基于虚拟仪器技术的粉尘监测系统设计

刘 智 刘修泉 刘 俊

（佛山职业技术学院 机电工程学院，广东 佛山528137）

0 引言

在国际标准化组织中，将浮在空气中的且粒径小于75μm的固体颗粒称之为粉尘。粉尘颗粒极易通过呼吸道进入人体，会对人的身体造成严重的危害[1]。随着科技的发展，工业以及汽车行业排放的尾气不断增多，致使粉尘污染对人类健康以及环境的破坏程度越来越严重。特别是在各种类型的工矿作业现场中，粉尘超标事件时有发生[2]。工矿业中粉尘超标不仅严重威胁了作业人员的生命及财产安全，还会对环境造成污染。因此，设计出一款能够实时监测空气中粉尘浓度，以及当浓度超标时能够实时报警，并能够将所有数据保存以进行进一步分析的监测系统尤为重要。

虚拟仪器技术是将计算机技术与传统的测量仪器技术进行了结合，是现代测量仪器发展的一个重要的方向[3]。与传统的测量监测仪器相比较，虚拟仪器可以根据用户的需求来自定义功能，当用户的需求发生改变时，可以随时对系统进行功能修改和系统配置，并且在不同系统之间可以进行硬件和软件资源共享。不仅克服了传统仪器功能只能由厂家提前定义且功能固定的缺点，还具有使用周期长、灵活性极高、成本低且可以重复使用等优点[4]。本文提出了基于虚拟仪器技术的粉尘监测系统的设计，首先通过传感器采集粉尘浓度数据，然后通过采集卡将数据传送到计算机，最后利用虚拟仪器的LabVIEW软件实现数据的显示、存储、监测以及报警等功能。

1 粉尘监测系统的整体设计

该粉尘监测系统的整体设计架构如图1所示，主要包括下位机和上位机两个部分的设计。其中，下位机主要通过传感器和串口来实现粉尘浓度数据的实时采集和传送功能。上位机主要通过计算机中装有的LabVIEW 2011软件来实现，主要是对下位机传送过来的数据进行接收和进一步的分析以及处理。其通过波形图和数值显示框来显示测量数据，当粉尘浓度数值超过一定范围时通过LED报警灯实现超限报警，通过波形图和数据存储器实现数据的记录、保存、读取、修改和消除等功能。

图1 粉尘监测系统设计架构

2 系统下位机的设计

2.1 激光粉尘传感器

该系统下位机采用ZH06传感器将环境中待测的粉尘浓度信息转化为电压信号。ZH06是一个小型化、集成化的一个通用的激光粉尘传感器模组，主要利用米氏散射的原理来实现对空气中的粉尘颗粒监测。当颗粒物经过该模块时会产生微弱的光散射，而光散射在特定方向上的波形与颗粒直径有关。首先通过不同颗粒的波形分类统计以及换算可以得到颗粒的大小和数目，然后根据专业算法和检测标定技术得到质量转换公式以及粒径的分布，最终得到标准单位的质量浓度。该传感器包含串口输出和PWM输出两种方式，最小分辨颗粒的直径在0.3μm，不仅精度高，还具有体积小、使用方便、一致性好、数据准确、便于集成、低功耗等优点。

2.2 串口通信

该传感器自带专门的串口接收和发送接口，主要是使用TTL电平来进行数据的输出以及接收，采用了数据传输总线UART转TTL接口的方式来实现传感器和电脑的连接。该串口的通信参照ZH06-UART的协议，波特率为9 600，数据位为8位，停止位为1位，检验位为无，主要采用了异步通信的方式。UART主要是通过采集接收的并行数据转化成串行数据来进行传输。当接收器发现开始位时就知道有数据准备发送。与传统的USB接口以及通过采集卡的方式传输数据的方式相比，该方法具有传输速度快、数据容量大的优点。

3 系统上位机的设计

对于系统的上位机平台，采用软件LabVIWE 2011进行编写。LabVIEW是用图标来代替文本代码来创建程序的一种图形化编程语言，提供了很多外观与万用表、示波器等传统仪器类似的控件，可以很方便地创建各种用户界面[5]。本文通过利用软件编程来设计清晰的人机交互界面，并且实现数据的采集、处理、显示、存储、报警以及历史数据清除等功能。该检测系统的组成结构图主要由串口配置、参数设置、采集数据显示、分析数据显示、报警、按键控制这六大模块组成，主要通过程序框图和前面板的设计两个部分来完成。

3.1 串口配置模块

串口配置模块主要是通过前面板选择串口号，设置波特率、数据位、停止位和检验位。设置好参数之后，在程序框图中利用NI-VISA编程接口进行串口配置，在通信成功后再发送数据流，以此来实现对下位机的传感器的驱动，并让串口和计算机成功进行连接以实现上位机和下位机之间数据的传送和接收。

3.2 参数设置模块

参数设置模块主要是设置报警限值和采样间隔。报警限值的设定不是固定唯一的，需要根据长期数据的统计结果、国家的环境指标以及自动控制原理等综合确定的，主要包括下限值和上限值两个部分的设置。采样间隔根据需要采集样本的点数和总共采集时间来决定。如果要实现单次采集，可以通过设定采样间隔时间来实现。

3.3 采集数据显示模块

对于通过串口通信读取过来的数据，在LabVIEW前面板上主要是通过数据显示控件来显示当前测量浓度，以及通过波形显示控件来显示某一个时间段的数据波形图和曲线。该模块主要包含PM2.5和PM1.0两类粉尘浓度数据的显示。其程序框图的设计主要是对串口读取过来的数据进行转换，将接收到的十六进制数转换成十进制数据之后，通过转换公式转换成浓度值，然后再将数据送往相应的显示控件进行显示。

3.4 数据分析显示模块

数据分析显示模块前面板部分主要通过数值显示控件来显示计算出的平均值、最大值以及最小值。其程序框图主要通过将要计算的数据存入存储器，然后通过数据计算模块存储器的数据将求得最大值、最小值以及平均值后，将计算结果送入对应的数据显示控件。

3.5 报警模块

报警模块主要通过按键和LED灯实现控制，当按键打开且粉尘浓度值超过设定的阈值时，达到报警标志位，使报警灯会点亮，同时粉尘浓度数据与报警信息将一并打包发送给存储部分。

3.6 按键控制模块

按键模块主要包括开始采集、清除波形和退出3个按键。当运行程序选择开始运行时，系统将开始运行并显示系统能够正常运行。当选择历史数据清除控件时，所有数值显示模块所有的控件将清空。当选择退出按键时，系统会通过退出主程序While循环来停止程序的运行并提示是否退出系统。

3.7 前面板的设计

该粉尘监测系统的前面板设计如图2所示，在参数模块将各类参数设置好之后，系统通过开始采集按钮给下位机发送命令，下位机在通信成功接到命令后，开始采集粉尘浓度数据，并通过串口传送给上位机。上位机接收的数据之后将会在对应模块实现数据处理、分析、显示和报警等功能。

图2 粉尘监测系统的前面板设计

4 结语

由于生活水平的提高，人们对环境状况的关注度越来越高，对粉尘浓度的监测需求越来越大，对监测系统的要求也越来越高。本文提出基于虚拟仪器的粉尘监测系统设计，通过传感器、计算机和软件平台实现了粉尘浓度的采集、处理、显示、报警等功能。本设计是基于虚拟仪器技术，解决了传统仪器监测粉尘浓度的设备过于笨重且不够灵活的缺点，不仅集成度高，还可随时根据不同用户的要求和目的来增减功能，具有灵活多变、使用方便的优点。但是本文介绍的系统功能还可以进一步拓展和优化，比如在今后的研究中加入远程监控、数据库的链接等功能，以便于该系统的进一步推广。