基于EPA通信的粉尘浓度测量仪的设计

    现代医药、精密机械等生产行业中,为了确保产品的质量,必须对净化车间的洁净级别进行监控。此外,煤矿、钢铁厂等生产现场排放大量粉尘,污染生态环境、危及工作人员健康,对粉尘的监控势在必行。EPA是我国提出的基于工业以太网的实时通信控制系统解决方案。同时,该标准被列入现场总线国际标准IEC 61158(第四版)中的第十四类型,是中国第一个拥有自主知识产权的现场总线国际标准。本文将基于DSM501传感器结合EPA通信协议开发具有在线实时测量功能的粉尘浓度测量仪以满足工业现场和环境中粉尘监测的需求。

1　EPA粉尘测量仪的总体设计

    EPA粉尘浓度测量仪硬件框图如图1所示。DSM501粉尘传感器采集大气中的粉尘颗粒后,并通过传感器内部处理后转换成电压信号送入处理器,最后利用EPA协议对数据进行打包发送到EPA网络中,粉尘浓度测量仪和监控设备在EPA协议的基础上进行交互式数据传输,利用EPA协议实时性高、无冲突的特点实现了对粉尘测量仪的可靠、实时监控。

2　硬件设计

2. 1　C8051F120处理器

    粉尘传感系统的MCU选用Cygnal公司的高速单片机C8051F120。它与传统的MCS-51完全兼容且资源丰富, -40°C~+85°C的温度范围完全能满足本系统的要求,达到工业应用水平。采用22. 1184MHz的石英晶振, 3. 3V供电,内部的PLL倍频得到99. 5MHz的系统时钟。数据地址复用信号AD[7…0]、读信号RDn、写信号WRn和地址锁存信号ALE构成总线接口。复位电路由10μF的电容、10K电阻组成低电平复位电路,该复位电路可实现上电低电平自动复位。

2.2　粉尘传感器模块

    粉尘传感器DSM501可用于烟气、房屋粉尘等检测。内置加热器可实现自动吸入空气,可调电阻可以设置检测灰尘的大小,并以PWM脉宽调制形式输出。最小可检测直径1微米的粒子。5V的输入电路,便于信号处理。DSM501原理结构图如图2所示

    DSM501的3, 5脚分别为Vcc(+5V)、GND,输出脚Vout2为普通输出脚,已预先设定灵敏度,可检出1um的粒子,输出脚Vout1为可调输出脚位,灵敏度可通过控制脚来调整,默认为Vout2的2. 5倍,最小粒子检出能力为2. 5um,通过在控制脚4与GND之间加一个电阻可调整Vout1的最小粒子检出水平,调整电阻值可调整Vout1的灵敏度。由于DSM501引脚数少,所以与C8051F120的电路连接简单, DSM501的3脚接+5V电压, 5脚接地,根据需要选用Vout1或Vout2输出即可。

2.3　网络接口模块

    DSM501测量所得的浓度值经过CPU处理,将数据通过网络接口模块送入EPA工业以太网,远端利用上位机进行监测。网卡芯片的设计使用RTL8019AS, RTL8019AS的地址总线SA[7∶0]与数据总线SD[7∶0]分别与C8051F120直接相连,实现寻址、数据和指令传送。IOCS16脚拉为低电平,使8019AS工作在8位数据总线模式。SMEMR和SMEMW引脚接高电平,屏蔽远程自举加载功能。8019通过网络隔离器与RJ45相连。