基于单片机和虚拟仪器的粉尘浓度检测装置

张 飞， 钱金法

(常州机电职业技术学院 电气工程学院， 江苏 常州 213164)

基于单片机和虚拟仪器的粉尘浓度检测装置

张 飞， 钱金法

(常州机电职业技术学院 电气工程学院， 江苏 常州 213164)

为了检测空气中粉尘的浓度以及充分发挥计算机的数据处理功能，采用AT89S52单片机和LabVIEW2012虚拟仪器开发软件，设计了一款粉尘浓度检测装置。采用下位机硬件和软件的设计方法，给出了硬件设计原理图和主程序流程图，同时介绍了电脑端LabVIEW程序的编写方法，给出了软件前面板界面图和部分主要框图程序。检测的粉尘浓度相关信息能够通过数字和曲线2种方式显示，并设计了粉尘浓度超标报警灯。实验表明，该实验装置成本低廉，功能可靠，在虚拟仪器技术和单片机技术教学中有一定的实用价值。

单片机； 虚拟仪器； 硬件； 粉尘浓度； 检测装置

0 引 言

随着计算机、电子技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变革，出现了一种全新的仪器概念—虚拟仪器[1]。虚拟仪器和传统仪器相比，开发维护费用降低，技术更新周期短，可根据用户需求自定义仪器功能。目前，市场上有很多虚拟仪器软件，LabVIEW是其中的佼佼者。LabVIEW是NI公司开发的虚拟仪器开发平台，采用图形化的编程语言(G语言)，功能强大，使用方便，在工控、检测等领域应用很广[2-5]。国内很多高校开设了虚拟仪器技术课程，而且大多都使用LabVIEW平台进行授课。

粉尘是漂浮在空气中的固态颗粒物，其浓度高低是目前衡量大气污染情况的重要指标。而且，在工业生产现场，如果粉尘浓度过高，有可能引起爆炸[6]。所以，粉尘浓度的检测意义重大。目前常用的粉尘检测方法有：光学法、过滤称重法等[7]。

本文采用LabVIEW2012、单片机设计了一套粉尘浓度检测实验系统，通过该系统，学生可以锻炼LabVIEW和单片机通信、粉尘浓度检测等技能，系统虽然简单，但经过合理、细致的设计，也能为相关产品的开发提供参考。

1 系统整体设计思路及工作过程

基于单片机和虚拟仪器的粉尘浓度检测装置主要由三部分构成：安装LabVIEW2012的电脑(上位机)、通信电缆、基于51单片机的粉尘浓度检测装置(下位机)。其中下位机主要包括电源模块、CPU模块、RS232通信接口、传感器检测电路、键盘、声音提示电路和LED提示电路。整个系统的方案如图1所示。

图1 粉尘浓度检测实验装置系统方案图

系统工作时，使用虚拟仪器软件LabVIEW2012编制的实验软件通过电脑的RS-232接口向下位机发送数据采集命令，下位机接收到上位机的数据采集请求后通过粉尘浓度传感器检测目前的粉尘浓度，如果浓度超过系统设定的阈值，就置报警标志位，并发出声光报警，同时把粉尘浓度数据和声光报警信息打包发送给上位机。声光报警时，为了去除烦人的声音和LED灯的闪烁，不影响学生实验，通过键盘按钮可以解除报警。上位机接收到数据后，通过数值、曲线的方式显示粉尘浓度信息，并通过指示粉尘浓度是否超标。

2 系统硬件设计方案

2.1 CPU和电源部分

本系统CPU采用了ATMEL公司生产的AT89S52单片机。该单片机具备8 KB Flash存储器和256 B数据存储器，32个I/O口，1个全双工串行通信口等[8-9]，完全能满足粉尘浓度检测实验装置的设计需求。而且，AT89S52采用5 V电源供电，所以可以使用USB线从电脑端取电。如果使用3节5号电池(4.5 V)串联供电，该CPU也能够正常工作。通过电源切换开关，下位机供电方式可以在USB和干电池供电之间进行切换(电脑USB口不够用时可以使用电池供电)，方便学生在不同的场合进行实验。下位机CPU使用11.059 2 MHz的晶振。USB、干电池供电切换原理图如图2所示。

图2 USB和干电池供电切换原理图

2.2 GP2Y1010AU0F传感器

粉尘浓度GP2Y1010AU0F检测采用了夏普公司出品的GP2Y1010AU0F传感器[10]。该传感器工作电压为3～7 V，粉尘浓度检测范围为0～0.8 mg/m3， 能检测的最小颗粒大小为0.8 μm，灵敏度为0.5 V/0.1 mg/ m3。由于粉尘能反射光线，粉尘浓度越高，反射光越强。如图3所示，粉尘浓度较高时，红外发射管发射的红外线经过反射后被光电接收管接收的红外线强度越高，UO引脚输出电压越高。

GP2Y1010AU0F总共有6个引脚，其接口电路原理图如图4所示。当单片机的P1.0输出低电平时，传感器正常工作， 5脚输出电压经过分压后，通过A/D转换得到电压大小，就能计算出粉尘的浓度。

图4 GP2Y1010AU0F与单片机接口原理图

2.3 A/D转换电路

A/D转换部分采用了一片ADS7818芯片，该芯片使用单电源供电，支持500 kHz的采样速率，12位精度[11-12]，低功耗。GP2Y1010AU0F粉尘浓度传感器输出的电压通过R7(可变电阻)和R8分压后，由ADS7818进行A/D转换。单片机的P1.1、P1.2、P1.3分别和ADS7818的CLK(串行时钟)、DATA(串行数据输出)、CON(转换信号)连接。通过一只TL431 为ADS7818提供稳定的外部参考电源。ADS7818与单片机接口如图5所示。

图5 ADS7818与单片机接口原理图

2.4 键盘、LED和声音提示部分

键盘、LED和声音提示是下位机人机接口部分，LED和声音提示部分则在粉尘浓度超标时进行报警，通过键盘可以消除报警信号。键盘使用了独立式按钮，声音提示部分使用了直流蜂鸣器，此部分电路比较简单，如图6所示。

2.5 RS-232通信接口

RS-232接口是目前比较常用的通信接口，一般台式机基本都自带RS-232接口(9个引脚)，使用LabVIEW也很容易实现RS-232通信。但是，AT89S52单片机的串行通信接口采用TTL通信，和RS-232电平不匹配，为此采用了一片美信公司的MAX232芯片进行电平转换[13-15]，通过转换后，单片机和电脑能够实现RS-232通信，MAX232和单片机的接口如图7所示。

3 系统软件设计方案

3.1 单片机端程序设计

单片机端程序使用集成开发环境KEIL软件，采用C语言编写程序。整个程序进行了模块化的划分，把一些基本功能封装成函数，主要包括：初始化程序、主程序、A/D转换程序、报警程序、粉尘浓度计算程序及串口中断服务程序等。图8所示为主程序流程图。电脑端发送的数据采集命令由单片机中断服务程序接收，中断服务程序设置数据采集标志位，主程序中进行判断是否要采集粉尘浓度信息并发送给电脑。

图7 MAX232与单片机接口图

3.2 LabVIEW程序设计

电脑端软件使用LabVIEW2012进行开发，主要包括前面板设计和框图程序设计，前面板是人机交互的界面。系统可以通过按钮单次采集粉尘浓度信息，也可以按程序设定的时间间隔连续采集粉尘浓度。采集的粉尘浓度数据通过数值方式显示，还通过波形图表以曲线的方式显示。程序前面板如图9所示。

图9 前面板界面

框图程序中，最重要的是串行通信程序。LabVIEW中的串行通信采用的是VISI节点，LabVIEW把串口通信的相关功能都设计在了一个子选板中，用户使用非常方便。该选板中有8个节点：缓冲区设置、串口配置、串口写入、串口读取、关闭串口等。系统使用VISA配置串口进行波特率、数据位数、奇偶校验、停止位等参数。为了下位机和电脑通信匹配，根据下位机的串口设置情况，设置波特率为9 600 b/s、数据长度8 bit、无奇偶校验、1位停止位，如图10所示。LabVIEW通过串口写入节点发送数据采集命令“FD”给下位机，下位机返回数据后，LabVIEW通过串口读取节点读取粉尘浓度信息进行进一步处理。电脑端通信处理程序中，数据接收处理程序相对比较复杂，图11给出了粉尘浓度检测的电脑端接收程序。图11中循环结构内部的条件结构另一分支为“假”，程序功能为把“假”常量赋值给报警灯局部变量。

图10 串口配置程序

图11 数据接收程序

4 实验验证

为了验证系统的功能，使用串行通信线连接下位机和上位机，分别采用USB和干电池供电进行了实验。运行LabVIEW编制的程序，串口选择“COM1”，根据实际情况，可以在“我的电脑”——“属性”——“硬件”——“设备管理”中查看具体的串口号。采用单次采集和连续采集方式进行实验，都顺利采集到了下位机发送的粉尘浓度数据。图12所示为采集时延设置为10 s情况下，采用连续采集模式得到的粉尘浓度曲线图(大约5 min)。图中曲线突然增高是由于在粉尘浓度传感器周围加入了少量粉尘干扰，随着粉尘的散去，传感器探测到的粉尘浓度逐渐下降，趋于平稳。实验表明下位机和电脑端软件工作正常。

5 结 语

基于单片机和虚拟仪器的粉尘浓度检测装置设计人性化，使用方便，能为类似功能的仪器仪表提供一定价值的设计参考，能够满足学生学习虚拟仪器、单片机通信编程技能训练的需求。

图12 连续采集粉尘浓度曲线图

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Design of Dust Concentration Detecting Device Based on Microcontroller and Virtual Instrument

ZHANGFei，QIANJinfa

(Dept. of Electrical Engineering, Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, Jiangsu, China)

In order to detect the dust concentration in the air and give full play to the computer data processing function，a dust concentration detecting device was designed by using AT89S52 microcontroller and LabVIEW2012 virtual instrument development software. The design method of the hardware and software of the slave computer is described in detail. The front panel and part of the diagram program of software are given. The dust concentration information can be showed through digitals and curves, and dust concentration alarm lamp is also designed. Experiment shows that the experimental device has low cost and reliable function. It has some practical value in the virtual instrument and microcontroller technology teaching.

microcontroller; virtual instrument; hardware; dust concentration； detecting device

2016-07-25

江苏高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015C238)；江苏省前瞻性研究专项资金项目(BY2014043)

张 飞(1981-)，男，江苏常州人，硕士，讲师、工程师，主要研究方向：自动化技术、人工智能。

Tel.: 13656118626; E-mail:czmeczf@163.com

TP 274.2

A

1006-7167(2017)04-0137-04