薛小鵬

(山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012)

0 引言

21世紀(jì)是一個(gè)以綠色健康發(fā)展為主題的時(shí)代，保護(hù)環(huán)境是每一個(gè)公民的應(yīng)盡義務(wù)。改革開(kāi)放40年來(lái)，我國(guó)火電行業(yè)發(fā)展迅速，火電廠裝機(jī)容量已居世界之首，隨著火電廠的不斷發(fā)展，引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題也非常嚴(yán)重。因此，2011年環(huán)保部發(fā)布了更加嚴(yán)格的火電廠煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 13223—2011)，此標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定：重點(diǎn)地區(qū)的燃煤鍋爐煙塵排放必須低于20 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)的燃?xì)忮仩t、燃?xì)廨啓C(jī)組煙氣粉塵排放濃度必須低于5 mg/m3。隨著新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，我國(guó)的煙塵監(jiān)測(cè)技術(shù)面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

基于新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、新的要求，除了需要在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)儀預(yù)處理時(shí)采用高溫稀釋抽取法以及前散射的測(cè)量技術(shù)外，還需要使用先進(jìn)的激光檢測(cè)器和設(shè)計(jì)合理優(yōu)質(zhì)的控制電路。本論文依托山西省科學(xué)技術(shù)廳的國(guó)際科技合作項(xiàng)目“基于激光前散射技術(shù)對(duì)煙氣高精度監(jiān)測(cè)及分析”，主要介紹煙塵監(jiān)測(cè)儀的控制電路。

1 煙塵系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要對(duì)預(yù)處理后的煙塵進(jìn)行粒徑轉(zhuǎn)化計(jì)算以及粒徑顯示等，其以MC9S12DP512單片機(jī)為核心，650 nm激光照射粉塵顆粒后的前散射光被高靈敏度的濱松硅光電二極管所接受，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、AD轉(zhuǎn)換等電路，再通過(guò)單片機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，得出煙塵的顆粒物濃度，對(duì)顆粒物濃度進(jìn)行換算，換算成標(biāo)況時(shí)的數(shù)據(jù)，最終將換算成的煙氣粉塵濃度在液晶屏上顯示出來(lái)[2]。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了485通訊接口，可連接到工廠的其他控制電路上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。電路總體硬件控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件控制結(jié)構(gòu)圖

1.1 激光調(diào)制電路

激光調(diào)制電路一般分為激光發(fā)射模塊和激光器驅(qū)動(dòng)電路模塊。激光發(fā)射模塊主要是依靠注入半導(dǎo)體激光器的電流的穩(wěn)定性決定激光的穩(wěn)定性，所以對(duì)電流的穩(wěn)定性要求比較高，并且對(duì)波紋系數(shù)要求比較高，波紋系數(shù)能直接有效地抑制諧波干擾并且能減小電網(wǎng)的影響。并且半導(dǎo)體激光器具有體積小、功率小、壽命較長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。激光器驅(qū)動(dòng)電路主要是分為恒流驅(qū)動(dòng)電路和限流電路。半導(dǎo)體激光器受電流的沖擊影響比較大，所以必須有保護(hù)電路保護(hù)激光器承受的不穩(wěn)定電流。為保證激光器發(fā)射的激光波長(zhǎng)維持在650 nm，必須有穩(wěn)定的電流，才能保證激光波長(zhǎng)保持不變。所以必須要有恒流電路，提高激光器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。激光調(diào)制電路原理圖如圖2所示。

圖2 激光調(diào)制電路原理圖

其硬件電路具體設(shè)計(jì)如圖3所示。Vr為基準(zhǔn)電壓，接入電壓比較器的同相輸入端，電壓比較器控制三極管的導(dǎo)通程度，從而控制激光器的工作電流大小。R2為取樣電阻，其值的大小可根據(jù)實(shí)際進(jìn)行調(diào)節(jié)，工作電流經(jīng)過(guò)R2形成取樣電壓，通過(guò)運(yùn)放放大反饋回電壓比較器的反相輸入端，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，從而對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)節(jié)。整個(gè)電路形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。

圖3 激光調(diào)制電路圖

1.2 信號(hào)檢測(cè)電路

首先需要對(duì)光檢測(cè)單元進(jìn)行合理選擇。采用前散射法測(cè)量煙氣粉塵，檢測(cè)傳感器檢測(cè)到的激光的信號(hào)比較弱，所以對(duì)傳感器的要求比較高，選擇檢測(cè)器時(shí)主要對(duì)看檢測(cè)器的適用場(chǎng)合、檢測(cè)范圍、零位、分辨率、零點(diǎn)漂移、線性度、穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間等等參數(shù)進(jìn)行均衡考慮。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的綜合考慮，選擇了使用濱松S2386-8k硅光電二極管，這款傳感器在可見(jiàn)光到近紅外光波段具有較高的檢測(cè)靈敏度，并且具有感光面積大、暗電流低、可靠性高、超級(jí)線性等優(yōu)點(diǎn)，光譜響應(yīng)圖如圖4所示。

圖4 光譜響應(yīng)

為了使共模抑制比最高，轉(zhuǎn)換時(shí)放大器選擇為具有極低的輸入偏流和極高的輸入阻抗的電流型放大器，從而提高電路的測(cè)量精度。為增加電路的抗干擾能力，在電壓放大之前需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。常見(jiàn)的模擬濾波器有巴特沃茲、勒讓德、切比雪夫、橢圓濾波等類型，根據(jù)各種濾波器的特點(diǎn)，考慮到有效信號(hào)的頻率十分穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)采用巴特沃茲濾波器進(jìn)行濾波。其擁有最平滑的頻率響應(yīng)，在截止頻率外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降，在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零。然后根據(jù) AD 型轉(zhuǎn)換芯片特點(diǎn)放大電壓測(cè)量信號(hào)，電路選擇 16位逐次逼近型AD芯片 LTC1864，采用一個(gè) 5 V 的工作電源，包括采樣和保持電路，利用三線式的串行I/O 完成讀取數(shù)據(jù)，電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，精度和穩(wěn)定性比較好[3]。最后由單片機(jī)進(jìn)行快速數(shù)據(jù)處理，計(jì)算煙氣粉塵濃度。電路檢測(cè)原理如圖5所示。

圖5電路檢測(cè)原理圖

MC9S12DP512單片機(jī)的性能介紹：

MC9S12DP512開(kāi)發(fā)平臺(tái)布局清晰、豐富的硬件資源，可分為十多個(gè)功能模塊：1) 電源模塊使用LM2576芯片，將12V和24V電源轉(zhuǎn)換成直流5V；2) LED燈是由八個(gè)單片機(jī)控制的發(fā)光二極管；3) 一個(gè)蜂鳴器；4) 兩路RS232，可調(diào)試單片機(jī)的串口；5) 兩路485接口，可調(diào)試485總線通信；6) 兩路AD模塊；7) 定時(shí)器功能模塊；8) 溫度傳感器模塊；9) 直流電機(jī)控制接口，可調(diào)試直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；10) 最小系統(tǒng)獨(dú)立開(kāi)發(fā)核心板，主要包括電源接口、調(diào)試接口、指示燈、晶振電路和復(fù)位按鍵。

其中，MC9S12DP512單片機(jī)的電路具體設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖 6單片機(jī)電路

1.3 軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序利用 C 語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括：系統(tǒng)參數(shù)配置初始化、開(kāi)啟串口中斷服務(wù)、激光亮度反饋調(diào)節(jié)、讀取電壓AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理計(jì)算煙塵濃度和LCD 顯示煙塵濃度等。

2 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀是基于MC9S12DP512單片機(jī)研發(fā)完成的，系統(tǒng)可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成的內(nèi)容包括：激光調(diào)制電路、信號(hào)檢測(cè)電路等。本次設(shè)計(jì)的粉塵監(jiān)測(cè)儀已在我省某某火電廠完成測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際范圍為(0.5～2)mg/m3。滿足新的標(biāo)準(zhǔn)的要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，便于維護(hù)。