基于C8051F340的可吸入颗粒检测仪的设计❋

张 棚，刘路路，魏计林，李传亮，邱选兵，孟慧艳

（太原科技大学 应用科学学院，山西 太原 030024）

0 引言

空气中可吸入颗粒物（大气中直径小于Φ10μm的粒子）的存在严重地威胁着人们的生存和发展。它在空气中持续的时间相当长，长期吸入会引发各种呼吸道类疾病［1］，而且还影响着大气能见度。目前可吸入颗粒物已被定为空气质量检测的重要指标。

常用的光散射型检测仪一般为单机工作模式，不能满足环境监测的多点联网测试需要，并且其精度低、测试时间长。因此本文研制了一套具有多节点3G无线联网的可吸入颗粒物检测系统，它可以快速精确地测量可吸入颗粒物的浓度，实现大气中可吸入颗粒物的无人实时检测与自动报警。

1 消光法的原理

传统的检测颗粒物的方法主要有筛分法［2］、显微镜法、沉降法［3］和电感应法［4］等。但上述方法对于大气中可吸入颗粒物的检测均有许多不足之处。相对而言，消光法［5］（全散射法）作为一代新颖的测量方法与其他方法相比具有适用性广、测量范围宽、测量精度高、重复性好、测量速度快等优点。

消光法检测的基本原理如下：当一束激光进入样品池后，由于可吸入颗粒物的散射作用，会导致出射光强产生一定程度的衰减，其关系可表示为：

其中：I0为入射光强度；I为出射光强度；τ为浊度（单位体积内颗粒的总消光截面）；L为样品池长度。式（1）称为Lambert－Beer定律。假设可吸入颗粒物是N个直径为D的球形颗粒（特指单位体积中），则浊度τ为：

其中：K为消光系数，它是入射光波长λ、折射率m以及颗粒直径D的函数；σ为颗粒迎面光面积。实际情况下自然界中的可吸入颗粒是由不同粒径和数目组成的颗粒系。因此将式（2）代入式（1）取对数后得到：

其中：Di和Ni分别为可吸入颗粒物中所含的不同颗粒的粒径和数目。

由式（3）可知，入射光的衰减I/I0中包含有颗粒尺寸和浓度（颗粒数）的信息。用已知波长的光源测得光强比值后，式（3）有N和D两个未知数，本系统采用了双波长的方法对采集到的样本进行测量。由式（3）可知：

λ1，λ2是针对同一颗粒系的，由式（4）、式（5）可得：

式（6）中的消光比值可由测量数值得到，用作图法就可求得K（是D的函数）。由式（1）计算得到I后，再将K，I代入式（2）中就可求得N值，即所测量的气体中可吸入颗粒物浓度值。

2 检测仪系统

可吸入颗粒物检测仪主要由硬件系统和软件系统组成。

2.1 硬件系统

硬件系统主要由气路系统、光路系统以及电路系统3大板块组成，硬件结构如图1所示。

气路系统通过采样器得到定量的待测气体后，将气体送入旋风分离器和T型分流管内，对气体中的粒子进行过滤，而且在气体池入口处增加了效率高、阻力低的高效气体滤网，对采样气体中可吸入颗粒物进一步分离。

激光经准直后，经光阑去除杂散光后进入样品池（为了排除外界白光对检测仪信号的影响，池子与外界进行了隔离），在激光接收器前放置一面透镜，使透镜的焦点位于接收器的位置，这样就可以保证只有平行散射光进入接收器，与此同时减小探测器的接收面积，只接收光轴中心的光子，这样能够使得测量结果更加精确。

图1 检测仪系统硬件结构图

由单片机构建的系统成本低，结构简单，工作电路可靠性高，对于计算机联合的数据也有很好的处理能力。由于检测仪需要极强的实时检测处理数据的能力，而且要求检测仪具备脱离计算机也能够独立完成工作的能力，因此本系统选用C8051F340作为主核。C8051F340是完全集成的混合信号片上系统型MCU，它具有CIP-51微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。

C8051F340作为控制核心，通过控制气路系统对气体进行采集、过滤；通过控制A/D模块来实现数据的转换，ADC采用了16位高速逐次逼近式的ADS8320，其采样频率达100kHz，完全可以完成系统要求；通过串口232与3G无线模块连接，实现了数据的远距离传输。

2.2 软件设计

系统软件控制流程如图2所示，检测仪软件采用C语言编译，主要包括A/D模块、显示模块、3G通信模块和报警模块。

图2 系统软件控制流程图

为提高实验数据的准确性，避免偶然因素对实验数据的影响，对A/D转换后的数据进行了软件滤波，对连续100次采样的数据，剔除最大值和最小值，对剩余的采样数据取平均值。

3 实验与讨论

根据《公共场所可吸入颗粒物（PM10）检验标准方法——光散射法》：在规定范围内，光散射法与滤纸（膜）采样称重法相比较，总不确定度ROU≤25%。ROU的数学表达式为：

其中：b为两种对比方法配对测定的相对差值的算术平均值；MRSD为光散射测定的相对标准差的几何平均值。表1为光散射法分组测量的数据，表2为光散射法与称重法的对比数据，其中，分别为光散射法两组数据以及两种方法对比数据的平均值。

表1 两组可吸入颗粒物检测仪测量结果

表2 光散射法与称重法分别测量结果

把由表1数据计算得到的MRSD和表2数据计算的b值代入公式（7），计算出可吸入颗粒物的总不确定度为：

结果表明：检测仪的ROU为14.2%，符合国家总不确定度≤25%的规定。

将可吸入颗粒物检测仪放在某地，以20min为间隔对周围环境气体进行采集测量，采样平均数据用最小二乘法拟合后与本地气象中心公布的气体浓度值（每小时更新一次）进行比较分析，见图3。

图3 可吸入颗粒物浓度对比图

由于各装置之间密封性不完善、气泵的振动和器件之间电磁干扰等因素的影响，使实验测量数据与气象公布数据有±10%的误差，但是总的来说在设计要求范围之内。

4 结束语

可吸入颗粒物检测仪是将现代光学处理技术中的散射消光法与无线通信技术相结合的光电仪器，它利用单片机对数据进行快速处理，能够脱机工作，具备自引导功能，组网快捷、扩展灵活，检测灵敏度达0.1 μg/m3，可实现大气中可吸入颗粒物的无人自动检测与报警，在空气质量的检测以及预防人类呼吸道疾病方面起到了一定的作用。

［1］区藏器，何振江.可吸入颗粒物自动监测仪器研究进展［J］.广州环境科学，2010，25（4）：18-20.

［2］童祜嵩.颗粒粒度与比表面测量原理［M］.上海：上海科学技术文献出版社，1989.

［3］王乃宁.颗粒粒径的光学测量技术及应用［M］.北京：原子能出版社，2000.

［4］郑晓降，羊彦衡，石殿英.电感应粒度分析法及其应用［J］.四川大学学报（工程科学版），1986（1）：49-54.

［5］郑刚，蔡小舒，卫敬明，等.消光法测量微粒尺寸的测量下限的研究［J］.仪器仪表学报，1998，19（5）：503-507.