陳戈珩,　劉小貝

(長春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)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(cè)系統(tǒng)

陳戈珩,劉小貝

(長春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)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(jī),以光散射法為基本原理，檢測(cè)系統(tǒng)直接讀取空氣中的粉塵質(zhì)量濃度，并實(shí)時(shí)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(duì)人類的危害也日益加深，因此，長時(shí)間高效可靠地檢測(cè)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(dòng)力學(xué)直徑一般介于1～100μm之間，其直徑越小對(duì)人體的危害越大。直徑小于10μm的顆粒就已經(jīng)能夠進(jìn)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(huì)穿透肺泡和細(xì)胞壁進(jìn)入到血液中，嚴(yán)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(xiǎn)性，因此，研究如何高效準(zhǔn)確的測(cè)量大氣粉塵的各項(xiàng)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(cè)方法[1-2]基本上可以分為兩種：抽樣直接測(cè)量法和非抽樣間接測(cè)量法。抽樣直接測(cè)量法一般是從待檢測(cè)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(jìn)行測(cè)量計(jì)算得出其絕對(duì)濃度值，此外，還可以對(duì)分離后的粉塵進(jìn)行化學(xué)物理等特性的分析。該方法的特點(diǎn)是原理簡單、測(cè)量精確，但其缺點(diǎn)也十分明顯，它的采樣時(shí)間一般為2～5h，工作起來既費(fèi)時(shí)也費(fèi)力，在如此長的采樣時(shí)間內(nèi)，得到的數(shù)值只能是一段時(shí)間內(nèi)的平均值，根本無法記錄粉塵濃度的實(shí)時(shí)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(shí)才有較高的精確度，反之則會(huì)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長λ時(shí)，MIE散射近似于瑞利散射；當(dāng)微粒尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長λ時(shí)，MIE散射可簡化為夫瑯禾費(fèi)衍射散射；而當(dāng)微粒尺寸介于兩者之間時(shí)，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(cè)量法中最為有效、使用范圍最廣的方法。

1系統(tǒng)測(cè)量原理[4]

系統(tǒng)測(cè)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(jìn)入到含塵氣流通道中，在有效測(cè)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(jí)光電探測(cè)器接收，轉(zhuǎn)換的電信號(hào)經(jīng)濾波、放大后再交由MSP430低功耗單片機(jī)組成的測(cè)控系統(tǒng)處理。其中散射光強(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于λ時(shí)，滿足

式中：I0----入射光的強(qiáng)度；

Ir----散射光的強(qiáng)度；

λ----入射光的波長；

v----單個(gè)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(diǎn)之間距離。

當(dāng)尺寸d與波長λ相當(dāng)時(shí)，散射光強(qiáng)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(shí)，在任意θ角下的散射光強(qiáng)分布可以按照Fraunhofer衍射理論進(jìn)行計(jì)算：

式中：L----散射微粒到觀察點(diǎn)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(qiáng)。

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

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)粉塵性質(zhì)比較均勻且濃度不高時(shí)，散射光強(qiáng)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(cè)量粉塵顆粒的質(zhì)量濃度。但此時(shí)得出的粉塵質(zhì)量濃度為相對(duì)質(zhì)量濃度R(CPM)，需通過轉(zhuǎn)換將其化為絕對(duì)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(duì)質(zhì)量濃度；

R----系統(tǒng)直讀的相對(duì)質(zhì)量濃度；

B----系統(tǒng)相對(duì)質(zhì)量濃度基底值。

K值作為相對(duì)質(zhì)量濃度與絕對(duì)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(cè)試儀置于同一環(huán)境中測(cè)試，對(duì)比求得轉(zhuǎn)換系數(shù)K。該方法既費(fèi)時(shí)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(jì)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(cè)粉塵類型跟內(nèi)置粉塵類型作對(duì)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(jì)[6]

系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1低功耗微處理器MSP430F149

MSP430系列單片機(jī)是德州儀器公司推出的一種超低功耗的16位工業(yè)級(jí)混合信號(hào)微處理器，它具有5種低功耗模式，可實(shí)現(xiàn)無可匹敵的超低功耗性能。該系列正常待機(jī)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(jī)在功耗上可達(dá)到1μA的RAM保留，8μA的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式，新推出的MSP430F1xx單片機(jī)在實(shí)時(shí)時(shí)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(shí)器A、B，比較器、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)、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(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，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(gè)系統(tǒng)的信號(hào)輸入單元，其性能的好壞關(guān)系著整個(gè)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(diǎn)，波長響應(yīng)范圍從200～1 100nm，其內(nèi)部集成了一個(gè)與光電二極管頻率特性相兼容的運(yùn)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(hào)。它的基本原理是當(dāng)光探測(cè)器上接收到光強(qiáng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)該光強(qiáng)的光電流，即將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。它適合于近紅外光和可見光的檢測(cè)，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(shí)現(xiàn)良好匹配。

其輸出光電流的大小與接收光強(qiáng)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(shí),光電傳感器將產(chǎn)生間斷的電流脈沖信號(hào)，脈沖整形電路[6]整形后送入MSP430單片機(jī)，由其內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)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(shí),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(jìn)行轉(zhuǎn)換，再和1)中的計(jì)數(shù)值相加即可得到總的粉塵數(shù)據(jù)。

3)氣動(dòng)泵流量是由DA來進(jìn)行設(shè)定的，但由于氣泵負(fù)載將導(dǎo)致氣流波動(dòng)等因素，因此需要將DA輸出與流量計(jì)輸出相比較來進(jìn)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(jì)的輸出也要進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換，以便得到真實(shí)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(jī)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的回放及處理。

4測(cè)試結(jié)果

根據(jù)我國《公共場所空氣中可吸入顆粒物(PM10)測(cè)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(duì)顆粒物(PM10)進(jìn)行濃度測(cè)量時(shí)，其轉(zhuǎn)換系數(shù)K值為0.001，為檢測(cè)本系統(tǒng)測(cè)定時(shí)的K值與推薦K值的差別，做了如下相關(guān)測(cè)試。

圖5氣流量比較閉環(huán)控制

4.1采樣環(huán)境及時(shí)間地點(diǎn)

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(jìn)行7天室外采樣。每日采樣時(shí)間設(shè)定在9:00—17:00，平均8h。每日記錄濕度波動(dòng)介于22.63%RH～42.72%RH，溫度波動(dòng)介于20.15～30.66 ℃。

4.2儀器

濾膜稱重測(cè)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(cè)試儀。

4.3測(cè)定方法

將濾膜重法測(cè)試儀與本系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，采樣前，先將濾膜放置于溫濕度相對(duì)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(cè)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(jì)算采樣前后的質(zhì)量差，計(jì)算出粉塵的絕對(duì)質(zhì)量濃度：

利用本系統(tǒng)測(cè)量采樣間隔時(shí)間5min，將測(cè)定的相對(duì)質(zhì)量濃度與稱重法測(cè)定的絕對(duì)質(zhì)量濃度比較，計(jì)算出K值。

4.4測(cè)定結(jié)果

1)本系統(tǒng)與濾膜稱重法測(cè)定顯示，其結(jié)果較為一致，測(cè)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(cè)定結(jié)果

對(duì)兩種方法進(jìn)行相關(guān)性驗(yàn)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(cè)量結(jié)果顯示，K值波動(dòng)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(duì)PM2.5質(zhì)量濃度測(cè)定情況比較

通過以上測(cè)試證明，采用本系統(tǒng)功耗較低，測(cè)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(xiàng)目：國家科技支撐基金資助項(xiàng)目(2007BAQ00097)； 吉林省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(hào)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(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2016)03-0246-06