基于单片机的空气粉尘检测收集仪系统

卢群 何东升 董浩 薛玉利 刁广强 洪亭轩

摘 要：针对人类所处环境污染严重，尤其粉尘污染一直威胁人类身心健康的问题，设计了一款由单片机为核心的空气粉尘检测收集仪系统，实现了自动检测粉尘浓度的目的。若环境中的粉尘浓度超出设定标准，则系统开始工作，如吸收粉尘、回收过滤处理粉尘、排出过滤空气等。实验表明，该系统成本低、安全性高，具有广阔的市场前景和研发价值。

关键词：单片机;自动检测;回收过滤;传感器;沉降;高频谐振

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）05-00-02

0 引 言

国际上把粒径范围小于75 μm的固体悬浮物定义为粉尘。空气中漂浮的粉尘会对我们产生较大影响，一旦吸入肺部，严重者将患肺炎甚至肺癌。图1所示为2000—2016年吸入粉尘的患病率。2010年2月，河北秦皇岛某有限公司因淀粉发生爆炸，造成19人死亡，49人受伤，由此可见，粉尘在我们的日常生活中也存在极大安全隐患，但如果能够及时采取措施，便可以有效避免危害。调查显示，虽然人们给予粉尘污染足够的关注，却缺少有效措施来遏制粉尘污染的蔓延与加重。在此行业背景下，本文设计了一种基于单片机的空气粉尘检测收集仪系统，该系统具有自动检测粉尘浓度，超出设定标准便吸收粉尘，回收、过滤、处理粉尘，排出过滤空气等功能[1-4]。

1 系统的总体设计

空气粉尘检测收集仪系统主要由单片机核心板、光学粉尘传感器检测模块、粉尘浓度调控模块、空气智能排气扇模块、负离子发生模块、水雾化模块、活性炭网过滤模块等组成。从粉尘发生的源头入手，在建设工地、面粉加工厂、采石场等大型场地进行分析，设计出一套针对粉尘进行检测并施以回收过滤的系统—空气粉尘检测收集仪系统。该系统可检测周围环境空气中的粉尘浓度，并且根据检测的数值触发系统的收集与过滤回收功能[5-6]。系统流程如图2所示。

2 硬件电路设计

2.1 光学粉尘传感器检测模块

光学传感器的检测是根据红外线或激光照射粒径浓度的光散射原理实现的，空气自由流过检测装置，发射足够多的光线，光线遇到灰尘会发生散射，通过检测经过空气中的灰尘散射过后的光线从而判断灰尘含量。其结果是，入射光可以通过测试场衰减率的相对浓度来确定。衰减率线性响应的相对尺寸可相对于灰尘字段的浓度进行测量。将成比例的光强度和尺寸转化为电信号，可以测量相对衰减率，因此浓度可在现场通过粉尘进行测量。

2.2 粉尘浓度调控模块

超声波作为探测的有力手段，当其检测到障碍物时会及时反射，距离测量一般采用回波时间法，即检测超声波往返所测距离的时间，当发射器发出一个短脉冲时，定时器启动;当接收器接收到返回脉冲时，定时器立即停止。

粉尘浓度调控系统由STC12C5A60S2芯片、24C02芯片、USB电路、继电器控制电路、液晶接口、E2PROM电路等

组成。STC12C5A60S2芯片自带A/D转换功能，具有断电保护功能。串行24C02即E2PROM电路由于其具有接口方便、体积小、数据掉电不丢失等特点，可随时保存系统设置的数据。运用两个继电器，即5 V触发继电器和中间12 V触发220 V继电器，可根据系统需要随时进行开关触发。液晶接口可随时接收系统检测到的外界粉尘信息。

该系统装有一个显示屏，可将检测到的外界空气粉尘浓度显示于显示屏上，上方设定的粉尘浓度可通过下方两个开关来调节大小;下方为当前空气中的粉尘浓度。同时显示的还有平均标准设定粉尘浓度值，该系统可通过对自身的设置更改平均标准设定粉尘浓度值，大小调节更加方便，可满足不同环境的使用要求[7-10]。

2.3 空气智能排气扇模块

排气扇为此系统的主要收集装置，当光学粉尘传感器检测到外界空气里的粉尘含量浓度大于系统所设置的标准值时，空气智能排气扇自动启动。排气扇置于一个带有孔洞的正方体盒中，排气扇在向排气管排气的同时，外界的粉尘会随着风从正方体的孔洞进入。

2.4 负离子发生模块

负离子发生器是一种生成空气负离子的装置，其原理是利用尖端直流高压产生高电晕增加空气中的负离子成分，使空气带上净电荷，负离子成分能够吸附尘埃从而起到净化空气的作用。负离子能中和空气中的正离子，消除静电及PM2.5，对人体有较好的保健作用。我们根据其特点，将其放置在收集粉尘的通道中，让粉尘更有效的与负离子结合，从而达到沉降的效果。图3所示为负离子发生器结构原理。

2.5 水雾化模块

水雾化是通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生自然飘逸的水雾。水雾化模块产生的水雾与来自排气管里的空气混合后，空气里的粉尘因遇到水雾而发生沉降。系统有一个回收盒，盒内存储有一些水用于吸收沉降的大颗粒粉尘。

2.6 活性炭过滤网模块

活性炭过滤网具有活性炭吸附性能好、吸附效率高的优点，可用于空气环境净化，去除挥发性有机化合物和空气中的污染物。将水雾化装置产生的水雾与空气混合后沉降的粉尘经活性炭过滤网以净化混合气体，之后将无毒无害的气体排出。此外，系统还配有重量检测装置，该重量检测装置利用HX711对模拟量进行A/D转换，数据由LCD1602液晶显示，当粉尘沉淀超过一定重量时，自动更换过滤网。

3 结 语

本文设计实现的空气粉尘检测收集仪系统能够检测周围环境空气的粉尘浓度，并且根据检测的数值触发系统的收集与过滤回收功能，从而实现对大型工厂、工地的环境保护及工人的生命安全保护。该系统的功能模块简单，价格实惠，并且投资小，收益大，能够有效对外界的粉尘浓度进行检测，并且及时响应，具有较高的利用价值。

参考文献

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