王 彪， 陳 越， 劉昱峰， 陳 壘，3， 楊 凱，3

(1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所， 長春 130033； 2. 中國科學院大學 a. 材料與光電技術學院， b. 物理學院， 北京 100049； 3. 中國科學技術大學 微電子學院， 合肥 230026)

基于STM32的激光霧霾檢測儀光電系統(tǒng)設計*

王 彪1， 陳 越2a， 劉昱峰2b， 陳 壘1，3， 楊 凱1，3

(1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所， 長春 130033； 2. 中國科學院大學 a. 材料與光電技術學院， b. 物理學院， 北京 100049； 3. 中國科學技術大學 微電子學院， 合肥 230026)

為了實現(xiàn)對霧霾的快速、高精度在線檢測，提出了一種基于激光散射原理的霧霾檢測光學與電學系統(tǒng)設計方案.該系統(tǒng)采用紅光激光器作為檢測光源，環(huán)形光電探測器用來接收激光信號.模擬多路復用器選通光電環(huán)輸出的光電流信號，利用IV轉(zhuǎn)換電路與AD轉(zhuǎn)換電路將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，使用串口將信息發(fā)送給屏幕，同時提供上位機數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸.結(jié)果表明，該光電系統(tǒng)工作穩(wěn)定、速度快，可以較好地滿足激光霧霾檢測儀光電系統(tǒng)的要求.

環(huán)形光電探測器； 霧霾檢測； 模擬多路復用器； 紅光激光； 數(shù)據(jù)采集； 散射原理； 光電系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)接口

霧霾已經(jīng)成為我國部分城市的常見天氣現(xiàn)象，霧霾由人類生產(chǎn)、生活中產(chǎn)生的顆粒和污染形成，會對人類機體造成多種持續(xù)性的傷害，直接或間接導致部分疾病的形成.防治霧霾已經(jīng)成為我國環(huán)境文明建設的重中之重，其中霧霾的檢測為防治過程中的首要環(huán)節(jié).激光霧霾檢測儀利用顆粒能使激光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象實現(xiàn)了對霧霾樣品的檢測[1-7].使用光學系統(tǒng)將紅光激光照射在霧霾樣品上，激光與霧霾顆粒相遇并發(fā)生散射現(xiàn)象，通過測量激光散射后的光強分布，選擇合適的模型及反演算法可以實現(xiàn)霧霾的準確測算.

1 光電系統(tǒng)總體設計

依據(jù)米氏散射理論，當待測氣體的粒徑與照射光的波長接近時，顆粒對光的散射特性包含顆粒的粒徑分布和濃度等相關信息[8-12]，根據(jù)米氏散射理論，得到散射光強在空間的分布與顆粒粒徑分布的關系，其表達式為

(1)

式中：θ為散射角；α為粒徑；m為待測氣體與空氣的相對折射率；K為常系數(shù)；I(θ)為空間中某散射角上的光強；i(θ，α，m)為光強分布函數(shù)；f(α)為顆粒的粒徑分布.通過環(huán)形光電探測器測量出不同角度上的散射光強度，并于上位機中使用軟件進行反演運算，可以得到待測顆粒系統(tǒng)的質(zhì)量分布，即顆粒的粒度分布[13].

霧霾檢測儀光電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，光電系統(tǒng)主要分為光學系統(tǒng)與電學系統(tǒng)兩大部分.光學系統(tǒng)輸出檢測光束照射待測氣體，電學系統(tǒng)檢測散射光強并將信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號.依據(jù)米氏散射原理組建的霧霾檢測儀光電系統(tǒng)實物圖如圖2所示.

圖1 光電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of photoelectric system

圖2 激光霧霾檢測儀光電系統(tǒng)Fig.2 Photoelectric system of laser haze detector

電學系統(tǒng)由環(huán)形光電探測器、模擬多路復用器、IV轉(zhuǎn)換電路、AD轉(zhuǎn)換電路、主控器與顯示輸出幾部分組成，提供上位機數(shù)據(jù)接口，將數(shù)據(jù)上傳到上位機端.在檢測儀開始測量后，模擬多路復用器依次選通環(huán)形光電探測器，IV轉(zhuǎn)換電路將光電環(huán)輸出的小電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)AD采集電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并輸入到主控芯片中，最后主控芯片將電壓數(shù)據(jù)輸出至顯示屏幕與上位機端口，以便完成后續(xù)的數(shù)據(jù)運算與結(jié)果顯示.

2 光學系統(tǒng)設計

霧霾檢測儀的光學系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示.整個光學系統(tǒng)搭建在光學平臺上，空間濾波器的顯微物鏡與小孔之間距離4.43 mm，小孔與準直透鏡之間距離40 mm，傅氏透鏡與環(huán)形探測器之間間距400 mm，氣室與傅氏透鏡距離100 mm.圖4為組建完成的光學系統(tǒng)實物圖.

圖3 光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of optical system

圖4 光學系統(tǒng)Fig.4 Optical system

本文使用逆向傅里葉結(jié)構(gòu)匯聚激光散射信號.將焦距為40 mm的傅里葉透鏡置于待測氣體的前面，在近軸情況下，這種逆向傅里葉變換結(jié)構(gòu)同經(jīng)典傅里葉變換一樣，會將相同角度的散射光匯聚在焦平面上，其優(yōu)點是能夠減小系統(tǒng)的等效焦距，擴大系統(tǒng)散射光探測的等效角度范圍，進而在不更換傅里葉鏡頭的條件下降低了系統(tǒng)的測量下限.但缺點是隨著散射角度的增大，其聚焦情況會越來越差，在計算散射光分布時必須加以修正.本文出于提高霧霾的測量下限與減小光路系統(tǒng)體積的考慮，采用了這種逆向傅里葉結(jié)構(gòu).

3 電學系統(tǒng)設計

電學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示.31路環(huán)形光電探測器置于傅里葉透鏡的后焦平面上，接收散射光并將其轉(zhuǎn)化為電信號.通過模擬多路復用器分時依次選通光電環(huán)后，用IV轉(zhuǎn)換電路與AD轉(zhuǎn)換電路將光電流信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號.

模擬多路復用器電路由4片MAX4638多路復用芯片組成.MAX4638是單8∶1CMOS模擬多路復用器，選通端與公共端的內(nèi)阻約為3.5 Ω，具有納秒級別的開關速度，可以實現(xiàn)環(huán)形光電探測器的快速掃描測量.環(huán)形光電探測器共有31路光電環(huán)，采用4片MAX4638組成多通道選通電路，連接前31路通道與環(huán)形光電探測器的31路光電環(huán)的陽極端，模擬多路復用器的公共端接地.

將環(huán)形光電探測器的共陰極端連接IV轉(zhuǎn)換電路輸入端，將小電流信號轉(zhuǎn)化為正電壓信號.本文采用TI公司的TLV2252低電壓低功耗運算放大器組建IV轉(zhuǎn)換電路，電路原理圖如圖6所示.調(diào)節(jié)電位器RPOT1可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，輸出適用于后級模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓信號，以此提高信號采集精度.

圖5 電學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of electrical system

圖6 IV轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.6 Schematic principle for IV conversion circuit

AD轉(zhuǎn)換電路中的AD7864芯片是Analog Device公司的12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有12位并行數(shù)據(jù)輸出接口.單次轉(zhuǎn)換周期為1.65 μs，其較高的轉(zhuǎn)換速度使得本文系統(tǒng)整體掃描速率得到保障.

圖7為部分電學系統(tǒng)的實物圖.電學系統(tǒng)采用意法半導體公司的STM32F103VET6芯片作為主控器，使用該主控器讀取AD7864的數(shù)據(jù)輸出，使用串口0將數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示屏顯示，將數(shù)據(jù)打包后，使用串口1發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機端口完成數(shù)據(jù)上傳.

圖7 部分電學系統(tǒng)Fig.7 Partial electrical system

數(shù)據(jù)顯示采用廣州大彩光電科技公司的DC32240B035顯示屏.圖8顯示的是分辨率為320×240像素的3.5寸組態(tài)串口屏，該屏幕將主控器發(fā)出的電壓數(shù)據(jù)依次顯示出來，圖8中左上角的數(shù)據(jù)對應第1路采集電壓，其單位為mV，依次向右遞加數(shù)據(jù)對應的光電環(huán)環(huán)數(shù).本系統(tǒng)中該顯示屏一共顯示了31路光電環(huán)的測量數(shù)據(jù)，使用這種顯示屏顯示數(shù)據(jù)可以清晰直觀地觀察到光電環(huán)光強的相對變化情況.

圖8 顯示屏顯示數(shù)據(jù)Fig.8 Data displayed on screen

4 測 試

選取美真香牌1CW002簡易裝線香進行樣品制備，分別截取0.5、10、15和20 mm于88 cm3的氣室之中燃燒，待燃燒完成后閉合氣室窗口，啟動光電系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)測量并記錄數(shù)據(jù)，測量結(jié)束后使用濾膜法稱量氣室中的煙塵顆粒質(zhì)量，從而得到不同待測樣品的濃度.通過對多組不同濃度的樣品進行實驗測試，對比實驗數(shù)據(jù)與天平法測得的顆粒質(zhì)量，觀察到輸出的電壓數(shù)據(jù)會隨著待測氣體濃度的變化而有規(guī)律變化，其總體規(guī)律為散射光光強信號會隨著樣品濃度增加而增加，透射光光強則會減小，這一規(guī)律可以用米氏散射理論解釋.將測得的數(shù)據(jù)打包并通過串口1發(fā)送至上位機中，對比屏幕顯示數(shù)據(jù)與上位機數(shù)據(jù)信息，表明數(shù)據(jù)傳輸準確可靠.上述兩條測試結(jié)果說明本光電系統(tǒng)工作性能理想，可以滿足后續(xù)上位機軟件的數(shù)據(jù)處理與反演分析所需的前端數(shù)據(jù)采集要求.

5 結(jié) 論

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PhotoelectricsystemdesignoflaserhazedetectorbasedonSTM32

WANG Biao1, CHEN Yue2a, LIU Yu-feng2b, CHEN Lei1,3, YANG Kai1,3

(1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China; 2a. School of Materials Science and Opto-Electronic Technology, 2b. School of Physical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. School of Microelectronics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In order to realize the rapid and precise on-line detection of haze, a design scheme of optical and electrical system for haze detection based on the laser scattering principle was proposed. In the proposed system, a red laser was adopted as the detection light source, and an annular photoelectric detector was used to receive the laser signal. In addition, the analog multiplexer was adopted to select the photocurrent signal exported by the photoelectric ring, and the IV and AD conversion circuits were applied to convert the photocurrent signal into the digital signal. The information was sent to the screen with the serial port, and the data interface of upper computer was provided to realize the data transmission. The results show that the photoelectric system can stably work, has fast speed, and can better meet the requirements in the photoelectric system of laser haze detection system.

annular photoelectric detector; haze detection; analog multiplexer; red laser; data acquisition; scattering principle; photoelectric system; data interface

2016-11-17.

國家重點研發(fā)計劃重點專項基金資助項目(2017YFB0405300)； 吉林省科技廳重點科技攻關項目(20150204048SF)； 吉林省科技廳重大科技招標專項基金資助項目(20160203015GX).

王 彪(1981-)，男，吉林松原人，副研究員，博士，主要從事嵌入式系統(tǒng)等方面的研究.

* 本文已于2017-08-01 12∶23在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170801.1223.014.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.06.10

TN 29

A

1000-1646(2017)06-0654-05

(責任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)