,易被吸入人体呼吸道,且粒径越小,进入人体呼吸道的位置越深,对人体的危害越大,因而研究大气粉尘含量的测量方法意义重大1。煤矿粉尘影响矿井安全生产，威胁职工身体健康，是煤矿五大灾害之一 。在煤矿开采过程中，如钻眼,爆破，掘井及采煤作业，顶板管理,煤的装载运输等各个环节，都会产生大量的粉尘。各环节产生的粉尘量的比例大致为：采煤工作面约占 45%8O%。掘进工作面约占2O% 38%。锚喷作业点约占10%15%，运输通风巷道约占5%10%，其他作业点约占2%5%。煤矿粉尘危害人体健康，轻者会患呼吸道疾病，重者会患尘肺病；引发爆炸，煤尘的爆炸浓度下限3050g/m,上 限为10002000gm；降低工作场所的能见度；增加工伤事故的发生；加速机械磨损【2】。所以研制了一种能实现在线测量,具有自动连续取样，实时显示，体积小，重量 轻，便携式的粉尘浓度测量仪，对保护环境，防止大气污染，具有非常重要的意义。二 便携式粉尘测试仪的现状及其发展趋势2.1.粉尘测试仪的发展现状目前，随着煤矿开采强度和机械化水平的提高，在提高煤炭产量的同时，产尘量和矿井作业场所的粉尘浓度也大大增加。粉尘给作业人员和安全生产造成极大危害。粉尘浓度过高可能导致粉尘爆炸。除了煤矿安全规程对各作业场所的粉尘检测、粉尘治理以及粉尘有关指标做了明确规定外，国家煤矿安全监察局于2003年还相继颁布了3个法规，对粉尘的危害防治都有相关条文规定。因此， 对作业场所的粉尘检测显得尤为重要。目前，对粉尘监测方法有过滤称重法，x射线衍射法，光学分光镜法，散射光法，压电天平法，射线粉尘测量法和光透法4。此外该仪器也已广泛应用于粮食加工、 制药、 环境检测、 粉尘治理等行业。其中某些粉尘浓度的测量方法如下：1）射线粉尘测量仪系统的工作原理一般射线粉尘测量仪系统，由射线探测、粉尘采样、信号处理与单片机(微处理器)系统组成。源采用一般C，射线由GM计数器(探测器)探测，用滤膜夹将待测滤膜置于放射源与计数器之间进行测量。所得脉冲信号经过放大成形后，经单道脉冲幅度分析器分析，选择对应射线幅度的电压脉冲信号转变为数字脉冲信号。数字脉冲信号的计数由单片机(微处理器)系统实现。该系统对数据进行处理、显示，并通过其键盘和LCDLED显示器实现人机对话，满足参数设置与粉尘浓度测量结果输出，即滤膜重量(mg)及粉尘浓度测量数据， 可以自动显示在单片机(微处理器)系统的液晶或发光二极管显示器上。射线粉尘测量仪系统的工作流程，可分为三个具体步骤：(1)首先， 透过空白滤纸样品介质的G射线，由GM 探测器探测。经过脉冲信号放大成形与单道脉冲幅度分析器后，由单片机(微处理器)系统分析处理，并记录透过空白滤纸样品介质B射线的强度。(2)在空白滤纸样品测量过程的同时，由单片机(微处理器)系统控制的抽气泵系统，以恒定流量通过采气气路抽入一定量的被采样空气，其气体中颗粒不断吸附在被测滤纸样品面上，其吸附量与控制采样抽气时问有关。(3)经过一定的采样抽气时间后，对吸附气体颗粒(粉尘)的被测滤纸样品的探测、处理，与透过空白滤纸样品介质I3射线强度的测量过程相同。射线粉尘测量仪通过以上过程达到空气中粉尘浓度测量目的，是基于G射线吸收法的基本原理。射线吸收法的基本原理为： 射线通过介质层时，由于介质层的吸收作用，其射线强度将会减弱，减弱程度与介质层的质量厚度(单位面积上介质质量)有关，其减弱关系在一定范围内大致遵从指数衰减规律，如式(1)所示。假设质量m的粉尘均匀分布在面积A上，即存在：ln(n0n)=( )d (1)式中：d = mA (mgcm2 )，是粉尘的表面质量；n0，n分别代表采样粉尘前后，计数器每分钟以电流脉冲方式所记录下来的粒子数，这个脉冲计数率表征了放射穿透强度；()是质量衰减系数，该系数是介质层衰减系数与介质层密度的比值，受粉尘粒子化学成分的影响，与电子密度有关。对于射线粉尘测量仪使用的特定场所来说，该系数是个常值，因此由式(1)得到粉尘的绝对质量表达式(2)，即：m=A(/)ln（n0/n） (2)式中：m是粉尘的绝对质量，单位mg；A为粉尘分布的表面积，单位cm2。粉尘绝对质量m和气体采样体积Q的比值，就是粉尘浓度C，关系式(3)所示：C= mQ (3)2）光散射技术粉尘测试仪的原理理论和实验研究表明， 在粉尘性质一定的条件下，粉尘的散射光强度与其质量浓度成某种比例关系。粉尘浓度测量仪正是依据这一理论进行设计，它以悬浮颗粒物（粉尘）在光束中产生的光散射现象为原理，直接准确测量空气中悬浮颗粒物的相对质量浓度根据光散射原理，当尘埃颗粒的半径r小于光的波长入时满足:I=9Hcos2R24-0+20022NV2I0式中V=4r33；N 为单位体积内的粒子数；为空气中的介电常数；0为真空中的介电常数；为散射角；R为光敏感区到光电转换器的距离；r为粒子的半径；I0为入射光强；为光源的波长；H为与测量系统几何尺寸有关的一个常数。显然, 在某一测量系统中，0 ，R，H，IO 可以认为是常数，由于进行质量浓度测量时， 尘埃颗粒是数颗一起通过光敏感区，,因此在入射光强保持不变的情况下，散射光强I与V,N相关。3）光透法粉尘测试仪的原理采用光透法的便携式粉尘测试仪的系统框图如图1所示，系统设计中引入了消光度概念。令E=，根据伯朗公式：T=e，lnT=2.3lgT，故：C= (4) 式中:C为粉尘浓度；X为测光光程；K为衰减系数。由式（4）可知，光强的衰减量与粉尘浓度成反比，根据对光强衰减量的测量间接测得被测区域的粉尘浓度4。光源光 电转 换电 路单片机信 号调 理电 路A/D转 换电 路报警电路键 盘LCD显示计 算 机图1 系统结构框图目前,国内外大多采用基于光射原理和光透原理的直读式粉尘浓度测量仪，可快速准确得到测量结果。而我国许多环保部门目前仍采用 “滤膜采样-称重法”测量粉尘浓度,即通过测量采集一定体积空气后滤膜重量的变化来得到空气中粉尘浓度，这是一种间接测量方法。虽然重量法作为粉尘测量的最常见的方法，测量的精度较高，是粉尘测量的标准方法。但该法还是存在如下缺点:1）满足不了自动，连续 ，无人操作以及数据的自动记录和传输的需要。2) 测量时间长，每张滤膜采样时间一般需要数小时； 3)准确性差，有时甚至出现负值现象，这是因为滤膜重量极易受环境湿度、温度和人为因素影响；4)测量过程复杂，程序多，测量结果不直接； 5)采样器体积和重量大，不宜携带工作效率低。x射线衍射法只能检测大气中游离的二氧化硅，不能进行全面检测。压电天平法以及其它一些粉尘浓度测试方法虽然能够及时测得生产现场的粉尘浓度，但精度均不高，尤其国产仪器误差较大。2.2粉尘测试仪的发展趋势随着科学技术的不断进步和快速发展，现代粉尘测试仪的发展更倾向于：体积小巧，现场操作方便，成本低，测量准确，测量快速，稳定性，功能多样化 ,显示，计算，分析，打印全部过程自动化的一系列优点。三 本课题研究的目的和意义本课题-便携式粉尘测试仪的设计的选题充分结合了实际工程应用，完成便携式粉尘浓度测试仪的设计，课题所涉及到的工程技术等一系列的问题具有一定的通用性和实用性，对锻炼学生的综合素质以及在大学期间所学习的书本知识有着很大的帮助。通过此次的毕业设计能充分的让学生从前期的资料查询与收集，再到中途的程序的设计、编程以及最后阶段的程序调试等各方面进行系统的学习和训练，了解更多工程方面的技术问题和实际应用方面的东西，拓宽同学们书本以外的知识面，使学生能够更亲切的感受到书本与实际的差别，不断提高理论与实践的能力，提高综合运用基础理论知识，解决工程设计问题的能力。在工业上粉尘给作业人员和安全生产造成极大危害。粉尘浓度过高可能导致粉尘爆炸。便携式粉尘测试仪的研制可以方便的对粉尘浓度超标的作业场所及时提出整改意见，有效地保证作业人员的人身安全。同时便携式的粉尘浓度测量仪，对保护环境,防止大气污染，具有非常重要的意义。四结束语采用光透法的便携式粉尘测试仪是根据光透法原理，通过对硬件电路和软件接口程序的设计，实现了系统功能。便携式粉尘测试仪可以方便地对作业场所进行抽查检测, 显示粉尘浓度， 对粉尘浓度超标的作业场所及时提出整改意见， 有效地保证作业人员的人身安全。测试仪具有成本低，携带，操作方便等特点。通过日后的进一步设计使其向小型化便携化高性价比等方面不断发展相信会在以后的日常生活中一定会有不错的应用和发展的。参考文献1 邹丽新，季晶晶，汤荣生.基于光散射的小型便携式粉尘测量仪的研制J.大气与环境光学学报，2008,3(5) : 355-362.2 李宗伦，赵修良等.射线粉尘测量仪在煤矿粉尘浓度监测中的应用J. 中国矿业，2010,19（3）：107-109. 3 王雅茹FCY一001型粉尘测试仪的研制J江苏电器，1998（4）：5-104 焦敬品，张强. 便携式粉尘测试仪的研制J.仪表技术与传感器，2009（4）：29-32. 5 赵新民.智能仪器设计基础M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001.6 李卫东, 王连富, 刘道文, 等. 我国煤炭行业粉尘浓度监测技术的现状及发展趋势J. 矿业安全与环保, 2005( 32 ) : 66- 67.7 邹昌淇. 控制粉尘危害消除尘肺病J. 职业与健康, 2001 , 17 ( 12 ) : 1- 2.8 李新光, 董红光, RADANDT S . 哈特曼装置上粉尘浓度的测量J. 东北大学学报, 2007, 28( 4) : 493- 496.9 龚涵, 陈浩宇. 微弱光信号检测电路的设计与实现J. 机械与电子,2007( 27) : 85- 87.10 李潮青. 单片机原理及接口技术M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2003.11 何宏等.单片机原理M.北京：国防工业出版社，2006.12 周严. 测控系统电子技术M. 北京：科学出版社，2007.13 吴泉英.数字式粉尘测试仪中的信号处理J.苏州城建环保学院学报,1999,12（2）:53-55.14 侯晓霞等.微型计算机原理及应用M.北京：化学工业出版社，2007.15 崔建国，石剑民.基于光吸收原理的BX型粉尘浓度测试仪的设计J.沈阳航空工业学院学报，2004,21（5） ：18-20. 16 季晶晶，邹丽新，汤荣生，徐婷婷.具有自适应测量功能的空气粉尘测量仪设计J.现代电子技术，2010,1 ：120-122. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题的研究对象是便携式粉尘浓度测试仪，要研究或解决以下几个问题：1. 它可以方便地用于煤矿开采，砖瓦厂等粉尘作业场所、也可以用于对大气环境的污染情况进行监测以及办公室和某些公共场所的空气污染程度进行方便快捷的检测。2. 可以通过外接键盘设定报警阀值并当超过预设浓度时可以实现声光报警提示。3. 通过LCD显示测量浓度。4. 利用基于单片机的主控器、显示电路、报警电路等总体电路的设计及编程。本课题主要采用的研究手段为：一粉尘浓度的测量方法有过滤称重法，射线法，压电振动法，光散射法，光透法等。对于本课题选用光透法对粉尘浓度进行测量。二. 便携式粉尘测试仪主要由光电转换，信号调理，LCD显示和键盘，报警等组成。三系统设计3.1系统硬件设计测试仪硬件电路由不同模块组成，包括电源模块，单片机模块，光电转换模块，信号调理模块，LCD显示及键盘模块，报警模块和RS-232通信模块。3.1.1电源模块便携式仪器是低功耗仪器，要求电源模块的转换效率高且需常见的电源提供的电压，可以选用DC-DC升压芯片MAX1678作为电源模块，他的转换效率高达90%，采用1到2节常用碱性电池就可以输出系统所需要的5V电压。3.1.2单片机模块 单片机模块采用AT89S52单片机，它是一款低功耗，高性能的COMS 8位单片机，片内含有8KB ISP的可反复擦写1000次得Flash制度程序存储器，器件采用高密度，非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash 存储单元。单片机具有32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。3.1.3光电转换模块光电转换模块选择对射式红外传感器，把红外接收二极管接收到的发光强度信号转换为相应的电流，光的强度与强，电流值越大。设计中，选用IR-333-A作为红外发射端，BPW 24R作为红外接收端。3.1.4信号调理模块信号调理电路包括红外接收头输出电流的电流-电压转换，电压信号的放大，滤波和A/D转换。要检测的是直流弱电信号，频率比较低，且要求在电流-电压转换中线性度好，噪声低。运算放大器选用 OPA244 , 采用 2.236V供电, 它的输入偏置电流为 nA级, 满足测量A 级电流的要求。此时, 红外接收二极管处于零偏状态, 不存在暗电流,满足设计要求, 适合于比较精确的测量。经电流-电压转换模块转换的信号, 输入到放大电路和A /D转换电路。设计中,放大芯片选择 AD8553 , 1. 8 5.0 V 供电, 它是一种由电阻值控制的电压放大的芯片, A/D 芯片选择ADS7841 ,它是一款串行模数转换器, 能够在满足设计要求的同时,减少对单片机I/O口的占用。通过滑阻器调整输出的电压值, 考虑到 A /D转换器的参考电压为5 V, 因此将AD8553输出的最大电压设置为 5 V。3.1.5 LCD显示及键盘模块该粉尘测试仪是便携式仪器,它的功耗也是主要考虑的问题, 在显示方面采用功耗较低的 LCD显示, LCD1602字符型液晶显示模块可以显示两行,每行 16个字符。采用单+5V 电源供电, 外围电路配置简单, 具有很高的性价比。3.1.6报警模块报警电路采用声光报警,当被测区域的粉尘浓度高于设定值时, 报警电路被激活, 红色发光二极管闪烁10s并且蜂鸣器发出连续报警声。当工作状态正常且粉尘浓度低于设定值时, 绿色发光二极管常亮.3.1.7 RS-232通信模块为了保存更多粉尘浓度的历史数据,加入了 RS- 232串口通信模块, 它可以将实地测得的粉尘浓度数值上传到计算机中, 从而节省仪器的存储空间, 采用 MAX232作为电平转换芯片, 它只需+5V电压供电。3.2系统软件设计软件采用模块化设计，包括1个主模块和5个子模块，子模块分别为A/D转换模块，LCD显示模块，按键模块，报警模块和通信模块。主模块主要的工作是对各处理子模块进行初始化，并且调用子模块。主程序流程图如下图1所示。关键的子模块是A/D转换模块和LCD显示模块。开 机LCD初 始 化主 机 命 令测试浓度报警值设置数据传播LCD显示图1主程序流程图毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日