數(shù)字式測(cè)塵儀畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　附圖索引III</b></p><p><b>　　附表索引IV</b></p>

2、;<p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 概論1</b></p><p>　　1.2 問題的提出1</p><p>　　1.3 粉塵濃度測(cè)量方法的選定2</p><p>　　1.3.1 采樣法2</p><p>

3、　　1.3.2 非取樣法3</p><p>　　1.4 論文的主要內(nèi)容4</p><p>　　1.5 相關(guān)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r4</p><p>　　1.5.1 激光源的發(fā)展?fàn)顩r4</p><p>　　1.5.2 光電傳感器的發(fā)展?fàn)顩r5</p><p>　　1.5.3 單片機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r6</p>&l

4、t;p>　　第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求7</p><p>　　2.1 系統(tǒng)分析7</p><p>　　2.2 工業(yè)控制狀況7</p><p>　　2.3 本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)9</p><p>　　第三章 理論基礎(chǔ)與測(cè)量原理10</p><p>　　3.1 粉塵簡(jiǎn)介10</p><p>　

5、　3.2 散射理論簡(jiǎn)介10</p><p>　　3.3 Mie散射理論簡(jiǎn)介13</p><p>　　3.4 光散射法測(cè)量粉塵濃度15</p><p>　　第四章 MCS-51單片機(jī)硬件和電路圖設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.1 系統(tǒng)方案框圖17</p><p>　　4.2 光學(xué)部分17</p>

6、<p>　　4.3 硅光電池傳感器18</p><p>　　4.4 電路部分設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.4.1 光電轉(zhuǎn)換19</p><p>　　4.4.2 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換19</p><p>　　4.4.3 模擬信號(hào)放大20</p><p>　　4.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）及其與單片機(jī)電路接

7、口設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.5.1 A/D轉(zhuǎn)換器分類21</p><p>　　4.5.2 AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換器21</p><p>　　4.5.3 AD1674的性能參數(shù)22</p><p>　　4.5.4 AD1674的管腳功能22</p><p>　　4.5.4 AD1674模擬量輸入電路外部連線

8、23</p><p>　　4.5.5 AD1674模擬量單極性輸入電路24</p><p>　　4.5.6 本設(shè)計(jì)中AD1674模數(shù)轉(zhuǎn)換器與8051單片機(jī)接口設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.6 4位液晶（LCD）顯示及其與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.6.1 LCD的結(jié)構(gòu)示意圖26</p><p

9、>　　4.6.2 LCD的驅(qū)動(dòng)方式27</p><p>　　4.6.3 用CC14543實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD的交流驅(qū)動(dòng)27</p><p>　　4.6.3 本文中液晶顯示器（LCD）與8051單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.7 微型打印機(jī)及其與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.7.1 打印機(jī)的分類和工作原理3

10、0</p><p>　　4.7.2 本文中TPμP-16B微型打印機(jī)與8051單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)31</p><p>　　4.8 撥動(dòng)開關(guān)及其與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)32</p><p>　　4.8.1 撥動(dòng)開關(guān)32</p><p>　　4.9 鍵盤及其與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)33</p><p>　　4.9.1 鍵盤輸入及

11、去抖動(dòng)34</p><p>　　4.9.2 單片機(jī)中的鍵盤35</p><p>　　4.9.3 獨(dú)立式按鍵與8051單片機(jī)的接口電路35</p><p>　　4.10 8051單片機(jī)完整硬件電路圖36</p><p>　　第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)38</p><p>　　5.1 8051單片機(jī)38</p

12、><p>　　5.1.1 引腳功能38</p><p>　　5.1.2 匯編指令40</p><p>　　5.2 程序流程圖41</p><p>　　5.2.1 系統(tǒng)主程序流程圖41</p><p>　　5.2.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖41</p><p>　　5.2.3 4位LCD濃度

13、值顯示子程序流程圖42</p><p>　　5.2.3 打印機(jī)中斷子程序流程圖43</p><p>　　5.2.4 設(shè)定測(cè)定時(shí)間中斷子程序流圖43</p><p>　　5.3 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)44</p><p><b>　　結(jié)束語52</b></p><p><b>　　參考文

14、獻(xiàn)53</b></p><p><b>　　致謝54</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著社會(huì)公眾對(duì)大氣污染越來越關(guān)注，國(guó)家加大了對(duì)空氣中粉塵的檢測(cè)力度，同時(shí)粉塵的檢測(cè)對(duì)煤礦等工業(yè)也有很大的重要性，所以對(duì)粉塵的檢測(cè)具有極大的意義。本文設(shè)計(jì)了一套數(shù)字式粉塵測(cè)塵儀，能過適用

15、于公共場(chǎng)所可吸入顆粒物PM10濃度的快速測(cè)定、工礦企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)衛(wèi)生方面呼吸性粉塵、總粉塵的測(cè)定。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的數(shù)字測(cè)塵儀基于硅電池的光電傳感器來檢測(cè)大氣中的粉塵濃度，并采用MCS-51（8051）單片機(jī)來作為測(cè)塵儀的控制核心。大氣中的粉塵濃度經(jīng)過光電傳感器檢測(cè)輸出檢測(cè)電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為檢測(cè)電壓信號(hào)送入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最終進(jìn)入單片機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、顯示等過

16、程。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字式測(cè)塵儀具有實(shí)時(shí)顯示的功能，且能過手動(dòng)設(shè)定檢測(cè)時(shí)間、使用專用打印機(jī)現(xiàn)場(chǎng)輸出數(shù)據(jù)以及可存儲(chǔ)一定檢測(cè)數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字式測(cè)塵儀具有測(cè)定快速、準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、檢測(cè)靈敏度高等特點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：粉塵濃度；數(shù)字式測(cè)塵儀；8051單片機(jī)；光電傳感器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　

17、　Along with the social paying more and more attention to the air polution, the country stepped up efforts in detecting the air’s dust.At the same time, the detection of the dust also have very big the importance in indus

18、trial such as coal mine, so the detection of dust is of great significance. This paper designs a set of digital dust measuring dust instrument which can apply to the fast determination of PM10 in the public, the determin

19、ation of labor health respirable dust and total dust in the i</p><p>　　This paper designed digital measurement instrument based on the dust silicon photoelectric sensors to detect the atmospheric dust concen

20、tration. And the apparatus uses the MCS-51 (8051) single chip microcomputer as its cybermtics core. Photoelectric sensor detection Atmospheric dust concentration after output detect electrical signals, then converts it t

21、o the voltage signal and put it into A/D adc converting it into digital signals.Finally the digital signals is put into the single chip microcom</p><p>　　Keywords: dust concentration; Digital instrument meas

22、ured dust; The single chip microcomputer 8051; Photoelectric sensor</p><p><b>　　附圖索引</b></p><p>　　圖1. 1粉塵濃度測(cè)量方法的分類2</p><p>　　圖3. 1塵粒散射示意圖13</p><p>　　圖4. 1

23、系統(tǒng)框圖17</p><p>　　圖4. 2測(cè)塵儀光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)示圖18</p><p>　　圖4. 3硅光電池傳感器的測(cè)量電路19</p><p>　　圖4. 4光電流信號(hào)到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路20</p><p>　　圖4. 5電壓信號(hào)的放大電路20</p><p>　　圖4. 6 AD1674模擬單級(jí)性輸入電路

24、24</p><p>　　圖4. 7 AD1674與8051單片機(jī)的借口電路26</p><p>　　圖4. 8 LCD（液晶顯示器）結(jié)構(gòu)示意圖27</p><p>　　圖4. 9 CC1454328</p><p>　　圖4. 10 8051和CC14543及借口電路29</p><p>　　圖4. 11

25、TPμP-16B微型打印機(jī)與8051單片機(jī)的接口電路31</p><p>　　圖4. 12微型機(jī)并行打印時(shí)序32</p><p>　　圖4. 13 8線撥動(dòng)開關(guān)33</p><p>　　圖4. 14 撥動(dòng)開關(guān)與單片機(jī)的接口電路33</p><p>　　圖4. 15按鍵的抖動(dòng)信號(hào)34</p><p>　　圖4.

26、 16濾波電路34</p><p>　　圖4. 17消抖電路34</p><p>　　圖4. 18鍵盤與8051的接口電路36</p><p>　　圖4. 19基于單片機(jī)系統(tǒng)的硬件圖37</p><p>　　圖5. 1 8051引腳圖38</p><p>　　圖5. 2主程序流程圖41</p>

27、<p>　　圖5. 3 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖42</p><p>　　圖5. 4 LCD顯示子程序流程圖42</p><p>　　圖5. 5打印機(jī)中斷流程圖43</p><p>　　圖5. 6檢測(cè)時(shí)間設(shè)定中斷流程圖43</p><p><b>　　附表索引</b></p><p&

28、gt;　　表4-1 AD1674各控制輸入腳功能23</p><p>　　表4-2 AD1674輸出數(shù)碼與輸入電壓間關(guān)系24</p><p>　　表4-3輸出數(shù)字量與輸入模擬量的關(guān)系25</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1概論</b></

29、p><p>　　八十年代以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，在眾多的工業(yè)部門中都會(huì)遇到各式各樣的粉塵濃度測(cè)量，粉塵濃度的測(cè)量已經(jīng)顯得越來越重要。比如煤礦作業(yè)中就需要測(cè)量生產(chǎn)環(huán)境中的粉塵濃度，用以防止粉塵的各種危害。同時(shí)國(guó)家已加大對(duì)大氣中的可吸入顆粒物濃度的測(cè)量要求：2011年1月1日開始，環(huán)保部發(fā)布的《環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測(cè)量重量法》開始實(shí)施，該法首次對(duì)PM2.5的測(cè)量進(jìn)行了規(guī)范；國(guó)務(wù)院總理溫家寶201

30、2年2月29日主持召開國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，統(tǒng)一發(fā)布修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，歷時(shí)4年修改后，PM2.5終于寫入“國(guó)標(biāo)”，納入各省市強(qiáng)制檢測(cè)范疇。因此空氣粉塵濃度的測(cè)量，在環(huán)境保護(hù)、消防安全以及工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域都有重要的領(lǐng)域。</p><p><b>　　1.2 問題的提出</b></p><p>　　隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，特別是工業(yè)的發(fā)展，粉塵的危害也越來越重要了。工

31、業(yè)過程不僅源源不斷地提供人們需要的產(chǎn)品，而且也不斷地產(chǎn)生各種各樣的工業(yè)粉塵。工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)活動(dòng)，已經(jīng)產(chǎn)生了大量的粉塵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)業(yè)粉塵約占粉塵的10%左右，大量的粉塵來源于工業(yè)生產(chǎn)和交通元素。電廠的輸煤系統(tǒng)、煤礦、隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，尤其建材工業(yè)，化學(xué)工業(yè)，工業(yè)與民用鍋爐產(chǎn)生的粉塵最為重要。</p><p>　　我國(guó)礦井較多，其中尤以煤礦粉塵較突出。我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，也是用煤大國(guó)，在總的能源構(gòu)成中煤炭約占75%

32、左右，這一狀況在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)有更本性的改變。煤礦再生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸及巷道掘進(jìn)等個(gè)個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)向井下空氣中排放大量的粉塵。尤其在風(fēng)速較大的作業(yè)場(chǎng)所，粉塵排放量猛增，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，有的礦區(qū)排向井下空氣的煤塵是煤炭的產(chǎn)量的1.6%以上。</p><p>　　粉塵對(duì)人體健康的危害主要有以下幾方面：</p><p>　　大量粉塵在肺泡上沉積下來，可引起肺組織的慢性纖維化，使肺泡的機(jī)能下降，導(dǎo)致

33、肺心病、心血管病等一系列病變。</p><p>　　大氣粉塵是多種污染物的“載體”和催化劑“。</p><p>　　粉塵還能散射和吸收陽光，降低能見度。如城市接受的陽光輻射平均比鄉(xiāng)村低20%，且主要是紫外線部分。兒童所受的紫外線照射減少，妨礙了兒童體內(nèi)維生素D的合成，使腸道吸收鈣、磷的機(jī)能減退，使鈣代謝處于平衡狀態(tài)，造成骨骼鈣化不全，成為佝僂病的起因，導(dǎo)致小兒軟骨病。</p>

34、<p>　　進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)后，其中有毒有害物質(zhì)很快被肺泡吸收，沒有經(jīng)過肝臟的轉(zhuǎn)換就進(jìn)入血液，對(duì)人體健康危害很大。</p><p>　　另外，對(duì)于礦井來講，粉塵的爆炸危害主要是指煤塵爆炸，煤塵爆炸造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失相當(dāng)驚人的，對(duì)煤礦工人生命和國(guó)家財(cái)產(chǎn)造成重大損失。</p><p>　　由上所述，粉塵危害日益嚴(yán)重，大氣中過大呼吸性粉塵粒子對(duì)人體的健康會(huì)造成不良的影響，除了呼

35、吸性粉塵對(duì)人體的危害外，一些可燃粉塵還具有爆炸性，對(duì)粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)控是防止粉塵爆炸的一項(xiàng)措施，也是研究粉塵爆炸規(guī)律時(shí)必須測(cè)定的參量。對(duì)粉塵濃度的測(cè)量具有十分重要的意義。</p><p>　　1.3 粉塵濃度測(cè)量方法的選定</p><p>　　經(jīng)過多年來的研究開發(fā)，目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)生產(chǎn)的各類測(cè)塵儀器及采用的測(cè)量方法各種各異，粉塵濃度的表示方法也不一定相同，但是他們大致可以分為兩大類：其原理分別

36、基于取樣法和非取樣法。圖1.1列出了這些方法。</p><p>　　圖1.1粉塵濃度測(cè)量方法的分類</p><p><b>　　1.3.1 采樣法</b></p><p>　　取樣法，即從待測(cè)區(qū)域中抽出部分具有代表性的含塵氣樣并送入隨后的分析測(cè)量系統(tǒng)來測(cè)量粉塵的濃度與粒徑的方法。其基本工作原理是：從含塵區(qū)域采集一定體積的粉塵式樣，過濾或分離其中

37、所含塵粒，根據(jù)集塵質(zhì)量和體積等計(jì)算出氣體的含塵濃度，同時(shí)將過濾下來的塵樣利用各類粒度測(cè)量及其它分析測(cè)試一起進(jìn)行測(cè)量分析，便可進(jìn)一步獲得塵粒的平均粒徑、粒徑分布及其物理特性、化學(xué)組成等。</p><p>　　取樣法從原理上最基本和最簡(jiǎn)單，這種方法的關(guān)鍵在于所取塵樣是否具有代表性。由于在使用良好的情況下，它可以得到比較可靠的結(jié)果，因此，包括我國(guó)在內(nèi)的一些國(guó)家至今尚把它作為標(biāo)準(zhǔn)方法。但是它的缺點(diǎn)也很明顯，主要包括：&l

38、t;/p><p>　　對(duì)采樣操作要求高，如果不能做到等速采樣就會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來誤差，即使?jié)M足了等速采樣的條件，含塵氣體在輸送過程中也可能會(huì)發(fā)生損失，使測(cè)量結(jié)果不正確。</p><p>　　該采樣法為點(diǎn)測(cè)量，每次只能檢測(cè)某一點(diǎn)處的氣樣，為了獲得整個(gè)含塵區(qū)域粉塵的平均濃度值，就需要采用在多點(diǎn)處進(jìn)行測(cè)量并加以平均的做法，這樣無疑會(huì)大大增加測(cè)量工作量。</p><p>　　需要

39、手工進(jìn)行操作，影響測(cè)量精度的因數(shù)較多，且操作程序繁雜、占用房間和設(shè)備較多、采樣時(shí)間較長(zhǎng)、儀器維修量大、花費(fèi)成本較高等等。由于該方法自動(dòng)化程度低，因而只能定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，很難用于實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。</p><p>　　為了充分發(fā)揮取樣法測(cè)量原理簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)它測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、自動(dòng)化程度低、難以用于在線監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)。雖然目前人們開發(fā)了自動(dòng)取樣裝置，用以提高取樣的自動(dòng)化程度，同時(shí)還把β射線、壓電振動(dòng)機(jī)超聲衰減等新測(cè)試技術(shù)應(yīng)用

40、到取樣后級(jí)測(cè)量系統(tǒng)中，提高了取樣法測(cè)量的實(shí)時(shí)性，拓寬了它在工業(yè)上應(yīng)用的前景。但是還是難克服要采樣以及采樣過程中帶來的費(fèi)時(shí)費(fèi)力、實(shí)時(shí)性差等各種不足。</p><p><b>　　1.3.2非取樣法</b></p><p>　　非取樣法就是測(cè)量是不用取樣，而是利用粉塵的物理、光學(xué)等特性直接測(cè)量粉塵排放濃度計(jì)粒徑大小的方法，主要有：</p><p>

41、　　黑度法，它是視覺觀察煤煙，并將其黑度與林格黑度表相比較來確定煙氣濃度。</p><p>　　散射法，它是通過測(cè)量顆粒受光照射后所發(fā)出的散射光信號(hào)大小來測(cè)量北城顆粒的重量濃度。</p><p>　　消光法，它是利用光線通過粉塵介質(zhì)時(shí)由于顆粒對(duì)光線的散射和吸收，使光強(qiáng)發(fā)生衰減的原理來測(cè)量粉塵濃度。</p><p>　　MESA測(cè)量法結(jié)合了透消光法和壓電振動(dòng)法兩種方法

42、，利用壓電振動(dòng)法測(cè)量粉塵的質(zhì)量濃度后，然后根據(jù)消光法理論，求的粉塵的濃度與平均粒徑。</p><p>　　目前來看，一些非取樣法尚存在的不足：黑度法測(cè)量結(jié)果可信性不高，受各種主客觀因素影響較大；消光法儀器靈敏度低，不適用低濃度粉塵濃度的測(cè)量；MESA測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于原理上的局限性，測(cè)量誤差大。但非取樣法能實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量粉塵濃度，其中一些可以自動(dòng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)粉塵排放；另一些能同時(shí)給出粉塵的濃度與粒徑。特別是光散射

43、法具有不改變浮游粉塵的物理化學(xué)性質(zhì)，測(cè)量精度高，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)出空氣中含塵濃度等優(yōu)點(diǎn)，因此該類方法前景較為廣闊，故本次畢業(yè)論文采用基于光散射法的粉塵濃度測(cè)量設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　1.4 論文的主要內(nèi)容</p><p>　　從目前國(guó)內(nèi)發(fā)展情況來看，我國(guó)目前現(xiàn)有的各類檢測(cè)儀器和手段，除了取樣法應(yīng)用的較為普及，并被列入我國(guó)粉塵排放測(cè)試方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)外，其余各種方法的儀器目前在這方面還停留在

44、比較落后的水平上，難以滿足日益增長(zhǎng)的環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)在線監(jiān)測(cè)的要求，從另一側(cè)面也反映這方面研究工作的迫切性和重要性。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用基于光散射法理論來測(cè)量大氣中的粉塵濃度，主要由激光源、光電傳感器以及單片機(jī)組成。系統(tǒng)利用激光源通過大氣中的粉塵照射到光電傳感器之上來檢測(cè)出粉塵的濃度，并通過單片機(jī)進(jìn)行控制以及數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示。</p><p>　　1.5 相

45、關(guān)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　1.5.1 激光源的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　激光器的種類很多，其中半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料（主要是化合物半導(dǎo)體）作為工作物質(zhì)，主要以電流注入作為激勵(lì)方式的一種激光器。最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器是由一個(gè)P-N結(jié)構(gòu)成的。由于能在室溫下獲得連續(xù)震蕩而實(shí)用化以來，已經(jīng)過了1/4世紀(jì)。二十多年來，半導(dǎo)體激光器得到了飛速的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用做各種儀器設(shè)備系統(tǒng)中。

46、</p><p>　　近十幾年來，半導(dǎo)體激光器已成為世界上發(fā)展最快的一門激光技術(shù)。由于其獨(dú)特的性能，使得它目前在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中展現(xiàn)出了一些列的優(yōu)點(diǎn)，包括測(cè)塵領(lǐng)域。其中有電流注入而激勵(lì)的半導(dǎo)體激光器稱為激光二極管。激光二極管作為重要的光源之一，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1.體積小，重量輕，光功率密度高。</p><p>　　2.效率高，調(diào)制簡(jiǎn)單，工作壽命長(zhǎng)。

47、</p><p>　　3.可集成，機(jī)械強(qiáng)度高。</p><p>　　4.光譜范圍寬，可與常用探測(cè)器相匹配。</p><p>　　5.成本低，可批量生產(chǎn)。</p><p>　　此外，半導(dǎo)體激光器還具有耐輻射，可靠性高，傳遞信息速度快等特點(diǎn)。</p><p>　　可見在許多方面激光二極管的性能已經(jīng)優(yōu)于一些其他的典型激光器件

48、，它不僅具有重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)，而且具有相干性高、功率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜及工作速度高的等特點(diǎn)，因此本文設(shè)計(jì)的數(shù)字式測(cè)塵儀選用激光二極管作為光源器件。</p><p>　　1.5.2 光電傳感器的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　光電傳感器都有一個(gè)光敏表面，當(dāng)一定頻率范圍的光信號(hào)照射到光敏表面時(shí)，由于光電效應(yīng)，即轉(zhuǎn)換相同頻率的電信號(hào)輸出，電信號(hào)的大小與入射光強(qiáng)度成正比。微量光電傳

49、感器主要性能的參數(shù)有兩個(gè)：一個(gè)是響應(yīng)時(shí)間，一個(gè)是暗電流。響應(yīng)時(shí)間越短，說明傳感器能測(cè)量的頻率越高，暗電流越小，噪聲也就越小，則傳感器的性能越好。</p><p>　　最常見的光電轉(zhuǎn)換器件有半導(dǎo)體光電二極管、光電三極管、光電池和光電倍增管等。</p><p>　　光電倍增管是目前靈敏度最高的觀點(diǎn)傳感器件，但它是真空器件，不耐沖擊、振動(dòng)，體積也較大，又需要高壓電源供電，成本較高，用于戶外測(cè)試儀

50、器極不方便。</p><p>　　光電二極管與光電池都是P-N結(jié)光伏器件，它們差別在于摻雜濃度不同，內(nèi)阻不一樣，響應(yīng)速度不一樣。</p><p>　　光電三極管的特點(diǎn)是體積小，響應(yīng)速度快，從接受光信號(hào)的觀點(diǎn)來看，采用它是比較有利的，但它的光敏面積小，產(chǎn)生的信號(hào)比較弱，故亦不采用。</p><p>　　硅光伏傳感器也稱硅光電池，是目前用得最廣泛的一種器件。由于它的優(yōu)良

51、的性能已經(jīng)逐漸取代了硒光電池。硅光電池價(jià)格便宜，光電轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定，作為光電轉(zhuǎn)換元件在許多濃度計(jì)，比色溫度計(jì)及其它分析儀表中被廣泛應(yīng)用。本文的數(shù)字式測(cè)塵儀所采用的傳感器也正是光電池。它是由本征硅材料參入濃度約為1016~1019個(gè)/cm3雜質(zhì)原子制成的。硅光電池按基片材料不同可分為2DR型和2CR型兩種。</p><p>　　2DR型硅光電池是以P型硅為基片的，在基片上擴(kuò)散磷形成N型薄層（厚</p&g

52、t;<p>　　約0.5~1um），構(gòu)成P-N結(jié)，2CR型是以N型硅為基片，在基片上擴(kuò)散硼形成P型薄層 ，構(gòu)成P-N結(jié)，在經(jīng)過各種處理后，加上電極而成。</p><p>　　1.5.3 單片機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　1971年intel公司研制出世界上第一個(gè)4位的微處理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片Intel 4004，標(biāo)志著第一代微處理

53、器問世，微處理器和微機(jī)時(shí)代從此開始。因發(fā)明微處理器，霍夫被英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》雜志列為“二戰(zhàn)以來最有影響力的7位科學(xué)家”之一。 </p><p>　　1971年11月，Intel推出MCS-4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器 ）其中4004包含2300個(gè)晶體管，尺寸規(guī)格為3mm×4mm，計(jì)算性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)年的ENIAC，最初售價(jià)為200

54、美元。 </p><p>　　1972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個(gè)8位微處理器Intel 8008。由于8008采用的是P溝道MOS微處理器，因此仍屬第一代微處理器。 </p><p>　　1973年intel公司研制出8位的微處理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel 8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。 </p>&

55、lt;p>　　主頻2MHz的8080芯片運(yùn)算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲(chǔ)器，使用了基于6微米技術(shù)的6000個(gè)晶體管，處理速度為0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。 </p><p>　　1975年4月，MITS發(fā)布第一個(gè)通用型Altair 8800，售價(jià)375美元，帶有1KB存儲(chǔ)器。這是世界上第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。 </p><

56、p>　　1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的單片機(jī)，這也是單片機(jī)的問世。 </p><p>　　Zilog公司于1976年開發(fā)的Z80微處理器，廣泛用于微型計(jì)算機(jī)和工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備。當(dāng)時(shí)，Zilog、Motorola和Intel在微處理器領(lǐng)域三足鼎立。 </p><p>　　20世紀(jì)80年代初，Intel公司在MCS-48系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上，推出了MCS-51系列8位

57、高檔單片機(jī)。MCS-51系列單片機(jī)無論是片內(nèi)RAM容量，I/O口功能，系統(tǒng)擴(kuò)展方面都有了很大的提高。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求</p><p><b>　　2.1 系統(tǒng)分析</b></p><p><b>　　基本功能：</b></p><p>　　適用于可吸入顆粒物PM10濃度的快

58、速測(cè)定、工礦企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)衛(wèi)生方面呼吸性粉塵、總粉塵的測(cè)定。</p><p><b>　　主要性能：</b></p><p>　　測(cè)量速度快、準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定，適合各種復(fù)雜環(huán)境，檢測(cè)靈敏度高。</p><p><b>　　技術(shù)指標(biāo)：</b></p><p>　　檢測(cè)靈敏度 0.01mg/m3；&l

59、t;/p><p>　　測(cè)定范圍 0.01-100mg/m3；</p><p>　　重復(fù)性誤差 ≤±2%；</p><p>　　測(cè)量精度 ±10%；</p><p>　　測(cè)定時(shí)間 0.1m、1m、3m、5m、10m、15m以及手動(dòng)任意時(shí)間；</p><p>　　輸出方式 4位液晶顯示，可直讀CP

60、M值以及質(zhì)量濃度值mg/m3，亦可</p><p>　　連接專用打印機(jī)現(xiàn)場(chǎng)輸出數(shù)據(jù)；</p><p>　　存儲(chǔ)功能 可存儲(chǔ)60組測(cè)量數(shù)據(jù)；</p><p>　　環(huán)境溫度 0-40℃；</p><p>　　電 源 12V。</p><p>　　同時(shí)，設(shè)計(jì)的儀器應(yīng)符合衛(wèi)生部WS/T206-2001《公共場(chǎng)所空氣

61、中可吸入顆粒物（PM10）測(cè)定法-光散射法》標(biāo)準(zhǔn)、勞動(dòng)部LD98-1996《空氣中粉塵濃度的光散射式測(cè)定法》標(biāo)準(zhǔn)以及鐵道部TB/T2323-92《鐵路作業(yè)場(chǎng)所粉塵測(cè)定相對(duì)質(zhì)量濃度與質(zhì)量濃度的轉(zhuǎn)換方法》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 </p><p>　　2.2 工業(yè)控制狀況</p><p>　　2.2.1 基于單片機(jī)的控制及其優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　單片微型計(jì)算機(jī)(Single

62、Chip Microcomputer)的特點(diǎn)是用于自行開發(fā)控制系統(tǒng)，方便、靈活、成本低，可用低級(jí)語言、也可用高級(jí)語言編程。</p><p><b>　　與微機(jī)相比其特點(diǎn)：</b></p><p>　　1、集成度高、功能強(qiáng)，在一個(gè)芯片上，集成有計(jì)算機(jī)的5部分功能。</p><p>　　2、結(jié)構(gòu)合理，為哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序

63、存儲(chǔ)器相互獨(dú)立。1）容量大（16位地址線時(shí)，有64K的程序存儲(chǔ)器和64K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）、2）速度快（可達(dá)40MHz及以上）。</p><p>　　3、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、體積小、功耗低</p><p>　　4、指令豐富，有數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、控制轉(zhuǎn)移、位指令等。</p><p>　　2.2.2基于可編程控制器（PLC）的控制及其優(yōu)缺點(diǎn)</p>

64、;<p>　　可編程邏輯控制器（Programmable Logical Controller）簡(jiǎn)稱為PLC。是繼電器邏輯控制系統(tǒng)與微機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。在工廠自動(dòng)化中有廣泛應(yīng)用。</p><p><b>　　PLC的功能：</b></p><p>　　條件控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、順序控制、數(shù)據(jù)處理、通信與連網(wǎng)功能等。</p><p

65、><b>　　PLC的特點(diǎn)：</b></p><p>　　可靠性高、編程容易、組合靈活、輸入/輸出功能模塊齊全、安裝方便、運(yùn)行速度快等。</p><p>　　PLC廣泛用于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)，由于其成本低，性能可靠，目前是工廠里應(yīng)用最廣泛的邏輯器件。單片機(jī)顧名思義實(shí)際上就是一個(gè)一片IC就是一個(gè)最簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)，自己可以往里寫程序，用途也非常廣泛，主要用于一些智能化的儀

66、表，家電等，體積小。DCS是前幾年比較流行的計(jì)算機(jī)離散控制系統(tǒng)，主要用于過程控制，比如化工冶金等行業(yè)，近幾年時(shí)髦起來的FCS叫現(xiàn)場(chǎng)總線，說是DCS的替代，但是有的地方還不是很成熟，在相當(dāng)一段時(shí)間里這兩種系統(tǒng)會(huì)共存。</p><p>　　2.2.3 基于工控機(jī)的控制及其優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備的核心。傳統(tǒng)意義上，將用于工業(yè)生產(chǎn)過程的測(cè)量、控

67、制和管理的計(jì)算機(jī)統(tǒng)稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，包括計(jì)算機(jī)和過程輸入/輸出通道兩部分。 </p><p><b>　　工控機(jī)特點(diǎn)：</b></p><p>　　工控機(jī)通俗的說就是專門為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般具有強(qiáng)烈的震動(dòng)，灰塵特別多，另有很高的電磁場(chǎng)力干擾等特點(diǎn)，且一般工廠均是連續(xù)作業(yè)即一年中一般沒有休息。因此，工控機(jī)與普通計(jì)算機(jī)相比必須具有以下特點(diǎn)： <

68、/p><p>　　機(jī)箱采用鋼結(jié)構(gòu)，有較高的防磁、防塵、防沖擊的能力。</p><p>　　機(jī)箱內(nèi)有專用底板，底板上有PCI和ISA插槽。</p><p>　　機(jī)箱內(nèi)有專門電源，電源有較強(qiáng)的抗干擾能力。 </p><p>　　要求具有連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作能力。</p><p>　　注：除了以上的特點(diǎn)外，其余基本相同。另外，由于以上

69、的專業(yè)特點(diǎn)，同層次的工控機(jī)在價(jià)格上要比普通計(jì)算機(jī)偏貴，但一般不會(huì)相差太多。 </p><p>　　2.3 本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的產(chǎn)品較小，不屬于大中型的控制系統(tǒng)，是一種便攜式可移動(dòng)的小型控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)的復(fù)雜程度不高，要求的方便、可靠、有效，有支持簡(jiǎn)單計(jì)算即可。通過上面的分析，基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)正好滿足本設(shè)計(jì)的技術(shù)與性能要求，故本文采用基于單片機(jī)控制的測(cè)塵儀系統(tǒng)的設(shè)

70、計(jì)與研發(fā)。本文使用的單片機(jī)的型號(hào)是MCS-51單片機(jī)，該單片機(jī)的功能足夠滿足數(shù)字式測(cè)塵儀的設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　第三章 理論基礎(chǔ)與測(cè)量原理</p><p><b>　　3.1粉塵簡(jiǎn)介</b></p><p>　　在接受理論之前，先介紹粉塵的一些基本概念，如粉塵的概念，粉塵的分類等等。</p><p>　　何謂粉

71、塵？粉塵（也稱為“空氣中的懸浮顆粒物”）指的就是生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的，能較長(zhǎng)時(shí)間懸浮于氣體中的固體顆粒，其大小在100um一下。</p><p>　　依照粉塵的不同特征，有不同的分類方法：</p><p>　　按粉塵的形狀大小分類</p><p>　　粒徑在10um以上的容易沉降到地面的叫工業(yè)粉塵，他們?cè)陟o止空氣中可加速沉降。由于它們是用眼睛可以分辨的粉塵，又叫可見粉塵

72、；粒徑在10um到0.1um的稱為飄塵，又稱為顯微粉塵，它們?cè)陟o止空氣中可等速沉降，普通顯微鏡可觀測(cè)到；粒徑小于0.1um的粉塵則稱超顯微粉塵，它們?cè)陟o止空氣中不沉降，僅隨空氣分子無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，要借助高倍顯微鏡才能觀測(cè)到。</p><p>　　按粉塵的理化性質(zhì)分類</p><p>　　按粉塵的理化性質(zhì)分類，分為無機(jī)粉塵、有機(jī)粉塵、混合型粉塵。</p><p>　　無

73、機(jī)粉塵，包括礦物性粉塵（如石英、石棉、煤粉、滑石粉等）、金屬粉塵（如鐵、錫、鋁、錳、鈹及其氧化物）和人工無機(jī)粉塵（如金剛砂、水泥、耐火材料等）。</p><p>　　有機(jī)粉塵，包括植物性粉塵（如棉、麻、谷物、煙草等）、動(dòng)物性粉塵（如毛發(fā)、角質(zhì)、骨質(zhì)等）和人工有機(jī)粉塵（如有機(jī)染料、炸藥等）。</p><p>　　混合型粉塵，為各種粉塵的混合物。大氣中的粉塵一般都是混合型粉塵。</p&g

74、t;<p>　　粉塵濃度它是指的單位體積空氣的粉塵含量，通常每立方米的空氣所含粉塵的毫克數(shù)（mg/m3）或者克數(shù)（g/m3）來表示。這種表示方法又稱為質(zhì)量濃度。除了常用的質(zhì)量濃度（mg/m3），還有數(shù)量濃度（粒子數(shù)/cm）以及體積濃度等。</p><p>　　3.2 散射理論簡(jiǎn)介</p><p>　　當(dāng)光波通過不均勻媒質(zhì)時(shí)，與媒質(zhì)會(huì)發(fā)生相互作用，光強(qiáng)要發(fā)生衰減，稱之為消光作用

75、。消光作用又可以看作吸收和散射共同作用造成的。光的一部分被介質(zhì)散射，偏離了原來的傳播方向，剩下的一部分被介質(zhì)吸收，光仍按原來的傳播方向通過介質(zhì)。既是，散射體除將照射光的部分能量散射外，與此同時(shí)往往還吸收部分照射光的部分能量，并將其轉(zhuǎn)換為熱能等其它形式，這也即是吸收作用。而吸收作用于散射，正式光電法測(cè)量粉塵所要利用的基本原理。</p><p>　　光學(xué)上定義了散射截面σs，它是假想的一個(gè)界面，散射體向四面八方輻射的

76、總的散射功率可以表示為散射面與照射光強(qiáng)的乘積。散射截面是表征散射體散射能力的一個(gè)等效截面。</p><p>　　同理也有吸收截面σa，散射體吸收照射光的功率，等于吸收截面與光強(qiáng)的乘積，能量全部被吸收，并轉(zhuǎn)換。吸收截面表征了散射體吸收能力。</p><p>　　同理消光截面σe,它也是一個(gè)假象的截面，散射體對(duì)照射光的消光功率可以表示為消光截面與照射光強(qiáng)的乘積。已經(jīng)知道消光過程為散射和吸收共同

77、效果的總效果，即：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　他們與散射體集合截面之比分別稱為散射系數(shù)Qs、吸收系數(shù)Qa、消光系數(shù)Qe可以得到：</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　下面詳細(xì)介紹一些關(guān)于散射的基本知識(shí)。光的散射是光在不均勻媒質(zhì)

78、中傳播時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。例如一束光通過含有灰塵的空氣，由于灰塵微粒使光波向四周散射，才能從側(cè)面看到一個(gè)“光柱”。</p><p>　　使得媒質(zhì)均勻的原因主要有兩種，一種是在均勻媒質(zhì)中無規(guī)則地散布著一些其它物質(zhì)的懸浮顆粒，如氣體中的塵埃、煙（固體微粒）、霧（液體微粒），液體中的雜質(zhì)、懸浮顆粒、氣泡，固體中雜質(zhì)缺陷等。這樣的媒質(zhì)稱作渾濁媒質(zhì)。另一種原因是媒質(zhì)雖很干凈，沒有雜質(zhì)，但是由于分子的熱運(yùn)動(dòng)造成了媒質(zhì)密度的局部漲落

79、（各向異性媒質(zhì)還有各向異性漲落，這是由于部分分子的取向與均勻一致的方向有偏離，從而使媒質(zhì)的極化率發(fā)生了漲落），破壞例如媒質(zhì)的均勻性，由于這種原因引起的散射稱作分子散射。主要介紹的是前一種媒質(zhì)的散射。光散射現(xiàn)象是一種極其復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象。媒質(zhì)不均勻性引起的光散射，其原因可用經(jīng)典振子模型來說明。在入射光的激勵(lì)下，媒質(zhì)分子中的電子作受迫振動(dòng)。振動(dòng)的電子可以看作是向周圍發(fā)射子波的波源。由于不均勻媒質(zhì)中懸浮微粒毫無規(guī)則的排列，或者由于密度的無規(guī)則漲

80、落，破壞了子波源之間的確定位相關(guān)系，它們發(fā)出的子波疊加而成的光波傳播這便是散射光。宏觀看來就是其中一部分光偏離原來的主要傳播方向的現(xiàn)象。</p><p>　　按照散射光的波長(zhǎng)的特點(diǎn)，散射可分為兩類：一類是波長(zhǎng)不變的散射，即散射光波長(zhǎng)等于入射光波長(zhǎng)（如瑞利散射）。在這類散射過程中媒質(zhì)分子本身的能態(tài)不發(fā)生變化，子波源作受迫振動(dòng)的頻率等于入射光的激勵(lì)頻率。另一類是散射光波長(zhǎng)和入射光波長(zhǎng)不相等的散射（如拉曼散射）。這種散

81、射過程中分子的能態(tài)也要發(fā)生變化。同樣只介紹前一種。</p><p>　　對(duì)于前一種散射，如果粒子的大小比入射光的波長(zhǎng)小得多，通常產(chǎn)生瑞利散射。散射光的信號(hào)強(qiáng)度與d2/λ2成正比。其中，d是粒子的直徑，λ是入射光的波長(zhǎng)。當(dāng)粒子的大小可以與光的波長(zhǎng)相比時(shí)，散射理論變得較為復(fù)雜。這時(shí)我們稱散射為Mie散射。</p><p>　　Mie散射與瑞利散射的區(qū)別在于散射微粒較大，可與光波長(zhǎng)相比。1908

82、年，Mie從求解電磁波的麥克斯韋方程組出發(fā)，解出了一個(gè)關(guān)于光散射的嚴(yán)格數(shù)學(xué)解，得出了各方向同性均勻粒子的光散射規(guī)律，建立了微粒的光散射理論—Mie理論。1957年，H.C.Van de Hulst出版了關(guān)于微小粒子光散射現(xiàn)象的專著，總結(jié)了粒子散射的普遍規(guī)律，這本書被認(rèn)為是光散射理論領(lǐng)域的經(jīng)典文獻(xiàn)。1969年，C.F.Bohren，O.R.Huffman綜合前人的成果，又發(fā)表了關(guān)于微小粒子的光散射及吸收的一般規(guī)律，更全面地解釋了光的各種散

83、射現(xiàn)象。至此，微粒的光散射理論完全建立起來了。</p><p>　　目前，各種光散射測(cè)粒技術(shù)其基本原理主要是基于經(jīng)典的光散射理論（Mie散射理論）及其近似結(jié)論。根據(jù)Mie散射理論，介質(zhì)中的微小顆粒對(duì)入射光的散射特性與散射顆粒的粒徑大小及其相對(duì)折射率有關(guān)，反映其散射特性的物理量有強(qiáng)度函數(shù)、散射系數(shù)、吸收系數(shù)以及消光系數(shù)等。各種激光散射測(cè)粒儀正是根據(jù)對(duì)顆粒散射光的不同物理量進(jìn)行測(cè)量而計(jì)算出顆粒的大小、分布等參數(shù)。在激

84、光散射測(cè)量粉塵濃度中，首要的問題是要從理論上精確地計(jì)算出光散射的有關(guān)物理量。</p><p>　　光散射物理量與散射顆粒的大小及光學(xué)特性密切相關(guān)，散射顆粒的大小通常以無因次顆粒粒徑參數(shù)α=пd/λb表示，其中d和λ分別是待測(cè)顆粒的直徑和入射光波長(zhǎng)。</p><p>　　至于顆粒的光學(xué)特性，指的是待測(cè)顆粒對(duì)介質(zhì)的相對(duì)折射率。它的定義為： 介質(zhì)的折射率等于光在真空中的速度c與光在該介質(zhì)中的速度

85、v之比。由于待測(cè)顆粒及其所處介質(zhì)的不同，其相對(duì)折射率會(huì)有不同的數(shù)值。</p><p>　　(3-3) </p><p>　　其中，ε0，ε分別為真空下和介質(zhì)內(nèi)的介電常數(shù)；μ0，μ分別為真空下和介質(zhì)內(nèi)的磁導(dǎo)率；εr和μr為相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率。對(duì)于一般非磁物質(zhì)，μr≈1，因此有m≈.</p><p>　　根據(jù)電磁理論，當(dāng)介質(zhì)處于頻率為ω的單色光波中

86、時(shí)，物質(zhì)的折射率m可以表示為：</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　式中，ω為入射光波的角頻率，ω-2?π,i為虛數(shù)單位。</p><p>　　可見，折射率出現(xiàn)虛部是電導(dǎo)率σ不等于零的結(jié)果（在入射光頻率不接近介質(zhì)共振頻率時(shí)，ε近似為實(shí)數(shù)）。物質(zhì)折射率的公式還可簡(jiǎn)寫為：</p><p>&l

87、t;b>　　(3-5)</b></p><p><b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　其中折射率的實(shí)部n表示顆粒的散射特性，它反映了散射場(chǎng)的空間分布；虛部η表示顆粒的吸收特性，它表述了電磁波在進(jìn)入散射物質(zhì)后的衰減。其虛部η為零時(shí)，表示顆粒對(duì)入射

88、光僅僅散射而無吸收，顆粒的相對(duì)折射率m為一實(shí)數(shù)。而有吸收時(shí)，虛部η越大，吸收性越強(qiáng)。</p><p>　　3.3 Mie散射理論簡(jiǎn)介</p><p>　　Mie散射理論討論的是各向同性的均勻球形顆粒的光散射問題，并給出了具有適當(dāng)邊界的麥克斯韋方程組的解。</p><p>　　根據(jù)Mie理論，當(dāng)直徑為d的球形粒子受到一強(qiáng)度為I0，波長(zhǎng)為λ的入射光照時(shí)，在與散射體相距r

89、，與光軸z成θ角的觀測(cè)點(diǎn)P處的散射光強(qiáng)，是由垂直于散射體和平行于散射體的散射光強(qiáng)為Ir、Il的綜合效應(yīng)引起的：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　而散射面則為觀測(cè)點(diǎn)與 z軸所構(gòu)成的平面，如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 塵粒散射示意圖</p><p>　　由Mie理論，散射

90、光強(qiáng)Ir、Il可表示為：</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　(3-10)式中，φ為入射光的偏振角。I1，I2為強(qiáng)度函數(shù)，它們表達(dá)式為：</p><p><b>　　(3-11) </b></p><p>　　(3-12)

91、 </p><p>　　其中，S1，S2為振幅函數(shù)，它們是由貝塞爾（Bessel）函數(shù)和勒讓德（Legendre）函數(shù)組成的無窮級(jí)數(shù)：</p><p><b>　　(3-13)</b></p><p><b>　　(3-14)</b></p><p>　　式中，πl(wèi),τl為

92、散射角度函數(shù)，它只與散射角θ有關(guān)。al，bl是Mie系數(shù)，它是散射體的相對(duì)率m和粒徑參數(shù)=πd/r的函數(shù)。</p><p>　　顆粒的散射截面σs可由下式給出：</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>　　其中Fs為顆粒的總散射光。該式意味著，總的散射光Fs等于在σs上的總?cè)肷涔?。前面介紹過有σe=σs+σa，于是可以

93、推出散射系數(shù)Qs、吸收系數(shù)Qa、消光系數(shù)Qe為：</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p><b>　　(3-17)</b></p><p><b>　　(3-18)</b></p><p>　　3.4 光散射法測(cè)量粉塵濃度</p><

94、;p>　　對(duì)于Mie散射的基本原理前面已經(jīng)介紹過了，只要測(cè)量出塵粒的散射光強(qiáng)，選擇合理的散射接收角和光源波長(zhǎng)，則可以直接檢測(cè)空氣中的浮游粉塵濃度，它的測(cè)量原理如下：</p><p>　　對(duì)于單個(gè)粒子，設(shè)入射光強(qiáng)度為I0，距離粒子r處的的散射光強(qiáng)度為I，k為波數(shù)（k=2π/λ）則有：</p><p><b>　　(3-19)</b></p><

95、p><b>　　根據(jù)前面的介紹：</b></p><p><b>　　(3-20)</b></p><p>　　對(duì)于單一粒徑顆粒群，顆粒總數(shù)為N，散射光強(qiáng)度I為：</p><p><b>　　(3-21)</b></p><p>　　實(shí)際粉塵顆粒是具有一定尺寸分布的，而不

96、同粒徑的粒子的不同。對(duì)于獨(dú)立散射粒子系，有：</p><p><b>　　(3-22)</b></p><p><b>　　則有：</b></p><p><b>　　(3-23)</b></p><p>　　上式中的V含塵氣流的空氣。</p><p>

97、　　設(shè)nr(D)為粒子的歸一化頻數(shù)分布函數(shù)，即可以推出粉塵的顆粒的粒子數(shù)濃度：</p><p><b>　　(3-24)</b></p><p><b>　　換算成質(zhì)量濃度：</b></p><p><b>　　(3-25)</b></p><p>　　同樣由上面的推導(dǎo)可以知道

98、，在知道了顆粒的粒徑分布及散射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)的比以及算出Mie散射參數(shù)后，就可以求出顆粒的濃度。</p><p>　　要注意的是在上面的討論中，都是假定散射為非相干散射，既是假定個(gè)散射粒子是相互獨(dú)立的，于是個(gè)粒子的偶極子輻射是不相干的，所以各獨(dú)立粒子的輻射波強(qiáng)度相加而得總散射光強(qiáng)。</p><p>　　第四章 MCS-51單片機(jī)硬件和電路圖設(shè)計(jì)</p><p>　　

99、4.1 系統(tǒng)方案框圖</p><p>　　在介紹單片機(jī)的硬件控制系統(tǒng)時(shí)，先簡(jiǎn)要介紹下該測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的數(shù)字式測(cè)塵儀系統(tǒng)是一種基于MCS-51型單片機(jī)控制光電轉(zhuǎn)換的測(cè)量裝置，它主要由以下兩個(gè)部分組成:1光學(xué)部分，2后續(xù)部分即數(shù)據(jù)處理與顯示部分。如下圖4.1所示。</p><p><b>　　圖4.1系統(tǒng)框圖</b&g

100、t;</p><p>　　該系統(tǒng)的測(cè)量原理的簡(jiǎn)要的講為：數(shù)字式測(cè)塵儀中的粉塵粒子在散射腔中心光敏感區(qū)的恒定光強(qiáng)照射下，其表面就散射出相應(yīng)的微弱光通量，光通量的一部分作用到光電激光器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大，轉(zhuǎn)換為輸出幅度與粉塵粒子成一定比例的電脈沖信號(hào)，粒徑大的粒子散射的光通量大，光電激光器輸出的電脈沖信號(hào)幅值也大，電脈沖信號(hào)經(jīng)前置放大、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)處理，輸出并顯示所測(cè)環(huán)境的粉塵粒子的濃度。</p>

101、<p><b>　　4.2 光學(xué)部分</b></p><p>　　光學(xué)部分包含了光源、光路、光電傳感器等部分，圖4.2顯示的是數(shù)字式測(cè)塵儀的光學(xué)部分系統(tǒng)簡(jiǎn)示圖。</p><p>　　首先光源方面用激光光源。激光光源與普通光源相比單色性好，方向性好，光功率密度高，光束的分散度小，光強(qiáng)集中，有利于接受系統(tǒng)的接受，損耗低，發(fā)熱小，更適合測(cè)量。</p>

102、<p>　　圖4.2 測(cè)塵儀光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)示圖</p><p>　　接收器也即是光電傳感器，本光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的原始信號(hào)是光信號(hào)，為了將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，便于觀察或進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，選擇合適的光電傳感器件是十分必要的。可以說，它是接收系統(tǒng)中的核心部件，接收系統(tǒng)的探測(cè)能力及探測(cè)精度，在很大尺度上依賴于光電傳感器的性能。經(jīng)過前面的介紹，本文選擇的光電傳遞器為硅光電池，在0.4um~1.1um波長(zhǎng)范圍內(nèi)，測(cè)量量程從1

103、nw~20mw，足以滿足本次設(shè)計(jì)的測(cè)塵儀的精度要求，同時(shí)留有精度提升的空間。</p><p>　　4.3 硅光電池傳感器</p><p>　　硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，核心部分是一個(gè)大面積的PN 結(jié)，把一只透明玻璃外殼的點(diǎn)接觸型二極管與一塊微安表接成閉合回路，當(dāng)二極管的管芯(PN結(jié))受到光照時(shí)，你就會(huì)看到微安表的表針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，顯示出回路里有電流，這個(gè)現(xiàn)

104、象稱為光生伏特效應(yīng)。硅光電池的PN結(jié)面積要比二極管的PN結(jié)大得多，所以受到光照時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電流也大得多。</p><p>　　圖4.3所示的光電池傳感器的測(cè)量電路，由光電池控制施密特電路。該電路在輸入信號(hào)變化十分緩慢的時(shí)候，也能確保迅速轉(zhuǎn)換。由于電池即使在強(qiáng)光照射下輸出電壓也僅為0.6V，不足以使Vt1管有較大的電池輸出，故將硅光電池接在管基極上，用二極管2AP產(chǎn)生正向壓降0.3V。這樣當(dāng)光電池受到光照射時(shí)產(chǎn)

105、生的電壓與2AP正向壓降疊加，便使Vt1管的e、b極間的電壓大于0.7V，從而使Vt2管導(dǎo)通、繼電器便動(dòng)作。為了減小晶體管基極電路的阻抗變化，同時(shí)為了盡量降低光電池在為受光照射時(shí)所承受的反壓，所以在電路中給光電池并聯(lián)一個(gè)電阻。</p><p>　　圖4.3 硅光電池傳感器的測(cè)量電路</p><p>　　4.4 電路部分設(shè)計(jì)</p><p>　　儀器的電路設(shè)計(jì)主要包括

106、光電轉(zhuǎn)換、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換、模擬信號(hào)放大，以下作以介紹。</p><p>　　4.4.1 光電轉(zhuǎn)換</p><p>　　光電轉(zhuǎn)換的基本原理是利用光電轉(zhuǎn)換器件講光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?；驹硎钱?dāng)被測(cè)光照射到光傳感器上時(shí)，產(chǎn)生響應(yīng)的光電流，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。前面已經(jīng)介紹過，本文選用硅光電池來進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。</p><p>　　4.4.2 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換</p>

107、<p>　　光電轉(zhuǎn)換后得到的電信號(hào)經(jīng)過模擬信號(hào)處理送到單片機(jī)接口，最后送入單片機(jī)。由于光電轉(zhuǎn)換后得到的是電流信號(hào)，在模擬信號(hào)處理中用運(yùn)算放大器將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。圖4.4所示的是光電傳感器的測(cè)量的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的電路圖,圖中使用ICL7650反相放大，采用ICL7650最基本的反相放大法，完成光電流電壓的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖4.4 光電流信號(hào)到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路</p>

108、<p>　　4.4.3 模擬信號(hào)放大</p><p>　　測(cè)量放大電路是電路部分的核心部分，由于輸入信號(hào)為uV級(jí)，為了保證微弱信號(hào)不被環(huán)境和固有噪聲所淹沒，要求前置級(jí)增益高、低噪聲、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)。通常放大器的噪聲與寬帶幾乎成正比，增益與帶寬也是矛盾的，當(dāng)然，前置級(jí)要求低噪聲是主要矛盾，為此應(yīng)選擇低噪聲器件。圖4.5所示的是電壓信號(hào)的放大電路圖。這里的放大電路采用的中LM307N集成運(yùn)算放大器，根

109、據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的需要而設(shè)計(jì)，R1與R2相同，從而構(gòu)成兩倍放大電路，電容是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　圖4.5 電壓信號(hào)的放大電路</p><p>　　4.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）及其與單片機(jī)電路接口設(shè)計(jì)</p><p>　　經(jīng)過前面的幾步模擬信號(hào)處理后得到的+12左右的電壓信號(hào)被送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)由單片機(jī)控制系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

110、。</p><p>　　4.5.1 A/D轉(zhuǎn)換器分類</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，簡(jiǎn)寫為ADC。ADC的品種繁多。按工作原理分。ADC有：</p><p>　　1．并行式和并/串式ADC</p><p>　　并行式ADC速度高，但電路復(fù)雜，一般是8位以下。除要求轉(zhuǎn)換速度特別高的場(chǎng)合外，一般較少使用。并/串式A

111、DC是并行與串行相結(jié)合的ADC。它的速度也很高，但比并行慢一些，電路也比并行式簡(jiǎn)單些，價(jià)格也低一些，是速度與電路復(fù)雜程度的一個(gè)較好的折衷，用得比較多。</p><p><b>　　逐次逼近式ADC</b></p><p>　　這種ADC轉(zhuǎn)換速度中，精度高，但抗干擾能力不強(qiáng)，價(jià)格不高，是工業(yè)控制中用得最多的一種。</p><p>　　3. 雙積分

112、式ADC</p><p>　　這種ADC轉(zhuǎn)換速度慢，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格低，適用于要求抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)速度要求不高的場(chǎng)合，如數(shù)字電壓表或參數(shù)變化緩慢的控制系統(tǒng)和參數(shù)（比如熱電偶）。</p><p>　　4．計(jì)算比較式ADC</p><p>　　這種ADC也稱為反饋比較式、跟蹤比較式、隨動(dòng)系統(tǒng)或計(jì)數(shù)式ADC。</p><p>　　計(jì)數(shù)式A

113、DC電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但它的速度慢（比雙積分式快一些），精度不高，抗干擾能力差，因此很少使用。</p><p>　　各種ADC中，以并行式速度最高，轉(zhuǎn)換時(shí)間可小到數(shù)十毫微妙，以雙積分式最慢，轉(zhuǎn)換時(shí)間約200ms。抗干擾能力以雙積分式最慢，共模仰制比可達(dá)140db?？垢蓴_能力差的是計(jì)數(shù)式，成本以并行式最高，雙積分式較低。雙積分式和逼近比較式可達(dá)到較高的精度?？偲饋砜?，逐次逼近式較好地兼顧了性能與成本，因此在控制系

114、統(tǒng)中得到廣泛地應(yīng)用。</p><p>　　在時(shí)鐘頻率固定時(shí)，逐次逼近式ＡＤＣ的轉(zhuǎn)換時(shí)間一定，但雙積分式ＡＤＣ的轉(zhuǎn)換時(shí)間輸入模擬量（待轉(zhuǎn)換的模擬量）的增大而加長(zhǎng)。</p><p>　　還可以按其他方法分類，如按精度不同分成高精度、中等精度和低精度。</p><p>　　4.5.2 AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換器</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器件AD5

115、74系列包括AD574，AD574A，AD674A，AD674B，AD774B，AD1674這六個(gè)型號(hào)。所有型號(hào)的外封裝和引腳排列均相同，新型號(hào)是舊型號(hào)的改進(jìn)，新型號(hào)可以直接代替舊型號(hào)。其中AD574早已停產(chǎn)。AD574A是AD574的改進(jìn)產(chǎn)品，生產(chǎn)量大，是保留產(chǎn)品，但不久也要停產(chǎn)。AD674A是1988年推出的AD574A的改進(jìn)產(chǎn)品，其速度比AD574A更高。AD674B保留了AD674A的功能和性能，但增加了封裝型式。AD774B是