便携烟气排放在线监测系统的研究.docx

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便携烟气排放在线监测系统的研究

便携烟气排放在线监测系统的研究

王晓利，耿炜，靳睿杰

（河北省环境监测中心站,河北省石家庄市050000）

摘要：

针对目前各企业已经应用的烟气在线监测系统（CEMS）在现实工作中存在的技术问题，设计出便携烟气排放在线监测系统。

1.可以有效的成为烟气在线监测系统的备机；2.可以针对烟气在线监测系统中数据异常情况提供参考数据比对；3.成本低、体积小、重量轻、精度高、系统结构简单，实现了无线在线监控。

关键词：

在线监测，单片机，GPRS，便携烟气在线监测系统。

一、引言

污染源类型

成因

污染物排放特征

代表性的排放

按成因分

自然的

自然原因

固定的

工业生产

人为的

人类生产活动

流动的

交通

按排放方式划分

点源

通过一定高度

面源

无组织

线源

在一定线路移动

按排放时间划分

连续源

连续排放

化工厂排气筒

间断源

时断时续排放

锅炉烟囱

瞬时源

排放时间短暂

工厂事故

按排放空间划分

高架源

距地面一定高度

高烟囱

地面源

地面上排放

煤炉

按产生类型划分

生活

生活过程中产生

家庭炉灶，取暖

工业

生产过程中产生

燃料燃烧，尾气

交通

交通运输产生

汽车尾气

表1污染源类型

如上表所示，根据不同的分类，污染源有很多种类型。

我国大气污染主要由能源结构所决定，以煤烟污染为主。

目前空气中的主要污染气体是二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和总悬浮物（TSP）。

二、便携烟气在线监测系统与CEMS比较

2.1我国目前采用的CEMS系统组成

一个完整的CEMS主要包括颗粒物监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数监测子系统、系统控制及数据采集处理子系统、气源电源通讯等辅助设施子系统，参见图2。

图2CEMS系统结构

2.2便携烟气在线监测系统组成

本文所设计的系统是基于单片机现场采集系统与计算机系统，结合传感器与无线传输技术等，监测排放烟气是否符合国家颁布的大气污染标准。

便携烟气在线监测系统由单片机（8051）、温度传感器、含氧量传感器、SO2传感器、NO2传感器、GPRS模块和其他相关配件组成，参见图3。

图3便携烟气在线监测系统结构

2.3研究意义

近年来我国烟气在线监测系统（CEMS）经过不断的发展和拓新，在仪器自动性、可靠性、使用寿命方面取得了很大进步，已基本满足环境管理的科学决策和执法的需要，对企业治理污染保护环境提供了可靠数据分析基础。

但是便携烟气在线监测系统仍具备很大开发价值。

（1）可以有效的填补中小企业烟气在线监测系统的空白。

由于便携烟气在线监测系统成本低、体积小、重量轻、精度高、系统结构简单、可移动性强，将受到偏远地区中小企业欢迎。

（2）是对大中型企业已安装CEMS系统的有效补充。

烟气在线监测系统一但出现问题，维修周期长，数据将会出现一段乃至很长时间的空白，便携烟气在线监测系统能很好的保证数据的连续性。

（3）烟气在线监测系统出现异常值的情况下，便携烟气在线监测系统能提供可靠的数据质控。

（4）可以每隔一段时间做一次数据比对，防止CEMS系统由于高温，高浓度引起数据漂移。

（5）RS232串口可以连接多种便携设备，并将便携设备的测量值反馈到信息中心，这样就可以完成远程比对工作。

三、系统整体规划设计

便携烟气排放在线监测系统就是基于单片机8051搭建的硬件现场采集平台，将现场采集到的外界模拟信号通过AD转换成相应的数字信号，通过室内计算机分析系统记录实时数据，通过GPRS传往远程监测部门。

从而完成整个系统功能。

在设计中通过开发相应的软件驱动，开发具有良好的人机交互性能、操作简单、便捷的烟气监控系统。

烟气排放监测系统按功能主要分为三部分：

现场采集部分、室内计算机分析部分及环保部门相应的远程部分，在此设计中，本文重点放在现场采集部分的设计与研究，参见图4。

图4烟气排放在线监测整体实现框图

3.1单片机选型

C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O

引脚。

下面列出了一些主要特性：

·高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）

·全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）

·真正12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关

·真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关

·两个12位DAC，具有可编程数据更新方式

·64K字节可在系统编程的FLASH存储器

·4352（4096+256）字节的片内RAM

·可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口

·硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口

·5个通用的16位定时器

·具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列

·片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器

·具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020是真正能

独立工作的片上系统。

所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。

FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许

现场更新8051固件。

·片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵

入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。

该调试系统支持观察和修改存

储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。

在使用JTAG调

试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

3.1.1片内时钟和复位电路

C8051F020系列MCU可有多达7个复位源：

一个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR引脚及/RST引脚。

/RST引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST引脚。

除了VDD监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止；使用MONEN引脚使能/禁止VDD监视器。

在一次上电复位之后的MCU初始化期间，WDT可以被永久性使能。

MCU内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。

如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器，外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。

时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速（可达16MHz）的内部振荡器。

时钟和复位电路如图5所示。

图5片内时钟和复位电路

3.1.2片内存储组织结构

C8051F020中的CIP-51c除了具有标准的8051程序和数据地址配置，还另有位于外部数据存储器地址空间的4K字节的RAM块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口（EMIF）。

这个片内的4K字节RAM块可以在整个64K外部数据存储器地址空间中被寻址（以4K为边界重叠）。

外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合（4K以下的地址指向片内，4K以上的地址指向EMIF）。

EMIF可以被配置为地址/数据线复用方式或非复用方式。

MCU的程序存储器包含64K字节的FLASH。

该存储器以512字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需特别的外部编程电压。

从0xFE到0xFF的512字节被保留，由工厂使用。

还有一个位于地址0x10000-0x1007F的128字节的扇区，该扇区可作为一个小的软件常数表使用。

图6给出了MCU系统的存储器结构。

图6片内存储组织结构

3.1.3数字交叉开关

C8051F020具有标准8051的端口（0、1、2和3）。

并且F020中有4个附加的端口（4、5、6和7），因此共有8*8共64个通用I/O端口。

最独特的改进是引入了数字交叉开关。

这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引脚（见图3-5）。

与具有标准复用数字I/O的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合。

可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。

这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合，参见图7。

图7数字交叉开关原理框图

3.1.4AD转换

C8051F020的ADC0子系统包括一个9通道的可编程模拟多路选择（AMUX0），一个可编程增益放大器（PGA0）和一个100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器（见图8的原理框图）。

AMUX0、PGA0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过特殊功能寄存器来控制。

只有当ADC0控制寄存器中的AD0EN位被置‘1’时ADC0子系统（ADC0、跟踪保持器和PGA0）才被允许工作。

当AD0EN位为‘0’时，AD0C子系统处于低功耗关断方式。

图812位ADC0功能框图

ADC0有4种转换启动方式，由ADC0CN中的ADC0启动转换方式位（AD0CM1，AD0CM0）的状态决定。

转换触发源有：

1．向ADC0CN的AD0BUSY位写1；

2．定时器3溢出（即定时的连续转换）；

3．外部ADC转换启动信号的上升沿，CNVSTR；

4．定时器2溢出（即定时的连续转换）。

ADC0CN中的AD0TM位控制ADC0的跟踪保持方式。

在缺省状态，除了转换期间之外ADC0输入被连续跟踪。

当AD0TM位为逻辑‘1’时，ADC0工作在低功耗跟踪保持方式。

在该方式下，每次转换之前都有3个SAR时钟的跟踪周期（在启动转换信号有效之后）。

当CNVSTR信号用于在低功耗跟踪保持方式启动转换时，ADC0只在CNVSTR为低电平时跟踪；在CNVSTR的上升沿开始转换，参见图9。

图912位ADC跟踪和转换时序图

3.2传感器

考虑到设计经费等条件限制等，我们选择能符合要求且能保证精度的传感

器，现将所选传感器简单介绍如下，并以温度传感器为例，详细说明和单片机的交互过程。

3.2.1温度传感器

温度采集电路采用Dallas半导体公司数字温度传感器DS1820（如图10所示）。

数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持"一线总线"接口的温度传感器，它采用一根信号线实现信号的双向传输，具有接口简单，节省I/O口线，便于扩展和维护等优点。

现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。

图10DS1820器件示意图

DS1820有关参数如下：

工作电压：

+3Vto+5.5V

封装外形：

PR35

测温范围：

-55℃to+125℃

测温精度：

±1℃（分辨率0.2℃）

表11DS1820引脚说明

芯片DS1820引脚如下表11所示，所有上表中未提及的引脚都无连接。

DS18B20与单片机的连接方式。

如图12所示。

图12DS18B20与单片机8051的接口电路

3.2.2CO传感器

拟选用一氧化碳传感器CO/MF-2000，其详细参数如下：

测量范围：

0-2000ppm；内置过滤器：

过滤SO2和H2S；尺寸：

20.0X16.4mm；输出：

70±15nA/ppm；分辨率：

1ppm；温度范围：

-20℃to50℃；压力范围：

大气压±10%；响应时间：

<25seconds；最大零点漂移（20℃to40℃）：

9ppm；长期漂移：

<2%/；偏置电压：

无需线性度输出；线性重复性：

<2%；存储温度：

5℃至20℃。

3.2.3SO2及NOx浓度传感器部分

目前环境监测部门对大气污染物进行监测，所用的大都是化学分析的方法，

如SO2监测设备大都采用的是荧光SO2分析仪，其精度非常高，可达到pbm，即100亿分之一，价格也非常昂贵，鉴于实际情况，我们采用电化学传感器，瑞士Membrappr公司的SO2电化学气体传感器可达到0.1PPm,大量程的精度有0.5ppm，对于污染区的监测已经足够了，其价格相对分析仪来说要便宜很多。

S02/CF-l00（见图3-12）这款传感器的主要指标如下:

量程为0一100ppm，最大负荷为500ppm，工作寿命2年，输出信号370士70nA/ppm，分辨率0.5ppm，温度范围为-20℃--45℃，大气压范围为标准气压士10%，相对湿度10%一90%，

响应时间<25sec。

，线性度输出。

其价格便宜，使用范围广，可以满足我们的

要求。

因此，我们选用SO2/CF一100这款传感器来监测S02气体浓度。

通过寻找，分别采用Membrappr公司的NO/SF-2000-S及NO2/S-500-S传感器，分别用来检测烟气中NO与NO2含量，并且具有过滤气体中SO2功能。

图13S02/CF-l00

3.3信号调理电路

信号调理是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。

模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。

通常，传感器信号不能直接转换为数字信号，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数据之前必须进行调理。

调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。

然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。

此链路工作的关键是选择运放,运放要正确选择来适应被测的各种类型传感器。

对于选择的ADC，ADC应具有处理来自输入电路信号的能力，并能产生满足数据采集系统分辨率、精度和取样率的数字输出。

3.4串行通信接口

RS232是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssoeiation）制定的一种串行物理接口标准。

RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，RS232总线准规定了21个信号和25个引脚，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道。

对于一般双工通信，仅需要几根信号线就可以实现，包括一条发送线，一条接收线和一条地线。

RS232标准规定的数据传输速率为50，75，100，150，300，600，1200，2400，4800，9600，1920OB/S。

驱动器允许有25OOPF的电容负载，通信距离将受此电容限制。

信号传输速率为20KB/S时最大传输距离为15m。

传输距离短的另一原因是RS232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共摸干扰的问题，因此一般应用于短距离通信。

见图14。

图14RS232电路图

3.5时钟设计

在线监控系统一般都需要监测数据的时间信息，我们采用常用的时钟芯片

实现。

DS12887是美国达拉斯半导体公司推出的时钟芯片，采用CMOS技术制

成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部，不需任何外

围电路并具有良好的接口及可扩展性。

DS12887芯片具有低功耗、外围接口简

单、精度高、工作稳定等优点，广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合中。

3.6GPRS模块

GPRS作为一种高速、高效、经济的无线系统，具有网络覆盖范围广、数据带宽宽、适应性强、计价按数据流量计算、实时在线的优点，特别适用于间断的突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔大量的数据传输，能够满足数据采集及监控的双向数据信息传输。

随着GPRS技术在移动通信领域的发展，已经能够实际应用到许多需要无线数据传输的领域，也为数据采集传输及监控提供了一种新的数据通信方式。

见图15，图16。

图15GPRS远程数据采集系统的硬件组成

图16GPRS流程

四、结论

以上只是从技术角度说明便携在线监测仪器的可实施性和可运作性。

本文主要目的是提出研发一种环境指标便携的在线监测仪器的思路，通过阅读大量的国内外关于监测仪器的文献，根据环保部门制定的相关要求，设计了基于单片机--GPRS的烟气排放在线监测系统。

此系统主要利用传感器技术、单片机控制技术，结合计算机软件编程技术研究开发。

该仪器具有体积小、重量轻、精度高、操作简单的特点，很好的解决了目前检测诊断设备体积大、携带不便，无法脱离计算机而独立工作等缺点，在实现有线网络传输数据的前提下，扩展了GPRS模块，实现无线在线监控，可以成为现有CEMS系统有效补充，也可以广大应用于小型企业，降低成本和风险。

参考文献:

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【3】HJ/T76-2007,固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法。

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【6】北京三恒星科技.MCS-51单片机原理与应用实例.电子工业出版社.2007.

【7】RobScrimger.TCP/IP宝典[M].北京：

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