毕业设计（论文）-堆场粉尘污染源自动监控系统设计.doc

河南理工大学毕业设计（论文）说明书毕 业 设 计 说 明 书设计题目：堆场粉尘污染源自动监控系统设计 院 系： 电气工程与自动化学院 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导老师： 2014年5月30日摘 要储煤场是煤炭生产中的重要设施之一，煤炭企业储煤场由于物料流动、现场装卸作业、风力扰动等原因，煤尘、土等粉尘在空气中弥漫，严重污染了现场作业环境，影响现场作业人员身心健康，而且也损失煤炭资源，影响企业形象。本文通过分析储煤场作业特点及扬尘原因，研究设计堆煤场粉尘污染源自动监控系统。该系统采用粉尘传感器和单片机技术，对堆煤场粉尘进行检测控制，以光散射原理为基础，围绕单片机为核心，完成检测仪数据采集、显示、报警及喷雾降尘等电路的设计。该系统能够实现对堆煤场粉尘浓度实时监测和控制，开发完整的具有成本低、运行稳定可靠、开发周期短等优点的高性能控制系统，并熟练掌握单片机系统及其相关的软件调试工具的使用。关键词：堆煤场 粉尘 监测 控制 abstractcoal yard is one of the important facilities in coal production, coal enterprises coal yard due to material flow, on-site handling operation, wind disturbance, coal dust, soil dust in the air, such as serious polluted field operation environment, affect the on-site staff mental and physical health, but also the loss of coal resources, affect the enterprise image.in this paper, through analyzing the characteristics of the coal yard operation and dust reasons, study design pile of coal dust pollution source monitoring system automatically. dust sensor and single-chip microcomputer technology, this system is used to test the pile of coal dust control, based on the principle of light scattering, around the single chip microcomputer as the core, the complete detector data acquisition and display circuit design.the system can realize real-time monitoring to the pile of coal dust concentration and control, to develop a complete with low cost, stable operation, the advantages of short development cycle of high performance control system, and master microcontroller system and its related software debugging tools.keywords: coal storage yard；dust；monitor；control目录1 绪论61.1选题目的意义61.2 国内外粉尘监测技术研究现状71.3本文主要工作82系统总体方案设计92.1 设计任务及要求92.2 堆煤场粉尘监控方案设计92.2.1主控制器部分103.系统方案原理123.1粉尘监测123.2粉尘治理153.2.1堆煤场扬尘原因及降尘153.2.2喷雾降尘164系统硬件设计184.1单片机最小系统设计184.2 a/d转换电路204.2.1adc0809引脚及原理204.2.2 74ls373芯片介绍224.2.3adc0809与at89s52单片机的接口234.3键盘电路设计254.4 显示电路设计264.5 报警及模拟降尘电路设计274.5.1报警电路设计274.5.2模拟喷雾降尘电路设计284.6通信部分设计294.7看门狗部分的设计304.8.供电电源设计315 系统软件设计及仿真335.1系统软件设计335.1.1主程序流程图设计345.1.2键盘扫描程序流程图355.1.3数据采集流程图365.1.4数码管显示流程图365.1.5看门狗流程图375.2设计软件proteus376 结论与展望39感谢40参考文献41附录421 绪论1.1选题目的意义随着社会的进步，工业化水平的提高，环境污染问题越来越严重，维护生态环境质量越来越成为社会的迫切要求。环境污染除废气、废水外，雾霾、粉尘及堆煤场粉尘已成为一个十分突出的问题，所以环境质量的提高备受关注。雾霾天气是一种大气污染状态，雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，尤其是pm2.5（空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物）被认为是造成雾霾天气的“元凶”。雾霾的源头多种多样，比如汽车尾气、工业排放、建筑扬尘、垃圾焚烧，甚至火山喷发等等，雾霾天气通常是多种污染源混合作用形成的。但各地区的雾霾天气中，不同污染源的作用程度各有差异。雾霾天气易诱发心血管疾病，雾霾天气时气压低，湿度大，人体无法排汗，诱发心脏病的几率会越来越高。诱发呼吸道疾病，雾霾中含有大量的颗粒物，这些包括重金属等有害物质的颗粒物一旦进入呼吸道病粘着在肺泡上，轻则会造成鼻炎等鼻腔疾病外，重则会造成肺部硬化，甚至还有可能造成肺癌粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒。国际标准化组织规定，粒径小于75m的固体悬浮物定义为粉尘。在大气中粉尘的存在是保持地球温度的主要原因之一，大气中过多或过少的粉尘将对环境产生灾难性的影响。但在生活和工作中，生产性粉尘是人类健康的天敌，是诱发多种疾病的主要原因。飘逸在大气中的粉尘往往含有许多有毒成分，如铬，锰，镉，铅，汞，砷等。当人体吸入粉尘后，小于5m的微粒，极易深入肺部，引起中毒性肺炎或矽肺，有时还会引起肺癌。沉积在肺部的污染物一旦被溶解，就会直接侵入血液，引起血液中毒，未被溶解的污染物，也可能被细胞所吸收，导致细胞结构的破坏。此外，粉尘还会玷污建筑物，使有价值的古代建筑遭受腐蚀。降落在植物叶面的粉尘会阻碍光合作用，抑制其生长。煤炭企业堆煤场由于物料流动、现场装卸作业、风力扰动等原因，煤尘、土等粉尘在空气中弥漫，严重污染了现场作业环境，影响现场作业人员身心健康。粉尘随风飘逸到周边居民区和庄稼地，严重影响了周边居民的正常生活和农作物生长。煤炭企业每年因堆煤场对周边环境的污染而需交大量的环境污染及环保赔偿费，给企业造成了不必要的经济损失，而且严重影响了企业的形象。因此，针对储煤场所处环境、粉尘性质及其飘逸机理，进行治理的技术研究是非常必要。目前，国家环保部和煤矿安全监察局对粉尘危害非常重视，对堆煤场的粉尘排放浓度制订了相关标准，严格控制粉尘浓度，以减少粉尘危害。因此，进行堆煤场粉尘自动监控，可以对堆煤场各粉尘源点的粉尘浓度进行实时监测，对加强堆煤场作业人员保护，提高全国煤矿粉尘防治技术和管理具有重要意义。堆煤场所空气采样及粉尘浓度的监控是治理粉尘的依据和治理效果的验证手段，是预防和减少尘肺病发生的关键。1.2 国内外粉尘监测技术研究现状国外对粉尘浓度在线监测技术研究较早，主要有电容法、射线法、光散射法、光吸收法、摩擦电法、超声波法、微波法等粉尘浓度在线测量方法。国外有代表性的产品为英国的sims lin系列监测仪以及其升级产品osiris粉尘传感器和计算机粉尘监测系统；德国丁达尔公司生产的tm系列粉尘仪；俄国研制的-101型自动测尘仪；日本柴田lv-5e、p5系列微电脑粉尘仪；美国研制的ram系列实时粉尘监测仪、粉尘雷达和auburn公司生产的3400型粉尘监测仪。其中sims lin系列监测仪、tm系列粉尘仪、lv-5e、p5系列微电脑粉尘仪采用光散射法，-101型自动测尘仪采用光吸收法，3400型粉尘监测仪采用摩擦电法测量粉尘浓度。 国内粉尘浓度在线监测技术的发展较晚，主要以采样器、直读式测尘仪为主，但最近几年，随着信息技术的发展及光电子技术、计算机技术的提高，煤炭科学研究总院重庆研究院最先在国内开发出了gcg500型粉尘浓度传感器。国内其他厂家也陆续引进、开发出了粉尘浓度传感器，其生产厂家有郑州光力科技股份有限公司、江苏三恒科技集团、南京富邺科技股份有限公司等。文献【16】（矿井粉尘监控和高效治理技术的研究与应用）采用cgcl000粉尘浓度传感器，该传感器是利用粒子三极电离测尘技术研发出的最新一代可在线连续监测粉尘浓度的传感器，传感器的测量范围0.01-1000mg/m3，在量程范围内可任意设定标准值。测量出的粉尘浓度值不受粉尘颗粒的物理化学性质影响，不受被测气体流速、温度影响，可长期不问断进行粉尘监测，测量准确性高，长期稳定性好，维护工作量小。文献【4】 （基于 gprs 网络的粉尘监测系统设计）采用呼吸性粉尘采样器，它从尘粒通过颗粒分离器到聚集在滤膜上的过程模仿了粉尘在人肺泡中沉积分布状态，采样器由事先称重的滤膜盒组成,滤膜盒前面装有尼龙制旋风颗粒分离器,气流量为1.7l/min,测定时间加权平均呼吸性粉尘浓度。文献【14】（煤矿井下粉尘浓度的监测系统设计）是加拿大o/eland 所生产的光纤光栅粉尘浓度传感器，中心波长用的是1550.60nm，反射率要10.5db，3db带宽，正负2nm，当光源通过有一定浓度的粉尘时，发射出的光强会大幅度消弱，当通过光纤的栅区时，光纤的波长会随着浓度发生变化，通过一个光电转换模块，会把波长的变化转换成电流的变化。 通过现场调查和查阅相关资料，国内粉尘浓度传感器主要是煤炭科学研究总院重庆研究院生产的gcg500型粉尘浓度传感器在市场上的应用较多，先后在安徽、山东、山西、甘肃、贵州、河南、辽宁、内蒙等多个省份使用。同时以该传感器为核心部件的zpa-63s型粉尘浓度超限喷雾降尘装置，可根据作业场所粉尘浓度大小进行设限喷雾：当作业场所粉尘浓度高于设定值时开始喷雾，低于设定值时停止喷雾，从而实现了高效的喷雾降尘，节约了水、电。1.3本文主要工作（1）粉尘监测原理分析及传感器选型粉尘监测方法有很多种，根据不同的粉尘监测方法生产出不同的粉尘浓度传感器，不同的粉尘浓度传感器直接影响到对粉尘浓度的实时监测，所以对粉尘浓度传感器的选型至关重要。（2）控制部分功能的实现控制部分是整个系统的核心器件，不同器件的选择直接影响到系统的性能和外围电路的复杂程度。因此，选择什么样的器件是本课题解决的问题之一。（3）除尘方法研究本系统不仅可以实现对粉尘实时监测的功能，还可以控制粉尘的治理。堆煤场根据作业的不同粉尘产生的原因也有不同，所以要治理粉尘，必须根据粉尘产生的原因提出不同的治理方案，这一点很重要。2系统总体方案设计2.1 设计任务及要求平煤集团公司下属有 14 个生产矿、处，都设有储煤场，分布在700km2矿区内。由于受技术经济条件的制约，这些储煤场均属露天形式，受风作用使煤炭损失严重，不仅造成经济损失，而且严重地污染环境，造成大气、水体和景观污染，危害人民群众的身心健康。为此，提出根治储煤场的污染。以平顶山二矿为例。平顶山二矿堆煤场占地约2500m2， 要解决污染情况最有效的办法对堆煤场进行喷雾洒水。因为煤场经喷水后, 增加了煤层湿度, 并且表面可形成一层35cm厚的硬壳， 可抵抗较大风力吹动、同时，由于对洒水水质要求不高，可充分利用悬浮物较低的矿井水作为水源，这样也减少了部分废水的外排。设计对平顶山二矿堆煤场粉尘浓度监测系统，该系统可以对粉尘浓度进行实时监控，并将粉尘浓度实时传输到监控中心，当粉尘浓度超过设置的最大值是，报警器报警，并且喷雾降尘设备启动，进行洒水，做好降尘工作。系统的基本要求：环境温度：-20oc50oc现场设备应具有抗风、抗震、防雷、防雨、防尘、防变形的功能。电磁干扰126db是应能保持正常工作。粉尘自动监测设备选用通过环保部门制定的监测仪器检测机构适用性检测合格的产品（适用堆煤场）、粉尘测量直径大于0.3m 、检出线为0.1mg/m3、支持远程控制、具有数字信号传输端口、可设置测量量程等相关技术要求。喷雾降尘设备选用通过环保部制定的监测仪器检测机构适用性检测合格的产品（适用堆煤场），喷雾距离大于60米，保证堆煤场喷雾覆盖率达到98%以上，支持远程控制。2.2 堆煤场粉尘监控方案设计本系统采用的主控制器是一个带有rs-232/485接口的单片机控制器。主控制器采集到的基本数据处理后，执行主控制器内预定的功能（报警、降尘等），并将处理后的数据送至监控中心，监控中心的pc机对这些数据再加工后，一方面将它们在显示屏上以图、表等方式显示出来 ,另一方面将动作指令发送给主控制器 ,控制执行机构动作 ,对一些重要设备进行操作，实施实时监控。2.2.1主控制器部分图2-1 系统结构框图1. 堆煤场粉尘监控系统主要由中心pc 机、主控制器、探测器、降尘设备等部分组成 ,其结构如图2-1所示。其中，地面 pc 机是整个系统的中枢，整个检测系统实际上是一个以 pc 机为主机、以分布在现场的各主控制器为从机的主从结构模式的分布式数据采集和控制系统。2. 通讯接口。本粉尘监测控制系统是由一个带有rs-232/485通信接口的单片机控制其构成的分布式数据采集和控制系统。由于作业场环境恶劣，要保证作业场信息的真实和主机发送的指令能真确到达目的地，通信是系统设计是首先考虑的问题。3. 单片机外围电路。（1）a/d转换电路。从放大电路输出的模拟信号进入a/d转换器后，被变成便于单片机处理的数字信号。a/d转换器采用了ti公司的10位模数转换器tlc1572。它是高速串行a/d转换器，采样速率高达1250kbps，总不可调整误差1lsbmax(4.8mv)。tlc1572为串行输入方式，8脚封装，占位面积小，与单片机的接口也十分简单。（2）键盘电路。输入最大浓度值，当浓度超过时报警、降尘设备启动。因为环境对浓度、粒度的要求不同，可以多次输入，设置不同的值。（3）lcd显示电路。我们采用4联发光二极管led作为系统的显示器件，用来显示当前的粉尘浓度值。（4）报警、降尘电路。当所采集到的粉尘浓度值超出限定值时，系统发出报警信号，并且自动启动降尘除尘设备。（5）电源电路。为单片机核心及各个部件提供电源，本系统采用的是三端稳压器制成的电源，此方案输出电流精度高，且简单实用。3.系统方案原理3.1粉尘监测粉尘浓度测量在微粒测试技术中具有十分重要的作用。经过多年研究,目前国内外科研人员已开发出各类测量方法及相应的测尘仪器,大致可分为两类,其原理分别基于取样法和非取样法。图3-1为粉尘浓度测量方法。图3-1 粉尘浓度测量方法表3-1为取样法与非取样法的比较。表3-1取样法与非取样法的比较取样法非取样法定义从待测区域中抽出部分具有代表性的含尘气样并送入随后的分析测量系统来测量粉尘浓度与粒径的方法测量时不用取样而是利用粉尘的物理光学等特性直接测量粉尘浓度及粒径的方法测量原理简单较复杂测量周期长短自动化程度低高测试准确度低高是否干扰测量场是否其他粉尘的分散度对测量结果无影响；可对粉尘样品作进一步物理化学分析粉尘的分散度等自身参数影响测量结果,测量中需标定参数从表3-1可看出, 煤矿粉尘浓度测量的主流方法应该是非取样法。这是因为非采样法具有测量周期短、测试准确度高的优点。而非采样法也正是煤矿粉尘测量的主要办法。非采样法主要包括黑度法、光透射法、光散射法等。电容法的测量原理简单，但电容测量值与浓度之间并非一一对应的线性关系，电容的测量值易受相分布及流型变化的影响，导致较大的测量误差；射线法虽然测量准确，但需要对粉尘进行采样后对比测量，很难实现粉尘浓度的在线监测；超声波法、微波法测量粉尘浓度还处于试验研究阶段，市场上成型产品较少。目前市场上主要采用光散射法、光吸收法、摩擦电法进行粉尘浓度在线监测，形成的产品较多，并成功地应用于堆场粉尘浓度测量和煤矿井下粉尘浓度测量上。图3-2光散射法结构原理图光散射法原理：含尘气流可以认为是空气中散布着固体颗粒的气溶胶，当光束通过含尘空气时，会发生吸收和散射，从而使光在原来传播方向上的光强减弱，粉尘浓度传感器就是通过探测变化的光号，经过换算而实现粉尘浓度测量的，其结构原理如图3-2所示。采用光散射法测量空气中的粉尘浓度，具有快速、简便、连续测量的特点。本系统使用的gcg500型粉尘浓度传感器，采用光散射原理直接测量总粉尘浓度，测定数据就地显示，同时输出堆煤场粉尘监测监控系统相适应的频率、电流信号（二中信号任选一种），供监测系统处理，是固定安装在作业场所的监测仪器。该传感器主要由光源、光电转换器、粉尘测量系统、抽气系统、粉尘过滤器和控制电路组成。特点：测量快速准确、灵敏度高、性能稳定、粉尘散射比例系数可设定、直接显示粉尘质量浓度。工作原理：含尘气流在薄膜泵的作用下，通过淘析型吸尘口进入光散射检测暗室，激光光源照射含尘气流，探测器探测粉尘的散射光强，散射角90，在粉尘性质一定的条件下，粉尘的散射光强度正比于粉尘浓度。 c=ki (3-1)式中c-粉尘浓度，mg/m3；i-激光光强；k-光散射比例系数。gcg500粉尘浓度传感器外观如图3-3技术指标为：图3-3 粉尘浓度传感器外观总粉尘浓度测量范围：0.1mg/m3 500mg/m3 测量误差：15%输出信号：200hz000hz、1ma5ma采样流量：2l/min工作电压：12v24v dc(本安电源)防爆型式：exib i 矿用本安型外形尺寸：265mm200mm190mm重 量：10k3.2粉尘治理3.2.1堆煤场扬尘原因及降尘堆煤场作用为储存从煤矿运来的原煤，一般情况，堆煤场现场作业设备包括2台斗轮机、2条输煤皮带及2条斗轮机运行铁轨。煤矿来煤一部分直接进入选煤系统，而大部分来煤要通过斗轮机的装卸作业进出堆煤场，而且大量来煤囤积滞留在堆煤场中。根据其作业特点，储煤场起尘的主要原因包括：煤堆受风力扰动起尘；斗轮机装卸煤炭起尘；斗轮机落料口密闭不严及落差起尘。1.堆煤场粉尘飘逸治理将堆煤场喷雾降尘系统与消防管道统一布置。在储煤场周边，每隔20米安装一个冬夏两用可旋转喷雾箱，形成两路喷雾降尘系统，喷枪安装在可以自由旋转 360的回转机构上，可以任意调整喷枪的喷雾姿态，使整个储煤场都处于喷雾降尘的作用范围之内，使其喷射出来的雨雾形成一堵完整的水雾幕墙，彻底阻止粉尘飘向厂区和居民区，喷出的雨雾以一定速度落在储煤场上，通过雨雾对煤粉的包络作用和重力压制，使得粒径在较细的煤粉在飞扬升空不到10m的距离之内就被有效地沉降在储煤场表面。2.斗轮机作业扬尘治理堆煤场的两台斗轮机在堆料、取料过程中产生的粉尘也非常大，根据其工作状态，使用水喷雾降尘系统，既满足降尘的要求，又符合经常移动和进行俯仰的工作特点。具体技术方案为：考虑到斗轮机经常进行移动和俯仰的作业特点，设置可自动伸缩软管供水卷盘，应用软管对斗轮机前端的作业面进行喷雾除尘。在斗轮前部作业的位置及下部交叉布置2排喷嘴，使喷出的压力水完全覆盖取料、堆料点，以及煤堆的表面，从而压制其作业时产生的粉尘。3.斗轮机设备原因造成扬尘的治理将落料口进行密封改造，制止落料溢尘。导料槽前、后端加装密封挡尘箱，阻止粉尘外溢。将导料槽后端延长，在延长导料槽的中间位置安装布袋除尘器。除尘器吸风口为两个，一个是后端的直接吸风口对导料槽后端进行吸尘，另一个是在除尘器侧面设置的侧面吸风口对密闭的导料槽前端进行侧吸风。保证整个导料槽的负压状态。彻底解决导料槽正压诱导风造成的粉尘外溢。3.2.2喷雾降尘3.2.2.1喷雾降尘设计依据高压喷雾降尘装置的降尘机理是雾滴对粉尘碰撞、拦截和捕获，使雾滴与尘粒凝聚，密度增加而加快沉降。高压水雾速度高，喷嘴出口处的水雾速度达2030m/s，有效与粉尘颗粒碰撞、凝固；水雾颗粒小，大部分水雾颗粒控制在50m左右，最小为2030m，最大为100-150m，小水雾容易沉降对人体危害严重的呼吸性粉尘；水雾的分散性好、覆盖面大，有利于提高粉尘与水雾的碰撞几率；水雾的电离子数量明显增加，其与粉尘颗粒的电荷产生相应的电荷效应，增强了粉尘颗粒的吸附性能而凝固沉降。由水雾降尘性能参数：水雾颗粒分散度、水雾颗粒运动速度、雾流几何形状与压力的关系，可知压力与水雾颗粒的降尘性能有很大的关系，压力越大水雾颗粒越小，速度越快，雾流体积越大。根据截获的降尘机理和凝集扩散及其他机理得出粉尘直径和水雾颗粒直径之间最佳的对应关系可依据下式：d0=d1v/(18)式中 d1现场占比例最大的粉尘的直径；-粉尘密度；v-气流速度；-空气粘度系数；-水的粘度；d0-最佳的雾粒直径。粉尘呈对数正态分布，雾滴直径呈正态分布。如果测量出现场的粉尘直径，及粉尘密度，可由此公式确定最佳的雾粒直径。由降尘机理知水雾颗粒直径是影响降尘效果的主要因素，水滴小在空气中分布的密度就大，与矿尘的接触机会就多，降尘效果越好。但如果水滴直径太小，与尘粒接触，尘粒的重量增加不大，难以在空气中沉降下来，同时水分也被风流带走和蒸发，不利捕尘。根据经验及测定，初步确定最佳雾粒的直径在50-150m之间。3.2.2.2高压喷雾系统高压喷雾降尘系统的设备组成如图3-4，性能参数如下：图3-4高压喷雾降尘系统喷雾降尘装置主要由电动球阀、过滤器、手动阀和水泵、喷嘴组成。电动球阀是由球体旋转而控制水路的电动阀门，它由数字逻辑控制电路、方向控制电路、电流采样控制电路和工作状态指示电路等组成。当粉尘浓度超过设定的限值时，传感器输出的控制信号被电动球阀接收，由电流采样控制电路检测球阀的工作位置，控制球阀的开启与关闭。过滤器的作用是过滤供给喷嘴的水流，保护喷嘴不被堵塞。传感器可以通过粉尘浓度控制设备开停。当主机接收到传感器的信号后，发出控制信号到控制器、电动阀，控制器启动电机电源闭合，电动阀控制水量，同时加压泵启动，管路升压，喷头可以设置多个不同型号喷嘴，调节喷雾效果。喷枪型号为美国产sr200-24型喷枪,材质为铝合金,喷嘴口径为48.3mm,喷枪口水压为10kg/cm时,流量为265.8m3/h,喷淋半径为85m90m, 喷射角度为24,喷淋范围为 0345。水泵型号为d280433流量:280m3/h,扬程:114m,配用电机型号: y3154,电机功率:160kw。电磁阀型号为800系列,最大工作压力1.6mpa,电源为ac 24v,50hz,接口为g4号法兰, 阀体材质为铸铁。4系统硬件设计4.1单片机最小系统设计at89系列单片机和mcs-51单片机在内部功能、引脚以及指令系统方面完全兼容。由于at89系列单片机继承了mcs-51的原有功能，内部含有大容量的flash存储器，又增加了新的功能，如看门狗定时器wdt/isp及spi串行接口技术等，并且该系列单片机在国内资料介绍较多、资料比较齐全，其本身性能价格比较高，所以本设计选用at89s系列单片机。由于at89s52系列单片机较之51系列单片机，集成度高、速度快、功耗低。at89s52是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在线系统可编程flash存储器。使用atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适用于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位cpu和在系统可编程 flash，使得at89s52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、高效率的解决方案。at89s52 单片机的主要性能如下： 8 为字长的cpu； 可在线isp编程的8kb片内flash存储器； 256b的32根i/o口线（p0p3）； 4.05.5v电压操作范围； 三个可编程16位定时/计数器； 双数据指针dptr0和dptr1； 具有8个中断源、6个中断矢量、2级优先权的中断系统； 可在“空闲”和“掉电”两种低功耗方式运行； 3级程序锁定位； 全双工的uart串行通信口； 1个看门狗定时器wdt； 具有断电标志位pof； 振荡器和时钟电路的全静态工作频率为030mhz； 与mcs -51单片机完全兼容。 单片机系统是整个数控系统的核心部分，它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样分析系统参数及对各部分反馈环节进行整体调整。单片机加上适当的外围器件和应用程序，构成的应用系统成为最小系统。主要包括at89s52单片机、时钟电路、复位电路、地址锁存器 74ls373、并行i/o口芯片 8155 等器件。（1）时钟电路设计at89s52 单片机内部带有时钟电路，因此，振荡电路较简单，只需要在片外通过 xtal1 和 xtal2 引脚接入定时控制元件（晶体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。本设计选择的内部振荡电路的外部电路如图4-1 所示。振荡频率为 12mhz，时钟发生器是一个2分频触发器电路，它将振荡器的信号频率fosc除以2，向cpu 提供了两相时钟信号。adc0809正常工作需要提供 10khz1280khz范围的外部时钟，如果单独设计时钟产生电路，会增加电路的复杂程度。at89s52 单片机的地址锁存器允许信号ale输出频率为系统频率的1/6，经d触发器二分频后可获得1/12系统时钟频率。如果单片机时钟频率采用12mhz，则ale引脚的输出频率为2mhz，再二分频后为1mhz，符合adc0809对时钟频率的要求。如果单片机的时钟频率为6mhz，虽然二分频后得到的时钟频率满足要求，但是其单片机的工作速度较慢，所以单片机的时钟频率采用12mhz 的。图4-1时钟电路（2）复位电路设计复位是单片机的初始化操作。其主要功能是将程序计数器 pc 初始化为0000h，使单片机从 0000h 单元开始执行程序。在运行中，外界干扰等因素可使单片机的程序陷入死循环状态或跑飞。为摆脱困境，可将单片机复位，以重新启动。复位也使单片机退出低功耗工作方式而进入正常工作状态。复位电路虽然简单，但其作用非常重要，一个单片机能否正常运行，首先要检查是否能复位成功，在复位电路中，rst引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其时间应持续24个振荡周期以上，若使用频率为6mhz的晶振，则复位信号持续时间应超过4s才能完成复位操作。本设计中用到的是12mhz的晶振。复位操作有多种工作方式，此系统采用的是按键电平复位。它通过使复位端经过电阻与 vcc 电源接通而实现的，其电路如图4-2所示。图4-2复位电路i/o口功能分配：将经a/d转换器的8位数字信号传入单片机；完成数码管的段选；完成数码管的位选；连接键盘电路；主要完成外围电路的控制。4.2 a/d转换电路我们知道模拟量在时间上是连续变化的，而数字量在时间上是离散变化的，所以a/d转换器在模数转换过程中，只能在一系列离散的时间点上对输入模拟信号进行采集，然后再将这些采样值转换为数字量输出。a/d转换器芯片有很多种,在本设计中选择比较熟悉的adc0809。adc0809是8路8位逐次逼近行a/d转换cmos器件，能对多路模拟信号进行分时采集和a/d转换，输出数字信号通过三态缓冲器，可直接与微处理器的数据总线相连接。4.2.1adc0809引脚及原理adc0809 是美国国家半导体公司生产的8位cmos单片型a/d转换器，采用逐次逼近方法完成a/d转换。adc0809是由单一+5v电源供电，片内有带锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路05v的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约需要100s；输出具有ttl三态锁存缓冲器，可直接到单片机数据总线上。通过适当的外接电路adc0809可对05v双极性模拟信号进行转换。此外内部还有译码器、比较器。adc0809是28脚双列直插式封装，如图4-3所示，各引脚功能如下：图4-3 adc0809双列直插式封装 d7 d0: 8位数字量输出引脚； gnd：地； ref(+)：参考电压正端； ref()：参考电压负端； in0in7:8 路模拟量输入引脚； vcc:+5v 工作电压； start:a/d 转换启动信号输入端； ale：地址锁存允许信号输入端；（以上两信号用于启动 a/d 转换） eoc:转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。 oe：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 clk：时钟信号输入端。 a、b、c:地址输入线，经译码后可选用 in0in7 八通道中的一个通道进行转换。a、b、c 的输入与选通的通道的关系如表 4-1 所示。表4-1被选模拟量路数和地址关系cba被选择的通道0000in001in1010in2011in3100in4101in51110in611in74.2.2 74ls373芯片介绍74ls373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8d触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74ls373芯片。74ls373引脚如图4-4所示。图4-4 74ls373引脚（1）1脚是输出使能(oe),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,g)如何,输出2(q0)、5(q1)、6(q2)、9(q3)12(q4)、15(q5)、16(q6)、19(q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);（2）当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,g)上出现一个下降沿,输出2(q0)、5(q1)、6(q2)、9(q3)、12(q4)、15(q5)、16(q6)、19(q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态。锁存端le由高变低时，输出端8位信息被锁存，直到le端再次有效。当三态门使能信号oe为低电平时，三态门导通，允许q0-q7输出，oe为高电平时，输出悬空。当74ls373用作地址锁存器时，应使oe为低电平，此时锁存使能端c为高电平时，输出q0-q7 状态与输入端d1d7状态相同；当c发生负的跳变时，输入端d0d7 数据锁入q0-q7。51单片机的ale信号可以直接与74ls373的le连接。4.2.3adc0809与at89s52单片机的接口adc0809与at89s52单片机的硬件接口电路连接主要涉及两个问题，一个是8路模拟信号的通道选择，另一个是a/d转换完成后转换数据的传送。有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式。（1）延时等待方式实际上，对于每一种a/d转换器，转换时间是它的一项技术指标，可以从芯片的说明书中获取，是已知的和和固定的。adc0809的转换时间为100130s。当启动a/d转换后，采用软件延时方法等待一段时间，等待时间稍大于a/d转换所需时间，以保证a/d转换器有足够的时间完成转换，待延时结束，直接读取转换数据。（2）查询方式当 a/d 转换结束后，adc 转换器输出一个转换结束标志信号eoc这个信号可以作为待检测信号，通过 i/o 口把adc的状态反馈给单片机。启动a/d 转换之后，cpu就查询转换结束信号，即查询eoc引脚的状态；若eoc为低电平，则表示a/d转换正在进行，则单片机继续查询；当cpu查询到 eoc变为高电平，则可以读取转换结果。（3）中断方式采用中断方式控制adc转换时，把转换结束信号eoc作为中断请求信号，一旦a/d转换结束，即可向 cpu 请求中断，cpu响应中断后，通过执行中断服务程序读取转换结果。采用中断方式，a/d转换器在转换时不需cpu查询转换是否结束、或等待其结束，因此，不占用 cpu 的时间，实时性强。所以，本设计选用中断方式。a/d转换后得到的数据为数字量，这些数据应传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认a/d转换的完成，因为只有确认数据转换完成之后，才能进行转换。如果把表示转换结束的状态信号（eoc）作为中断请求信号，那么便可以中断方式进行数据传送。如图4-5所示就是本系统的a/d转换部分的硬件连接电路。74ls373为地址锁存器，控制选通那路输入本设计用in3输入信号。p2.6与wr相或非，产生启动信号start和地址锁存控制信号ale；p2.6与rd相或非产生输出允许控制信号oe。oe为高电平时，打开三态数据输出锁存器，将转换后的数据量输送到数据总线上。单片机ale为表示允许地址锁存的信号。当为0时74ls373选通，此时p0.0p0.2设置为011，以确保adc0809选in3为输入信号端。当ale为1时74ls373为保持状态，此时地址锁存，adc0809将转换后的8位数字信号传给单片机。start：启动控制输入端，高电平有效，用于启动adc0809内部的a/d转换过程adc0809的ale为地址锁存控制输入端。ale端可与start端连接在一起，通过软件输入一个正脉冲，可立即启动a/d转换。所以要使adc0809启动必须要和p2.7必须为0。当adc0809完成转换后eoc由0变为1，告诉单片机接收准转换结束的信号，单片机开始使由1变为0使得adc0809的oe（输出允许控制端）变为1启动adc0809输出8位数据。图4-5 a/d转换硬件电路图4.3键盘电路设计键盘用以人工预置各适宜环境参数值。键盘是一种最简单的人工干预系统运行的途径，利用键盘可以很方便的实现向系统输入数据或让系统去执行某一项命令。因为不同环境中粉尘浓度不同，粉尘流动量也不一样，人在不同环境中工作所承受的最大粉尘量也不一样，所以在更换环境时要设置不同的粉尘浓度参考值（该环境中能接受粉尘浓度最大值），当浓度超过所设定值时，粉尘检测仪报警，我们根据报警就可以采取相应措施或使人员撤离工作现场或动力降低粉尘浓度。在实际生产生活中报警的同时还会自启动换气装置。本模块利用独立按键方式通过三个独立按键累加输入参考值，通过单片机比较采集的数据与参考值来控制蜂鸣器是否报警。同时可以通过独立按键来进行参考值和当前浓度值的显示切换。 电路中键盘驱动用p2.4p2.7。如图4-6所示。图4-6键盘硬件电路键盘按键一般都采用触点式按键开关。当按键被按下或释放时，按键触点的弹性会产生抖动现象。即当按键按下时，触点不会迅速可靠地接通；当按键释放时，触点也不会立即断开，而是要经过一段时间的抖动才能稳定下来，抖动时间视按键材料的不同一般在5ms10ms之间，图4-7是按键闭合及断开时的电压波动图。图4-7 按键闭合及断开时的电压波动图键抖动可能导致单片机将一次按键操作识别为多次操作，为了保证cpu对键的一次闭合仅作一次键输入处理，必须消除抖动影响。通常消除抖动影响的措施有硬、软件两种。本设计是采用的软件消抖，采取的措施是：在检测到有键按下时，执行一个10ms左右的延时程序后，再确认该键电平是否保持闭合状态电平。若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态，从而消除了抖动影响。4.4 显示电路设计对于人机交互式单片机系统来说，不仅需要响应用户输入，同时也需要将一些测控信息输出显示。这些显示信息可以提供实时的数据或图形结果，以便于掌握系统的状态并进行分析处理。系统的显示器件多采用发光二极管led和液晶显示器lcd，led显示器价格低廉，发光较强、机械性能好，在普通单片机系统中应用广泛，用于显示各种数字或符号。我们采用发光二极管led作为系统的显示器件。现在对led做一个简单的介绍。led数码管有共阴极和共阳极两种结构。数据管有8段字型和7段字型两种，与7段比8段字型多了一个小数点位。本系统采用的是共阳极led，被选中的段为低电平时有的结构效，熄灭的段码为高电平。程序控制其点亮与熄灭。每段负载电流为l0ma为好，即保证高亮，又不会烧坏。发光二极管能在低压小电流驱动下发光，并能与cmos和ttl电路兼容。它的主要优点是：发光亮度高，可视性好；响应时间短，高频性能高；体积小，重量轻，抗冲击性能好；使用寿命在10万小时甚至达到100万小时；成本低廉。由led的结构及工作原理可知，要想在led上显示数据或者字母，则首先必须要把待显示的数据或者字母转换成led的7位显示代码，方可显示相应的数字或者字母。通过实现这种转换有两种方法：一种是专用硬件译码器，另一种是专用软件译码器。本模块采用“单片机软件译码”来实现数码管的动态显示，因为本设计采集的粉尘浓度经模数转换和单片机处理是以三位的十进制数表示的，所以四个led数码管足以显示粉尘浓度，本模块采用的4个共阳led数码管，因为i/o口输出驱动电流过小，所以每个数码管的控制端接一个三极管对电流进行放大而使led工作，而控制各个数码管的位选转为控制4个三极管的基极使三极管导通时数码管工作。本设计中采用4联共阳led数码显示管p0口连接段选，p2.0p2.3连接位选。电路连接如图4-8所示。图4-8显示电路原理图4.5 报警及模拟降尘电路设计4.5.1报警电路设计蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器。它广泛应用于计算机、打印机、报警器、电话机等电子产产品中作发生器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性的振动发声。 压电式蜂鸣器主要由多谢振荡器、压电蜂鸣器片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谢振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5v15v直流工作电压），多谢振荡器起振，输出1.52.5khz的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣器片发声。本设计中使用蜂鸣器来做提示报警，当粉尘的浓度或粒度大于设定值时蜂鸣器就会发出警报。本设计中采用自激蜂鸣器，自激蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平并通过放大电路放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音，非常简单。报警电路如图4-9所示。图4-9 报警电路原理图4.5.2模拟喷雾降尘电路设计实际生产中的喷雾降尘装置主要由电动球阀、过滤器、手动阀和水泵、喷嘴组成。本设计中使用继电器来模拟喷雾降尘装置，电路图如图4-10所示当粉尘的浓度或粒度大于设定值时继电器就会动作，在实际工作中相当于喷雾降尘装置启动，进行除尘降尘。图4-10模拟喷雾降尘设备电路图4.6通信部分设计本粉尘监测控制系统是由一个带有rs-232/485通信接口的单片机控制其构成的分布式数据采集和控制系统，电路接线图如图4-11所示。相对于rs-232通信距离短抗干扰能力差等缺点，rs-485具有网络连接方便、抗干扰性能好、传输距离远等优点。rs-4856芯片采用平衡传送和差分接受技术，具有较高的灵敏度和抑制共模干扰的能力，信号传输距离达几千米。rs-485通讯协议简单，速率适中,且所有rs-485接口公用一对绞线作为信号总线，施工容易，结构简单。这是系统设计采用分布式数据采集和控制结构的重要理由。在本系统中rs-485接口芯片采用ti公司的75lbc184，相对普通的rs-485接口芯片，它有3项独特设计：1.芯片内置高能量瞬变保护装置，可以承受峰值为400v（典型值）的瞬时电压，因此，可直接与传输线相接而不需要另加保护元件。2.输入端开路时，输入端为高电平，这样，当该接收器输入端有开路故障时，不影响系统内其他rs-485接口正常工作。3.芯片的输入阻抗为rs-485标准输入阻抗的2倍多，最多可在总线上挂接64个同类收发器。rs-485网络提供了低噪声传感器读，因此传感器可以尽可能的靠近信号发生器。对于rs-485网络只需要提供两个导线：data+和data-，便宜的防护双绞线在这里应用。设备采用din轨道，可以安装在任意面板上和给定支架上，使用螺栓固定的rs-485网络允许系统扩大、充值，并在修理时不用打乱区域绞线。每个模块的包装为硬塑料袋。因为设置由软件控制，所以模块设计为不能打开。这大大加强了抵抗腐蚀物质、湿气和振动的能力。这对现场高粉尘的环