陳思龍，吳永聰，楊安，姜巖峰

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院微電子科學(xué)與工程系，江蘇 無(wú)錫 214122）

顆粒物(PM)按其空氣動(dòng)力學(xué)直徑（微米）進(jìn)行分類(lèi)，比如直徑小于或等于10 μm 的顆粒，稱(chēng)為PM10或可吸入顆粒物，直徑小于或等于2.5 μm 的顆粒，被稱(chēng)為PM2.5或“細(xì)”顆粒。大氣顆粒物是主要的大氣污染物之一，它們會(huì)對(duì)人類(lèi)的呼吸道和心血管健康產(chǎn)生很大傷害。在許多行業(yè)，顆粒物質(zhì)量濃度直接或間接地決定著產(chǎn)品的質(zhì)量，比如精密加工、食品、電子等行業(yè)。因此，顆粒物質(zhì)量濃度越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

顆粒物測(cè)量方法主要包括β射線(xiàn)吸收法、微量振蕩天平法、重量法和光散射法等[1]。與其他方法相比，光散射法同時(shí)具備檢測(cè)速度快、精度高、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。文中分析了粒子計(jì)數(shù)法的檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)了包含傳感器和微處理器的信號(hào)采集與處理電路，并通過(guò)藍(lán)牙通信方式將處理結(jié)果傳送到移動(dòng)端APP 顯示?；诠馍⑸浞ǖ牧Ｗ佑?jì)數(shù)法可在STM32 單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)，可以在低濃度場(chǎng)景下快速、準(zhǔn)確地得到結(jié)果。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將個(gè)人智能手機(jī)作為移動(dòng)終端顯示設(shè)備，實(shí)現(xiàn)便攜式及數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸，不受空間的限制。同時(shí)，該系統(tǒng)能通過(guò)設(shè)定相應(yīng)的閾值測(cè)量不同粒徑的顆粒物質(zhì)量濃度，也可根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)展，用一部智能手機(jī)接收多個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集。

1 粒子計(jì)數(shù)法檢測(cè)原理

Mie 散射理論基于電磁波的麥克斯韋方程，對(duì)于平面線(xiàn)偏振單色波被一個(gè)位于均勻介質(zhì)中具有任意直徑和任意成分的均勻球衍射，得出一個(gè)嚴(yán)格數(shù)學(xué)解。對(duì)于粒徑與波長(zhǎng)近似的粒子，Mie 散射占主導(dǎo)。一般大氣中氣體粒子間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)粒子的大小，可等效為單個(gè)球形粒子的Mie 散射模型[2]。

根據(jù)Mie 散射理論可知，當(dāng)光強(qiáng)為I0、波長(zhǎng)為λ的完全偏振光為入射光時(shí)，球形粒子的總散射光強(qiáng)IS為[3]：

其中，r是觀察點(diǎn)與散射點(diǎn)的距離，θ是散射角，φ是方位角，S1(θ)和S2(θ)是振幅函數(shù)，表達(dá)式分別為：

式中，an和bn是粒子相對(duì)折射率m和粒徑d的函數(shù)，可以用貝塞爾（Bessel）函數(shù)和漢克爾(Hankel)函數(shù)來(lái)表示，它們被稱(chēng)為Mie 散射系數(shù)；πn與τn可以用連帶勒讓德（Legendre）函數(shù)表示，它們僅與θ有關(guān)。張子同[4]等人利用Stokes 參數(shù)與散射矩陣推導(dǎo)出了總散射光強(qiáng)IS與粒徑d成正相關(guān)分布：

由式（4）可知，粒子的粒徑不同，則產(chǎn)生的脈沖強(qiáng)度不同。夏賽[3]通過(guò)對(duì)球形顆粒散射光通量與粒徑關(guān)系的數(shù)值計(jì)算，并利用測(cè)量的電壓脈沖信號(hào)幅度分布，得到了同時(shí)考慮粒子數(shù)目和大小的顆粒物質(zhì)量濃度C的計(jì)算公式：

其中，實(shí)際粒徑范圍被劃分成多個(gè)粒徑檔，以i表示，k為比例系數(shù)，需要標(biāo)定得到，Ni表示i通道的脈沖數(shù)（粒子數(shù)），Vi表示i通道的脈沖信號(hào)電壓，它反映的是顆粒光學(xué)等效粒徑的大小。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 整體框架構(gòu)思

顆粒物質(zhì)量濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：硬件部分和軟件部分[5]。整體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 顆粒物質(zhì)量濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)整體構(gòu)架圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分設(shè)計(jì)主要包括對(duì)激光驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)處理模塊、藍(lán)牙模塊、主控芯片模塊、電源管理模塊和主 板PCB 設(shè)計(jì)[6]。

2.2.1 激光驅(qū)動(dòng)模塊

顆粒物傳感器采用的發(fā)射源是半導(dǎo)體激光器，它是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，具有體積小、壽命長(zhǎng)、重量輕、價(jià)格便宜等特點(diǎn)[7]，常用的驅(qū)動(dòng)方式是電流驅(qū)動(dòng)。

對(duì)激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路有兩種，圖2（a）所示為開(kāi)關(guān)PWM 模式，通過(guò)單片機(jī)提供的PWM 波控制三極管Q1 的通斷，從而達(dá)到控制驅(qū)動(dòng)激光二極管電流的目的，但是該電路的缺點(diǎn)是產(chǎn)生的電流不穩(wěn)定。圖2（b）為文中設(shè)計(jì)的線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)電路[8]，從電源得到的穩(wěn)定電壓加在LMV602 的同相輸入端，通過(guò)電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路得到輸出電壓，輸出電壓在RC 濾波電路下得到穩(wěn)定的電壓加在晶體管上，通過(guò)晶體管的放大得到穩(wěn)定的輸出電流來(lái)驅(qū)動(dòng)激光二極管。輸入電壓Vin和輸出電流Iout的關(guān)系為：

圖2 激光驅(qū)動(dòng)模塊

在電路中，為了減少紋波電壓對(duì)電路的影響，在反相輸入端和輸出端之間加了一個(gè)耦合電容，輸出的紋波電壓通過(guò)此電容加在LMV602 的反向輸入端，經(jīng)放大后到達(dá)調(diào)整管的基極，因此在正常工作中，輸出端紋波電壓比較小。

2.2.2 信號(hào)處理模塊

在粒子經(jīng)過(guò)光散射后，二極管能接收到的光信號(hào)比較微弱，若不能很好地處理，將會(huì)被噪聲淹沒(méi)，造成最終結(jié)果的不確定性，如何在抑制噪聲的前提下增大微弱信號(hào)的幅度成為了獲取有用信號(hào)的關(guān)鍵[9]。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路如圖3 所示，它具有高增益、低噪聲的特點(diǎn)。

圖3 信號(hào)處理電路

光電二極管將微弱的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，第一級(jí)為跨阻放大電路，它采用高輸入阻抗負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，且由于高的飽和極限而有較大的動(dòng)態(tài)范圍，主要將輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。緊跟其后的是濾波放大電路，主要將電壓小信號(hào)放大至單片機(jī)能夠處理的幅度，經(jīng)過(guò)處理后的電壓信號(hào)由單片機(jī)的ADC 進(jìn)行采集[10]，放大倍數(shù)Au的計(jì)算公式為：

取R4=220 kΩ，R5=3 kΩ，得理論放大倍數(shù)為74.3。

2.2.3 藍(lán)牙模塊

文中設(shè)計(jì)的藍(lán)牙模塊所使用的藍(lán)牙芯片是BC417，當(dāng)與藍(lán)牙軟件堆棧一起使用時(shí)，它提供了一個(gè)完全符合藍(lán)牙2.0 規(guī)范的藍(lán)牙系統(tǒng)，可與其他版本的藍(lán)牙兼容通信，包括與具有藍(lán)牙功能的電腦、手機(jī)等終端配對(duì)，用于數(shù)據(jù)傳輸和語(yǔ)音通信。該模塊不僅可以通過(guò)AT 指令來(lái)查詢(xún)和設(shè)定相關(guān)參數(shù)，還可以通過(guò)串口TTL 接口實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)透?jìng)?。只需要使? V/3.3V 電壓的TTL 電平便可以驅(qū)動(dòng)該模塊，且支持的波特率范圍為4 800～1 382 400 b/s，非常適合在單片機(jī)上擴(kuò)展藍(lán)牙特性[11-12]。該藍(lán)牙模塊支持設(shè)備短距離通信，通信距離為10 m，工作溫度范圍為-25～+75 ℃。模塊的原理圖如圖4 所示。

圖4 藍(lán)牙模塊電路圖

2.2.4 主控芯片模塊

主控芯片為STM32F070F6，包含以48 MHz 頻率運(yùn)行的高性能RISC 內(nèi)核、高達(dá)32 kB 的SRAM 和高達(dá)256 kB 的閃存，以及12 位的ADC。工作的溫度范圍為-40～+85 ℃且電源電壓較低，可在比較極端的環(huán)境下工作。引腳有20-pin、48-pin 和64-pin，根據(jù)系統(tǒng)的要求，選擇芯片引腳為20，滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求而且引腳利用充分，基本沒(méi)有浪費(fèi)。在考慮系統(tǒng)便攜式、小型化的要求下，并在PCB 板緊湊化的前提下，采用SWD 調(diào)試，SWD 自帶復(fù)位協(xié)議，所以無(wú)需接RST 腳，它需要的引腳少，所需PCB 空間小。SWD模式在高速模式下比較可靠，在大數(shù)據(jù)量的情況下，SWD 下載程序的成功率比較高。芯片通過(guò)PA9 和PA10 與藍(lán)牙模塊相連，實(shí)現(xiàn)和手機(jī)的通信；考慮到在不同的環(huán)境下需要對(duì)氣流的流動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)整，芯片PA6 輸出不同占空比的PWM 波控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；PA7 輸出的PWM 波通過(guò)兩級(jí)RC 濾波控制可調(diào)穩(wěn)壓芯片的輸出電壓來(lái)給風(fēng)扇供電；PA1 是ADC 通道，用來(lái)采集處理好的信號(hào)。主控芯片及其外圍電路如圖5所示。

圖5 主控芯片及其外圍電路圖

2.2.5 電源管理模塊

電源管理模塊需要為單片機(jī)、運(yùn)放、藍(lán)牙模塊、風(fēng)扇和激光驅(qū)動(dòng)模塊供電，該模塊使用了兩款LDO穩(wěn)壓芯片，分別為穩(wěn)壓為3.3V 的TJ5205SF5-3.3V 穩(wěn)壓芯片和穩(wěn)壓可調(diào)的TJ4203GSF5-ADJ 穩(wěn)壓芯片。這兩款芯片具有電源電壓抑制比（PSRR）高、噪聲低、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

在對(duì)單片機(jī)供電時(shí)，考慮到單片機(jī)對(duì)輸入電壓的要求較高，該模塊將穩(wěn)壓芯片輸出的電壓經(jīng)過(guò)了LC 濾波電路可以得到比較穩(wěn)定的電壓。為了產(chǎn)生穩(wěn)定的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)激光二極管，必須要給激光驅(qū)動(dòng)模塊提供合適且穩(wěn)定的電壓，該模塊在穩(wěn)壓可調(diào)芯片輸出端加上了可調(diào)電阻，輸出電壓Vout和可調(diào)電阻Radj的關(guān)系為：

2.2.6 主板PCB設(shè)計(jì)

對(duì)主板PCB 設(shè)計(jì)時(shí)采用了單層板設(shè)計(jì)，一側(cè)放置元件，另外一側(cè)走線(xiàn)，單層板具有成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，且單層板不需要打過(guò)孔過(guò)線(xiàn)，減少了寄生電容和寄生電阻對(duì)主板性能的影響。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件算法通過(guò)ADC 測(cè)量產(chǎn)生的脈沖幅度和間隔來(lái)估計(jì)流經(jīng)的粒子質(zhì)量濃度，如圖6 所示。給定兩個(gè)獨(dú)立的閾值，P1和P2。P1閾值可以過(guò)濾掉前級(jí)的噪聲，P2閾值可以區(qū)分不同大小的顆粒，可以用更多的Pn閾值來(lái)擴(kuò)展檢測(cè)不同的顆粒大小。例如要測(cè)量PM2.5的質(zhì)量濃度，首先要將Pn設(shè)置為2.5 μm 粒子對(duì)應(yīng)的電壓值，將P1設(shè)置為噪聲電壓值，在0～2.5 μm粒徑中劃分多個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)閾值。n值越大越精確，但耗費(fèi)的計(jì)算資源就越多。根據(jù)采集電壓所屬閾值范圍增加對(duì)應(yīng)粒徑的粒子個(gè)數(shù)，再通過(guò)差值運(yùn)算得到各通道的粒子個(gè)數(shù)。

圖6 脈沖間隔與幅度

用遞推平均濾波法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，如圖7 所示，ADC 每隔1 ms 對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣，并使用8 個(gè)樣本的遞推平均值來(lái)消除信號(hào)中的一些噪音；每隔1 s 計(jì)數(shù)，校正調(diào)整10 s 遞推平均值，獲得最終的顆粒物質(zhì)量濃度。

圖7 粒子濃度計(jì)算的軟件算法

Keil 是具有集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的微控制器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該系統(tǒng)用此軟件對(duì)STM32 編程[13]。主程序流程如下：系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化（包括串口、PWM 和ADC 初始化），激光發(fā)生器和風(fēng)扇開(kāi)始工作。ADC 設(shè)置成連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，同時(shí)對(duì)應(yīng)的DMA 通道開(kāi)啟循環(huán)模式，這樣ADC就一直在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集然后通過(guò)DMA 把數(shù)據(jù)搬運(yùn)至內(nèi)存，這樣可以節(jié)省CPU的資源來(lái)做其他操作[14]。處理好的數(shù)據(jù)即最終的顆粒物質(zhì)量濃度，通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)狡ヅ浜玫囊苿?dòng)端。

2.4 藍(lán)牙APP開(kāi)發(fā)

考慮到APP 設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單與實(shí)用性，對(duì)藍(lán)牙APP開(kāi)發(fā)使用的工具是MIT App Inventor（AI），它由Google開(kāi)發(fā)，是一款用來(lái)開(kāi)發(fā)Android 智能手機(jī)程序的工具，編程環(huán)境有著可視化屬性，并且可以結(jié)合模擬器實(shí)現(xiàn)調(diào)試運(yùn)行同步化，極大縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高了開(kāi)發(fā)的效率[15]。設(shè)計(jì)好的APP 可以打包通過(guò)二維碼下載到手機(jī)端。其設(shè)計(jì)流程包括組件設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)試三部分。

設(shè)計(jì)好的藍(lán)牙APP 包含藍(lán)牙選擇、接收數(shù)據(jù)、斷開(kāi)、暫停等功能鍵以及數(shù)據(jù)顯示窗口。進(jìn)入APP 后，點(diǎn)擊藍(lán)牙選擇按鈕可以跳轉(zhuǎn)到藍(lán)牙選擇界面，選擇好藍(lán)牙后退出，點(diǎn)擊接收數(shù)據(jù)便可以得到相應(yīng)藍(lán)牙傳輸過(guò)來(lái)的PM2.5數(shù)值。若想看某一時(shí)刻的數(shù)值，可以點(diǎn)擊暫停按鈕，若不想接收數(shù)據(jù)可以點(diǎn)擊斷開(kāi)按鈕。

3 數(shù)據(jù)測(cè)試與分析

在軟件上設(shè)定合適的閾值，利用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)測(cè)量無(wú)錫某地區(qū)一天的PM2.5濃度。

將測(cè)量結(jié)果與TSI8530 粉塵檢測(cè)儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，可繪制如圖8 所示的曲線(xiàn)。所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)相對(duì)誤差大部分情況下不超過(guò)10%，通過(guò)計(jì)算得到相對(duì)誤差的平均值約為7%。由此可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在顆粒物濃度檢測(cè)上具有較高的精確度。

圖8 測(cè)量結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

基于粒子計(jì)數(shù)法檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)了一套可以檢測(cè)大氣不同粒徑顆粒物質(zhì)量濃度的便攜式無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)，完成了相應(yīng)硬件部分和軟件部分的設(shè)計(jì)，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的藍(lán)牙模塊，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)墓δ?，?shí)驗(yàn)結(jié)果可實(shí)時(shí)顯示在便攜智能手機(jī)中。與商用TSI-8530 粉塵檢測(cè)儀相比，結(jié)果表明，文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較高的精確度，測(cè)量PM2.5質(zhì)量濃度時(shí)，平均相對(duì)誤差約是7%。又由于成本低廉，操作方便，在居家生活[16]、工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面具有較大的應(yīng)用潛力。