一种基于嵌入式技术的静电粉尘在线监测系统研究和实现

摘 要：针对工业粉尘浓度需要实时监控的问题，提出了一种基于静电感应技术和嵌入式技术的在线粉尘监测系统设计方案；该方案有效地利用静电感应原理实现了对静电荷的测量，以及利用嵌入式芯片的软硬件设计实现了信号处理，完成了粉尘浓度的测量及显示；该系统在灵敏性，可靠性以及可维护性均具有一定的优势，具有很大的实用性和推广性。

关键词：粉尘浓度；静电感应；嵌入式；C8051F060；μC/OS-Ⅱ

1 引言

随着现代工业的快速发展和公共环境保护意见的不断增强，工业粉尘的排放越来越受到人们的关注。粉尘是悬浮在空气中的同体微粒，工业粉尘主要指在工业生产中由于物料的破碎、筛分、堆放、转运、燃烧或其他机械处理而产生的固体微粒[1]。工业粉尘对环境，对人体都有很强的危害性，主要表现在由于粉尘积累和变化，使空气中粉尘浓度逐渐增加，导致城市上空能见度普遍下降，发生粉尘引起的爆炸事件也有着上升趋势；另外如果人长期吸入一定量的粉尘，粉尘在肺内逐渐沉积，使肺部产生进行性、弥漫性的纤维组织增多，出现尘肺病。针对这一状况，国家对工业粉尘排放浓度制订了相关标准，严格控制粉尘浓度。因此，为了进行有效的除尘和降尘以确保人身安全和提高环境质量，如何及时准确地对工业现场粉尘浓度进行监测就成了我们必须面对的一个问题。

目前，世界各国对粉尘浓度的测量技术都做了大量研究，研制了一系列粉尘监测仪器，如粉尘采样器、直读式测尘仪、粉尘浓度传感器等。本文介绍一种基于静电感应和嵌入式技术的在线粉尘监测系统，该系统在灵敏性，可靠性以及可维护性均具有一定的优势，在传统的布袋除尘系统中完全可以替代人工检漏，并能实时显示当前粉尘浓度，具有很大的推广性。

2 静电荷测量原理

任何粉体状的物质在气力的输送过程中，都会产生碰撞和磨擦，因此粉体粒子都会失去电子而形成带正电荷的粒子和颗粒，随浓度的变化及粉体流速的变化，其电荷量也按一定规律变化。粉尘颗粒所带的电荷形成静电场。利用静电感应原理即可测得静电场的大小及变化，通过信号处理，即可显示气固两相中粉体浓度的数量值。

3 静电粉尘在线监测系统硬件实现

静电粉尘在线监测系统硬件主要由信号检测和控制器两大单元组成。其中，信号检测单元主要完成静电的感应，放大以及整流等工作，以保证输出4～20MA标准电流信号。而控制器单元主要功能是接收电流信号，完成数据的采集，显示以及向中心传输数据的功能。系统硬件结构图如图1所示。

3.1 信号检测单元

信号检测单元主要实现电荷的收集和放大，最终输出4～20mA标准电流信号。电荷放大器采用LMC6081芯片，LMC6081是一种低电压放大器，它采用4.5V～15V直流电压供电，最低输入可达150uV，输出可达20mV，是一种应用比较广泛的低电压放大器。在二级放大电路中，采用的是OP177。

3.2 核心处理器的选择

控制中心模块选用C8051F060单片机，它是美国Cygnal公司推出的完全集成混合信号片上系统型MCU。C8051F060单片机采用与8051兼容的专利内核CIP-51，速度高达25MIPS，并具有59个数字I/O引脚、5个16位通用定时器、6个带有捕捉/比较模块的可编程定时器/计数器阵列。同时，片内还集成了2个12位DAC、3个电压比较器、看门狗定时器，VDD监视器和温度传感器。该芯片上集成有64KB的FLASH和4352B内部RAM，以及硬件实现的SPI、SMBus/I2C和2个UART串行接口，还集成了CAN总线控制器。最重要的是，C8051F060单片机还有两个16位、1Msps的ADC，在高精度数据采集系统中使用C8051F060单片机无需外扩ADC转换芯片，这使得采用C8051F060单片机具有开发相对简单，费用低廉、可适用于工业现场数据采集等特点。

3.3 外部接口电路设计

外部接口电路主要包括几部分，ADC数据输入电路，DAC输出电路，显示与键盘接口电路以及RS232通信接口电路。ADC数据输入电路主要功能是接受4～20mA电流信号，通过硬件滤波，输入C8051F060单片机进行A/D转换。DAC输出电路的主要功能是将经过A/D转换后的数据换算成浓度值，再将浓度值同过D/A转换，再次还原成4～20mA电流信号，为其他一些设备或者系统提供可靠的粉尘浓度信号。RS232通信接口电路采用MAX3232电平转换芯片，它是连接本地控制器与控制中心的设备，通过RS232总线，实现控制中心与本地控制器之间的数据交换。

4 软件实现

根据系统需要完成的功能，将用户程序划分为几个独立的任务，任务具体划分几任务间关系如图3所示。

各任务间根据实际需要通过μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统的信号量、邮箱以及消息队列的方式进行通信。其中，ADC采集任务中经过A/D转换得到的实时数据，在DAC转换任务中需要将其经过人工处理后再将其转换为4～20mA模拟信号发出供其他设备或系统使用；在LCD显示任务中需要将这些经过转换的数据通过计算，实时的将粉尘浓度显示在LCD屏上；而在RS232任务中，也需要将这些数据定时通过RS232总线上传到控制中心。四个任务同时使用这一组数据，因此使用μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统的信号量来实现数据共享。按键扫描任务在得到当前键盘输入情况后，可以通过邮箱信号将最新键值传送到LCD显示任务中，LCD显示任务通过识别键值来确定当前显示内容；同样键盘可以通过邮箱方式与EEPROM读写任务进行通信，从而完成参数配置的功能。

5 结束语

实践证明，采用静电粉尘在线监测系统，可是实时，准确的得到粉尘浓度信息，为有效的防尘和除尘提供了可靠的依据，对环境保护有着巨大的作用。这种在线粉尘监测系统，可以根据不同的应用领域作出不同的功能扩展，可广泛用于冶金、电力、化工、制药、食品加工、建材、木材加工等布袋除尘系统的检漏。

参考文献

[1]申丽，张殿.工业粉尘及其性质[J].金属世界，1997.