基于蓝牙单片机的锌烟除尘控制系统

摘要

　　近年来各地的雾霾天气多发，而主要的源头之一就是工业废气、废烟、废尘等的排放，特别是高污染、高耗能的热镀锌行业的锌烟尘的排放对环境的影响。然而，工业推动着经济的进步，不能对其进行简单的关闭处理，而应该探寻一条有效可行的环保治理方案来平衡经济和环境之间的关系，走出一条可持续发展道路。目前，在锌烟环保治理过程中，布袋除尘器因其高过滤、低故障等特点被广泛应用在锌烟尘的捕集和处理上。在该处理过程中，影响布袋除尘器效率的因素主要有滤袋的材质和控制技术，在滤袋材质使用方面，各个企业相差不大，但在控制技术上，不管是由基于集成电路的脉冲控制仪的控制、基于PLC组合的控制或是由基于工控机的控制都需要现场接触这些设备，人机界面不够友好。针上述问题，通过对锌烟除尘控制系统的研究与分析，设计了一套基于蓝牙单片机的锌烟除尘系统。在该控制系统中，主要做了以下工作：

　　（1）系统硬件电路设计。以CC2541为主控芯片，完成了控制系统的硬件设计，包括主控制器的最小系统完整电路、锌烟气压检测电路、锌烟温度检测电路、电磁阀控制电路等硬件电路设计。其中还采用RS485接口与变频器连接进而来控制引风机的电机，并分别采用RS232接口、蓝牙4.0协议与触摸屏、上位机手机进行通讯。同时在AltiumDesigner上完成了系统的原理图设计及PCB的绘制，在电路板的焊接完成之后对其硬件进行了调试。

　　（2）系统软件设计。在IAR软件上完成了下位机程序的编写及调试，包括系统的主控制程序、各个功能子程序及与上位机通讯程序；在Matlab上完成了电磁阀自动喷吹清灰的仿真分析；在Androidstudio上完成了上位机手机APP的界面设计和系统参数设置程序的编写。

　　（3）系统的运行和调试。利用搭建的实验平台对系统进行了硬件测试、功能测试和系统调试，验证了本系统设计的各个功能模块的可行性。

　　关键词：锌烟除尘系统；蓝牙单片机；手机APP;自动喷吹清灰

Abstract

　　In recent years, haze weather occurs more frequently than before, and one of the main reasons is the discharge of pollutants such as industrial waste gas, waste smoke, and waste dust, especially the environmental impact of zinc dust emission from the hot-dip galvanizing industry, which is of high pollution and high energy consumption. However, industry promotes economic progress and cannot simply be closed. Instead, an effective and feasible environmental protection program should be explored to balance the relationship between the economy and the environment, to embark on a path of sustainable development. At present, during the environmental managment of zinc smoke, bag filter is widely used in the collection and treatment of zinc dust due to its high filtration and low failure rate. In the process, the factors affecting the efficiency of the bag filter are mainly the material and control technology of the filter bag. In terms of the use of the filter bag material, there are not much difference among enterprises, but the control technology,whether it is based on the control of IC pulse controller, PLC combination-based control or industrial computer-based control, requires on-site contact with devices, and the human-machine interface is not friendly enough. Based on the above issues, a zinc-smoke dust removal system based on Bluetooth single-chip microcomputer （SCM） was designed through the research and analysis of the zinc dust removal control system. In this control system, the main work is as follows:

　　（1）Circuit design of system hardware.With CC2541 as the main control chip, the hardware design of the control system is completed, including the complete circuit of the main controller of the smallest system, the zinc smoke pressure detection circuit, the zinc smoke temperature detection circuit, the solenoid valve control circuit and other hardware circuit designs. The RS485 interface is also connected with the inverter to control the motor of the induced draft fan. The RS232 interface and the Bluetooth 4.0 protocol are respectively used for communication with the touch screen and the upper mobile phone. At the same time, the schematic design and PCB drawings of the system were completed on Altium Designer, and the hardware was debugged after the board was soldered.

　　（2）System software design.Writing and debugging of the lower computer program was completed on the IAR software, including the main control program of the system, sub-program of each function and the program for communication with the host computer. Simulation analysis of automatic injection and cleaning of solenoid valve was completed on Matlab. The interface design and system parameter setting program of the host computer's mobile phone application was completed on Android studio.

　　（3）System operation and debugging.Hardware test, function test and system debugging of the system were carried out by using the built experimental platform to verify the feasibility of each function module designed for the system.

　　Key Words: Zinc Smoke Dust Removal System; Bluetooth SCM; Mobile Phone Application; Automatic Blowing And Cleaning;

目 录

　　1绪论

　　1.1选题的背景及意义

　　实施改革开放政策以来，在国家的大力扶持下，工业得到了蓬勃发展。但是，大多数企业尤其是热镀锌等传统产业，仍然遵循上个世纪的生产方式和加工方式，存在能耗高、污染严重等问题。为了加强对环境污染企业的管控，国家颁布了《工业炉大气污染物排放标准》（GB9078-1996）[1].其中第二个标准规定，对于非金属熔化和冶炼炉产生的废气，有组织可以排放高达200mg/m3的烟气浓度，而无组织的最高可达5mg/m3,对工业上排放的烟囱高度也有要求，最低也要达到15米。根据《大气污染物综合排放标准》，粉尘最大允许排放浓度为120mg/m3,最高排放率为3.5kg/h[2],无组织排放最高浓度为1.0mg/m3,噪声排放标准昼夜不超过65dB.本标准为企业改变原有生产方式提供了切实可用的途径。

　　我国在提出《中国制造2025》之后，对那些仍在使用上世纪设备的企业来说，这是一个警钟[3].通过制定相关的环境保护法规，可以有效提高环境治理能力，但它也需要相应的科学技术和设备的支持，关于除尘设备的研究都具有重要意义[4].近年来，随着国家工业化进程不断向前发展，热镀锌因其具有镀锌层厚且均匀、附着力强、使用寿命长等优点，使得市场对镀锌产品的需求量逐渐增大，因而全国不少企业增加了热镀锌产品的生产。热浸镀锌是将生锈的钢构件浸500℃左右的液态锌锅内，经过各种物理化学反应，在其钢构件表面涂覆上一层厚的纯锌，从而达到防腐的目的[5].这种防腐的工艺在强腐蚀和强雾气等的环境中应用比较广泛。但在浸入钢构件之前，在其表面涂的助镀剂含有氯化铵成分，经汽化会产生大量的白烟，其中主要成分是氧化锌烟尘。有研究显示：年产三万吨的中型镀锌厂要产2500-300kg/年的烟尘颗粒，600-800kg/年的锌及其氧化物。热镀锌产生的烟尘如图1.2所示。对长期工作在操作间的镀锌人员的身体构成很大的危害，同时又对环境造成严重的污染，这是目前亟待解决的难题。

　　在实际生产中，布袋除尘器对粉尘的处理能力超过99.9%,最低排放浓度限制在5mg/m3以下[6].其的处理能力很合适PM2.5、锌烟等颗粒物的除尘[7].但是传统的布袋式除尘器不仅成本高、操作复杂、实时性低、锌烟的温度及气压需借助辅助仪表来检测。在对除尘系统进行操作时工作人员需要到镀锌车间内，这不仅浪费了人力，而且对长期工作在镀锌厂的人的身体造成很严重的伤害。如何利用新技术使布袋除尘器的操作更加简单、控制能力更加强大、实时性更好[8],同时避免与锌烟尘的长期接触，是目前锌烟除尘技术研究的主要内容。

　　1.2国内外发展现状

　　1.2.1布袋除尘器的国内外发展现状

　　自1886年德国生产布袋除尘器以来，已经有130年了。后来，在美国、日本等发达国家的推动下，它被广泛应用于工业粉尘除尘，尤其是热镀锌除尘领域[9].目前，日本、澳大利亚、美国等发达国家对布袋除尘器系统的控制大致可以分为两个部分：第一，作为生产自动化的一部分，布袋除尘器系统的控制已经纳入生产过程。整个系统由上位机和下位机相互配合来完成控制，在控制过程中，把计算机作为上位机，而下位机由可编程逻辑控制器来控制。第二种是使用具有特殊功能的芯片来实现小型除尘器的控制，但对该芯片的集成度及可靠性要求较高。目前，我国布袋除尘系统中使用的控制装置可分为以下几类：

　　（1）基于集成电路的脉冲控制仪

　　70年代，我国开始把脉冲控制仪引入到布袋除尘器的控制上来。这种控制仪的时序脉冲采用逻辑集成电路来控制，相比现在的控制技术，由这种控制仪控制的布袋除尘器的功能相对比较简单[10],其只具有定时脉冲清灰功能。由该控制仪控制的除尘器的工作环境较差，其脉冲控制仪中使用的集成电路芯片不受保护。其集成电路芯片很容易受到灰尘、温度和电磁波的干扰和影响，很难有效部署，系统的可靠性大大降低。因此这种脉冲控制仪仅适用于只有一个脉冲控制要求的小型除尘器。

　　（2）基于PLC控制的除尘系统

　　可编程序控制器（PLC）是工业自动化的支柱之一，以可靠性著称[11].该控制器下的系统不仅可以长期在恶劣的环境下运行，且可以运行稳定、可靠。在软、硬件的控制上，与工业控制计算机相比，其更侧重于生产过程的自动化[12].一般工业上有两种，一种是针对时序逻辑的控制的小型可编程序控制器，其主要实现数十点到数百点之间的控制。而另一种是针对数千个点的控制的大型可编程序控制器，其中包括对基本的开关量输入输出模块、通信模块、热电温度输入模块、模拟量输入输出模块等的控制

　　基于这些优点，目前由PLC控制的除尘系统被许多大中型布袋除尘系统所采用。但由于由其控制的布袋除尘系统的气体温度和压力测量功能需要额外的辅助仪器，这将大大增加成本，而且故障点多，控制柜布局也繁琐。

　　（3）基于单机测控系统的除尘系统

　　单机测控系统主要是由以工控机为主机的测控系统所组成[13].其增加了先进的编程语言，并且得到更多软件的支持，使得以动态方式来仿真整个工业过程变得及其简单。由于省去了二次仪表设备，大大降低了监测参数较多的系统投资。然而，对于不同类型的气体，要选择相应类型的滤袋，这需要频繁更换，因此滤袋的消耗量相对较大。并且湿度高的含尘气体在温度较低时会形成露水而糊袋，所以该除尘系统对进入滤袋的气体的湿度也有一定的要求[14].

　　1.2.2布袋除尘器的发展趋势

　　（1）小型布袋除尘控制器

　　考虑到小型除尘系统比较容易实现，对功能要求比较少且简单，未来市场可能更多实现大批量生产。给该布袋除尘控制器通上电源、接上负载，不需要特别维护和调试就可以实现运行，方便、高效、省力[15].通过对脉冲控制专用芯片的深入研究，不久的将来这种小型除尘控制器的广泛应用或将成为可能。

　　（2）实现除尘系统控制的"智能化"

　　实现高度的自动化是现代大规模生产的目标。对于大型除尘系统，除常规的控制要求外，还应能在工况变化时自动识别出控制对象的变化并做出相应的调整[16].当事故发生时，它可以自动判断并进行处理，而不只是发出警报。可以预见，在不久的将来，以移动智能终端为上位机，高速单片机为下位机的智能控制系统将很快得到应用。

　　1.2.3蓝牙技术的发展现状

　　蓝牙技术经过多年的研究开发，得到了很大的进步，已经成为世界各国工业和研究机构青睐的一种无线通信技术。蓝牙SIG是一个全球蓝牙组织[17],其主要目的是通过采用技术标准的宣传策略来促进蓝牙技术的发展。其已经成为一个相当大的工业高科技标准化组织，其中有2000家设备制造商已成为其全球成员，这些制造商都支持蓝牙技术[18].一个开放的、全球统一的技术规范得到了业界的广泛关注，这在过去很少看到。蓝牙是一种短程无线通信技术，可以取代数据线，它还支持对象之间通信[19].

　　其工作在2.4GHz频段，以每秒10Mb的速率进行数据传输，同时还可以进行数据和语音的传输，其与所连接到的所有设备都可以实现共享彼此的资源。蓝牙技术的应用是非常广泛的，具有很大的潜力。它可用于无线设备（如手持式计算机、移动电话、智能电话、无线电话）、图像处理设备（摄像机、打印机、扫描仪）、安全产品（智能卡、身份识别、计费管理、安全检查）、消费娱乐（耳机、MP3、游戏）、汽车产品（全球定位）系统[20]、防抱死制动系统、电力系统及安全等方面。在气囊、家用电器（电视、冰箱、烤箱等）领域、微波炉、音响、录像机、健身、建筑、玩具等市场上，蓝牙行业持续增长。2002年，蓝牙产品售出400多件，达到3000万件。2003年，蓝牙产品的销量是2002年的两倍。In-Stat/MDR预测蓝牙市场将在2007年扩大到6亿台。爱立信技术许可总裁马里·马里亚霍斯兰德（MaliMariakhorsand）表示：蓝牙是少数仍在如此艰难的经济环境中发展的技术之一[21].

　　任何一项新技术从产生到发展都要经历一个漫长的过程，蓝牙技术也例外[22].从以往来看，将技术标准和知识产权共享技术统一，会带来很大好处。通过行业的共同努力，相信在不远的将来，蓝牙技术的潜力是无法想象的。

　　1.3论文主要研究内容

　　通过对国内外布袋除尘控制技术的发展现状和趋势进行研究，对布袋除尘系统的工作原理进行分析，对蓝牙技术的现状及趋势进行探索。提出将蓝牙技术引入到布袋除尘的控制中，并把其应用到对镀锌厂的锌烟除尘领域上，进而促进了本文的基于蓝牙单片机的锌烟除尘系统的研究。论文完成了除尘系统的软件、硬件的设计。在硬件方面完成了主控电路、锌烟温度及锌烟出入口气压采集电路、电磁阀输出电路、引风机电路、触摸屏电路等的设计和PCB制板[23].软件方面完成了系统主程序、子程序以及手机APP程序的编写。在这个过程中实现了控制系统的模数转换、参数显示及界面操作。通过人机交互界面和手机APP可以对现场的运行状态进行远程监控，对现场的具体锌烟温度、锌烟的出入口气压、引风机转速、电磁阀喷吹压力进行分析判断。针对普通除尘系统不能跟随具体工作状况做出相应的电磁阀喷吹清灰频率参数的自改变，引入了自动清灰控制理论及方法，设计了基于压差的电磁阀喷吹清灰频率自动控制程序，以改变电磁阀的喷吹清灰动作，让该除尘系统能一直运行在稳定的压差范围内；为了在系统运行过程中发生故障能及时准确的处理，本系统还对故障设计了故障报警系统。

　　1.4结构安排

　　本文的具体安排如下：

　　第一章：绪论。对本文的研究背景和意义进行了介绍，对国内外布袋除尘器和蓝牙技术的发展现状和趋势进行了阐述，对本文的研究内容和结构进行了说明。

　　第二章：锌烟除尘系统的方案设计。对布袋式锌烟除尘系统的结构和工作原理进行了分析，对其功能进行了简要说明，对提出的三种不同方案进行了详细比较分析，并对最终确定的基于蓝牙单片机的锌烟除尘系统方案及各子系统的控制方案进行了详细阐述。

　　第三章：锌烟除尘控制系统的硬件设计与实现。对系统的主控制器及各个子模块的硬件设计进行了介绍，并对系统的原理图设计和印刷电路板的绘制进行了简要说明。

　　第四章：锌烟除尘控制系统的软件设计。对系统的主程序及各个子程序设计进行了详尽说明。

　　第五章：锌烟除尘系统的测试与结果分析。对系统的硬件、相关功能及模拟运行的调试进行了介绍。包括主控制器的功能测试、蓝牙连接、蓝牙通信功能测试及系统蓝牙通信距离测试。

　　第六章：总结及展望。对本文所研究的内容进行了分析总结，对本文提出的设计做了展望，为未来的研究方向提供一些参考。

　　2 锌烟除尘系统的方案设计

　　2.1 锌烟除尘系统的结构及工作原理

　　2.2 系统的方案设计与实现

　　2.2.1 需求分析

　　2.2.2 系统方案对比

　　2.2.3 系统整体设计

　　2.3 子系统控制方案设计

　　2.3.1 锌烟的除尘清灰系统

　　2.3.2 锌烟除尘的通讯系统

　　2.3.3 锌烟采集系统

　　2.3.4 故障报警系统

　　2.4 本章小结

　　3 蓝牙锌烟除尘系统硬件实现

　　3.1 硬件平台总体方案设计

　　3.2 蓝牙控制器最小系统设计

　　3.2.1 蓝牙芯片选择

　　3.2.2 蓝牙的巴伦匹配电路设计

　　3.2.3 蓝牙单片机的天线设计

　　3.2.4 蓝牙单片机最小系统完整电路设计

　　3.3 系统的外围硬件电路设计

　　3.3.1 电源供电电路

　　3.3.2 气压检测电路设计

　　3.3.3 锌烟温度检测电路设计

　　3.4 引风机电机控制电路设计

　　3.3.5 电磁阀控制电路设计

　　3.3.6 触摸屏接口电路的设计

　　3.4 系统的 PCB 设计

　　3.5 本章小结

　　4 锌烟除尘系统的软件设计与实现

　　4.1 整个除尘系统的操作流程

　　4.2 蓝牙单片机程序设计

　　4.2.1 蓝牙单片机的软件开发环境

　　4.2.2 OSAL 系统初始化与协议栈任务创建

　　4.2.3 串口通讯程序设计

　　4.2.4 A/D 采集程序设计

　　4.2.5 与手机通信程序设计

　　4.2.6 自动喷吹程序设计

　　4.3 手机 APP 程序设计

　　4.3.1 手机端开发环境的搭建

　　4.3.2 手机 UI 设计

　　4.3.3 手机软件编程思想及步骤

　　4.4 系统界面简介

　　4.5 本章小结

　　5 系统测试与结果分析

　　5.1 硬件实现与调试

　　5.2 各模块的功能性测试

　　5.3 蓝牙功能测试

　　5.3.1 蓝牙连接测试

　　5.3.2 蓝牙通信功能测试

　　5.3.3 蓝牙通信距离测试

　　5.4 系统整体运行

　　6结论与展望

　　6.1结论

　　本文针对锌烟除尘控制界面不友好问题，设计了一套以CC2541蓝牙单片机为主控器的锌烟除尘控制系统。该主控芯片为增强型8051芯片，其内部集成了蓝牙4.0射频电路，并且具有丰富的和广泛的传感器接口，用于系统的数据处理、外设控制、通讯控制、算法执行等。充分发挥了该处理器的强干扰、多外设、低功耗等优势。与此同时，TI公司针对CC2541的IAR编译环境提供了专门的协议栈，大大降低了系统的软件开发难度。

　　本文在硬件方面上，主要完成了该锌烟除尘系统的主控制器及各个子模块硬件电路设计。在软件方面上，主要完成了该系统的主控制、各个子模块及手机通信软件程序设计；同时为了使锌烟除尘系统能根据运行状况进行相应的电磁阀清灰频率参数的自改变，引入了其的自动控制方法，进行了基于稳定气压差的电磁阀喷吹清灰频率的自改变，达到自动除尘效果。本文设计的异常报警系统功能比较完善，通过该报警系统可以实现锌烟温度超限、锌烟气压差超限、系统运行异常等异常报警。外置RS232串口触摸屏，可将异常信息送至该触摸屏保存以便后续分析。为使人机交互效果良好，还引入了蓝牙技术，同时在触摸屏和手机上对锌烟除尘系统的整个运行状态进行显示和控制。通过上面的硬件和软件实现，最终达到了预先对该除尘系统的各项功能要求。之后，完成了该系统的硬件、相关功能及通信距离等测试。

　　6.2展望

　　目前，本系统已完成了设计的各种要求，但后续还需改进和解决。其主要工作有：

　　（1）目前，Android手机驱动程序库是由制造商自己定义的，开发者不得而知，大大增加了开发的难度；

　　（2）本文设计的通信系统仅连接了一个从设备，以后应该通过多线程或网络技术实现一对多的通信模式。

　　（3）本文发射机选用的是Android手机，在论文完成时间的限制下，没有对影响传输距离的因素如传输功率、天线等深入研究。下一步的工作将从这两个方面着手，对BLE模块终端设计高增益的接收天线进行深入研究，并且利用新的技术来提高接收灵敏度，以提高蓝牙的传输距离。目前，蓝牙5.0协议已经问世，在未来，蓝牙远程传输将会得到更广泛的应用。

　　（4）在智能移动终端应用程序的设计中，只实现了数据传输，没有实现数据的保存和分析。在接口设计中，数据传输形式比较单一，视觉效果不太好。下一步将改善界面设计，以此达到更好的视觉效果，同时增加如发送图片和音频等蓝牙功能，进一步优化安卓手机的应用。本文的设计存在一些不足，随着蓝牙技术的不断深入和创新，蓝牙技术与移动智能终端的结合将越来越广泛地应用于各种工业设备中。

致谢

　　不知不觉三年的研究生学习生涯就已到了最后，回顾这三年的研究生生活，我非常庆幸地遇到了我的导师邓成中副教授。这三年来，他对我的学术研究起到了指导性的作用。三年时间说长不长，说短不短，在这三年的时光里，我对生活的认知和对待做事态度都有了很大的提升，这些都归功于邓老师。

　　首先，我要对敬爱的邓老师表示深切的感谢和崇高的敬意。在生活中，邓老师非常风趣幽默，让我能在非常轻松的氛围中更好的生活；在学习上，他知识丰富，经常阅读许多科技方面前沿的文献，在遇到问题时总是能把理论知识和实践经验相融合，耐心地指导我，给我指明了研究方向，带给我很多技术想法；在工作中，邓老师总以谦逊的态度对待每项工作，对实际项目中遇到的每个问题都非常仔细、小心、好学，亲临现场、言传身教、以身作则。在论文完成的过程中，邓老师从论文的框架到论文的具体内容，进行了全程的精心指导。

　　其次，我要感谢实验室的师弟师妹们，袁兴、罗倩，在完成论文的过程中，由于你们的帮助已，使我的论文有很大改观，也感谢你们能抽出宝贵的科研时间来帮我改掉很多小细节，很荣幸与你们共同学习过，非常感谢。然后，我要感谢我的好朋友，以及2016年级的所有同学和朋友，特别是敖太平和上一届的师兄秦洪伟和张果。在完成论文的过程中，你们的实质性建议是非常重要的。同时，我也非常感谢你们在我的生活和学习中给予的鼓励和帮助。

　　最后，我要特别感谢我的父母和家人。感谢你们一路的支持与鼓励，在求学路上，不知多少次我失望过、徘徊过、绝望过，是你们一路无怨无悔的陪伴与包容，才能让我在自己喜欢的道路上继续前进。

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