基于MSP430矿山通风实时监控系统.doc

哈 尔 滨 理 工 大 学

毕 业 设 计

题 目： 基于MSP430矿山通风实时监控系统
院、 系： 测通学院 测控技术及仪器系
姓 名： 张 虎
指导教师： 施云波
系 主 任： 刘 泊

2011 年 6 月 24 日

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哈尔滨理工大学学士学位论文
基于MSP430矿山通风实时监控系统
摘 要
煤炭是我国的第一能源，在一次性能源结构中占70%以上。但是，由于开采条件的复杂性，使得矿山瓦斯、煤尘、水、火、顶底板事故的隐患无处不在。这些事故中，绝大部分是通风不良而引起。通风是矿山安全生产中的一个重要环节，通风监控系统设计的优劣直接关系到矿山的安全生产和经济效益。
本课题主要研究矿山通风实时监控，其中给出了CO、风速、温度、粉尘传感器的设计，通过单片机的命令将结果通过显示器及报警传送给管理人员进行操作。本系统有效解决了矿山通风的实时检测和控制问题。
本课题的主要研究工作如下：
(1) 前端处理电路的设计和制作。主要是设计CO传感器探头的变送器电路，实现将信号进行放大、转换、报警等功能。
(2) 核心板处理单元的电路设计。整个系统需要监测四个参量，包括两路A/D电压、一路单总线数字信号和一路电阻浓度转换信号。其中CO传感器是电压信号，风速传感器是电流信号，粉尘传感器是电阻阻值，核心板将实现电流到电压的转换，包括基准恒压电路、接口电路等。
(3) 系统软件驱动与数据处理。整个系统要实时监测参量变化，同时要实时显示在液晶12864上，当CO浓度超过预设置的报警点时，主控箱进行声光报警，当粉尘浓度超标时进行粉尘除尘设备开启。

关键词　矿山通风；实时监控；安全；一氧化碳
MSP430-based Real-time Monitoring Mine Ventilation System
Abstract
Coal is first energy in china, primary energy structure in more than 70%. However, due to the complexity of mining conditions, making the mine gas and coal dust, water, fire, roof and floor of the accident are hidden everywhere. These incidents, the vast majority of poor ventilation caused. Mine safety ventilation is an important part of the production; ventilation control system design is directly related to the merits of mine safety and economic benefits.
The main subject of study of real-time monitoring mine ventilation, which gives the CO, wind speed, temperature, dust sensor design, through the microcontroller commands the results sent to the monitor and alarm management operation. The mine ventilation system effectively solves real-time detection and control.
The main research is as follows:
It mainly designs the transmitter circuit of CO sensor probe, the transmitter circuit achieves the amplification、alarm、conversion functions of the signal.
It mainly designs the core processing unit circuit board. The whole system needs to monitor three parameters, including two-channel A/D and 1-wire bus digital signal. The output of CO sensor is voltage signal and the wind speed sensor is current signal, the core board will achieve the current to voltage conversion; core board also includes: reference constant voltage circuit and interface circuit.
It mainly designs the system software-driven and data processing. The whole system will monitor the change of parameters Real-time, and display on the LCD12864, when CO concentration exceeds pre-set alarm point, the main control box will alarm using sound and light，When the dust concentrations exceeding the open dust removal equipment.

Keywords　Mine Ventilation; Real-time Monitoring; Security; CO
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目 录
摘要 I
Abstract II

第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 课题的目的及意义 1
1.3 我国矿山的现状 1
1.4 矿山发展的简史及国外的发展状况 2
1.5 本文研究的主要内容 3
第2章 设计系统的总体设计 5
2.1 系统总体设计 5
2.2 硬件设计原则 6
2.2.1 设计要求 6
2.2.2 遵循标准 6
2.3 软件设计原则 7
2.3.1 程序的模块化设计 7
2.3.2 程序的结构化设计 7
2.3.3 系统资源的合理化配置 7
2.4 本章小结 7
第3章 矿井环境参数的测量控制 8
3.1 CO浓度的测量控制 8
3.1.1 传感器原理 8
3.1.2 传感器结构 9
3.1.3 传感器电路 10
3.2 温度的测量控制 11
3.2.1 DS18B20 11
3.2.2 原理和内部结果 11
3.2.3 DS18B20电路 12
3.3 风速测量 12
3.3.1 传感器介绍 12
3.3.2 传感器电路模块 13
3.4 粉尘的测量控制 14
3.4.1 粉尘浓度测量原理 14
3.4.2 模拟信号处理 15
3.5 本章小结 17
第4章 硬件电路的设计及固件编程 18
4.1 单片机系统 18
4.1.1 单片机简介 18
4.1.2 单片机管脚 19
4.2 液晶显示器 20
4.3 声光报警 21
4.4 电机驱动 24
4.5 软件设计总体结构 25
4.6 本章小结 28
结论 29
致谢 30
参考文献 31
附录A 33
附录B（英文原文） 34
附录C（中文翻译） 48
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第1章 绪论
1.1 课题背景
矿井通风系统对地下开采犹如血液循环系统对人体一样重要，矿井通风是地下矿山安全生产的重要保障。随着矿井向深部延伸和开采强度的增加，矿井必将出现岩温增高、风路延长、阻力增大、风流压缩放热、风量调节困难、漏风突出、有毒有害物质和热湿排除受阻等问题。因此，矿井通风的作用将更加重要。
目前我国许多矿山开采己经进入了500-1000m的开采深度（将该深度定义为亚深部），上述矿井通风问题非常突出；与此同时，深部开采粉尘污染问题的解决也非常困难[1]。
1.2 课题的目的及意义
矿山通风是保证向井下连续输送必要数量的新鲜空气、稀释并排除有毒有害气体和矿尘，为矿工创造安全舒适工作环境的根本措施。矿井实行机械通风、合理设置通风构筑物、正确布置局部通风机及风筒是控制中毒窒息事故发生的前提。加强通风系统维护与运行管理是杜绝中毒窒息事故的保证。矿山通风（mlneventilation）在机械的或自然的动力作用下，将地面新鲜空气连续地供给矿山作业地点，稀释并排出有毒、有害气体和粉尘，调节矿内气候条件，创造安全舒适工作环境的一门工程技术。由此可见，保证人身安全和矿井安全生产的措施中，矿井通风有着非常重要的意义。
矿山通风的目的是控制污染物的浓度和空气温度，使之达到安全卫生标准，以保障矿工的劳动安全和健康，提高劳动生产率。对于矿山的安全卫生标准，各国均有具体规定。1982年中国颁布的《矿山安全条例》规定：采掘工作面进风流中，按体积计算，氧气浓度不低于20%；二氧化碳浓度不超过0.5%；矿井总回风巷，二氧化碳不得超过1.5%。井下作业地点的空气含尘量不得超过2mg/m3；人风井巷和采掘作业面的风源含尘量不得超过0.5mg/m3；采掘作业面空气干球温度不得超过摄氏28度。此外，对各种有毒、有害气体的浓度都有相应的规定[2]。
1.3 我国矿山的现状
中国的金属矿山，自20世纪50年代逐步建立机械通风系统以来，矿山企业也就是煤矿企业（我国有很多国营或者私营的煤炭企业）。其中安全隐患最大的是私营煤矿，私营煤矿是个人经营，安全隐患存在很大，这些老板为了赚钱而忽视安全造成许多家庭的伤害，在这些事件上人们会很熟悉一个词那就是“黑窑”全称是黑煤矿企业，这些企业都是未经国家许可而建造的，安全隐患很不达标，有些工人盲目赚钱进入这些企业。我国每年关于煤矿伤亡事件都很多，比如说煤矿坍塌，煤矿进水，煤矿爆炸等[3]。这些都危害着我们身边的每一个人，非法的开采不尽然工人们受危害，还会破坏土地的平衡。矿山的安全如果不达标就意味着将有人会因此受害，近年来，我国矿山事故不断，从广西、山西到黑龙江等省区，重大矿山安全事故时有发生，引发强烈的社会不满与批评。据安监总局网站消息，2009年全国非煤矿山共发生事故1230起、死亡1542人。我国正处于工业化进程之中，对矿产资源的需求在不断增加，矿山安全的压力也不断加大。我们必须坚持“以人为本”的方针，全面检讨我国矿山企业开采中的安全生产问题，并努力寻求解决的对策。尽管我国做了很多防御和严厉检查措施，但还是有很多非法开矿的企业成为了漏网之鱼，这些企业的老板为了赚钱可以不顾一切拿工人的生命当工具，可见非法矿山企业危害的严重性是多么大。矿山企业是我国的重要发展但也是我国的安全存在一，非法煤矿的开发使国家和人民受到了不小的伤害，每年因非法煤矿开发所造成的事故从未减小尽管国家的检查严格还是有的企业可以逃避，致使我国煤矿安全事件不断上升。煤矿工人的安全要靠煤矿企业的安全管理和应用来保护，煤矿的各项系统都很重要，这些系统都保护着井下的工人的生命安全，系统的维修也是不容忽视的，必须定期检查及修理以防止系统漏洞所引发的危险。矿山是我国开发的重要工程，它可以为我国开采出很多的矿产资源，矿产的价格也是很高这就是为什么我国会有很多人利用它来赚取暴利，他们为了获取利益可以把工人的安全保护措施都省略，就是因为他们没有这一点所以他们要逃避国家的检查。这些都是管理上得疏漏[4]。但是从技术方面还是有比较好的成就，50年代我国就开始逐步建立机械通风系统。60年代，建立了分区通风系统和棋盘式通风网络。70年代，出现梳式通风网络、爆堆通风、推广地温预热技术及云锡的排氡通风经验等。进入80年代，金属矿井通风技术以节约能耗为中心有了比较快的发展，取得的主要成就有：高效节能风机的研制与推广；多风机多级机站通风新技术的应用；矿井通风网路的节能技术改造；建立矿井通风计算机管理系统和井下风流调控技术与手段的完善等[4, 5]。
1.4 矿山发展的简史及国外的发展状况
16世纪（1556）欧洲有用手动风箱通风的记载。中国在明崇祯年间（1637）有用竹筒排放有害气体的记载。欧洲在17世纪曾使用火炉通风，到19世纪开始用机械通风。俄罗斯学者罗蒙诺索夫于1742年提出矿井中空气自然流动的理论，奠定了自然通风计算的科学基础。1854年英国阿特肯逊(J.J.Atkinson)发表《矿井通风原理》一文，阐明风量与风压降之间的关系，首次提出通风阻力计算公式，为矿井通风阻力计算奠定了理论基础。1904年苏联科学院院士斯科钦斯基首次应用流体力学方程，将矿内风流作为一维稳定流动进行分析，开创了矿内空气动力学的理论与试验研究。20世纪前半叶，以斯阔成斯基为首的苏联学者，对矿内风流结构、井巷通风阻力、烟尘排出过程和矿井通风设计计算方法等进行了系统的研究，建立了以流体力学为基础的矿井通风学理论体系1949年由斯科钦斯基与柯马洛夫合著的《矿内通风学》是这一时期具有代表性的论著。1929年波兰学者布德雷克(W.Budryk)应用热力学原理解释矿内自然风流的流动规律。50年代以来，各国学者以热力学原理对矿井通风过程进行了全面分析[6]。
1981年美国海尔（C.J.Hal）所著《矿井通风工程》一书是以热力学理论为基础，阐述矿内风流运动规律的代表性论著。欧美学者对深矿井通风和复杂通风网路解算分析方法的研究有较多贡献。
根据煤矿监控技术的历史发展看，国内外最早的煤矿监控系统的信息传输是靠空分制，也就是个测点用对电缆芯线来传输，其最有代表性的是法国推出的CTT63/40煤矿环境监测系统，它可以监测瓦斯、一氧化碳、风速、温度等参数，测点数最多可测60个点。紧跟着西欧国家有100多个矿装备了该系统，为矿井安全生产起一定的作用。因此东欧的波兰把技术引入本国，产生可测20个点的CMM-20，后来又把测点扩展到128个点，形成了新的系统即CMC-1系统[1,5]。80年代初，我国先后从法国引进2套CTT63/40，别装备在阳泉一矿和充州东滩矿。80年代中又从波兰引进2套CMM-20装备了抚顺龙风矿和开滦赵各庄矿，后由抚顺煤矿安全仪器厂引进CMM-20的制造技术，经国产化生产出AUI系统，这就是第1代煤矿安全监控系统在我国的应用情况。煤矿监控技术发展到第2代产品的主要特征是频分制传输，也就是采用频率划分信道。这样传输信道电缆芯线大大减少，很快将第1代空分制系统取代，最有代表性的是西德H+F公司的TF200系统。该系统采用音频传输。于1984年由原煤炭部引进，装备在充州的兴隆庄矿，并由重庆安仪厂引进制造技术。由此在我国许多矿井装备了TF200系统。随着集成电路的出现，推动了时分制技术的发展，第3代产品就是以时分制为基础的煤矿监控系统，最有代表性的是英国的MINOS系统，该系统很快占领欧美市场，使煤矿监控技术的发展上了一个大台阶。80年代，随着计算机技术、数字通信和大规模集成电路的飞速发展，煤矿监控系统也不断发展，仅英国就有4个公司推出了各自的系统，他们是HSDE、WOOD、TRANSMITNG和WEST-HOUSE等4家公司。西德、美国等也都推出了各自的系统[7, 8]。
1.5 本文研究的主要内容
本论文研究具有重要的理论和实际意义。可以取得良好的社会效益和经济效，不仅能显著改善井下生产环境，减少一线生产工人的矽肺病发病率和中毒等事故，同时可以减少井下通风的投资和运行费用，减轻通风管理人员的劳动度。另外良好的生产环境还可提高工人的劳动生产率，有效避免各类伤害事故发生。
本文主要研究矿山通风实时监控，其中给出了CO、风速、温度、粉尘传感器的设计，通过单片机的命令将结果通过显示器及报警传送给管理人员进行操作。本系统有效解决了矿山通风的实时检测和控制问题。

第2章 设计系统的总体设计
2.1 系统总体设计
为了彻底解决目前矿井通风管理存在的效率低下、浪费人力资源的问题，加快信息传递、交换和处理速度，保证其可靠性、方便性，实现管理的自动化、现代化，有必要设计了一套矿井通风安全自动监测系统，它可以利用现代最新的科技手段和电子计算机技术，可以全面、实时、有效的对监测数据进行自动记录、处理、存储和报警。
传统的通风安全监测系统的结构是井下测量传感器通过电缆直接连接到监测分站，监测分站通过模拟开关分时采集传感器信号，同时完成数据存储及与监控计算机数据交互的功能。这种结构的监测系统具有以下不足：传感器输出的信号一般为频率信号，范围为200Hz~1000Hz，测频精度不高，可靠性差；每个传感器都需要一条电缆来连接到监测站，使用电缆多，成本高，不容易扩展，它适合测点集中的情况[1]。
为此设计了比较简单的总体设计框图如图2-1：

图2-1 系统总体设计框图
图2-1中，利传感器用采集数据，调理和A/D转换，输送进单片机，经过单片机的处理后发送指令到控制台（如报警，显示等），控制台接受到操作指令后，由人员或者电脑系统设置好的程序对设备进行操作。
系统由以下几大部分组成：CO浓度测量部分、温度测量部分、风速测量部分、粉尘检测部分、声光报警、显示部分、电机驱动、以430单片机为核心的数据采集、处理、控制部分。
系统在实际工作时，CO测量部分、温度测量部分、风速测量部分、粉尘检测部分把相应的参量分别转换为电压信号、数字信号、电流信号、电流信号传送给430单片机核心处理部分，核心处理部分把电流信号转换成电压信号，再通过430F149的12位A/D转换为数字信号进行采集，对采集到的数据进行处理同时在液晶12864上显示出来。在MSP430F149单片机的flash中存储着用户设定好的CO浓度报警值，当测量的CO浓度超过报警值时则430单片机控制进行声光报警，以此提醒用户采取措施。声光报警为蜂鸣器和红色LED小灯的同节奏鸣响和闪烁。
在本系统中，将所有传感器均设计成智能型传感器，智能传感器集数据采集、发送于一体。当系统测量不同的物理量时，只需配接不同的智能传感器，有效弥补了传统矿井安全监测系统中存在的不足。由于电路统一，备用元器件种类少，也便于备品备件的准备；层次化设计，微控制器编程模块化，便于系统扩展，为建立煤矿综合监测系统提供了良好的解决方案。各智能传感器和各执行器组成一个网络，单片机通过发送不同的地址依次控制各智能传感器执行测量工作，并读取和存储其测量数据，通过各传感器、单片机和执行器的协调合作来达到从采集、传输、控制、命令、执行为一体的监控系统。
2.2 硬件设计原则
2.2.1 设计要求
硬件电路是设计工作的基础，其设计的好坏，将直接影响到监控系统的性能好坏。硬件电路的设计要求围绕监控系统的功能的要求进行，在设计上应充分考虑增强其自身的抗干扰性能。
2.2.2 遵循标准
1. 软硬件合理划分：系统中软件和硬件在逻辑上是等效的。系统的软硬件功能分配要根据系统的要求而定，提高硬件的功能比例可以提高速度、提高精度、减少存储量，有利于监测和控制的实时性。相反，提高软件功能可以降低硬件的造价，提高灵活性和适应性，但相应速度要下降，软件设计费用和所需的存储器容量要增加。
2. 简化设计：硬件设计时应尽可能选用集成电路，少用分立元件，这样有利于提高系统的集成度，减少元件之间的连线、接点和封装数目，从而大大提高系统的可靠性。
3. 模块化设计：硬件设计根据预期实现的功能划分为若干模块，尽可能选用模块化结构的典型电路，各模块间的联系力求松散，以便于硬件发生故障时的检修。
4. 防干扰设计：用于监控终端、分站、传感器现场环境比较恶劣，在硬件设计时必须具体分析可能的干扰来源，并采取相应的硬件抗干扰措施来抑制干扰，以增强自身的稳定性。
2.3 软件设计原则
应用系统中的应用软件是根据系统功能要求设计的，应该可靠地实现系统的各种功能。一个优秀的应用系统的软件应具有下列特点：
2.3.1 程序的模块化设计
程序的设计模式直接影响着程序的编程，纠错及测试难易程序。在这里，我们采用模块化设计模式思想，就是在编制程序时，根据软件功能要求，将一个完整的程序分成若干块小的可以相对独立完成某些任务的模块（子程序）。各模块之间的联系尽量少，也就是说，其中一个模块的变动对其它模块的影响小。其目的是使各模块之间任务分工明确，易于编写，通读性强，纠错和调试方便，又能实现软件的自诊断，提高了软件的易理解性和易维护性，这样使软件层次结构清晰，有利于软件的调试修改
2.3.2 程序的结构化设计
为提高软件设计的总体效率，要树立结构化程序设计风格，以简明、直观的方法对任务进行描述，在编写软件之前，应绘制出程序流程图，使其结构清晰、简捷、流程合理，既便于调试、链接，又便于移植、修正。
2.3.3 系统资源的合理化配置
要合理分配系统资源，包括ROM、RAM、定时器/计数器、中断资源等。以加强软件抗干扰设计，它是提高单片机应用系统可靠性的有利措施，关系到系统性能好坏的重要因素。
2.4 本章小结
本章介绍了矿山通风的总体设计，以及软硬件设计的要求和原则。

第3章 矿井环境参数的测量控制
3.1 CO浓度的测量控制
3.11 传感器原理
CO(一氧化碳)是一种有毒可燃性气体，对煤矿安全生产的危害性很大。在矿井中CO浓度的高低是引起矿井下发生自燃火灾以及瓦斯爆炸的重要原因，那么井下CO超标就会对矿工生命产生危险。
常用的电化学式传感器有二电极、三电极、四电极三种。本系统选择的CO传感器属于三电极电化学式传感器。三电极电化学式气体传感器是由根据发生氧化（还原）反应的检知电极，发生还原（氧化）反应的对向电极，与此同时用来监视检知电极的电位变化的参照电极构成。并且在动态状态下，以参照电极检出电位为基础，根据外部连接低电位电路，检知电极保持设定好的一定电位[9]。

图3-1 传感器电化学原理图
如图3-1所示当有一氧化碳气体的情况下，首先在检知电极发生如式（3-1）所示的一氧化碳反应：
CO+H2O → CO2+2H++2e- (3-1)
这时生成的电子分布在检知电极，氢离子分布在电极旁边的电解液形成两层电。在此检知电极和对向电极同外部电路相结合，电子从检知电极向对向电极流动，氢离子在电解液中移动接受对向电极侧的电子，发生如 （3-2）式的化学反应生成水。
2H++1/2O2+2e- → H2O (3-2)
这样电化学式气体传感器根据化学反应（氧化还原反应）产生的能量，直接以电能的形式释放出，从而检出气体。一氧化碳的氧化反应全过程方程式用式（3-3）表示。
CO+1/2O2→ CO2 (3-3)
这些反应过程中在电解液的内部，电极附近引起的反应层分极、氢离子在电解液中移动时接受内部阻抗等原因发生电压下降。气体浓度电压下降明显，成为电化学传感器直线输出的阻碍原因。
参照电极的作用是检出检知电极的电位，不受电压下降的影响检知电极的电位保持一定，检知电极和对相电极间能够经常性的流动着和气体浓度成比例的电流。根据参照电极具有控制电位机能的电化学式传感器叫做三电极方式。这种三电极方式，由于输出的直线性和稳定性优越，成为被一般工业所广泛地采用的电化学式气体传感器[10]。
3.1.2 传感器结构
一般电化学式气体传感器，由作为电极的检知电极，参照对向电极、电解液、电解液保持体、除去干涉气体用的活性炭过滤网，读取电极信号用的贵金属线和电极脚等构成。电解液采用的是像硫酸一样的酸性溶液、氢氧化钾一样的碱溶液，或者氯化钾的水溶液等。为了保持电解液的稳定性，维持检知电极和对向电极间的离子传导性，各电极间夹有化学性质稳定、电解液的保持能力很强的氧化铝纤维和玻璃纤维制成的薄片。从电极读取信号一般采用像白金一样耐腐蚀性的贵重金属丝，这种金属丝在外脚的一端。根据检出气体的不同，有时会对干涉型气体具有很高的选择性。针对这种情况，可以在检知电极和吸入管间封有出去干涉气体的活性炭过滤网[11]。如图3-2所示。

图3-2 传感器结构图
3.1.3 传感器电路
本系统采用的探头具有选择性好，重复度高等优点，其输出电流为：55±10nA/ppm，将探头输出的电流信号转变为电压信号并进行放大，放大采用LM2904，本系统的设计放大倍数为2000，对应0～100ppm输出0～1.1± 0.2V，12位A/D在基准电压为2.5V的条件下分辨率可以达到（2.5-0）/4095 ≈0.6mV，其对应的CO浓度大约为0.06ppm，足以满足实际的要求。电路原理如图3-3所示[8]。

图3-3 CO传感器变送器电路原理
电路原理推导：工作电极输出电流为I，OUT点输出点的电压为VOUT，R1左端的电压为VR，由放大器的虚短虚断原理可推导出如（3-4）式所示的函数关系：

(3-4)
由以上关系可以推导出VOUT =2000VR，可见，此电路的放大倍数为2000倍。
3.2 温度的测量控制
3.2.1 DS18B20
本系统选择数字温度传感器为DS18B20。DSl8B20是美国DALLAS公司继DSl820之后推出的增强型单总线数字温度传感器，它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DSl820有了很大的改进，这给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。其管脚定义如图3-4所示：

图3-4 DS18B20正视图与管脚定义
DS18B20特点如下：
(l) 单线接口：仅需一根口线与单片机连接；
(2) 由总线提供电源，也可用数据线供电，电压范围：3.0~5.5V；
(3) 测温范围为：-55~+l25℃，在-10~+85℃时，精度为±0.5℃；
(4) 可编程的分辨率为9-12位，对应的分辨率为0.5~0.0625℃；
(5) 用户可编程的温度报警设置；
(6) 12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字量。
3.2.2 原理和内部结果
DS18B20的测温原理为：内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时，振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为-55℃时的值，如果计数器到达0之前门电路未关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于-55℃。同时，计数器复位在当前温度值上，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程。内部结构原理如图3-5所示。

图3-5 DS18B20内部结构
3.2.3 DS18B20电路
电路连接十分简单，当只连接一只DS18B20时只需将VDD通过4.7K的电阻连接到电源VCC，将DS18B20的DQ引脚连接至单片机IO即可。如图3-6所示。

图3-6 DS18B20电路连接
3.3 风速测量
3.3.1 传感器介绍
皮托管式测压管，由于其结构简单，使用方便，理论研究完善而得到广泛应用。皮托管根据流体流动引起的压差进行流速检测。标准皮托管是一根弯成直角的金属细管，它由感测头、外管、内管、管柱与全压、静压引出导管等组成。在皮托管头部的顶端，迎着来流开有一个小孔，小孔平面与流体流动方向垂直。在皮托管头部靠下游的地方，环绕管壁的外侧又开了多个小孔，流体流动的方向与这些小孔的孔面相切。顶端的小孔与侧面的小孔分别与两条互不相通的管路相连。进入皮托管顶端小孔的气流压力（称为全压），除了流体本身的静压，还含有流体滞止后由动能转变来的那部分压力，而进入皮托管侧面小孔的气流压力仅仅是流体的静压，根据全压和静压即可求出动压，从而求出风速。图3-7为皮托管式风速传感器示意图。

图3-7 皮托管式风速传感器
测量范围0.2~50m/s,精度2.5％，线性4～20mA输出，可带现场显示。不怕污染，耐腐蚀，价格极其经济。0-50m/s（最大）非线性 (最佳拟合直线)±1.0％FS。
皮托管式风速传感器本身不输出电信号，只能输出压差信号。用皮托管式风速传感器测出的压差信号与空气流速呈二次曲线关系，其数学表达式如式(3-5)：
ΔP=(Kρ/2)V2 (3-5)
其中：ΔP—皮托管式风速传感器的输出压差，Pa；
K—皮托管式风速传感器放大系数，K值最大为3，一般K≤2；
V—测点处气流的速度，m/s；
ρ—流体密度，kg/m3；
皮托管式风速传感器由铜管或不锈钢管制成，其外径越小对气流干扰越小，测量精度越高。一般来说，全压测孔的总面积应小于测压管总面积的3%。为了保证传感器具有足够的刚度，一般测压管的外径与管道内径之比在0.04至0.09之间，测压管上全压测孔的直径应是测压管内径的0.2至0.3倍，且应在0.5至1.5mm之间[12, 13]。
皮托管式风速传感器应具有抗堵塞性、抗偏流性和抗破坏性的能力。本系统采用的风速传感器为WD4110型号，该型号风速变送器是专为测量管道风速进行研发，分为测量管道平均风速的笛形皮托管风速变送器和热线式风速变送器，WD4110在低风速下仍能保证高精度测量，具有抗污染能力强，安装简便，性价比高，维护成本低等优点。
3.3.2 传感器电路模块
因为风速模块安装地点与系统的距离远，所以本系统采用的风速模块为电流模拟量输出，对应0～20m/s对应输出4～20mA电流。在系统电路板上将电流通过一阻值为100Ω的电阻，则电流信号变换为电压信号，对应0～20m/s风速输出0.4～2V电压，此电压接入MCU的A/D端口[2]。电路连接如图3-8所示。

图3-8 风速传感器电路连接
此电路的100Ω电阻在PCB布局的时候要注意位置，一定要离单片机的A/D端口近，如果距离远的话0.4V～2V的电压会因为地电压漂移而降低。
3.4 粉尘的测量控制
3.4.1 粉尘浓度测量原理
朗伯.比尔（Lambert.beer）定律：当光波通过线性物质时，会与物质发生相互作用。光波一部分被介质吸收，转化为热能；一部分被介质散射，偏离了原来的传播方向，剩下的部分仍按原来的传播方向通过介质。透过部分的光强与入射光强之间符合朗伯比尔定律。透射式光学测尘仪就是以朗伯比尔定律为基础，通过测量入射光强与出射光强，经过计算得到粉尘浓度[17]。原理图如图3-9所示。

图3-9 透射式光学测尘仪原理图
朗伯.比尔定律的公式表述为式（3-6）：
(3-6)
式中：α—介质对光的吸收系数，它是个与光强无关的量。通过实验发现，光的吸收系数与粉尘浓度成正比。那么朗伯.比尔定律又可以写成式（3-7）：
(3-7)
这里c表示物质的浓度，为物质单位浓度的消光系数，该系数只与粉尘颗粒的性质（如尘粒的直径、尘粒物质的折射率）有关，而与粉尘浓度无关。式中I0对应于L=0位置处的光强；I对应于位置为L处的光强；L表示光深入介质的厚度（m），即光程。
朗伯.比尔定律说明，入射光强随着它深入介质的厚度L做指数衰减。若L一定，则介质单位浓度的消光系数一定，那么入射光强将随介质的浓度c的变化而呈指数衰减。这就是透射式光学粉尘浓度监测的依据。
实际测量过程中应用的关系是通过式（3-8）变换得到：
(3-8)
式中入射光强与出射光强通过测量得到，光程L一般为固定值，而消光系数则需通过事先标定确定。
探测器：接收器也即是光电探测器，本光电转换系统中的原始信号是光信号，为了将它转换成电信号便于观察或进行实时处理，选择合适的光电探测器件是十分必要的。可以说，它是接收系统中的核心部件，接收系统的探测能力及探测精度，在很大程度上依赖于光电探测器的性能。衡量光电探测器主要性能的参数有两个：一个是响应时间，一个是暗电流。响应时间越短，说明探测器能测量的频率越高，暗电流越小，噪声也就越小，则探测器的性能越好。最常见的光电转换器件有半导体光电二极管、光电三极管、光电池和光电倍增管等。其中硅光电池是目前用得最广泛的一种器件。它是由本征硅材料掺入浓度约为1016~1019个/cm3杂质原子制成的。其特点是结构简单、光敏面积较大，易于实现光路，并且光电池已经广泛的应用于光电测量仪器中，所以本设计采用光电池作为光电探测器件。图3-10是电路原理流程图。

图3-10 电路原理流程图
由于是光采集得到是模拟信号，而机器运行是靠电信号，所以要进行光电转换。光电转换的基本原理是利用光电转换器件，当被测光照射到光探测器上时，产生相应的光电流，将光信号转化成电信号。本文选用硅光电池来进行光电转换[14, 15]。
3.4.2 模拟信号处理
模拟信号处理承接光电转换和数模转换这两部分，要将光电转换产生的微弱信号处理成适合A/D转换器的信号，所以该处理系统包括信号放大器、减法器和采样/保持电路。
1) 放大器
由于光电转换后得到的是电流信号，并且为了保证微弱信号不被环境和固有噪声所淹没，所以在模拟信号处理中需要使用运算放大器将电流信号转换成电压信号，并且实现对信号的斩波、检相、放大、滤波等处理。由于是微弱信号的放大信号很容易被噪声等淹没，因此尽量将最大放大增益放在第一级，即转换级。所以，级间安排是：第一级（转换级）106；第二级（增益调整级）2~256。
前面已经介绍过，因为被测对象是微弱电流信号，放大容易引起电压和电流的失调，以及零点漂移、自激干扰，所以第一级的电压电流转换放大选用自稳零斩波运算放大器ICL7650。ICL7650是MAXIM生产的自稳零斩波运算放大器，能自动稳零，性能稳定，体积小，是一种仪用IC，是便携式和其它用电池供电系统的理想器件。其连接电路如图3-11。

图3-11 第一级放大电路
对于第二级由于输入电压相对来说较大，所以电路采用了另一种高精度低漂移器件OP.07，OP.07芯片是MAXIM公司生产的高精度低漂移运放集成器件，它具有极