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引言
在一些工业与制造场合，往往会产生大量的粉尘以及多种有害气体，这对于现场的工作人员的危害是巨大的。例如在一些大型电机车间设备在运转过程中电机整流子与电刷磨合时产生大量碳粉附着在电机上，由于碳粉具有导电性，所以在电机组装后必须将碳粉用压缩空气吹净，致使作业现场的空气中有害粉尘浓度增高，污染较大，直接影响机器设备的检修质量。若不彻底清除碳粉，就会导致电机的绝缘性能降低，严重时引起电机环火、放炮以至于机车在行驶过程中产生严重事故。同时工人在此环境下工作，很有可能导致呼吸道狭窄、肺活量减少或呼吸困难，长期下去可引起尘肺病，对人造成近期和远期的危害[1]。
应当看到，目前在收尘技术方面，与其他工程学科相比，其学术基础还是比较薄弱的、虽然规定了一些设计规范，但是往往不能准确预测所选用的收尘装置的最终性能。因此在国外迄今仍很重视设计前的模型试验和安装后维护管理和定期测试监督，并加强收尘装置制造厂商与使用单位的配合，以求设备达到最理想的收尘效果，想来就是由于对收尘技术的特有规律认识不足，同时对错综复杂的因素考虑和掌握得不充分的缘故。因此对工业生产现场粉尘治理进行深入、全面的、系统的研究，设计出合理的、高效的综合治理方案，是目前亟待解决的问题，具有十分重要的意义[2]。
1 总体设计方案及各模块设计
本系统以单片机为核心，构造了一个应用于工业现场的粉尘净化控制系统。带有粉尘的空气进入系统后经过滤芯过滤，从出口排出后就成为符合人体健康的标准空气。系统通过调节直流电动机的转速，实现对于空气进入系统速度的控制。通过人机接口键盘可以实现开机、关机以及对空气进入系统速度的调节，速度有0～9 共10 挡可供设置，其中0 档为最低，9 档为最高。液晶模块动态显示当前速度及有关信息[3]。
主要分电动机控制、压差信号采集与处理、键盘输入、液晶显示模块等4 个部分，其系统总框图所示。
1.1 单片机控制模块
要实现 A/D 转换、PWM 信号输出、键盘信号捕捉等功能，需要一个功能齐全、速度较快的微控制器。MCS-8051 系列单片机虽然可以外接ADC 等芯片来实现所需功能，但这无疑增加了成本。因此，选用Microchip 公司PIC 系列的中档单片机PIC16F877[4]。如为PIC16F877 单片机共40 引脚，33 个I/O 口，CPU 具有8KB 的FLASH、368B 的RAM、256B 的EEPROM，外围模块有三个定时器，一个8 通道10 位ADC、两个CCP(捕捉、比较、脉宽调制)模块，有SPI 和I2C 接口以及串行通信(USART)接口，其丰富的资源可以满足该系统的需求[4]。
设计的单片机电路如所示，单片机选用20MHz 晶振源，采用简单的上电RC 复位。RA0 口作为压差采集信号的输入端，RE0 作为蜂鸣器控制端口，CCP1 设置成PWM 信号输出，RB1，RB2,RB4,RB5 用作连接矩阵键盘的端口。整个RD 端口与液晶模块的8 位数据总线相连，RC0,RC1,RC5,RC6,RC7 分别连接液晶模块的RS,R/W,E,CS1,CS2 控制端口。
为了便于在各种场合下使用，系统电源采用220V 市电输入，经变压器降压、整流、滤波后，通过7812 和7805 稳压管稳压得到供传感器、蜂鸣器使用的+12V 电源，以及与单片机、运放、液晶模块使用的+5V 电源，系统电源如所示。
1.2 压差信号采集模块
由于滤芯使用时间较长后会被粉尘堵塞，因此需要系统自动对此发出提示。当系统正常工作时，由于空气流动，内部与大气压会产生一定压差，若滤芯堵塞，则压差会变小，所以选用传感器检测目标气压与大气压之差，通过控制压差从而达到目的。传感器的输出信号很微弱，需要运放进行放大[7]。放大后的模拟信号经A/D 转换器转换为数字信号传送到单片机内部，单片机随即与设定的压差值进行比较，若压差值与设定值存在较大误差，单片机则驱动蜂鸣器报警，说明被控对象出现了故障。压差信号测量范围在0～4kPa 之间。经实验，电动机最大转速时系统内部与大气压之差为4kPa[5]。
压差传感器选用Freescale 公司的MPXV2010DP，测量压差范围为0～10kPa,该传感器对于压差变化反应灵敏，能够根据压差线性地输出对应的电压值。扩散硅压阻式(简称硅压阻) 压力传感器是压阻式压力传感器中最成熟的技术,它利用扩散硅电阻率的压敏效应,构成惠斯登电桥的四个扩散硅电阻传感器通过压力接口感受被测介质的压力信号,并将其传送给敏感芯片。芯片上的扩散硅电阻感受到压力作用后桥臂电阻发生相应的变化, 在激励电源的作用下,传感器电阻的变化也就转变成了电信号的变化,设计专用的信号电路,将独立的两个压力信号差值转换成标准的电信号输出。
1.3 信号处理模块
得到压差的电压值后，需要进一步对信号进行处理。系统压差变化在0-4kPa 之间。由于信号很微弱，直接采集的信号精度很差，因此需要对信号进行进一步放大。加放大器对信号进行处理时，传感器的输出就成为放大器的信号源，但是传感器的等效内阻有可能随输出信号变化而变化，所以放大器的输入电阻要尽量大。另外，MPXV2010DP 输出的差模信号很微弱，其两个引脚的共模信号要远大于差模信号，外界稍有干扰，共模信号就很可能产生波动将差模信号湮没，因此还要求放大器具有较强的抑制共模信号的能力[6]。
采用仪用放大器能够很好的解决上述问题。仪用放大器可以直接使用IC，也可以用通用运放搭建而成。本设计对于MPXV2010DP 输出信号的处理采用三个运放组成的仪用放大器。运放采用常用的LM324。其中，要求R1=R3,R4=R5,R6=R7,运算公式为：
u0=R6/R4(1+2R1/RX)(u S-uS+);
因为输入信号电压变化值在0～10mV 之间，而单片机内部的ADC 电压参考下限是0V,上限是5V，因此将仪用放大器放大倍数设为500，使传感器的输出范围变为0～5V，单片机的ADC 电压基准直接采用GND 与+5V。
1.4 液晶模块接口电路
系统选用的液晶显示模块为MS12864J 点阵液晶显示器。MS12864J 主要采用动态驱动原理，是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为12864, 内置8192 个16*16 点汉字，和128 个16*8 点ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84 行1616 点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。液晶模块接口电路如所示，R27 与C24 组成一个RC 电路，连接到液晶模块的复位引脚(17)，起到上电复位的作用。滑动变阻器RP 作为调节驱动电压的工具。液晶模块的三态数据总线与单片机的PORTD 相连，其他控制引脚分别与单片机引脚相连[7]。 |
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发表于 2018-8-22 20:50:58