陳戈珩,　劉小貝

(長春工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院, 吉林 長春　130012)

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光散射法低功耗粉塵檢測系統(tǒng)

陳戈珩,劉小貝

(長春工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院, 吉林 長春130012)

摘要：基于MSP430低功耗單片機,以光散射法為基本原理，檢測系統(tǒng)直接讀取空氣中的粉塵質(zhì)量濃度，并實時顯示濃度曲線圖。

關(guān)鍵詞：光散射法; 低功耗;MSP430

0引言

近年來,由于工業(yè)污染、汽車尾氣排放等因素導(dǎo)致的空氣污染現(xiàn)象日益加劇，粉塵對人類的危害也日益加深，因此，長時間高效可靠地檢測環(huán)境中的粉塵指標(biāo)十分重要。

粉塵大多懸浮于空氣中，它的空氣動力學(xué)直徑一般介于1～100μm之間，其直徑越小對人體的危害越大。直徑小于10μm的顆粒就已經(jīng)能夠進入肺泡，尤其是那些攜帶著重金屬有毒物質(zhì)，直徑小于2.5μm的微粒會穿透肺泡和細胞壁進入到血液中，嚴重危害著人體健康。其次粉塵微粒小、比面積大，又極具爆炸性，在有氧的環(huán)境中濃度稍高就潛在著巨大的危險性，因此，研究如何高效準(zhǔn)確的測量大氣粉塵的各項指標(biāo)具有十分重要的參考意義。

當(dāng)前國內(nèi)外的粉塵指標(biāo)檢測方法[1-2]基本上可以分為兩種：抽樣直接測量法和非抽樣間接測量法。抽樣直接測量法一般是從待檢測的空氣中抽取一定量的含塵氣體，將氣體和粉塵分離后分別進行測量計算得出其絕對濃度值，此外，還可以對分離后的粉塵進行化學(xué)物理等特性的分析。該方法的特點是原理簡單、測量精確，但其缺點也十分明顯，它的采樣時間一般為2～5h，工作起來既費時也費力，在如此長的采樣時間內(nèi)，得到的數(shù)值只能是一段時間內(nèi)的平均值，根本無法記錄粉塵濃度的實時變化，此外，內(nèi)置的濾膜紙易受環(huán)境變化的影響，因此一般僅用此法作為其它方法的標(biāo)定參照。非抽樣法[3]有光透射法、光散射法等。光透射法也是經(jīng)常使用的方法，但它的使用范圍較窄，在粉塵微粒較大和濃度較高時才有較高的精確度，反之則會有較大誤差。而光散射法的使用范圍較光透射法廣，它的原理基于經(jīng)典的MIE散射理論。當(dāng)微粒尺寸遠遠小于波長λ時，MIE散射近似于瑞利散射；當(dāng)微粒尺寸遠遠大于波長λ時，MIE散射可簡化為夫瑯禾費衍射散射；而當(dāng)微粒尺寸介于兩者之間時，一般只能采用復(fù)雜的MIE理論來求解。因此，光散射法是非抽樣間接測量法中最為有效、使用范圍最廣的方法。

1系統(tǒng)測量原理[4]

系統(tǒng)測量原理如圖1所示。

圖1系統(tǒng)原理圖

光源發(fā)出的光，首先經(jīng)過光學(xué)處理系統(tǒng)[5]處理后進入到含塵氣流通道中，在有效測量區(qū)域內(nèi)光被氣流中的塵埃粒子散射，散射光在一定角度內(nèi)被后級光電探測器接收，轉(zhuǎn)換的電信號經(jīng)濾波、放大后再交由MSP430低功耗單片機組成的測控系統(tǒng)處理。其中散射光強的大小取決于光波長λ和粒徑直徑d的大小。當(dāng)顆粒的尺寸d遠遠小于λ時，滿足

式中：I0----入射光的強度；

Ir----散射光的強度；

λ----入射光的波長；

v----單個微粒的體積；

n1、n2----分別為微粒折射率與水折射率;

N----單位體積內(nèi)水溶液中微粒的數(shù)目;

θ----入射光線跟散射光線間的夾角;

r----散射微粒到觀察點之間距離。

當(dāng)尺寸d與波長λ相當(dāng)時，散射光強Ir與它們之間是一種十分復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系，而當(dāng)顆粒尺寸d大于波長λ時，在任意θ角下的散射光強分布可以按照Fraunhofer衍射理論進行計算：

式中：L----散射微粒到觀察點之間的距離;

J1----Bessel函數(shù);

x----無因次參數(shù)，且x=πdsinθ/λ;

λ----入射光的波長;

d----顆粒的直徑;

I0----入射光強。

大氣粉塵以及大部分工業(yè)粉塵都屬于這個尺寸范圍內(nèi)，因此，采用夫瑯禾費衍射散射理論計算比采用其它近似理論更為精確。

實驗表明，當(dāng)粉塵性質(zhì)比較均勻且濃度不高時，散射光強在一定范圍內(nèi)將與其質(zhì)量濃度滿足正比關(guān)系。正是根據(jù)這一原理，就可以直接準(zhǔn)確的測量粉塵顆粒的質(zhì)量濃度。但此時得出的粉塵質(zhì)量濃度為相對質(zhì)量濃度R(CPM)，需通過轉(zhuǎn)換將其化為絕對質(zhì)量濃度C(mg/m3)，轉(zhuǎn)換公式為：

式中：K----質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)；

C----用濾膜稱重法得出的絕對質(zhì)量濃度；

R----系統(tǒng)直讀的相對質(zhì)量濃度；

B----系統(tǒng)相對質(zhì)量濃度基底值。

K值作為相對質(zhì)量濃度與絕對質(zhì)量濃度的轉(zhuǎn)換橋梁，一般需要由標(biāo)準(zhǔn)粉塵設(shè)備求得，即需將本儀器與濾膜稱重標(biāo)準(zhǔn)濃度測試儀置于同一環(huán)境中測試，對比求得轉(zhuǎn)換系數(shù)K。該方法既費時間，又要有標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境發(fā)生設(shè)備的支持，因此十分繁瑣，而本系統(tǒng)避開此缺陷，將過濾膜和流量計內(nèi)置到系統(tǒng)中，在單位體積內(nèi)將采樣的粉塵通過電子天平稱重，并把被測粉塵類型跟內(nèi)置粉塵類型作對比，即可提出轉(zhuǎn)換系數(shù)K(一次線性)或者轉(zhuǎn)換曲線K′(非線性)，利用該系數(shù)反演后即可得出單位體積內(nèi)的粉塵濃度：粉塵質(zhì)量/立方米(mg/m3)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計[6]

系統(tǒng)硬件部分設(shè)計如圖2所示。

圖2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1低功耗微處理器MSP430F149

MSP430系列單片機是德州儀器公司推出的一種超低功耗的16位工業(yè)級混合信號微處理器，它具有5種低功耗模式，可實現(xiàn)無可匹敵的超低功耗性能。該系列正常待機的耗流量可低至0.8μA，總功耗比同類競爭器件低10倍，MSP430系列單片機在功耗上可達到1μA的RAM保留，8μA的實時時鐘模式，新推出的MSP430F1xx單片機在實時時鐘激活的旁觀模式下只有1.6μA的電流消耗[7]。它采用RISC結(jié)構(gòu)，指令處理速度較快，其內(nèi)部12位的ADC具有很高的轉(zhuǎn)換速率，其豐富的片內(nèi)外設(shè)如定時器A、B，比較器、硬件乘法器、液晶驅(qū)動、IIC以及DMA等功能可以滿足不同場合不同產(chǎn)品的廣泛需要[8]。

2.2光源與光電傳感器

2.2.1激光光源

激光光源因其單色性好、功率密度高、分散度小比可見光源更適合測量的優(yōu)點，已被越來越多的產(chǎn)品所采用。它的種類很多，其中激光二極管具有比其他任何光源器件重量輕、體積小、性能高的優(yōu)點，更適合作為本系統(tǒng)的激發(fā)光源。

2.2.2光電二極管

光電二極管傳感器作為整個系統(tǒng)的信號輸入單元，其性能的好壞關(guān)系著整個系統(tǒng)的性能高低。本系統(tǒng)采用UDT-455LN低功耗光電轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　UDT455-LN光電傳感器

它具有高靈敏度、低暗電流等優(yōu)點，波長響應(yīng)范圍從200～1 100nm，其內(nèi)部集成了一個與光電二極管頻率特性相兼容的運算放大器，可以產(chǎn)生高增益、低噪聲、低漂移、高帶寬的光電轉(zhuǎn)換信號。它的基本原理是當(dāng)光探測器上接收到光強時就會產(chǎn)生對應(yīng)該光強的光電流，即將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。它適合于近紅外光和可見光的檢測，它的體積小、便于攜帶，光電特性線性度好，并且易于和外部輸入電路在電氣特性上實現(xiàn)良好匹配。

其輸出光電流的大小與接收光強滿足正比關(guān)系：

3系統(tǒng)的工作過程

1)當(dāng)粉塵微粒少、濃度低時,光電傳感器將產(chǎn)生間斷的電流脈沖信號，脈沖整形電路[6]整形后送入MSP430單片機，由其內(nèi)部定時計數(shù)器進行計數(shù)，如圖4所示。

圖4脈沖整形電路

2)當(dāng)粉塵濃度較高時,將形成直流偏移分量，該偏移量放大后由MSP430內(nèi)部的12位ADC進行轉(zhuǎn)換，再和1)中的計數(shù)值相加即可得到總的粉塵數(shù)據(jù)。

3)氣動泵流量是由DA來進行設(shè)定的，但由于氣泵負載將導(dǎo)致氣流波動等因素，因此需要將DA輸出與流量計輸出相比較來進行閉環(huán)反饋控制[9]，其閉環(huán)控制電路如圖5所示。

4)質(zhì)量流量計的輸出也要進入AD轉(zhuǎn)換，以便得到真實的氣流量值。

5)空氣泵、自清潔閥開關(guān)和觸摸屏接口全部由通用I/O口來控制。

6)系統(tǒng)將RS232接口引出，方便上位機進行測量數(shù)據(jù)的回放及處理。

4測試結(jié)果

根據(jù)我國《公共場所空氣中可吸入顆粒物(PM10)測定方法----光散射法》(WS/T026-2001)中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在正常環(huán)境下采用激光散射法對顆粒物(PM10)進行濃度測量時，其轉(zhuǎn)換系數(shù)K值為0.001，為檢測本系統(tǒng)測定時的K值與推薦K值的差別，做了如下相關(guān)測試。

圖5氣流量比較閉環(huán)控制

4.1采樣環(huán)境及時間地點

2013年9月4日至2013年9月10日這7日之內(nèi)，北京天氣較為晴朗，選擇在北京地質(zhì)儀器廠連續(xù)進行7天室外采樣。每日采樣時間設(shè)定在9:00—17:00，平均8h。每日記錄濕度波動介于22.63%RH～42.72%RH，溫度波動介于20.15～30.66 ℃。

4.2儀器

濾膜稱重測試儀:由XR5000型采樣泵(EightyFour,PA,USA)附帶濾膜的PM2.5采樣頭，采樣流量為4L/min。

本系統(tǒng)激光粉塵測試儀。

4.3測定方法

將濾膜重法測試儀與本系統(tǒng)同時進行測量，采樣前，先將濾膜放置于溫濕度相對恒定的室內(nèi)兩天。每隔24h結(jié)束后，將濾膜用XS105型(1/10萬)天平測重3次。兩天稱量的均值如果≤0.01mg，則視為濾膜可用，并取兩天的平均值作為濾膜的最終質(zhì)量，如不滿足則重復(fù)該過程直到滿足條件為止。采樣結(jié)束后用同樣的手段稱量濾膜的質(zhì)量，并計算采樣前后的質(zhì)量差，計算出粉塵的絕對質(zhì)量濃度：

利用本系統(tǒng)測量采樣間隔時間5min，將測定的相對質(zhì)量濃度與稱重法測定的絕對質(zhì)量濃度比較，計算出K值。

4.4測定結(jié)果

1)本系統(tǒng)與濾膜稱重法測定顯示，其結(jié)果較為一致，測定結(jié)果如圖6所示。

圖6　本系統(tǒng)與濾膜稱重法的質(zhì)量濃度測定結(jié)果

對兩種方法進行相關(guān)性驗證，得出兩者的相關(guān)系數(shù)r=0.787(p<0.01)。并求得線性回歸方程為y=0.922x-0.003 3(擬合度R2=0.937 5)，如圖7所示。

圖7　兩種方法的線性關(guān)系圖

2)測量結(jié)果顯示，K值波動范圍介于0.000 913～0.001 169，平均值為0.001 101，與衛(wèi)生部推薦K值相當(dāng)，且本系統(tǒng)與濾膜稱重法相比，誤差較小，范圍在-4.34%～19.68%，平均9.23%。 具體采樣數(shù)值見表1。

表1　本系統(tǒng)與濾膜稱重法對PM2.5質(zhì)量濃度測定情況比較

通過以上測試證明，采用本系統(tǒng)功耗較低，測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性可以同國內(nèi)外同類儀器相比擬。

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Low-powerdustdetectionsystembasedonlightscatteringprinciple

CHENGeheng,LIUXiaobei

(SchoolofComputerScience&Engineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Basedonlightscatteringprinciple,theMSP430baseddetectionsystemcandirectlysamplethedustmassdataintheairandthendisplaytheconcentrationcurveinrealtime.

Keywords：lightscattering;lowpowerdissipation;MSP430.

收稿日期：2015-11-16

基金項目：國家科技支撐基金資助項目(2007BAQ00097)； 吉林省自然科學(xué)基金資助項目(20101523)

作者簡介：陳戈珩(1961-)，女，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)教授，碩士，主要從事數(shù)字信號處理及應(yīng)用方向研究,E-mail:chengeheng@ccut.edu.cn.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.3.08

中圖分類號：TP273

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)03-0246-06