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摘要：针对卷烟生产车间的除尘房，为准确监测粉尘的浓度，改善生产环境，通过智能粉尘浓度检测系统检测粉尘浓度。检测系统围绕ARM为控制中心，完成数据的采集、参数设置、粉尘浓度值计算，动态预警等系统各模块的程序设计。结合SM-PWM-01A传感器、电源模块、风扇模块、储存模块的硬件电路实现每个模块的功能，从而实现智能检测生产车间空气粉尘浓度值。同时对采集处理后的数据进行分析，实现对除尘房粉尘浓度的实时监测及预警。

关键词：智能化；粉尘浓度检测；数据分析；安全预警

一、背景介绍

智能式粉尘浓度检测及预警系统是一种利用现代传感器技术和智能算法的系统，用于实时监测粉尘浓度，并能提前做出预警。在卷烟生产过程中，粉尘是一种常见的职业健康危害因素，其浓度的高低直接影响到生产工人的身体健康，甚至可能引发安全事故。因此，开发一种可靠、高效的粉尘浓度检测系统对于保护人们的健康和改善卷烟生产环境至关重要。

近年来，随着传感器技术的不断发展，智能式空气粉尘浓度检测系统得到了广泛的关注和应用。这些系统通常包括以下几个关键组件：粉尘传感器、数据采集和传输模块、数据处理和分析模块，以及用户界面。粉尘传感器通过测量空气中的粉尘颗粒数量和大小来评估粉尘浓度。数据采集和传输模块负责将传感器采集到的数据传输给数据处理和分析模块。数据处理和分析模块利用智能算法对数据进行处理和分析，以便实时监测粉尘浓度的变化趋势并提供预警。用户界面则提供了一个直观的方式来显示粉尘浓度数据和相关信息，使用户可以及时采取相应的措施[1]。

二、国内外研究现状

国内粉尘浓度监测技术主要包括采样器和直读式测尘仪。其中，煤炭科学研究总院重庆研究院最早开发出了G CG 500粉尘浓度传感器。此后，国内其他厂家也相继研制了粉尘传感器。比如：郑州光力科技股份有限公司生产的G C G1000测尘仪；中国科学院合肥光机研究生产的C C-A 测试仪；北京地质仪表厂生产的A ZPC-1等。这些仪器在国内粉尘浓度监测技术领域发挥着重要作用[2]。

国外粉尘浓度在线监测技术大多采用光散射原理。然而，由于光散射原理的粉尘浓度传感器采用光学原理，探测器容易受到污染，若不进行处理，会导致探测器灵敏度下降，需要经常进行标定，增加劳动强度且需要专业人员维护。

传统空气粉尘浓度检测方法通常包括重量法、光学法、电学法和化学法等[4-5]。而智能化空气粉尘浓度检测技术是基于传统方法的改进和创新，结合了物联网、人工智能等先进技术，实现了更精准、高效、智能的粉尘浓度监测[6]。

一方面，智能化空气粉尘浓度检测技术采用了更为精准的传感器技术。传统的浓度检测方法主要依靠颗粒物质的重量、体积等参数进行测量，存在着测量精度低、响应时间长等问题。而智能化技术引入了高精度的传感器，如激光散射、电子气体传感器等，能够实时、准确地检测空气中的粉尘浓度。

另一方面，智能化空气粉尘浓度检测技术将物联网技术应用于监测系统中。通过将传感器与云平台进行连接，可以实现数据的实时传输和集中管理，提高了监测系统的监控能力和响应速 度。同时，利用物联网技术还可以实现设备的远程控制和运维，提高了粉尘浓度检测系统的智能化程度。

三、系统设计

1.工作原理

智能式空气粉尘浓度检测系统是一种利用传感器和数据处理技术来监测环境中空气中粉尘浓度的系统。其原理主要包括传感器测量和数据处理两个步骤[7]。

传感器测量步骤：智能式空气粉尘浓度检测系统通常使用光学传感器或电学传感器来测量环境中的粉尘浓度。光学传感器通过测量粉尘颗粒对光传输的影响来间接测量粉尘浓度。电学传感器则通过测量粉尘颗粒对电流或电压的影响来间接测量粉尘浓度。传感器可以根据其测量原理的不同分为散射式传感器、透射式传感器、电阻式传感器等。

数据处理步骤：传感器测量到的信号会被送入数据处理单元进行处理。数据处理单元通常包括模数转换、滤波、校准和数据分析等过程。模数转换将传感器信号转换为数字信号，滤波可以对信号进行平滑处理，校准可以调整传感器的灵敏度，数据分析可以对测量结果进行实时监测和统计分析。

2.系统组成

该设计的粉尘检测模块包括以下主要组成部分：

（1）粉尘采集模块；（2）ARM处理器光源系统；（3）光探测系统；（4）放大电路；（5）单片机处理；（6）电源电路和数据存储电路；（7）风扇电路。

该设计的粉尘检测模块能够监测空气中的PM 2.5和PM 10微颗粒，并通过RS 485串口输出检测结果。在检测过程中，利用M C 34063变换器控制电压，通过电压稳压器为吸气风扇、粉尘采集模块和ARM处理器供电。

通过这种设计，可以实现高精度的粉尘浓度检测，并满足环境监测要求。同时，该设计具有较低的功耗和较小的体积，方便移动和部署，能够满足部分部门和企业对廉价、移动灵活的检测设备的需求。为了进一步提升粉尘检测技术水平，可以结合国内外已有的粉尘检测技术，研究数据采集和传输技术的发展趋势，不断改进和创新。其控制电路整体框图如图1所示。

四、智能式粉尘浓度检测及预警系统关键技术

1.控制核心

粉尘传感模块采用STM32F103C8T6作为控制核心，该芯片使用高性能的ARM Cortex-M3 32位RISC内核，与所有ARM工具和软件兼容。它的工作频率为72MHz，内置高速存储器，并配备丰富的增强I/O端口和连接到两个APB总线的外设。该芯片能够处理多达43个可屏蔽中断通道和16个优先级。最显著的特点是支持三种低功耗模式，可以在低功耗、短启动时间和多种唤醒事件之间实现最佳平衡。因此，它非常适合用于粉尘传感模块，以满足对粉尘传感器长时间使用和快速检测的功能要求。

2.粉尘采集系统

该装置采用SM-PW M01A粉尘传感器，利用光学方法检测空气中粉尘浓度。传感器中的发光二极管和探测器相交，当带粉尘的气流通过交叉区域时，产生散射光，探测器将检测到粉尘散射的IR LED光线，并转换成电信号。经过放大和A/D转换电路，信号转为数字信号。低脉冲宽度增加表示灰尘浓度增加。灰尘浓度显示与低脉冲占空比对应，能检测到1.0um尺寸的室内香烟等小颗粒物和大于2.5 um尺寸的灰尘粒子浓度。该粉尘传感器外形紧凑、质量轻，易于安装。在此设计中，将粉尘采集模块连接到STM 32F103C8T6的PA1和PA2引脚，通过ARM处理器进行程序处理并计算粉尘浓度。

ST M 32F103C 8T 6基本外围电路如图2所示。

3.主要外围电路

3.1电源电路

粉尘采集模块、STM32F103C8T6和参数存储电路、风扇驱动电路依次采用5 V、3.3 V、10 V供电电源供电，分别采用MC34063、78M05、LM1117供电。

3.2风扇驱动电路

扬尘检测模块利用吸气风扇使空气循环通过粉尘采集模块，形成恒定的气流，清除气腔内残留的尘埃，便于实时准确检测。

3.3参数储存电路

此电路利用得电可擦除存储芯片FM24C04，通过两线串行的总线和单片机通讯。芯片内的资料可以在断电的情况下保存100年。

五、数据采集及处理

5.1数据采集

适合该环境监测系统的传感器是基于光散射原理的SM-PW M-01A粉尘传感器。该传感器将采集到的信息以低脉冲信息宽度（PWM）输出。对于1微米左右的小颗粒，输出信号为窄脉冲或重叠的连续脉冲波形；而对于5至20.4毫米的大粉尘颗粒，输出信号为宽脉冲或不重叠脉冲波形。该粉尘模块利用传感器输出的PWM波的低电平占空比来计算粉尘的浓度。由于该传感器可以提供实时的检测结果，并且具有较高的自动化程度和较低的维修成本，因此非常适合用于实时监测系统[9]。

P1——小颗粒物浓度输出；

P2——大颗粒物浓度输出。

二者低脉冲占空比计算公式为：

其中：

Lop——表示低脉冲占空比；

T1、T2...T8...Tn——表示低脉冲宽度；

Top，表示总采集时间。

在程序中时可以按曲线对应的直线方程关系处理可以简化软件算法。求出水平曲线对应的直线方程，程序处理按次算法编写。

可知levell的曲线可近似表示为：

5.2数据处理

该次数据滤波采用了中位值平均滤波法（复合滤波）。优点是融合了中位值滤波法和算术平均滤波法的优点，既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰。缺点是测量速度较慢，且相对浪费RAM。ARM处理器通过编程软件对采集到的大量数据进行复合滤波，将N个数据按从小到大的顺序排序。然后去掉M个最大和最小的粉尘浓度值，排除特殊情况下的不稳定数据。最后对剩下的稳定数据求平均值，使所测数据更加稳定准确。

六、结论

智能式空气粉尘浓度检测及预警系统是一种应用于卷烟生产车间除尘房的环境监测技术，其设计原理是基于智能化技术和传感器技术，通过对空气粉尘浓度的检测和数据处理，实现对除尘房空气质量的监测和评估。

该系统的关键技术包括系统控制单元和主要外围电路。系统控制单元包括控制核心和粉尘采集系统，负责实现对传感器的控制和数据采集。主要外围电路包括电源电路、风扇驱动电路和参数储存电路，用于提供系统所需的电源和控制外部设备。

数据采集和数据处理是系统的两个主要功能。数据采集模块负责从传感器中读取粉尘浓度数据，将其传输给数据处理模块。数据处理模块对采集到的数据进行处理和分析，得出空气粉尘浓度的结果，可以根据设定的阈值进行报警或控制其他设备。

参考文献

[1]胡志明，王宇，陈飞.基于智能算法的室内空气粉尘浓度监测系统设计[J].仪器仪表学报，2019，40（12）：81-88.

[2]张明，刘敏，王国栋.基于无线传感器网络的室内空气质量监测系统设计与实现[J].计算机工程与设计，2018，39（5）：1135-1141.

[3]李静，陈伟，王雷.基于嵌入式系统的空气粉尘浓度检测与预警系统[J].计算机应用研究，2017，34（7）：2043-2046.

[4]吴文振，杨伟.基于激光散射光度计的空气粉尘浓度检测技术研究[J].传感技术学报，2021，34（1）：37-44.

[5]高宇，孙晓东.基于电阻降压式传感器的空气粉尘浓度检测[J].仪器仪表学报，2020，41（9）：1231-1238.

[6]刘磊，刘建军，王明月等.基于物联网技术的空气粉尘浓度检测系统设计[J].传感技术学报，2019，32（6）：1175-1180.

[7]邓雪芹，魏亚东.基于传感器网络的室内空气质量监测系统[J].传感器与微系统，2016，35（2）：22-25.

[8]郭红光，王飞.煤矿井下粉尘治理的PM 2.5标准初探.[J].煤矿安全，2015（4）：34-36.

[9]黄钦海，周志衡.某市部分企业工作场所噪声和粉尘危害现状分析[J].中国职业医学，2014（4）：13-14.

[10]韩宇，刘洪亮，郑聪等.基于PC和Arduino的空气质量监测系统设计与实现[J].现代电子技术，2018，41（19）：165-170.