光散射法低功耗粉尘检测系统

陈戈珩,　刘小贝

(长春工业大学 计算机科学与工程学院, 吉林 长春　130012)



光散射法低功耗粉尘检测系统

陈戈珩,刘小贝

(长春工业大学 计算机科学与工程学院, 吉林 长春130012)

摘要：基于MSP430低功耗单片机,以光散射法为基本原理，检测系统直接读取空气中的粉尘质量浓度，并实时显示浓度曲线图。

关键词：光散射法; 低功耗;MSP430

0引言

近年来,由于工业污染、汽车尾气排放等因素导致的空气污染现象日益加剧，粉尘对人类的危害也日益加深，因此，长时间高效可靠地检测环境中的粉尘指标十分重要。

粉尘大多悬浮于空气中，它的空气动力学直径一般介于1～100μm之间，其直径越小对人体的危害越大。直径小于10μm的颗粒就已经能够进入肺泡，尤其是那些携带着重金属有毒物质，直径小于2.5μm的微粒会穿透肺泡和细胞壁进入到血液中，严重危害着人体健康。其次粉尘微粒小、比面积大，又极具爆炸性，在有氧的环境中浓度稍高就潜在着巨大的危险性，因此，研究如何高效准确的测量大气粉尘的各项指标具有十分重要的参考意义。

当前国内外的粉尘指标检测方法[1-2]基本上可以分为两种：抽样直接测量法和非抽样间接测量法。抽样直接测量法一般是从待检测的空气中抽取一定量的含尘气体，将气体和粉尘分离后分别进行测量计算得出其绝对浓度值，此外，还可以对分离后的粉尘进行化学物理等特性的分析。该方法的特点是原理简单、测量精确，但其缺点也十分明显，它的采样时间一般为2～5h，工作起来既费时也费力，在如此长的采样时间内，得到的数值只能是一段时间内的平均值，根本无法记录粉尘浓度的实时变化，此外，内置的滤膜纸易受环境变化的影响，因此一般仅用此法作为其它方法的标定参照。非抽样法[3]有光透射法、光散射法等。光透射法也是经常使用的方法，但它的使用范围较窄，在粉尘微粒较大和浓度较高时才有较高的精确度，反之则会有较大误差。而光散射法的使用范围较光透射法广，它的原理基于经典的MIE散射理论。当微粒尺寸远远小于波长λ时，MIE散射近似于瑞利散射；当微粒尺寸远远大于波长λ时，MIE散射可简化为夫琅禾费衍射散射；而当微粒尺寸介于两者之间时，一般只能采用复杂的MIE理论来求解。因此，光散射法是非抽样间接测量法中最为有效、使用范围最广的方法。

1系统测量原理[4]

系统测量原理如图1所示。

图1系统原理图

光源发出的光，首先经过光学处理系统[5]处理后进入到含尘气流通道中，在有效测量区域内光被气流中的尘埃粒子散射，散射光在一定角度内被后级光电探测器接收，转换的电信号经滤波、放大后再交由MSP430低功耗单片机组成的测控系统处理。其中散射光强的大小取决于光波长λ和粒径直径d的大小。当颗粒的尺寸d远远小于λ时，满足

式中：I0----入射光的强度；

Ir----散射光的强度；

λ----入射光的波长；

v----单个微粒的体积；

n1、n2----分别为微粒折射率与水折射率;

N----单位体积内水溶液中微粒的数目;

θ----入射光线跟散射光线间的夹角;

r----散射微粒到观察点之间距离。

当尺寸d与波长λ相当时，散射光强Ir与它们之间是一种十分复杂的数学关系，而当颗粒尺寸d大于波长λ时，在任意θ角下的散射光强分布可以按照Fraunhofer衍射理论进行计算：

式中：L----散射微粒到观察点之间的距离;

J1----Bessel函数;

x----无因次参数，且x=πdsinθ/λ;

λ----入射光的波长;

d----颗粒的直径;

I0----入射光强。

大气粉尘以及大部分工业粉尘都属于这个尺寸范围内，因此，采用夫琅禾费衍射散射理论计算比采用其它近似理论更为精确。

实验表明，当粉尘性质比较均匀且浓度不高时，散射光强在一定范围内将与其质量浓度满足正比关系。正是根据这一原理，就可以直接准确的测量粉尘颗粒的质量浓度。但此时得出的粉尘质量浓度为相对质量浓度R(CPM)，需通过转换将其化为绝对质量浓度C(mg/m3)，转换公式为：

式中：K----质量浓度转换系数；

C----用滤膜称重法得出的绝对质量浓度；

R----系统直读的相对质量浓度；

B----系统相对质量浓度基底值。

K值作为相对质量浓度与绝对质量浓度的转换桥梁，一般需要由标准粉尘设备求得，即需将本仪器与滤膜称重标准浓度测试仪置于同一环境中测试，对比求得转换系数K。该方法既费时间，又要有标准环境发生设备的支持，因此十分繁琐，而本系统避开此缺陷，将过滤膜和流量计内置到系统中，在单位体积内将采样的粉尘通过电子天平称重，并把被测粉尘类型跟内置粉尘类型作对比，即可提出转换系数K(一次线性)或者转换曲线K′(非线性)，利用该系数反演后即可得出单位体积内的粉尘浓度：粉尘质量/立方米(mg/m3)。

2系统硬件设计[6]

系统硬件部分设计如图2所示。

图2系统硬件设计

2.1低功耗微处理器MSP430F149

MSP430系列单片机是德州仪器公司推出的一种超低功耗的16位工业级混合信号微处理器，它具有5种低功耗模式，可实现无可匹敌的超低功耗性能。该系列正常待机的耗流量可低至0.8μA，总功耗比同类竞争器件低10倍，MSP430系列单片机在功耗上可达到1μA的RAM保留，8μA的实时时钟模式，新推出的MSP430F1xx单片机在实时时钟激活的旁观模式下只有1.6μA的电流消耗[7]。它采用RISC结构，指令处理速度较快，其内部12位的ADC具有很高的转换速率，其丰富的片内外设如定时器A、B，比较器、硬件乘法器、液晶驱动、IIC以及DMA等功能可以满足不同场合不同产品的广泛需要[8]。

2.2光源与光电传感器

2.2.1激光光源

激光光源因其单色性好、功率密度高、分散度小比可见光源更适合测量的优点，已被越来越多的产品所采用。它的种类很多，其中激光二极管具有比其他任何光源器件重量轻、体积小、性能高的优点，更适合作为本系统的激发光源。

2.2.2光电二极管

光电二极管传感器作为整个系统的信号输入单元，其性能的好坏关系着整个系统的性能高低。本系统采用UDT-455LN低功耗光电转换器，其内部结构如图3所示。

图3　UDT455-LN光电传感器

它具有高灵敏度、低暗电流等优点，波长响应范围从200～1 100nm，其内部集成了一个与光电二极管频率特性相兼容的运算放大器，可以产生高增益、低噪声、低漂移、高带宽的光电转换信号。它的基本原理是当光探测器上接收到光强时就会产生对应该光强的光电流，即将光信号转化为电信号。它适合于近红外光和可见光的检测，它的体积小、便于携带，光电特性线性度好，并且易于和外部输入电路在电气特性上实现良好匹配。

其输出光电流的大小与接收光强满足正比关系：

3系统的工作过程

1)当粉尘微粒少、浓度低时,光电传感器将产生间断的电流脉冲信号，脉冲整形电路[6]整形后送入MSP430单片机，由其内部定时计数器进行计数，如图4所示。

图4脉冲整形电路

2)当粉尘浓度较高时,将形成直流偏移分量，该偏移量放大后由MSP430内部的12位ADC进行转换，再和1)中的计数值相加即可得到总的粉尘数据。

3)气动泵流量是由DA来进行设定的，但由于气泵负载将导致气流波动等因素，因此需要将DA输出与流量计输出相比较来进行闭环反馈控制[9]，其闭环控制电路如图5所示。

4)质量流量计的输出也要进入AD转换，以便得到真实的气流量值。

5)空气泵、自清洁阀开关和触摸屏接口全部由通用I/O口来控制。

6)系统将RS232接口引出，方便上位机进行测量数据的回放及处理。

4测试结果

根据我国《公共场所空气中可吸入颗粒物(PM10)测定方法----光散射法》(WS/T026-2001)中的标准规定，在正常环境下采用激光散射法对颗粒物(PM10)进行浓度测量时，其转换系数K值为0.001，为检测本系统测定时的K值与推荐K值的差别，做了如下相关测试。

图5气流量比较闭环控制

4.1采样环境及时间地点

2013年9月4日至2013年9月10日这7日之内，北京天气较为晴朗，选择在北京地质仪器厂连续进行7天室外采样。每日采样时间设定在9:00—17:00，平均8h。每日记录湿度波动介于22.63%RH～42.72%RH，温度波动介于20.15～30.66 ℃。

4.2仪器

滤膜称重测试仪:由XR5000型采样泵(EightyFour,PA,USA)附带滤膜的PM2.5采样头，采样流量为4L/min。

本系统激光粉尘测试仪。

4.3测定方法

将滤膜重法测试仪与本系统同时进行测量，采样前，先将滤膜放置于温湿度相对恒定的室内两天。每隔24h结束后，将滤膜用XS105型(1/10万)天平测重3次。两天称量的均值如果≤0.01mg，则视为滤膜可用，并取两天的平均值作为滤膜的最终质量，如不满足则重复该过程直到满足条件为止。采样结束后用同样的手段称量滤膜的质量，并计算采样前后的质量差，计算出粉尘的绝对质量浓度：

利用本系统测量采样间隔时间5min，将测定的相对质量浓度与称重法测定的绝对质量浓度比较，计算出K值。

4.4测定结果

1)本系统与滤膜称重法测定显示，其结果较为一致，测定结果如图6所示。

图6　本系统与滤膜称重法的质量浓度测定结果

对两种方法进行相关性验证，得出两者的相关系数r=0.787(p<0.01)。并求得线性回归方程为y=0.922x-0.003 3(拟合度R2=0.937 5)，如图7所示。

图7　两种方法的线性关系图

2)测量结果显示，K值波动范围介于0.000 913～0.001 169，平均值为0.001 101，与卫生部推荐K值相当，且本系统与滤膜称重法相比，误差较小，范围在-4.34%～19.68%，平均9.23%。 具体采样数值见表1。

表1　本系统与滤膜称重法对PM2.5质量浓度测定情况比较

通过以上测试证明，采用本系统功耗较低，测试数据的准确性与可靠性可以同国内外同类仪器相比拟。

参考文献：

[1]马志刚.基于单片机的粉尘监测系统设计与实现[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2012,11(6):36-38.

[2]唐娟.粉尘浓度在线监测技术的现状及发展趋势[J].矿业安全与环保，2009，36(5)：69-71.

[3]张晶,朱一川,周文刚.光散射法在室内环境PM10检测中的应用及测尘仪器最新进展[J].环境与健康杂志,2008，25(3)：267-269.

[4]陈刚.光散射法测量颗粒尺寸和浓度的实验研究[D].西安：西安电子科技大学,2007.

[5]姚启钧.光学教程[M].4版.北京：高等教育出版社，2008.

[6]康华光.电子技术基础[M].5版.北京：高等教育出版社，2005.

[7]吴怀超，周勇.基于虚拟仪器和MSP430单片机的数据采集系统的开发[J].化工自动化及仪表，2011,38(1):52-55.

[8]刘焕军,刘向群.基于多片MSP430单片机数据采集系统的设计与开发[J].仪器仪表与检测技术，2006,25(12):54-57.

[9]魏爽.便携式激光测尘仪测控系统设计研究[D].长春：长春理工大学,2012.

Low-powerdustdetectionsystembasedonlightscatteringprinciple

CHENGeheng,LIUXiaobei

(SchoolofComputerScience&Engineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Basedonlightscatteringprinciple,theMSP430baseddetectionsystemcandirectlysamplethedustmassdataintheairandthendisplaytheconcentrationcurveinrealtime.

Keywords：lightscattering;lowpowerdissipation;MSP430.

收稿日期：2015-11-16

基金项目：国家科技支撑基金资助项目(2007BAQ00097)； 吉林省自然科学基金资助项目(20101523)

作者简介：陈戈珩(1961-)，女，汉族，吉林长春人，长春工业大学教授，硕士，主要从事数字信号处理及应用方向研究,E-mail:chengeheng@ccut.edu.cn.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.3.08

中图分类号：TP273

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2016)03-0246-06