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1、毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文）第 1 页 共 41 页1 引言引言 1.1 课题背景简介课题背景简介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
2、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。众所周知，1952年12月的伦敦烟雾事件，在最高粉尘浓度为4500mg/m的烟尘持续一周之后，曾造成震惊一时的数千人死亡的严重后果。日本环境保护学术界认为，大气中的粉尘浓度达到150mg/m时，视程只能达到8km，对飞机的能见度有影响;浓度达到600mg/m时，视程将降到二公里以下，居民呼吸将感到明显的不舒适。另外长期在24小时平均浓度在100mg/ m环境下居住的学龄儿童的支气管呼吸道阻力约为呼吸新鲜空气的儿童的二倍。小时平均浓度达300mg加3时，病弱者和老年人的死亡率将有所增加。据美国统计，1968年所发生的二亿吨污染物中，粉尘就
3、占二千三百万吨。因此在工业废弃物造成的大气污染公害中，最先暴露出来的第一代污染问题也就是粉尘污染。为 了保 障 工人的身体健康和生命安全，国家于1979年制定了工业企业设计卫生标准(TJ3 6-79) ，其中规定了当煤尘中二氧化硅含量小于10%时，输煤系统建筑物室内空气含尘浓度最高不超过10mg/m，室内空气呼吸性粉尘浓度不超过3.5m g/m、含尘气体排放浓度不超过120mg/m。1.2 空气净化装置的国内外研究现状空气净化装置的国内外研究现状空气净化技术的应用己有20多年的历史，随着全球环境污染状况的日益恶化，空气净化技术也随之不断地创新和发展。由于大气污染的加剧、室内装演和空调器使用的普
4、及而造成的室内空气污染情况目前越来越引起人们的重视，毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文）第 2 页 共 41 页室内空气净化器就是用来改善和提高室内空气质量的装置。目前国内市场上的空气净化装置按其原理分类有以下五种：（1）滤网式空气净化装置：采用风扇强制换气，同时对空气进行过滤、净化可除去有害物质。（2）静电集尘式空气净化装置：用纤维状活性炭滤网及静电滤尘网进行净化空气。（3）负氧离子式空气净化装置：装有负氧离子发生器，发出负氧离子，其主要作用是使人们获取新鲜空气。（4）紫外线杀菌式空气净化装置：装有紫外线灯，能杀死细菌、病毒。（5）光催化式空气净化装置：利用纳米T102光催化剂，将有害
5、气体、气味及细菌病毒等通过光催化氧化的方法彻底去除。但目前市场上现有的各类产品均存在着一定的自身缺陷，前两种形式的净化器已被逐渐淘汰，负离子式一般认为只有消除烟尘的物理作用，对细菌病毒及化学污染物则无能为力，紫外线杀菌式对有害气体气味等有机物无能为力。近年来，光催化技术被认为是很有发展前途的室内空气净化技术，它可将有害气体、气味及细菌病毒等通过光催化氧化的方法而彻底去除，但其作为一种单元操作过程，还存在一定的局限性和不足，如催化剂微孔易被堵塞、催化效率较低、催化活性易劣化等。因此，全自动监控周围空气污染情况，能够根据周围空气污染情况全自动控制各项运行系统，能杀菌和抗病菌的空气净化产品是未来市场
6、的必然趋势。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。毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文）第 3 页 共 41 页2 总体设计
7、方案总体设计方案2.1 系统框图系统框图PIC 单片机蜂鸣器LCD 功率放大装置键 盘测量放大器传感器A/D 转换转速设定 定PWM压差 差图 2.1 系统总框图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 09 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
8、示模块等 4个部分，其系统总框图如图 2.1 所示。2.2 各模块设计方案及功能各模块设计方案及功能2.2.1 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 PIC16F8774。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毕毕业业设设计计说说明明书书
9、（论论文文）第 4 页 共 41 页器，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。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5。2.2.2 电动机驱动控制模块系统所采用的执行装置为直流电动机。单片机发出 PWM（脉宽调制）信号，通过功率放大装置，实现电动机的运转。通过调节 PWM 信号的占空比，可以对
10、电动机的转速进行调节，达到控制空气速度目的6。2.2.3 压差信号采集与处理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 04kPa 之间。2.2.4 键盘输入模块键盘通常采用常用的
11、 4 键矩阵式键盘，通过 PIC 单片机 B 口的中断功能捕捉键盘输入信息。其中，键盘大当中的两键负责压差值大小的调节，剩余两键中一键负责开机与关机，另一键负责奉蜂鸣器的开关。单片机一开始将 line1与 line2 输出置为低电平，如果有键按下，则引脚 RB4 与 RB5 的电平会产生一个从高到低的变化过程，单片机产生中断8。中断程序将从 B 口读入值，为了防止键盘抖动，隔一定时间再次读入，两次结果比较即可确认是哪个键按下9。2.2.5 液晶显示模块 采用图形点阵液晶显示器 12864，液晶模块直接与单片机相连，通过单片机的控制实现对压差值的动态显示。当系统报警时，显示报警信息。MS1286
12、4J主要采用动态驱动原理，由行驱动控制器和列驱动控制器组成了 128 列*64 行毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文）第 5 页 共 41 页的全点阵液晶显示。液晶显示分为左右两个半屏，各为 64 列*64 行，其中每 8行为一页，故每个半屏，每页均有 64 列10。3 开发环境简介开发环境简介3.1 MPLABIDE v6.60 简介简介在软件的开发环境方面，Microchip 提供了 MPLABIDE 这套多功能的发展环境（Integrated Development Environment） ，MAPLAB 除了可以做软件仿真外，也支持 Microchip 自己的烧写器。因此，MA
13、PLAB 可以完成单片机的软件编写、程序调试、仿真和程序烧写整个过程。在软件方面，MAPLAB 提供了汇编语言和 C 语言两个编译器。Microchip提供的汇编语言编译器为 MPASM，安装 MAPLAB 的同时就装好了。C 语言编译器为 HI-Tech，需要通过安装其他软件来完成。除了 Microchip 本身的开发工具外，支持厂商也提供了相应的开发环境。国外的如 RFSolutions 公司，开发了 ICEPIC，国内的如 Wave 公司，也开发了相应的软件。这些开发环境的编译器都建立在 MPASM 的基础上。MAPLAB 是 Microchip 公司所开发的适用于 PIC 系列单片机的
14、集成开发环境，所支持的单片机涵盖了 PIC12/16/17/18 全系列的单片机。这套开发环境提供了软件仿真器，没有硬件也可以在计算机上进行单片机的仿真工作。同时还支持外界硬件仿真器，可以配合实际电路进行程序的调试。MAPLAB 中主要有以下实用工具。（1）MPALAB Editor 程序编辑器。是简单的文字编辑器，用于编写汇编程序，写完后可以直接进行编译和调试。（2）MPALAB Assembler 程序编译器。是汇编语言编译器。MALAB有命令行接口和 Windows 界面，可以基于 Windows 操作系统的独立应用程序，也可以通过 MALAB 使用。 （3）MPALAB 能够生成用于
15、MPLINK 目标文件连接器的可重定位目标文件、Intel 标准 HEX 文件和有关存储的映像文件。（4）MPALABSIM Software Simulator 软件仿真器。MPALABSIM软件仿真器可以对 PIC 系列单片机大部分外设进行仿真，允许用户在指令级的层次上对 PIC 系列单片机进行仿真。毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文）第 6 页 共 41 页(5)MPALABICE Emulator 硬件仿真器。MPALABICE 包括了一台主机和对应于不同型号单片机的仿真头。硬件仿真器的优点在于可搭配设计的电路，实际地进行仿真和调试。(6)PICSTART PLUS 简易型程序烧
16、写器。这是搭配 MPALAB 烧写单片机程序代码的外接硬件工具。3.2 HI-Tech 简介简介PICC 编译器可以直接挂接在MPLAB-IDE集成开发平台下，实现一体化的编译连接和原代码调试。使用MPLAB-IDE内的调试工具ICE2000、ICD2 和软件模拟器都可以实现原代码级的程序调试，非常方便。基于 PICC 编译环境编写PIC 单片机程序的基本方式和标准C 程序类似，程序一般由以下几个主要部分组成11：(1)在程序的最前面用#include 预处理指令引用包含头文件，其中必须包含一个编译器。(2)提供的“pic.h”文件，实现单片机内特殊寄存器和其它特殊符号的声明；用“_CONFIG”预处理指令定义芯片的配置位。(3)声明本模块内被调用的所有函数的类型，PICC 将对所调用的函数进行严格的类型匹配检查。(4)实现函数（子程序），特别注意 main 函数必须是一个没有返回死循环。3.2.1PICC 中的基本变量类
