可调节粉笔粉尘测量仪的研制

宋帅 张朔 薛伟

摘 要：文章提供一种集粉尘接收、粉尘指标检测、数据显示和数据储存功能为一体的可调节粉笔粉尘测量仪，其应用机械电子控制技术、传感器技术以及通信技术，利用光电传感器、单片机和A/D转换器。此测量仪具备高效、便携的特点，为实时监测及数据储存分析大大的提高了工作效率。在相对封闭的空间内、半开放式空间内的实时监测等方面有着很好的应用前景。

关键词：粉笔粉尘测量仪；传感器；单片机

中图分类号：TM934.73 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）11-0027-02

Abstract： This paper provides a kind of adjustable chalk dust measuring instrument which integrates dust receiving， dust index detection， data display and data storage functions. It applies mechanical and electronic control technology， sensor technology and communication technology. Using photoelectric sensors， single chip computers （SCM） and A/D converters. This measuring instrument has the characteristics of high efficiency and portability， which greatly improves the working efficiency for real-time monitoring and data storage and analysis. Thus it has a good prospect in the field of real-time monitoring in closed space and semi-open space.

Keywords： chalk dust measuring instrument； sensor； single chip microcomputer （SCM）

引言

教学使用粉笔不可避免的会有粉尘的产生，这种粉尘的颗粒直径较大，造成粉尘污染。用现代的传感器测试技术对粉尘进行性质研究，是目前相关领域专家们普遍研究的内容。石林雄[1]等通过测量石英晶体谐振频率等，计算出粉尘浓度，并对加热器等控制来满足测量条件，保证测量准确度。胡倩[2]等通过实时检测粉尘颗粒，进一步优化算法，从而实现对大气环境下粉尘颗粒浓度的准确测量。本文主要研制一种对像粉笔粉尘这种相对较大颗粒进行检测的仪器，采用光电传感器、AT89S51单片机以及24位精度的A/DS1232转换器，具有可实时监测，实时分析显示的优点，并用于实验条件下，同时需要根据测试地点的条件，对粉尘接收口装置进行设计使其可调整。

1 系统硬件设计

可调节粉笔粉尘测量仪由两部分组成，柱体中心结构和旁支运动结构。其中柱体中心结构主要为数据采集、分析和显示以及电源、清洁模块，旁支运动结构主要为可调节运动的收集模块和粉尘检测数据生成模块。其主要组成部分有光电传感器、AT89S51单片机、A/D转换器、放大电路、发送电路、电源、以及LCD显示屏。该系统的设计思路为：旁支运动机构的导尘口进行粉尘的收集，内部的光电传感器进行粉尘检测从而产生模拟电信号，经放大电路和A/D转换器传输给的柱体中心的能够处理数字信号的AT89S51型号单片机，单片机接收综合性信息并对数据进行分析整理、分类，然后通过数据线传输给LCD显示模块在接收其主界面上。

1.1 光电传感器

光电传感器将光线发射装置、光敏感区和光接收探测装置集与一体。光线发射装置采用红外发光二极管，粉笔粉尘具有相对较大的径级，而红外检测系统的激励光源，最大直径3.1mm，最大截止波長5μm，采用全玻璃外壳封装，增加了入射光强度，并且在光源后配置的反光镜能有效地将发散的光以平行光束的形式发射出去，可以有效的对粉笔粉尘进行检测，最后经过气室到达红外探测器件上，起到了增强探测器的输出信号的作用。

1.2 AT89S51单片机

可调节粉笔粉尘测量仪在经过光电传感器检测粉尘后将产生模拟电信号，为了可以最后以数字的形式呈现给使用者，需要经放大滤波电路后传递给单片机进行数据处理。可调节粉笔粉尘测量仪选用AT89S51型单片机为核心部件，可以将光电传感器中硅电池产生的模拟电信号快速转换成数字信号，同时又可以快速完成数字信号从单片机到LCD显示模块，完成数据显示。

1.3 LCD显示模块

可调节粉笔粉尘测量仪需要显示粉尘的浓度，本文采用LCD显示屏，它主要原理是通过电流刺激液晶分子产生点、线、面与侧面照明装置相配合构成显示界面。同时具有以下优点：它更省电、不产生高温、花蜜那柔和不伤眼。本文采用的用于数据显示的显示屏是点阵式液晶显示器ACM12864。它由于驱动器、列驱动器和128×64全点阵液晶显示屏组成。LCD的驱动电压范围是3～6V，以适应单片机的5V电压为工作电压。

1.4 系统硬件相应指标

外形尺寸：外挂爪部12cm×12cm×24cm；显示仪尺寸：10cm×6cm×3cm；连接杆：6cm；回应时间0.5min；工作温度：15～40℃；工作电源：5v。

2 系统的软件设计

可调节粉笔粉尘测量仪的整体运行依靠相关主程序运行模块和从程序运行模块，其中主程序运行模块负责初始化子程序、粉尘检测子程序、传递数据子程序、液晶显示子程序，从程序运行模块负责报警程序、数据储存程序和响应程序。主运行程序主要用于各子程序相关信息的设定及通信处理；初始化程序包括通信初始化、采集累计数据初始化和输出端口初始化；粉尘检测子程序包括红外发光二极管通/断电子程序、光源探测器电信号输出子程序；液晶显示子程序主要完成测量数据的收集、读取与显示。从程序是对主程序服务的，工作要同时进行，如果工作过程中出现中断，从程序会自动诊断故障原因，且在发现中断时，主程序会及时想从程序发送信号，从程序以最快速度做出响应。

3 可調节粉笔粉尘测量仪的整体结构及实施方案

可调节粉笔粉尘测量仪包括粉尘检测装置、数据处理装置、数据显示装置和粉尘清洁装置。

通过有限元分析技术（CAE），对设计的可调节粉笔粉尘测量仪进行运动仿真分析，建立起各零部件的仿真模型，得出合理的各零部件运动和结构的参数。本测量仪可以进行实时的检测和数据分析、显示、储存的功能。整体结构的设计分为柱体中心结构和旁支运动结构。其中柱体中心结构主要为数据采集、分析和显示以及电源、清洁模块，旁支运动结构主要为可调节运动的收集模块和粉尘检测数据生成模块。

为了实现便携、高效、准确的性能，本测量仪的技术方案是提供了一种如下粉尘检测装置，其特征在于，包括粉尘实时监测、显示、存储功能。其机构主要为：粉尘接收装置、数据处理装置、数据显示装置和粉尘清洁装置。其主要呈圆柱外挂四只爪形，爪部主要为粉尘接收装置及粉尘清洁装置，粉尘接收装置由导尘口、粉尘通道、光电传感器（激光源、凸镜1、凸镜2···），清洁装置由过滤膜组成，导尘口位于粉尘通道的上部，光电传感器位于粉尘通道内部，其外部整体结构如图1所示。其主体主要有数据处理装置、数据显示装置和连接装置三部分，数据显示装置位于圆柱体的顶端的上部，数据处理装置位于圆柱体内，其中圆柱柱身是两层中空结构，内部为电线铺置提供合理空间，为了爪部的转动，爪部和圆柱柱身的连接通过金属轨道和塑料伸拉器，实现导通电路，并且安全、便捷的转动爪部。风扇安装在柱身的底部。

粉尘自粉尘检测装置的导尘口进入粉尘通道，粉尘经粉尘通道中的光电传感器检测后落入粉尘清洁装置，粉尘清洁装置由过滤网膜组成，其作用是吸收粉尘，防止阻塞风扇。粉尘检测装置的变向导电装置和塑料伸拉器连接到机构中心柱体上。变向导电装置由金属导轨和导电环两部分组成。金属导轨连接系统总电源，导电环与粉尘检测装置连接，金属导轨和导电环两者衔接后导通电量，实现传电。粉尘检测装置的核心是光电传感器，由激光源、输入准直器和光源接收器组成，光线由激光源射出，经输入准直器进入测量区域，最后进入光源接收器进行数据处理。

4 结束语

粉笔在大部分学校的使用中依旧不可或缺，且使用量相当庞大。但是在使用的过程中会产生大量的粉尘，使得周围空气中漂浮一定的粉笔粉尘。本研究针对粉笔粉尘这种颗粒的性质，利用机械电子控制技术、传感器技术以及通信技术，旨在研制出一种集快速收集、检测粉尘、实时处理数据并显示数据的动态变化，同时可以根据不同位置进行调节的粉尘测量装置。经实验证明，此测量仪具有良好的收集、测量功能，可以实时监测一定空间内的粉尘浓度，为粉笔使用者提供实时数据，有利于调节室内空气的流速，达到环保健康的要求，是一种可用于实际的比较理想的仪器，在粉尘测量领域中有良好的发展前景。

参考文献：

[1]石林雄.粉尘浓度测量仪[J].计量技术，1996（10）：24-27.

[2]胡倩.基于激光差分探测的粉尘浓度检测技术研究[D].西安工业大学，2014.