高精度激光粉尘检测系统

发布时间：2017-08-21 05:03

  本文关键词：高精度激光粉尘检测系统

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【摘要】：随着科技的飞速发展,工业化进程不断推进,自然环境也在遭受着越来越重的破坏。粉尘作为环境恶化的重要污染源,严重危害着我们的生活环境和人们的身心健康。因此,采取及时有效的措施对环境中的粉尘浓度进行检测,然后进行除尘降尘,可有效提高人生安全系数和环境质量。近年来,国家相关部门逐渐重视粉尘污染问题,并自主研发了许多检测粉尘的设备,对环境中的粉尘进行了大量的监测与防治工作。在现有的粉尘检测设备中,所用的传感器稳定性差,致使测量精度不够高,且校准调节难度大,这也对产品的推广和后期维护带来不便,因此,需要在已有粉尘检测设备的基础上,自行研制一款具有自主知识产权的高精度粉尘检测系统。本文在参阅大量文献的基础上,采用光散射法在线监测粉尘浓度,这种方法检测出的粉尘浓度的精度很高。我们基于这种方法设计了激光粉尘浓度检测系统,包括粉尘检测系统的总体结构设计、光学部分设计、硬件电路设计和软件程序设计,并用串口通讯模块对此系统进行了数据校准及稳定性分析,最后使用此系统对环境中的粉尘浓度实地测量,通过Origin软件对测得数据进行了数据分析,与国控点发布的数据进行对比,结果表明系统的稳定性也非常好。本文研究内容分为以下几个部分：第一部分：粉尘检测系统光学部分设计。通过比较各种粉尘检测方法的优缺点,针对粉尘测试系统的性能的总体要求,最终设计出了基于激光散射法的光学部分的总体结构,包括激光光源、气室的设计及探测器的选型。第二部分：粉尘检测系统的硬件电路设计。利用Altium Designer软件设计粉尘采集与处理模块的电路图,并对其PCB电路布线,通过加工制作生成PCB电路板。第三部分：粉尘检测系统的软件程序设计。软件方面主要使用Keil软件对粉尘采集程序、数据滤波程序、粉尘计算程序的设计。第四部分：粉尘检测系统的优化处理。在粉尘传感器电路旁加一微型风扇,可预先模拟环境变化对粉尘中PM2.5和PM10浓度造成的影响。第五部分：粉尘检测系统的调试与实地测量。利用串口通讯模块将粉尘检测系统与电脑连接,调试此粉尘检测系统。调试完成后,利用此粉尘检测系统实地测量环境气体中PM2.5和PM10的浓度值。第六部分：粉尘检测系统的性能评估。对实地测得的数据与国控点发布的数据进行对比,并用Origin软件进行处理分析,最后综合评判粉尘检测系统性能的稳定性与可靠性。本文研制的粉尘检测系统在结构上突破了两点,一是彻底克服了以往红外粉尘浓度测量方法中低精度、稳定性差的缺点；二是为传感器设计了专门的风扇通道,使测量精度更为精确。该粉尘检测系统可用于测量建筑工地等粉尘的浓度变化,可测量范围达到每立方米几mg的粉尘。在对比检测中,实现在线校准。利用自适应滤波方法提高检测精度和稳定性。
【关键词】：粉尘 激光 高精度 光散射 检测系统
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X84
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 粉尘检测概述10-11
• 1.2 粉尘检测背景11-12
• 1.3 国内外发展现状12-13
• 1.3.1 国外发展现状12-13
• 1.3.2 国内发展现状13
• 1.4 研究意义13-14
• 1.5 本文主要研究工作及各章内容安排14-16
• 1.5.1 本文主要研究工作14
• 1.5.2 论文各章内容安排14-16
• 2 粉尘检测系统总体设计方案16-20
• 2.1 系统总体设计方案16-17
• 2.2 系统各个模块介绍17-18
• 2.2.1 粉尘数据采集模块17-18
• 2.2.2 ARM数据处理模块18
• 2.2.3 电源模块18
• 2.3 系统三维图设计18-19
• 2.4 本章小结19-20
• 3 粉尘检测系统光学部分设计20-26
• 3.1 粉尘浓度检测技术方法20-22
• 3.1.1 粉尘浓度的取样测量法20-21
• 3.1.2 粉尘浓度的非取样测量法21-22
• 3.2 粉尘浓度检测系统光学部分的总体结构22-25
• 3.2.1 光源的选择22-23
• 3.2.2 气室的设计23-24
• 3.2.3 探测器的选择24-25
• 3.3 本章小结25-26
• 4 粉尘检测系统硬件电路和软件程序设计26-39
• 4.1 总电路图设计26
• 4.2 粉尘数据采集电路设计26-29
• 4.2.1 光源发射电路的设计27
• 4.2.2 放大滤波电路的设计27-28
• 4.2.3 电源模块电路设计28-29
• 4.2.4 处理电路29
• 4.3 粉尘数据处理电路的设计29-33
• 4.3.1 ARM处理器选择30-31
• 4.3.2 风扇驱动电路设计31
• 4.3.3 参数存储电路设计31-32
• 4.3.4 串口输出电路设计32
• 4.3.5 复位电路设计32
• 4.3.6 电源电路设计32-33
• 4.4 PCB设计33
• 4.5 软件设计及流程图33-38
• 4.5.1 数据采集程序设计33-35
• 4.5.2 数据滤波程序设计35-37
• 4.5.3 数据计算程序设计37-38
• 4.6 本章小结38-39
• 5 粉尘检测系统的半自动校准及测试应用39-55
• 5.1 粉尘检测系统实物图39-40
• 5.2 粉尘浓度半自动校准40-44
• 5.3 整机测试与性能分析44-52
• 5.4 误差分析52-53
• 5.4.1 误差来源52
• 5.4.2 误差估计52-53
• 5.5 系统功能及主要技术指标53-54
• 5.5.1 系统功能53-54
• 5.5.2 主要技术指标54
• 5.6 本章小结54-55
• 6 结论和展望55-57
• 6.1 结论55
• 6.2 展望55-57
• 参考文献57-60
• 攻读硕士学位期间发表的论文60-61
• 致谢61-64
• 附录A64-65
• 附录B65

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