牛志云， 楊義新，桂華僑，張礁石，余同柱，程 寅

(1.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽合肥 230026；3.安徽省環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031)

0 引言

大氣細(xì)顆粒物是我國很多城市的主要污染物，嚴(yán)重影響到大氣能見度、氣候變化和人體健康，揚(yáng)塵是大氣細(xì)顆粒物的主要來源之一[1-3]，揚(yáng)塵主要分為道路揚(yáng)塵、施工揚(yáng)塵、堆場(chǎng)揚(yáng)塵等，屬于無組織污染源，防治難度大，亟需精細(xì)化監(jiān)控和管理。目前，揚(yáng)塵的監(jiān)測(cè)方法主要有稱重法、β射線法和光散射法等。稱重法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，但是時(shí)間分辨率低難以實(shí)現(xiàn)揚(yáng)塵的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)；β射線法精度較高但是系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大面積布點(diǎn)；光散射法成本較低，時(shí)間分辨率高[4-6]。光散射法也存在一些缺點(diǎn)，如高相對(duì)濕度影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，高質(zhì)量濃度揚(yáng)塵容易造成光學(xué)鏡片污染等。為了實(shí)現(xiàn)揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、可靠性、可維護(hù)性，應(yīng)用于車載和大規(guī)模布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，本文利用光散射原理設(shè)計(jì)了一套基于STM32微控制器的揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)揚(yáng)塵質(zhì)量濃度，空氣溫濕度、流量等參數(shù)，并且設(shè)計(jì)了循環(huán)鞘氣保護(hù)光學(xué)鏡片，設(shè)計(jì)了溫濕度補(bǔ)償電路降低相對(duì)濕度干擾。

1 揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀原理及結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)原理

揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀的光路示意圖如圖1所示，激光二極管發(fā)出一束光，經(jīng)非球面透鏡準(zhǔn)直整形后照射到被測(cè)顆粒物群上發(fā)生光散射現(xiàn)象，穿透顆粒物群的入射光被光阱吸收，前向散射光被收集透鏡整形后聚焦于光電二極管(PD)上，通過高精度光電轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行進(jìn)一步處理。在透鏡垂直于激光的平面部分設(shè)有光瀾只允許特定角度的散射光透過。據(jù)MIE散射原理可得到下式[6]：

(1)

式中：I是為PD接收到的總光強(qiáng)；k0為比例系數(shù)；Cm為顆?？偟馁|(zhì)量濃度；FN(DP)為粒子數(shù)分布的概率密度函數(shù)；Dp為顆粒物粒徑；ρp為顆粒物質(zhì)量密度；I(θ)為沿散射角θ方向上的散射光強(qiáng)的積分。

圖1 揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀光路示意圖

探測(cè)光強(qiáng)和濃度成線性相關(guān)，通過測(cè)量接收到的散射光信號(hào)可反演其濃度值。

1.2 儀器結(jié)構(gòu)

儀器由PM2.5切割器、加熱器、光學(xué)腔、流量計(jì)、采樣泵和控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等模塊組成。圖2為系統(tǒng)框圖，實(shí)線表示氣流的走向，虛線表示電路連接。

圖2 樣機(jī)系統(tǒng)框圖

圖3為揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。儀器從周圍環(huán)境中抽取樣氣，樣氣依次經(jīng)過PM2.5切割器、加熱器、光學(xué)腔、過濾器，經(jīng)采樣泵過濾器濾掉10 μm以上的顆粒物，一部分樣氣排出，另外一部分經(jīng)過過濾器過濾掉0.2 μm以上顆粒物作為循環(huán)鞘氣從光學(xué)腔兩側(cè)進(jìn)入。裝置有流量計(jì)、采樣泵、吹掃泵和調(diào)節(jié)閥分別對(duì)2路吹掃保護(hù)氣路和1路采樣氣路進(jìn)行控制，以盡可能地保證光學(xué)腔內(nèi)氣流的穩(wěn)定和光學(xué)透鏡免受污染。

圖3 樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

2 電路設(shè)計(jì)

揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀選用STM32F103VBT6作為系統(tǒng)的主控制器，該控制器是基于ARM內(nèi)核的cortex-M3 32位芯片，具有體積小、價(jià)格低、外設(shè)多等優(yōu)點(diǎn)。其主頻為72 MHz，具有100個(gè)GPIO端口和8個(gè)定時(shí)器，支持43個(gè)可屏蔽中斷和16個(gè)可編程優(yōu)先等級(jí)[7-8]。為了精確控制采樣流量，并且減小溫濕度變化的影響，同時(shí)兼顧與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信，系統(tǒng)以STM32F10VBT6最小系統(tǒng)為核心，設(shè)計(jì)了電源電路、揚(yáng)塵傳感器電路、流量控制電路、溫濕度補(bǔ)償電路和通信接口電路，如圖4所示。

圖4 電路系統(tǒng)框圖

2.1 電源電路

揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀采用24 V供電，需要+12 V和+5 V對(duì)系統(tǒng)采樣泵供電，±12 V對(duì)運(yùn)放供電，+10 V對(duì)流量計(jì)供電，+5 V對(duì)ADC、溫濕度傳感器和串口轉(zhuǎn)USB芯片供電，+3.3 V對(duì)STM32最小系統(tǒng)供電。電源輸入端接F300熔斷電阻絲，防止因短路造成電流過大對(duì)電路造成損壞，使用SMJ24CA穩(wěn)壓器和In8522整流器抑制浪涌電流和瞬態(tài)電壓。隔離電源采用OTTE TRA2412，輸入18～30 V，輸出±12 V，LT1109ACS8-12 將12 V電壓轉(zhuǎn)為10 V，LM7805CT將12 V電壓轉(zhuǎn)為5 V，STM32最小系統(tǒng)所需電壓3.3 V是由芯片LM1117-3.3轉(zhuǎn)換而得。電源電路如圖5所示。

圖5 電源電路

2.2 揚(yáng)塵傳感器電路

揚(yáng)塵傳感器光源部分所使用的激光二極管選用HL6748MG，功率為10 mW，波長為670 nm。 激光二極管驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。驅(qū)動(dòng)芯片選用IC-WJB，該芯片ISET引腳可接滑動(dòng)變阻器，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值大小，找到對(duì)應(yīng)合適的驅(qū)動(dòng)功率。激光采用1 Hz占空比為50%方波調(diào)制的模式，定時(shí)亮滅，在二極管點(diǎn)亮?xí)r刻測(cè)量揚(yáng)塵質(zhì)量濃度，熄滅時(shí)測(cè)量噪聲信號(hào)，二者相減，減小不同時(shí)段、場(chǎng)景與工況下噪聲的干擾。

圖6 激光二極管驅(qū)動(dòng)電路

為了實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換線性度，光電轉(zhuǎn)換電路選用光伏模式，光電轉(zhuǎn)換電路由光電二極管和兩級(jí)運(yùn)放組成，后端接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，如圖7所示。PIN型硅光電二極管S1223將接收的前向散射光轉(zhuǎn)化為電流，低輸入偏置電流和失調(diào)電壓運(yùn)放OPA132U搭建I-V轉(zhuǎn)換電路，高精度運(yùn)放LT1492進(jìn)行二級(jí)放大。ADC采用AD7680，AD7680是16位逐次逼近型ADC，采用I2C模式通信，采樣頻率最高可達(dá)7 MHz。在設(shè)計(jì)電路時(shí)考慮到運(yùn)放零點(diǎn)漂移的影響，將+5 V電源接入二級(jí)運(yùn)放正向端，調(diào)節(jié)R7、R9的比值，消除實(shí)際運(yùn)放零點(diǎn)漂移影響。

圖7 光電轉(zhuǎn)換電路

2.3 流量控制電路

在揚(yáng)塵取樣過程中需要對(duì)流量進(jìn)行精確的控制以減小流量變化造成的誤差。采用PID算法對(duì)采樣泵抽氣速率精確控制，使用PMW調(diào)制的方式對(duì)氣體的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采樣泵選用TTC微型隔膜泵。圖8為采樣泵驅(qū)動(dòng)電路。Q1和Q2是PNP型三極管，兩者共同構(gòu)成了開關(guān)電路，當(dāng)MCU引腳輸出高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2截止，采樣泵工作，通過改變高電平占空比改變采樣泵抽氣的流量。通過壓差式流量計(jì)對(duì)氣體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)流量偏離設(shè)定的數(shù)值，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

圖8 采樣泵驅(qū)動(dòng)電路

2.4 溫濕度補(bǔ)償電路

相對(duì)濕度超過60%時(shí)，光散射法測(cè)量顆粒物質(zhì)量濃度受相對(duì)濕度變化影響變得顯著[9-11]。具有如下關(guān)系式：

(2)

式中：Ratio為當(dāng)相對(duì)濕度超過20%時(shí)顆粒物的光散射系數(shù)與相對(duì)濕度小于20%時(shí)顆粒物光散射系數(shù)的比值；RH為相對(duì)濕度；a、b、c為方程的系數(shù)。

需要設(shè)計(jì)溫濕度補(bǔ)償電路降低相對(duì)濕度的影響，當(dāng)溫濕度傳感器檢測(cè)到外界環(huán)境空氣相對(duì)濕度超過60%時(shí)，利用電阻絲對(duì)采樣通道內(nèi)的樣氣加熱使其相對(duì)濕度降低。濕度傳感器選用SHT11型溫濕度傳感器，其具有響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。加熱電阻絲需要合適的功率，過高的功率致使儀器功耗過大，過低的功率不足以達(dá)到降低相對(duì)濕度的目的。因此需要對(duì)加熱功率進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制方法與采樣泵類似，選用PWM調(diào)制模式使得加熱功率維持在合適的水平。值得注意的是，對(duì)電阻絲的加熱需要較高的電功率，需要對(duì)PCB板進(jìn)行割銅處理。

2.5 通信接口電路

MCU與光電轉(zhuǎn)換模塊、壓差式流量計(jì)使用到的ADC和溫濕度傳感器之間均采用I2C通信模式。當(dāng)測(cè)試到揚(yáng)塵顆粒物質(zhì)量濃度等相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)通過串口發(fā)送到上位機(jī)界面進(jìn)行處理，串口轉(zhuǎn)USB電路如圖9所示，使用CH340芯片實(shí)現(xiàn)STM32與上位機(jī)的通信，芯片采用5 V供電。

圖9 串口轉(zhuǎn)USB電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件流程

主函數(shù)主要負(fù)責(zé)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO口和各模塊的初始化；通過STM32高級(jí)定時(shí)器，控制每10 ms進(jìn)入一次中斷服務(wù)函數(shù)；每進(jìn)入一次中斷由STM32讀取一次ADC采集到的光電轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)并存儲(chǔ)到定義好的數(shù)組中；進(jìn)行50次處理后，激光二極管狀態(tài)取反，這樣激光二極管調(diào)制為1 Hz的頻率；累計(jì)1 s時(shí)，對(duì)高電平期間采集到的電壓信號(hào)和低電平期間采集到的白噪聲分別求平均，并用高電平期間的有效信號(hào)值減去低電平期間所測(cè)得噪聲值得到最終的計(jì)算結(jié)果。通過系統(tǒng)Systick時(shí)鐘精確定時(shí)每秒向串口和LCD打印一次數(shù)據(jù)。由于揚(yáng)塵傳感器的光電轉(zhuǎn)換模塊為核心模塊，需要精確計(jì)時(shí)，光電轉(zhuǎn)換模塊軟件處理部分設(shè)置為最高中斷優(yōu)先級(jí)，溫濕度傳感器模塊設(shè)為次優(yōu)先級(jí)。流程圖如圖10所示。

圖10 軟件流程圖

3.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)使用基于圖形化的數(shù)據(jù)流編程語言LabVIEW編寫，該語言內(nèi)置I/O交互式控件，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)測(cè)量和控制系統(tǒng)[12]。界面包括串口選擇按鈕、波特率設(shè)置按鈕、數(shù)據(jù)保存按鈕和數(shù)據(jù)顯示區(qū)，如圖11所示。程序后面板上可選擇數(shù)據(jù)保存的位置等內(nèi)容，內(nèi)容可以dat格式保存。

圖11 LabVIEW界面

4 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

4.1 流量穩(wěn)定性測(cè)試

為保證儀器穩(wěn)定地抽取樣氣，對(duì)流量的穩(wěn)定性做系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖12所示，表明通過PID控制算法，對(duì)泵采用PWM波調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了采樣流量的穩(wěn)定控制，0.5 h內(nèi)流量最高誤差<±0.03 L/min，流量大小的頻率成近似高斯分布，集中在2 L/min附近。

(a)

(b)圖12 流量穩(wěn)定性測(cè)試

4.2 揚(yáng)塵檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

由于揚(yáng)塵現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過程需要長期多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以獲得不同類型顆粒物不同的質(zhì)量濃度，時(shí)間周期長、數(shù)據(jù)復(fù)雜、計(jì)算量大難以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)效果，因此通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別發(fā)生亞利桑那塵和粉煤灰兩種類型的塵做觀測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，圖13為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圖14為空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀(APS)測(cè)得兩種塵顆粒物空氣動(dòng)力學(xué)粒徑分布，表1為2種塵顆粒物主要特性。

圖13 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖14 2種顆粒物粒徑分布

表1 2種顆粒物主要特性

圖15為2種類型塵對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，橫坐標(biāo)是ES-642測(cè)得的質(zhì)量濃度值,縱坐標(biāo)是本文研制的揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀測(cè)試出的質(zhì)量濃度，兩者時(shí)間分辨率相仿，所測(cè)試的亞利桑那塵與粉煤灰決定系數(shù)分別為0.993與0.959,揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀與ES-642在0～1 000 μg/m3以內(nèi)測(cè)量結(jié)果相差不超過150 μg/m3。由于混合箱中塵類顆粒物質(zhì)量濃度難以長時(shí)間穩(wěn)定地維持在高濃度且存在漲落現(xiàn)象，在濃度較高時(shí)會(huì)因?yàn)檫@些因素存在對(duì)測(cè)試結(jié)果造成一定影響。

(a)

(b)圖15 2種類型塵對(duì)比實(shí)驗(yàn)

用該揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀與β射線顆粒物監(jiān)測(cè)儀(LGH-01B，藍(lán)盾光電子)作對(duì)比實(shí)驗(yàn)，由于β射線監(jiān)測(cè)儀時(shí)間分辨率為1 h，而實(shí)驗(yàn)室混合箱內(nèi)難以長時(shí)間維持較高的顆粒物質(zhì)量濃度，因此將該揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀與β射線監(jiān)測(cè)儀置于合肥市科學(xué)島安光所綜合樓頂樓測(cè)量大氣中的顆粒物質(zhì)量濃度，測(cè)量結(jié)果如圖16所示。

(a)

(b)圖16 大氣顆粒物對(duì)比實(shí)驗(yàn)

統(tǒng)計(jì)揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀1 h的平均數(shù)據(jù)，結(jié)果表明兩者變化趨勢(shì)較為一致，具有較高的相關(guān)性，決定系數(shù)為0.783，平均誤差為20.72 μg/m3,前者測(cè)量到的空氣中顆粒物質(zhì)量濃度比后者平均低10.42 μg/m3。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的光散射式揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀，該儀器可同步對(duì)揚(yáng)塵質(zhì)量濃度，空氣的溫度、濕度，系統(tǒng)的流量進(jìn)行同步測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是成本低、體積小、適合大面積布點(diǎn)；實(shí)時(shí)性好、時(shí)間分辨率高；整體系統(tǒng)的流量測(cè)試穩(wěn)定；可以連續(xù)長期測(cè)量高濃度的揚(yáng)塵顆粒物；同商用揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀器ES-642進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性。最后將數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果同β射線分析儀進(jìn)行比對(duì)分析，相關(guān)性較好，誤差較低，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性與數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。