Page 89 - 《橡塑技术与装备》2020年21期（11月上半月橡胶）

产品与设计 水生宏·基于单片机橡胶车间空气粉尘浓度检测仪的设计

用按键控制。电源通过降压装置达到 5V，再通过按键  M w 
− C
I = I  ∑ Q ( m,, λ d )  (2)
来控制单片机，进而使单片机发出方波，方波通过灰 O exp  = i d 1 1 
1
尘传感器，经过这个传感器的检测，可以检测出所在 上式： C=3L/(2ρ)，C 对于所测得粉尘来说是常数；
地的橡胶车间空气中粉尘的浓度，橡胶车间空气中粉 粉尘颗粒粒径的分层数用 M 来表示。由公式 2 得：
尘的浓度可以通过现实装置来显示出来，查看是否超 I M w
ln 0 = ∑ 1 Q (λ ,m ,d ) (3)
出一定值，超出的话发出报警信号。 I i= 1 d 1 1
在入射光为单色光时可以得到式 3。对应入射光
1 粉尘浓度检测仪的硬件原理 采用多波长的每一波长的 λ i ，都会有一个相对应的式 3，
1.1 粉尘浓度检测仪的功能和技术指标 因此得到方程 ：
在显示屏上可以直接显示出所测得的当前的粉尘 E=TW (4)
浓度 ；当所测得的浓度超过一定值时，系统会发生报 上式消光列向量 ： E=[ln(I o /I) 1 ，ln(I o /I) 2 ，……
T
警。 ln(I o /I) M ] ，能由 I 0 和 I 测得 ：
所测地的环境温度 ： 0~70 ℃ ；测量误差 ： ±5% ； T=(t ij ) M ≥ N (5)
电压输入范围 ： 0~5V。 上式中 T 表示的是消光系数矩阵。可以通过计算
1.2 粉尘的检测原理 机算出 T 中的每个元素。t ij =Q(λ i , m, d 1 )/d 1 。W=(W 1 ,
T
本文所采用的是电容法，它是将通过一定的方法 W 2 ........W M ) 代表着粉尘浓度的分布情况。W 及粉尘
或者仪器采集到的含有灰尘的橡胶车间空气通过一装 的总质量浓度利用公式 4 便可得到。很容易看出，在
置的滤膜，装置上的滤膜会捕捉到橡胶车间空气中的 多波长减弱光的测尘中，要得到总的粉尘浓度是通过
粉尘，这样就可以利用光学的原理测得粉尘的粒径 [4] 。 测得各种粒径粉尘的质量浓度来实现的，所以可以准
如果使用光学原理测量的话，有两个原理会被用 确地随时展现出粉尘分布的影响 [10] ，我们可以利用此
到， 朗 伯 特 - 比 尔 (Lambert-Beer) 定 律 和 米 (Mie) 使其达到更高精度的测量成为了可能。在这基础上，
理论。本文打算采用光学原理的检测方法，这种检测 测量粉尘浓度的时候，还能一起检测粉尘的粒度分布
方法比较方便简单，误差比较小，符合我们设计的要 ( 分散度 )。
求，方法就是浊度发 [5] 。朗伯特 - 比尔定律是根据测 信号幅值 U 是根据粉尘颗粒具有的散射特性确定
定一束光通过被测介质后出现的光强比，来确定粉尘 的，并且通过最小粒径潜质输出端输出的 [11] 。事先要
的浓度 [6] 。因为当一束光通过物质后，会产生散射以 设置好格挡的电平，每个直径档定义为 0.1 μm。使用
及出现其他的吸收，而使光强发生减弱的现象 [7] 。 其中的一种作为测试的标准。
由于当光照射到粉尘颗粒上时，粉尘颗粒会对光 1.3 系统硬件设计框图
进行散射和吸收，这样就会导致光强发生变化，光的 单片机构成本系统重要的主控部分，形成各种控
强度发生减弱 [8] 。因此，要得到入射光和出射光之间 制信号并接收外部操作指令，进行着很重要的信息处
的关系，利用上面现象将一束平行光照射到需要检测 理，以及完成记录的各种信息 [12] 。A/D 转换、按键的
的均匀分布粉尘浓度的区域，再利用定律，就可以得 输入、 LCD 显示电路是系统的外围电路。如图 1 所示。
到 [9] ：
I=I oexp (-Q . N . A . L)=I oexp [-3QWL/(2 ρd)] (1)
式中 ： Q— 消光系数，它的大小和粉尘颗粒直径
d、入射光波长 λ 以及粉尘物质折射率 m 相关，一些
专用算法程序和 Mie 理论可以用来计算。N— 粉尘密
2
3
度，mg/m ； A— 粉尘颗粒的截面积，µm ； d— 直径，
3
µm ； W— 粉尘的质量浓度，mg/m ； ρ 代表粉尘的质
3
量密度，mg/m 。如果设一种分布的粉尘颗粒半径为
d 1 /2，w 1 为浓度。则 ：
图 1 硬件电路结构框图

年
2020 第 46 卷 ·37·