基于单片机的粉尘监控报警系统研究

肖 强，徐 冬，王晓超，万在红，李翔文

（1.南昌航空大学 信息工程学院，江西 南昌 330063；2.南昌工学院，江西 南昌 330108）

基于单片机的粉尘监控报警系统研究

肖 强1，徐 冬2，王晓超1，万在红1，李翔文1

（1.南昌航空大学 信息工程学院，江西 南昌 330063；2.南昌工学院，江西 南昌 330108）

近些年粉尘爆炸事故频发，面粉生产车间首当其冲，考虑到员工的安全，文章设计基于单片机的粉尘实时监控报警系统，减少因粉尘爆炸事故造成的人员伤亡和财产损失，提高生产安全。根据STC89C51单片机的功能结构特点以及粉尘传感器的特点，通过粉尘传感器实时检测厂房粉尘浓度，利用蓝牙模块，可以将检测数据发送到上位机查看，当检测浓度值达到预警值时，开启声光报警，同时启动除尘装置，从而保障生产车间的安全。

单片机；传感器；蓝牙模块

随着工业化程度不断提升，面粉厂的生产量也逐渐加大，提升生产车间的安全将极为重要，尤其是粉尘达到一定浓度容易引起爆炸。现今市面上使用的粉尘浓度监控设备笨重而且价格昂贵，另外，无法及时获取检测数据，需专人看管，当达到报警值时要人为打开除尘装置，效率低。基于上述背景，设计一个基于STC89C51单片机的粉尘实时检测监控装置，使用低成本的粉尘传感器实时监控车间粉尘浓度，本设计成本低、容易推广；检测数据会显示在LCD1602液晶显示屏上，同时保存下来，当使用者需要查看时，通过按键打开蓝牙模块，自动将数据传送到手机上查看，体现了本设计的便利性；最后，本设计将电子自动控制技术引入到预警装置，可以根据不同的生产需求，设置不同的报警值，当超过报警值时，将自动启动声光报警和除尘开关。

1 系统硬件设计

1.1 系统设计总体框架

根据系统的设计要求，系统硬件模块包括：单片机控制模块，采用STC89C51单片机；传感器模块，采用粉尘传感器检测粉尘浓度；无线传输模块，采用蓝牙模块进行数据传送；液晶显示模块，采用LCD1602液晶显示器；A/D转换模块，采用将检测的数据进行模数转换送入单片机；声光报警模块，采用蜂鸣器和LED灯；按键模块，采用矩阵键盘。系统的总体框如图1所示。

图1 系统框

1.2 粉尘传感器模块

夏普GP2Y1010AUOF粉尘传感器是一款通过光学感测的传感器，在没有粉尘或浓度非常低的时候，传感器输出电压为最大值，当粉尘浓度在0.1 mg/m3时，输出电压会发生变化[1]。激光发生器发出的平行光照射到粉尘上时，粉尘的散射光强度与其质量浓度成正相关，光电转换器将该散射光转换成光电流，光电流积分电路将其转换成与散射光强成正比的光电脉冲数[2]。根据不同的输出电压脉冲模式可以区分出粉尘和其他颗粒物，传感器电路如图2所示，LED接STC89C51单片机P0.5口，传感器输出Vo接AD输入通道，其余接电源线。

图2 粉尘传感器电路

1.3 AD转换模块

本模块主要是将粉尘传感器输出的模拟电压通过AD芯片进行模数转换送入单片机处理，执行相应的功能。因51单片机IO口有限故采用串行AD模块，AD7890是一款8通道12位串行A/D转换器，转换时间较快为9.5 μs左右，低功耗，信噪比较高（大于70 dB）[3]。将传感器的输出接入一个输入通道，单片机通过接口启动A/D转换。AD7890芯片与单片机的连接线路如图3所示。

图3 AD7890连接线路

1.4 蓝牙无线传输模块

蓝牙技术是一种低功耗、高速率的无线数据传输技术，采用了跳频技术，相比其他工作在2.4 GHz频段上的系统，蓝牙跳频更快，数据包更短，使得蓝牙系统更稳定[4]。本模块使用的是主从一体式的HC-05蓝牙模块，如图4所示，该模块采用蓝牙2.0技术，无线收发射频率2.4 GHz，空中波特率达2.0 Mbps，数据收发通过UART串口收发，供电电压在3.1～4.2 V。HC-05蓝牙模块有两种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式。在自动连接的工作模式下模块有3种角色：主、从和回环，并且在该模式下模块会自动根据事先设定的方式进行数据传送；在命令响应工作模式下，用户可设定控制参数或发布控制命令[5]；另外，在蓝牙模块外部引脚接入高低电平，能够动态转换蓝牙模块的工作状态。蓝牙模块通过串口与单片机连接（即蓝牙模块的RXD引脚接单片机的P3.1口，TXD引脚接P3.0）。

图4 蓝牙模块

1.5 声光报警模块

本模块由蜂鸣器电路模块和LED发光电路组成，当粉尘传感器检测到粉尘浓度值超过预警值时，声光报警模块开始工作，单片机P0.6口输出一定频率的方波，通过三极管驱动蜂鸣器工作，从而蜂鸣器发出响声，如图5所示。单片机P0.7接LED发光模块，当触动报警信号时，P0.7口按一定频率输出低电平使LED灯闪烁。当粉尘传感器检测的粉尘浓度值低于下限值时，声光报警模块停止工作。

图5 声光报警电路

1.6 键盘模块

本模块由4×4矩阵键盘构成，通过不同的键值实现不同的功能。按键功能有：报警值的设定键、数字键、确定键和取消键，实现报警值的设定；启动蓝牙模块按键，实现蓝牙发送数据。根据键盘的设定，使用者可利用其完成相应的功能。键盘模块接入STC89C51单片机的P2口，电路连接如图6所示。

图6 矩阵键盘电路

1.7 液晶显示模块

本模块采用的是LCD1602液晶显示器。LCD1602是一款5×7点阵图形来显示字符的液晶显示器，可以显示两行，每行16个字符，相当于32个LED数码管，显示信息较多[6]。LCD1602在显示过程中拥有恒定的背光，高画质，低功耗，并且LCD1602与单片机的接口可靠，操作方便。LCD1602的数据端口D0～D7连接到单片机的P1口，数据/命令选择端口RS接P3.4口，使能端E接P3.5口，电路如图7所示。

图7 LCD1602连接电路

2 系统软件设计

本次软件设计共分为6部分，主要包括系统初始化程序设计，初始化程序由各个模块配置及定时中断初始化组成；键盘程序设计；LCD1602液晶显示程序设计[7]；AD采样中断程序设计；蓝牙无线传输程序设计；声光报警程序设计等。系统主程序流程如图8所示，中断子程序如图9所示。

3 结语

本系统结合电子自动化和无线传输技术设计了一个基于单片机的粉尘监控报警系统，成本较低，容易推广。应对不同的生产需求，用户可以通过键盘设定不同的报警值，还可以通过手机蓝牙接收数据查看，十分方便，当检测浓度值高于报警值时，会自动报警并开启除尘装置，提高了效率，实用性强，大大避免了车间粉尘爆炸事故的发生。

图8 主程序流程

图9 中断程序流程

[1]孙滨，姜传林，陈元勇.基于光学粉尘传感器的车载空气净化装置设计[J].电子技术，2013（4）：77-79.

[2]季康乐.利用光散射原理的低成本粉尘传感器的应用[J].山东工业技术，2015（7）：147.

[3]汤楠，李明.AD7890型串行数/模转换器与51系列单片机的接口设计[J].国外电子元器件，2006（8）：4-7.

[4]张燕红.蓝牙技术在智能家居中的应用[D].北京：北京工业大学，2003.

[5]陈钢.基于Android的智能家居蓝牙控制系统设计[J].智能建筑与智慧城市，2016（9）：50-51.

[6]赵亮.跟我学51单片机（七）—LCD1602液晶显示模块[J].电子制作，2011（7）：74-77.

[7]林嘉.基于89S52的LCD1602程序设计[J].电脑知识与技术，2012（26）：6376-6378.

Study on dust monitoring and alarming system based on single chip microcomputer

Xiao Qiang1, Xu Dong2, Wang Xiaochao1, Wan Zaihong1, Li Xiangwen1
（1.Information Engineering School of Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 2.Nanchang Institute of Science&Technology, Nanchang 330108, China）

In recent years, the dust explosion accidents are frequent, especially flour production workshop. Taking into account the safety of employees, the dust real-time monitoring and alarming system based on single chip microcomputer was designed in this paper, used to prevent casualties and property damage caused by dust explosion, improved production safety. According to the function and characteristics of STC89C51 single chip microcomputer and dust sensors, dust sensor real-time detection of plant dust concentration, the use of Bluetooth module, the test data can be sent to the host computer to view, when the detection concentration reaches the warning value, sound and light alarming module will alarm and start the dust removal device, thus ensuring the safety of the production workshop.

single chip microcomputer; sensor; Bluetooth module

肖强（1995— ），男，江西赣州人。