便攜式粉塵測試儀的設(shè)計

1、 南 京 理 工 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號：專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器設(shè)計(論文)題目：便攜式粉塵測試儀的設(shè)計指 導(dǎo) 教 師: 2011年 3 月 6 日開題報告填寫要求1開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；2開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標準格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；3“文獻綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫

2、（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻綜述的參考文獻應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊）；4有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標GB/T 74082005數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述一 課題研究的背景粉塵是指在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生并能較長時間懸浮于氣體中的固體顆粒?，F(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展不僅給人類帶來現(xiàn)代化的生活,同時也給自然環(huán)境造成了極大污染,而大氣中懸浮

3、顆粒物的超標是環(huán)境污染中的一個重要方面?？諝庵械膽腋☆w粒物（又稱 “粉塵”）能較長時間懸浮在空氣中。環(huán)境保護部門將空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑10um 的懸浮顆粒稱為可見粉塵。它們在靜止空氣中會快速沉降；空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑10um的懸浮顆粒稱為可吸入顆粒物。這些小粒徑顆粒物能長時間漂浮于空氣中,難以沉降到地面,易被吸入人體呼吸道,且粒徑越小,進入人體呼吸道的位置越深,對人體的危害越大,因而研究大氣粉塵含量的測量方法意義重大1。煤礦粉塵影響礦井安全生產(chǎn)，威脅職工身體健康，是煤礦五大災(zāi)害之一 。在煤礦開采過程中，如鉆眼,爆破，掘井及采煤作業(yè)，頂板管理,煤的裝載運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)，都會產(chǎn)生大量的粉塵。各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的

4、粉塵量的比例大致為：采煤工作面約占 45%8O%。掘進工作面約占2O% 38%。錨噴作業(yè)點約占10%15%，運輸通風(fēng)巷道約占5%10%，其他作業(yè)點約占2%5%。煤礦粉塵危害人體健康，輕者會患呼吸道疾病，重者會患塵肺病；引發(fā)爆炸，煤塵的爆炸濃度下限3050g/m,上 限為10002000gm；降低工作場所的能見度；增加工傷事故的發(fā)生；加速機械磨損【2】。所以研制了一種能實現(xiàn)在線測量,具有自動連續(xù)取樣，實時顯示，體積小，重量 輕，便攜式的粉塵濃度測量儀，對保護環(huán)境，防止大氣污染，具有非常重要的意義。二 便攜式粉塵測試儀的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢2.1.粉塵測試儀的發(fā)展現(xiàn)狀目前，隨著煤礦開采強度和機械化水平

5、的提高，在提高煤炭產(chǎn)量的同時，產(chǎn)塵量和礦井作業(yè)場所的粉塵濃度也大大增加。粉塵給作業(yè)人員和安全生產(chǎn)造成極大危害。粉塵濃度過高可能導(dǎo)致粉塵爆炸。除了煤礦安全規(guī)程對各作業(yè)場所的粉塵檢測、粉塵治理以及粉塵有關(guān)指標做了明確規(guī)定外，國家煤礦安全監(jiān)察局于2003年還相繼頒布了3個法規(guī)，對粉塵的危害防治都有相關(guān)條文規(guī)定。因此， 對作業(yè)場所的粉塵檢測顯得尤為重要。目前，對粉塵監(jiān)測方法有過濾稱重法，x射線衍射法，光學(xué)分光鏡法，散射光法，壓電天平法，射線粉塵測量法和光透法4。此外該儀器也已廣泛應(yīng)用于糧食加工、 制藥、 環(huán)境檢測、 粉塵治理等行業(yè)。其中某些粉塵濃度的測量方法如下：1）射線粉塵測量儀系統(tǒng)的工作原理一般射

6、線粉塵測量儀系統(tǒng)，由射線探測、粉塵采樣、信號處理與單片機(微處理器)系統(tǒng)組成。源采用一般C，射線由GM計數(shù)器(探測器)探測，用濾膜夾將待測濾膜置于放射源與計數(shù)器之間進行測量。所得脈沖信號經(jīng)過放大成形后，經(jīng)單道脈沖幅度分析器分析，選擇對應(yīng)射線幅度的電壓脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖信號。數(shù)字脈沖信號的計數(shù)由單片機(微處理器)系統(tǒng)實現(xiàn)。該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理、顯示，并通過其鍵盤和LCDLED顯示器實現(xiàn)人機對話，滿足參數(shù)設(shè)置與粉塵濃度測量結(jié)果輸出，即濾膜重量(mg)及粉塵濃度測量數(shù)據(jù)， 可以自動顯示在單片機(微處理器)系統(tǒng)的液晶或發(fā)光二極管顯示器上。射線粉塵測量儀系統(tǒng)的工作流程，可分為三個具體步驟：(1)首先

7、， 透過空白濾紙樣品介質(zhì)的G射線，由GM 探測器探測。經(jīng)過脈沖信號放大成形與單道脈沖幅度分析器后，由單片機(微處理器)系統(tǒng)分析處理，并記錄透過空白濾紙樣品介質(zhì)B射線的強度。(2)在空白濾紙樣品測量過程的同時，由單片機(微處理器)系統(tǒng)控制的抽氣泵系統(tǒng)，以恒定流量通過采氣氣路抽入一定量的被采樣空氣，其氣體中顆粒不斷吸附在被測濾紙樣品面上，其吸附量與控制采樣抽氣時問有關(guān)。(3)經(jīng)過一定的采樣抽氣時間后，對吸附氣體顆粒(粉塵)的被測濾紙樣品的探測、處理，與透過空白濾紙樣品介質(zhì)I3射線強度的測量過程相同。射線粉塵測量儀通過以上過程達到空氣中粉塵濃度測量目的，是基于G射線吸收法的基本原理。射線吸收法的基本

8、原理為： 射線通過介質(zhì)層時，由于介質(zhì)層的吸收作用，其射線強度將會減弱，減弱程度與介質(zhì)層的質(zhì)量厚度(單位面積上介質(zhì)質(zhì)量)有關(guān)，其減弱關(guān)系在一定范圍內(nèi)大致遵從指數(shù)衰減規(guī)律，如式(1)所示。假設(shè)質(zhì)量m的粉塵均勻分布在面積A上，即存在：ln(n0n)=( )d (1)式中：d = mA (mgcm2 )，是粉塵的表面質(zhì)量；n0，n分別代表采樣粉塵前后，計數(shù)器每分鐘以電流脈沖方式所記錄下來的粒子數(shù)，這個脈沖計數(shù)率表征了放射穿透強度；()是質(zhì)量衰減系數(shù)，該系數(shù)是介質(zhì)層衰減系數(shù)與介質(zhì)層密度的比值，受粉塵粒子化學(xué)成分的影響，與電子密度有關(guān)。對于射線粉塵測量儀使用的特定場所來說，該系數(shù)是個常值，因此由式(1)得

9、到粉塵的絕對質(zhì)量表達式(2)，即：m=A(/)ln（n0/n） (2)式中：m是粉塵的絕對質(zhì)量，單位mg；A為粉塵分布的表面積，單位cm2。粉塵絕對質(zhì)量m和氣體采樣體積Q的比值，就是粉塵濃度C，關(guān)系式(3)所示：C= mQ (3)2）光散射技術(shù)粉塵測試儀的原理理論和實驗研究表明， 在粉塵性質(zhì)一定的條件下，粉塵的散射光強度與其質(zhì)量濃度成某種比例關(guān)系。粉塵濃度測量儀正是依據(jù)這一理論進行設(shè)計，它以懸浮顆粒物（粉塵）在光束中產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象為原理，直接準確測量空氣中懸浮顆粒物的相對質(zhì)量濃度根據(jù)光散射原理，當(dāng)塵埃顆粒的半徑r小于光的波長入時滿足:I=9Hcos2R24-0+20022NV2I0式中V=4

10、r33；N 為單位體積內(nèi)的粒子數(shù)；為空氣中的介電常數(shù)；0為真空中的介電常數(shù)；為散射角；R為光敏感區(qū)到光電轉(zhuǎn)換器的距離；r為粒子的半徑；I0為入射光強；為光源的波長；H為與測量系統(tǒng)幾何尺寸有關(guān)的一個常數(shù)。顯然, 在某一測量系統(tǒng)中，0 ，R，H，IO 可以認為是常數(shù)，由于進行質(zhì)量濃度測量時， 塵埃顆粒是數(shù)顆一起通過光敏感區(qū)，,因此在入射光強保持不變的情況下，散射光強I與V,N相關(guān)。3）光透法粉塵測試儀的原理采用光透法的便攜式粉塵測試儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計中引入了消光度概念。令E=，根據(jù)伯朗公式：T=e，lnT=2.3lgT，故：C= (4) 式中:C為粉塵濃度；X為測光光程；K為衰減系數(shù)

11、。由式（4）可知，光強的衰減量與粉塵濃度成反比，根據(jù)對光強衰減量的測量間接測得被測區(qū)域的粉塵濃度4。光源光 電轉(zhuǎn) 換電 路單片機信 號調(diào) 理電 路A/D轉(zhuǎn) 換電 路報警電路鍵 盤LCD顯示計 算 機圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖目前,國內(nèi)外大多采用基于光射原理和光透原理的直讀式粉塵濃度測量儀，可快速準確得到測量結(jié)果。而我國許多環(huán)保部門目前仍采用 “濾膜采樣-稱重法”測量粉塵濃度,即通過測量采集一定體積空氣后濾膜重量的變化來得到空氣中粉塵濃度，這是一種間接測量方法。雖然重量法作為粉塵測量的最常見的方法，測量的精度較高，是粉塵測量的標準方法。但該法還是存在如下缺點:1）滿足不了自動，連續(xù) ，無人操作以及數(shù)據(jù)的

12、自動記錄和傳輸?shù)男枰?) 測量時間長，每張濾膜采樣時間一般需要數(shù)小時； 3)準確性差，有時甚至出現(xiàn)負值現(xiàn)象，這是因為濾膜重量極易受環(huán)境濕度、溫度和人為因素影響；4)測量過程復(fù)雜，程序多，測量結(jié)果不直接； 5)采樣器體積和重量大，不宜攜帶工作效率低。x射線衍射法只能檢測大氣中游離的二氧化硅，不能進行全面檢測。壓電天平法以及其它一些粉塵濃度測試方法雖然能夠及時測得生產(chǎn)現(xiàn)場的粉塵濃度，但精度均不高，尤其國產(chǎn)儀器誤差較大。2.2粉塵測試儀的發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和快速發(fā)展，現(xiàn)代粉塵測試儀的發(fā)展更傾向于：體積小巧，現(xiàn)場操作方便，成本低，測量準確，測量快速，穩(wěn)定性，功能多樣化 ,顯示，計算，分析

13、，打印全部過程自動化的一系列優(yōu)點。三 本課題研究的目的和意義本課題-便攜式粉塵測試儀的設(shè)計的選題充分結(jié)合了實際工程應(yīng)用，完成便攜式粉塵濃度測試儀的設(shè)計，課題所涉及到的工程技術(shù)等一系列的問題具有一定的通用性和實用性，對鍛煉學(xué)生的綜合素質(zhì)以及在大學(xué)期間所學(xué)習(xí)的書本知識有著很大的幫助。通過此次的畢業(yè)設(shè)計能充分的讓學(xué)生從前期的資料查詢與收集，再到中途的程序的設(shè)計、編程以及最后階段的程序調(diào)試等各方面進行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，了解更多工程方面的技術(shù)問題和實際應(yīng)用方面的東西，拓寬同學(xué)們書本以外的知識面，使學(xué)生能夠更親切的感受到書本與實際的差別，不斷提高理論與實踐的能力，提高綜合運用基礎(chǔ)理論知識，解決工程設(shè)計問題

14、的能力。在工業(yè)上粉塵給作業(yè)人員和安全生產(chǎn)造成極大危害。粉塵濃度過高可能導(dǎo)致粉塵爆炸。便攜式粉塵測試儀的研制可以方便的對粉塵濃度超標的作業(yè)場所及時提出整改意見，有效地保證作業(yè)人員的人身安全。同時便攜式的粉塵濃度測量儀，對保護環(huán)境,防止大氣污染，具有非常重要的意義。四結(jié)束語采用光透法的便攜式粉塵測試儀是根據(jù)光透法原理，通過對硬件電路和軟件接口程序的設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)功能。便攜式粉塵測試儀可以方便地對作業(yè)場所進行抽查檢測, 顯示粉塵濃度， 對粉塵濃度超標的作業(yè)場所及時提出整改意見， 有效地保證作業(yè)人員的人身安全。測試儀具有成本低，攜帶，操作方便等特點。通過日后的進一步設(shè)計使其向小型化便攜化高性價比等方

15、面不斷發(fā)展相信會在以后的日常生活中一定會有不錯的應(yīng)用和發(fā)展的。參考文獻1 鄒麗新，季晶晶，湯榮生.基于光散射的小型便攜式粉塵測量儀的研制J.大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報，2008,3(5) : 355-362.2 李宗倫，趙修良等.射線粉塵測量儀在煤礦粉塵濃度監(jiān)測中的應(yīng)用J. 中國礦業(yè)，2010,19（3）：107-109. 3 王雅茹FCY一001型粉塵測試儀的研制J江蘇電器，1998（4）：5-104 焦敬品，張強. 便攜式粉塵測試儀的研制J.儀表技術(shù)與傳感器，2009（4）：29-32. 5 趙新民.智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001.6 李衛(wèi)東, 王連富, 劉道文, 等.

16、 我國煤炭行業(yè)粉塵濃度監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2005( 32 ) : 66- 67.7 鄒昌淇. 控制粉塵危害消除塵肺病J. 職業(yè)與健康, 2001 , 17 ( 12 ) : 1- 2.8 李新光, 董紅光, RADANDT S . 哈特曼裝置上粉塵濃度的測量J. 東北大學(xué)學(xué)報, 2007, 28( 4) : 493- 496.9 龔涵, 陳浩宇. 微弱光信號檢測電路的設(shè)計與實現(xiàn)J. 機械與電子,2007( 27) : 85- 87.10 李潮青. 單片機原理及接口技術(shù)M. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.11 何宏等.單片機原理M.北京：國防工業(yè)出版社

17、，2006.12 周嚴. 測控系統(tǒng)電子技術(shù)M. 北京：科學(xué)出版社，2007.13 吳泉英.數(shù)字式粉塵測試儀中的信號處理J.蘇州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報,1999,12（2）:53-55.14 侯曉霞等.微型計算機原理及應(yīng)用M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.15 崔建國，石劍民.基于光吸收原理的BX型粉塵濃度測試儀的設(shè)計J.沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004,21（5） ：18-20. 16 季晶晶，鄒麗新，湯榮生，徐婷婷.具有自適應(yīng)測量功能的空氣粉塵測量儀設(shè)計J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010,1 ：120-122. 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：本課

18、題的研究對象是便攜式粉塵濃度測試儀，要研究或解決以下幾個問題：1. 它可以方便地用于煤礦開采，磚瓦廠等粉塵作業(yè)場所、也可以用于對大氣環(huán)境的污染情況進行監(jiān)測以及辦公室和某些公共場所的空氣污染程度進行方便快捷的檢測。2. 可以通過外接鍵盤設(shè)定報警閥值并當(dāng)超過預(yù)設(shè)濃度時可以實現(xiàn)聲光報警提示。3. 通過LCD顯示測量濃度。4. 利用基于單片機的主控器、顯示電路、報警電路等總體電路的設(shè)計及編程。本課題主要采用的研究手段為：一粉塵濃度的測量方法有過濾稱重法，射線法，壓電振動法，光散射法，光透法等。對于本課題選用光透法對粉塵濃度進行測量。二. 便攜式粉塵測試儀主要由光電轉(zhuǎn)換，信號調(diào)理，LCD顯示和鍵盤，報警

19、等組成。三系統(tǒng)設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計測試儀硬件電路由不同模塊組成，包括電源模塊，單片機模塊，光電轉(zhuǎn)換模塊，信號調(diào)理模塊，LCD顯示及鍵盤模塊，報警模塊和RS-232通信模塊。3.1.1電源模塊便攜式儀器是低功耗儀器，要求電源模塊的轉(zhuǎn)換效率高且需常見的電源提供的電壓，可以選用DC-DC升壓芯片MAX1678作為電源模塊，他的轉(zhuǎn)換效率高達90%，采用1到2節(jié)常用堿性電池就可以輸出系統(tǒng)所需要的5V電壓。3.1.2單片機模塊 單片機模塊采用AT89S52單片機，它是一款低功耗，高性能的COMS 8位單片機，片內(nèi)含有8KB ISP的可反復(fù)擦寫1000次得Flash制度程序存儲器，器件采用高密度，非易失性

20、存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash 存儲單元。單片機具有32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。3.1.3光電轉(zhuǎn)換模塊光電轉(zhuǎn)換模塊選擇對射式紅外傳感器，把紅外接收二極管接收到的發(fā)光強度信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流，光的強度與強，電流值越大。設(shè)計中，選用IR-333-A作為紅外發(fā)射端，BPW 24R作為紅外接收端。3.1.4信號調(diào)理模塊信號調(diào)理電路包括紅外接收頭輸出電流的電流-電壓轉(zhuǎn)換，電壓信號的放大，濾波和A/D轉(zhuǎn)換。要檢測的是直流弱電信號，頻率比較低，且要求在電流-電壓轉(zhuǎn)換中線性度好，噪聲低。運算放大器選用 OPA244 , 采用 2.236V供電, 它的輸入偏置電流為 nA級, 滿足測量A 級電流的要求。此時, 紅外接收二極管處于零偏狀態(tài), 不存在暗電流,滿足設(shè)計要求, 適合于比較精確的測量。經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換的信號, 輸入到放大電路和A /D轉(zhuǎn)換電路。設(shè)計中,放大芯片選擇 AD8553 , 1. 8 5.0 V 供電, 它是一種由電阻值控制的電壓放大的芯片, A/D 芯片選擇ADS7841 ,它是一款串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 能夠在滿足設(shè)計要求的同時,減少對單片機I