基于单片机的粉尘检测报警防护系统研究

摘要：粉尘检测是环境保护的重要环节，传统的粉尘检测防护系统的预防方式较为单一。本文设计了一种基于单片机的粉尘检测报警防护系统，能有效地检测粉尘浓度，进行多种方式的报警防护，以保证工作人员的生命健康和安全。当检测的粉尘浓度为中度时，通过继电器控制风扇转动，浓度过高时，蜂鸣器报警，开启定点喷雾，降低粉尘浓度。适用于面粉厂、米粉厂、木材加工和油漆喷涂等企业生产现场对粉尘浓度的检测和防护等。

关键词：粉尘浓度；浓度检测；报警防护

0 引言

随着工业化进程的不断推进，一段时期内空气污染也愈加严重。粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒，是空气质量的重要指标之一，其中直径为 10μm 的颗粒物能进入呼吸道，甚至进入肺泡导致心肺病和心血管等疾病。粉尘作为病菌的载体，容易在空气中传播疾病。工厂中的部分粉尘携带有毒物质，人们长期呼吸或者散落在皮肤上易诱发癌变。由此可见粉尘对人体健康有很大的影响 [1] 。近几年，国内发生了多起由于粉尘浓度过高导致爆炸的重大安全事件，给工作人员和安全生产造成了极大的危害。目前很多粉尘产生企业，尤其是与日常生活相关的小型面粉厂、米粉厂、木材加工厂和油漆厂等对此不够重视，没有安装相关的粉尘检测装置，存在安全隐患。

随着单片机的发展，它具有体积小、性价比高和功能强大等特点，单片机已经作为主控元件应用到粉尘浓度检测中。现有粉尘检测装置主要是应用单片机、信号采集，信号处理，数字显示以及对参数的控制和设置等几部分构成。但是，很多粉尘检测装置在多功能保护预防措施方面不够重视。很多粉尘检测装置的预防方式较为单一，通过蜂鸣器和发光二极管进行报警提示，缺乏更加智能、有针对性的预防措施。通过向室外排放粉尘的方式，可能会对环境造成一定的影响，往往造成损失。

设计了基于单片机的智能粉尘检测报警防护系统，能有效地检测粉尘浓度，进行报警防护，以保证工作人员的生命健康和安全。主要用于检测环境中的粉尘浓度，适用于面粉厂、米粉厂、木材加工和油漆喷涂等企业生产现场对粉尘浓度的检测、防护和对大气粉尘的检测调查等。

1 系统硬件设计

本系统是由主控电路、信号采集装置、按键输入、显示装置、报警器和防护装置组成的。其中单片机作为主控电路进行信息处理和控制，GP2Y1010AU0F 作为粉尘浓度采集装置，按键作为信息输入装置，LCD1602 作为显示装置，蜂鸣器和三色发光二极管作为报警装置，风扇和电控喷雾作为防护装置。GP2Y1010AU0F 是一种光学粉尘浓度传感器，通过检测空气中粉尘折射后的光线来判断粉尘浓度。GP2Y1010AU0F 与ADC0809 相连采集浓度信息，而 ADC0809 与单片机的 P1.0、P1.1 和 P1.3 端子相连将浓度信息转换为数字信号并由单片机进行处理。LCD1602 与单片机的 P0 口、P2.5 和 P2.6 端子相连显示设定的粉尘超限值和实际浓度。三个按键分别与单片机的 P3.4、P3.5 和 P3.6 端子相连以设定粉尘浓度超限值，其中，与 P3.4 相连的按键作为设置键，与 P3.5 相连的按键作为增加键，与 P3.6 相连的按键作为减少键。红黄绿三色发光二极管分别与单片机的 P2.2、P2.1 和 P2.0 端子相连以表示粉尘浓度的重度、中度和轻度三种状态。蜂鸣报警器与单片机的 P2.2 相连进行浓度过高报警。风扇和喷雾通过继电器控制，而两个继电器分别与单片机的 P2.4 和 P2.3 端子相连。本装置还有一个小功率换气扇可以灵活使用，在电源两端留有一个连接口，如果将换气扇接在连接口处，本装置接通电源即可运转。

2 系统软件设计

单片机作为主控电路，对粉尘浓度和按键进行信息处理，对发光二极管、报警器和继电器等进行控制，同时可以与电脑进行数据通信。应用 Keil uVision4 软件进行编程，它操作方便，有大量的库函数和强大功能的调试工具。而且编程使用的 C 语言是一种高级程序设计语言，它的流程控制结

构规范。本系统采用结构化的程序设计方法进行编程，根据模块功能编写子函数，这样可以使应用系统的程序结构更加清晰，易于调试和改进。系统主要有以下程序模块：浓度超限值的键盘设定程序、经 A/D 转换的粉尘浓度采集信号处理程序、LCD1602 显示程序、发光二极管、蜂鸣器和继电器的控制程序。其中，键盘程序通过定时器中断扫描判断有没有按键按下，去抖动，确定按键键号等。为了可以实时观察粉尘的浓度值，采用定时器 T0 中断每隔 0.5 秒读取一次经 ADC0809 转

换的浓度信息，也就是每 0.5 秒更新一次采集到的实际浓度值，并在 LCD1602 进行浓度刷新，然后通过比较采集到的浓度值和设定值进行声光报警和继电器控制。

3 工作原理

本系统不仅采用了声光报警装置，红色发光二极管代表超标，黄色为中度，绿色为安全，当浓度超过最高超限值时，蜂鸣器报警。而且也采用了多种方式的防护措施，当浓度为中度时通过继电器控制风扇转动，当浓度过高时通过继电器不仅控制风扇转动，还控制定点喷雾，双重保护，最大限度的降低粉尘浓度。如果车间内长期粉尘浓度过高，可根据实际情况将一个小功率换气扇接在电源两端预留的连接口处，多重保护降低粉尘浓度。

当电源开关打开后，通过键盘与单片机的 P3.4、P3.5和 P3.6 端子设定粉尘浓度超限值，粉尘传感器采集粉尘浓度信息，通过 ADC0809 将粉尘浓度信号转换成二进制数字信号，并上传到单片机，单片机将检测到的粉尘实际浓度显示在 LCD1602 显示屏上，并与设定粉尘浓度值进行比较。当检测到的浓度值低于设定值 1 时，单片机 P2.0 端子输出低电平，绿色二极管导通发光，表示粉尘浓度正常；当检测到的浓度值高于设定值 1 并且低于最高浓度超限值时，P2.1 端子输出低电平，黄色二极管导通发光，表示粉尘浓度为中度，但是浓度仍处于安全范围，此时 P2.2 为低电平，三极管处于饱和状态，集电极为高电位，继电器线圈得电，触点动作吸合，使继电器外接端子 1、2 接通，从而使连接在 1、2 端子的风扇得以接通。此时风扇开始工作，降低粉尘粉尘。反之，当 P2.4为高电平，三极管处于截止状态，集电极为低电位，继电器线圈失电，无法接通连接在 1、2 端子的风扇。当检测到的浓度值高于最高超限值时，P2.2 端子输出低电平，红色二极管导通发光，蜂鸣报警器鸣叫，表示粉尘浓度过高，此时 P2.3 和P2.4 为低电平，三极管处于饱和状态，集电极为高电位，继电器线圈得电，触点动作吸合，使继电器外接端子 1、2 接通，从而使连接在 1、2端子的风扇和喷雾得以接通。此时风扇转动、喷射雾状水，降低粉尘浓度。