专利名称：粉尘检测装置及其工作方法
技术领域：
本发明涉及一种粉尘检测装置及其工作方法。
背景技术：
矿井下的粉尘浓度过高是造成煤矿爆炸的原因之一，虽然采用向外强制通风降低粉尘浓度，但仍然是井下安全的隐患。目前，常采用定时抽检的方法监测粉尘浓度，通过使用吸风机和大颗粒过滤网，将粉尘吸入粉尘盒中，再称其重量，从而估计粉尘浓度。这种方法不但不准确、不方便，且不能全面反应井下粉尘的情况，同时抽检不如实时监测安全可靠。
中国专利文献CN2692660Y公开了一种激光粉尘仪，其机壳内设置有一具有采气、排气、回气口的暗室，采气口设置有一粒子切割器，采气、排气口之间设置有通过隔板隔设的气体通道，暗室的一侧设置有一光源和与该光源连接的激光发生器，气体通道的隔板上设置有与光源对应的透光孔，暗室的另一侧与光源对应，依序设置有光学透镜组和光电接收器，光电接收器连接一信号处理装置；其中所述排气口连接一滤膜采样器，所述滤膜采样器连接一抽气泵，所述抽气泵连接一分流器，所述分流器具有二出气口，其中一出气口排气，另一出气口连接所述回气口，所述信号处理装置及所述激光发生器连接一微型单片机。
另外，中国专利85109253公开了一种光学仪器；中国专利87204329公开了一种微机测尘仪；中国专利申请93117116公开了一种激光粉尘浓度监测与报警器；中国专利94239247.7公开了一种粉尘浓度测定计；中国专利文献CN2694264Y公开了一种粉尘浓度测量装置；中国专利申请03112643.X公开了一种激光散射式粉尘浓度在线测量方法。
上述现有技术的不足之处在于，结构复杂、体积大、成本高且检测方法复杂、效率低。
中国专利文献CN2751300Y公开了一种嵌入式多功能烟尘粉尘在线监测系统，包括红外发射装置、红外接收装置和主控制器，主控制器由单片机、按键、显示器和存储器组成，在单片机的输入/输出口上接有用于实现远程仪器参数设定及数据传输的RS232接口，可实现远程仪器参数设定及数据传输。该监测系统的不足之处在于由外发射装置和红外接收装置组成单监测通道，无法进行测量校正，故误差大。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、检测效率高、测量误差小的粉尘检测装置及其工作方法。
为了实现上述目的，本发明设计了一种粉尘检测装置，具有中央控制单元、与中央控制单元的发射控制输出端相连的发射驱动电路、与发射驱动电路的输出端相连的红外发光管、与中央控制单元的光电信号输入端相连的光电信号接收电路、与光电信号接收电路的输入端相连的红外接收管和与中央控制单元的报警信号输出端相连的报警电路；其特征为红外发光管是由多个红外发光管按直线排列的红外发光管列，红外接收管是由多个红外接收管按直线排列的红外接收管列；所述红外发光管列和红外接收管列平行相对设置于粉尘通道左右两侧，且各红外发光管与各红外接收管一一相对设置；所述红外发光管列和红外接收管列所在平面相对于粉尘通道中气流方向垂直；还具有密封的、无粉尘的比较通道，比较通道左右两端相对设有与发射驱动电路的输出端相连的红外发光管和与光电信号接收电路的输入端相连的红外接收管。
上述技术方案中，比较通道两端的红外发光管和红外接收管设置在同一直线上，且其间距等于红外发光管列和红外接收管列的间距。
上述技术方案中，红外接收管列的前端设有红外滤光片，红外接收管列的其余端面由不透光材料密封。
上述技术方案中，所述粉尘通道的前、后端设有通气口，其余各端面由不透光材料密封；粉尘通的前端和/或后端设有用于形成气流的风扇。
上述技术方案中，还具有与中央控制单元的显示信号输出端相连的显示电路和与中央控制单元的参数设置输入端相连的键盘电路。
上述技术方案中，中央控制单元包括单片机IC1，单片机IC1通过锁存器IC2扩展有程序存储器IC3和数据存储器IC4。
上述技术方案中，所述发射驱动电路包括译码器IC7，单片机IC1的发射控制输出端与译码器IC7的控制输入端相连，译码器IC7的输出端设有多个发射驱动电路，各发射驱动电路的输出端分别与各红外发光管相连。
上述技术方案中，所述光电信号接收电路包括多个接收驱动电路、电子开关IC5、放大电路和RC滤波电路；各接收驱动电路与所述各红外接收管相连，各接收驱动电路的输出端接电子开关IC5的光电信号输入端，电子开关IC5的光电信号输出端经放大电路和RC滤波电路后与单片机IC1的A/D转换接口相连；单片机IC1的开关控制输出端接电子开关IC5的控制输入端。
上述粉尘检测装置的工作方法，包括以下步骤①、中央控制单元的单片机IC1通过发射驱动电路的译码器IC7控制与其相连的红外发光管中的一个发光；同时，与所述发光的红外发光管对应位置的红外接收管，在光电信号接收电路的接收驱动电路的作用下接收红外光，并产生光电信号；光电信号送入电子开关IC5，单片机IC1控制电子开关IC5使该路光电信号由电子开关IC5的光电信号输出端输出，经放大电路和RC滤波电路后送入单片机IC1的A/D转换接口；单片机IC1对所述光电信号进行模数转换，并由内部RAM存储模数转换数据；②、红外发光管列中的各红外发光管及比较通道中的红外发光管依次重复上述步骤①，并存储得相应的模数转换数据；③、单片机IC1将通过比较通道获得的模数转换数据依次相应减去通过红外发光管列中各红外发光管获得的模数转换数据，得由各差值组成的一数据集合，并由内部RAM或数据存储器IC4存储；④、以相同时间间隔的方式，重复上述步骤①、②和③多次，得多个所述数据集合；比较各数据集合大小，分别剔除其中的若干个最大数据集合和最小数据集合；然后计算剩余数据集合之和值；当和值大于预设报警门限值时，单片机IC1控制报警电路报警。
上述技术方案中，单片机IC1根据所述和值计算出相应的粉尘浓度，并由显示电路显示相应的粉尘浓度值；键盘电路用于设置报警门限值和设置重复步骤①、②和③的次数N。
与现有技术相比，本发明具有以下积极效果(1)本发明中，红外发光管列和红外接收管列设于粉尘通道的左右两侧，气流在粉尘通道的前后方向流动，红外光通过粉尘通道时其幅值强度将衰减，粉尘浓度越高，衰减越明显；红外接收管接收经衰减的红外光并产生光电信号，光电信号由中央控制单元采集；同时设置一与粉尘通道隔离的、充有无粉尘空气的比较通道，以产生参考用光电信号；中央控制单元根据所述参考用光电信号及来粉尘通道中的各路光电信号计算出固定时间内(以每次采集循环次数作为测量时间)粉尘通道中各路红外光衰减数值之和，以精确反应当前环境中的粉尘含量。故其结构简单、检测效率高、测量误差小。(2)本发明中，比较通道两端的红外发光管和红外接收管在同一直线上，且其间距等于红外发光管列和红外接收管列的间距，利于提供实时、可靠且便于中央控制单元处理的参考用光电信号。(3)本发明中，红外接收管列的前端设有红外滤光片，红外接收管列的其余端面由不透光材料密封，以避开外界其他光线的干扰，利于提高检测精度。(4)本发明中，粉尘通道的前、后端设有通气口，其余各端面由不透光材料密封，以避开外界其他光线的干扰，进一步提高检测精度。粉尘通的前端和/或后端设有风扇，能保证气流维持在较好的速率，以较准确地反映周围环境的粉尘含量情况。(5)本发明中，单片机IC1通过锁存器IC2扩展有程序存储器IC3和数据存储器IC4，能降低单片机的档次，节省成本。(6)本发明中，单片机IC1通过发射驱动电路中的译码器IC7控制红外发光管列中的各红外发光管依次发光，以产生多路红外光；粉尘通道两侧的管子数越多，越利于提高检测准确度。(7)本发明中，单片机IC1通过电信号接收电路的电子开关IC5依次接收相应的多路光电信号，实现了一一对应的信号发射与接收。(8)本发明的工作方法中，重复步骤①、②和③次的次数越多，所得所述数据集合数就越多，利于减少个别测量误差对整个检测结果的影响。同时可剔除的最大数据集合和最小数据集合数也可相应增加，进一步提高检测精度。各数据集合的采集时间间隔相等，以计算出粉尘通道中的各路光电信号固定时间内(以每次采集循环次数作为测量总时间)粉尘通道中各路红外光衰减数值之和，即可算出整个通道中粉尘量的多少。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1为本发明的粉尘检测装置的原理示意图；
图2为本发明的粉尘检测装置的中的粉尘通道的示意图；图3为本发明的粉尘检测装置的电路原理图；图4为本发明的粉尘检测装置中的单片机的程序流程框图。
具体实施例方式
实施例1见图1，本实施例的粉尘检测装置，具有中央控制单元1、发射驱动电路2光电信号接收电路3、显示电路4、报警电路5和比较通道6。
如图2-3，中央控制单元1包括单片机IC1，单片机IC1通过锁存器IC2扩展有程序存储器IC3和数据存储器IC4。单片机IC1的P3.0-3.7口同时接锁存器IC2、程序存储器IC3和数据存储器IC4的D0-D7口；锁存器IC2的Q0-Q7口同时接程序存储器IC3和数据存储器IC4的A0-A7口。单片机IC1的P4.0-4.6口同时接程序存储器IC3和数据存储器IC4的A8-A14口。
发射驱动电路2包括译码器IC7，单片机IC1的发射控制输出端HS0.3、HS0.4和HS0.5(即中央控制单元1的发射控制输出端)与译码器IC7的控制输入端即A、B和C端相连，译码器IC7的输出端(Y0-Y7端)设有8个发射驱动电路。以其中一路发射驱动电路为例，发射驱动电路包括反向器IC8、设于反向器输出端的限流电阻R13和三极管VT1。+5V电源经电阻R12接三极管VT1的集电极，三极管VT1的发射极接红外发光管D9的阳极，三极管VT1的阴极接地。红外发光管列设于发射驱动电路2的输出端即各发射驱动电路输出端。
光电信号接收电路3包括8个接收驱动电路、电子开关IC5、放大电路和RC滤波电路；各接收驱动电路中，+5V电源接红外接收管8(即D1-D8)的阴极，红外接收管D1-D8的阳极分别串接限流电阻R1-R8后接地。各接收驱动电路的输出端(即所述各红外接收管与各限流电阻的接点)接电子开关IC5的光电信号输入端I/O0-I/O7端(即光电信号接收电路3的输入端)，电子开关IC5的光电信号输出端即O/I端经放大电路和RC滤波电路后与单片机IC1的A/D转换接口ACH.4(即中央控制单元1的光电信号输入端)相连；单片机IC1的开关控制输出端(HS0.1、HS0.2和HS0.3)接电子开关IC5的控制输入端(A、B、C端)。所述放大电路包括集成运放IC6、串接于电子开关IC5的O/I端与IC6同相输入端之间的电阻R9、设于IC6输出端和同相输入端之间的电阻R10、设于IC6反相输入端和地线之间的电阻R11。RC滤波电路中，电阻R30串接于IC6输出端和单片机IC1的ACH.4口之间，电容C2一端接地，另一端接单片机IC1的ACH.4口。
显示电路4为经串并转换芯片IC9～IC12(型号为74LS164)扩展的4位数码管显示电路，单片机IC1的串口RXD和TXD即为中央控制单元1的显示信号输出端。
报警电路5中，单片机IC1的P2.5口(即中央控制单元1的报警信号输出端)接反向器IC16的输入端，反向器IC16的输出端串接限流电阻R28后接三极管VT3的基极，VT3的发射极接地，+5V电源串接接蜂鸣器B1后接VT3的集电极。
密封的比较通道6内充有无粉尘空气，比较通道6左右两端相对设有与发射驱动电路2的输出端相连的红外发光管7和与光电信号接收电路3的输入端相连的红外接收管8。比较通道6两端的红外发光管和红外接收管设置在同一直线上，且其间距等于红外发光管列和红外接收管列的间距。
红外发光管列由7个红外发光管按直线排列7的，红外接收管列由7个红外接收管按直线排列。红外发光管列和红外接收管列平行相对设置于粉尘通道10左右两侧，且各红外发光管与各红外接收管一一相对设置；红外发光管列和红外接收管列所在平面相对于粉尘通道10中气流方向垂直。
红外接收管列的前端设有红外滤光片，红外接收管列的其余端面由不透光材料密封。
粉尘通道10的前、后端设有通气口，其余各端面由不透光材料密封；粉尘通的前端和后端(其他实施例中，可以是前端或后端)设有用于形成气流的风扇9，且风扇9转速恒定。
单片机IC1的串行口RXD和TXD(即中央控制单元1的参数设置输入端)扩展有16只非编码键盘电路，所述键盘电路包括型号为74LS164的串并转换芯片。
参见图4，上述粉尘检测装置的工作方法，包括以下步骤①、中央控制单元1的单片机IC1通过发射驱动电路2的译码器IC7控制与其相连的红外发光管中的一个发光；同时，与所述发光的红外发光管对应位置的红外接收管，在光电信号接收电路3的接收驱动电路的作用下接收红外光，并产生光电信号；光电信号送入电子开关IC5，单片机IC1控制电子开关IC5使该路光电信号由电子开关IC5的光电信号输出端输出，经放大电路和RC滤波电路后送入单片机IC1的A/D转换接口；单片机IC1对所述光电信号进行模数转换，并由内部RAM存储模数转换数据。
②、红外发光管列中的各红外发光管及比较通道6中的红外发光管依次重复上述步骤①，并存储得相应的模数转换数据。
③、单片机IC1将通过比较通道6获得的模数转换数据依次相应减去通过红外发光管列中各红外发光管获得的模数转换数据，得由各差值组成的一数据集合，并由外部RAM即数据存储器IC4存储；(本实施例中，红外发光管列具有7个红外发光管，故设置的采集通道数M为7)。
④、以相同时间间隔的方式，重复上述步骤①、②和③1000次，得1000个所述数据集合；比较各数据集合大小，分别剔除其中25个最大数据集合和最小数据集合；然后计算剩余数据集合之和值；当和值大于预设报警门限值时，单片机IC1控制报警电路5报警。
单片机IC1根据所述和值计算出相应的粉尘浓度，并由显示电路4显示相应的粉尘浓度值；键盘电路用于设置报警门限值和设置重复步骤①、②和③的次数N，即数据集合的数据采集次数N(本实施例为1000次，在其他实施例中可以更多)。
权利要求
1.一种粉尘检测装置，具有中央控制单元(1)、与中央控制单元(1)的发射控制输出端相连的发射驱动电路(2)、与发射驱动电路(2)的输出端相连的红外发光管、与中央控制单元(1)的光电信号输入端相连的光电信号接收电路(3)、与光电信号接收电路(3)的输入端相连的红外接收管和与中央控制单元(1)的报警信号输出端相连的报警电路(5)；其特征在于所述红外发光管(7)是由多个红外发光管按直线排列的红外发光管列，红外接收管(8)是由多个红外接收管按直线排列的红外接收管列；所述红外发光管列和红外接收管列平行相对设置于粉尘通道(10)左右两侧，且各红外发光管与各红外接收管一一相对设置；所述红外发光管列和红外接收管列所在平面相对于粉尘通道(10)中气流方向垂直；还具有密封的、无粉尘的比较通道(6)，比较通道(6)左右两端相对设有与发射驱动电路(2)的输出端相连的红外发光管和与光电信号接收电路(3)的输入端相连的红外接收管。
2.根据权利要求1所述的粉尘检测装置，其特征在于比较通道(6)两端的红外发光管(7)和红外接收管(8)设置在同一直线上，且其间距等于红外发光管列和红外接收管列的间距。
3.根据权利要求1或2所述的粉尘检测装置，其特征在于红外接收管列的前端设有红外滤光片，红外接收管列的其余端面由不透光材料密封。
4.根据权利要求3所述的粉尘检测装置，其特征在于所述粉尘通道(10)的前、后端设有通气口，其余各端面由不透光材料密封；粉尘通的前端和/或后端设有用于形成气流的风扇(9)。
5.根据权利要求4所述的粉尘检测装置，其特征在于还具有与中央控制单元(1)的显示信号输出端相连的显示电路(4)和与中央控制单元(1)的参数设置输入端相连的键盘电路。
6.根据权利要求1、2、4和5之一所述的粉尘检测装置，其特征在于中央控制单元(1)包括单片机IC1，单片机IC1通过锁存器IC2扩展有程序存储器IC3和数据存储器IC4。
7.根据权利要求6所述的粉尘检测装置，其特征在于所述发射驱动电路(2)包括译码器IC7，单片机IC1的发射控制输出端与译码器IC7的控制输入端相连，译码器IC7的输出端设有多个发射驱动电路，各发射驱动电路的输出端分别与各红外发光管相连。
8.根据权利要求7所述的粉尘检测装置，其特征在于所述光电信号接收电路(3)包括多个接收驱动电路、电子开关IC5、放大电路和RC滤波电路；各接收驱动电路与所述各红外接收管相连，各接收驱动电路的输出端接电子开关IC5的光电信号输入端，电子开关IC5的光电信号输出端经放大电路和RC滤波电路后与单片机IC1的A/D转换接口相连；单片机IC1的开关控制输出端接电子开关IC5的控制输入端。
9.一种上述粉尘检测装置的工作方法，包括以下步骤①、中央控制单元(1)的单片机IC1通过发射驱动电路(2)的译码器IC7控制与其相连的红外发光管中的一个发光；同时，与所述发光的红外发光管对应位置的红外接收管，在光电信号接收电路(3)的接收驱动电路的作用下接收红外光并产生光电信号；光电信号送入电子开关IC5，单片机IC1控制电子开关IC5使该路光电信号由电子开关IC5的光电信号输出端输出，经放大电路和RC滤波电路后送入单片机IC1的A/D转换接口；单片机IC1对所述光电信号进行模数转换，并由内部RAM存储模数转换数据；②、红外发光管列中的各红外发光管及比较通道(6)中的红外发光管依次重复上述步骤①，单片机IC1存储得相应的模数转换数据；③、单片机IC1将通过比较通道(6)获得的模数转换数据依次相应减去通过红外发光管列中各红外发光管获得的模数转换数据，得由各差值组成的一数据集合，并由内部RAM或数据存储器IC4存储；④、以相同时间间隔的方式，重复上述步骤①、②和③多次，得多个所述数据集合；比较各数据集合大小，分别剔除其中的若干个最大数据集合和最小数据集合；然后计算剩余数据集合之和值；当和值大于预设报警门限值时，单片机IC1控制报警电路(5)报警。
10.根据权利要求9所述的粉尘检测装置的工作方法，其特征在于单片机IC1根据所述和值计算出相应的粉尘浓度，并由显示电路(4)显示相应的粉尘浓度值；键盘电路用于设置报警门限值和设置重复步骤①、②和③的次数N。
全文摘要
本发明涉及一种粉尘检测装置及其工作方法，其具有中央控制单元、红外发光管、发射驱动电路、光电信号接收电路、红外接收管和报警电路；红外发光管是由多个红外发光管按直线排列的红外发光管列，红外接收管是由多个红外接收管按直线排列的红外接收管列；红外发光管列和红外接收管列平行相对设置于粉尘通道左右两侧，且各红外发光管与各红外接收管一一相对设置；红外发光管列和红外接收管列所在平面相对于粉尘通道中气流方向垂直；还具有密封的、无粉尘的比较通道，比较通道左右两端相对设有与发射驱动电路的输出端相连的红外发光管和与光电信号接收电路的输入端相连的红外接收管。本发明结构简单、检测效率高且测量误差较小。
文档编号G01N21/47GK1869646SQ20061008389
公开日2006年11月29日 申请日期2006年6月8日 优先权日2006年6月8日
发明者杨龙兴 申请人:江苏技术师范学院