基于虚拟仪器的烟雾测试系统

阳雨妍 杨佳星 谭涌

摘 要：在生产生活中，我们时常需要测定烟雾量的大小或烟雾浓度。本文对烟雾测试方法进行了分析与研究，基于虚拟仪器技术设计出一套烟雾测试系统。硬件以单片机为控制器，加上AD转换、USB通信接口等模块。软件包括单片机控制程序以及PC终端的Labview程序。最终有效测定烟雾量的大小并且烟雾透光率的分辨率小于0.1%。

关键字：烟雾量 虚拟仪器 锁相放大

Smoke test system based on virtual instrument

Abstract：In production and life，we often need to measure the amount or concentration of the smoke.In this paper，the smoke test method is analyzed and studied，and a smoke test system is designed based on virtual instrument technology.The hardware is controlled by a single chip microcomputer，which adds AD conversion， USB communication interface and other modules.Software includes single chip microcomputer control program and Labview program of PC terminal.Finally， the magnitude of the smoke was measured effectively and the resolution of smoke transmittance was less than 0.1%.

Keywords：amount of smoke；virtual instrument ；Phase-locked amplifier

引言

煙雾存在于生产生活的方方面面，在一些特定场景中，我们需要得到产生烟雾量的多少或烟雾浓度。例如膛口烟雾会暴露射击手的位置，我们可以通过测定对比不同枪发射产生的烟雾量的多少来评定枪性能的好坏。

本课题通过硬件、控制软件和PC终端显示软件三个方面设计了烟雾测试系统，实现了对烟雾透光率的测量，并以此得到烟雾浓度。

一、测试系统整体概述

由式（1.1）和式（1.2）可知烟雾量的大小以及烟雾的浓度可以通过烟雾的透光比得到。[1]

测试的环境中不可避免的存在大量干扰，而光电池的输出为微安级别，该测试系统在微弱信号检测方面选择了锁相放大法来检测微弱信号。[2]

此烟雾测试系统由激光测试前端、信号调理模块、控制与采集模块、电源模块和显示终端组成。烟雾测试系统的组成如图1.1所示。

测试系统有三种工作状态：无烟采集状态、有烟采集状态、排烟状态。其工作流程为：

（1）系统上电，进行无烟采集。

（2）无烟采集结束，上传数据至PC终端，导入测试的烟雾进入收集烟雾的容器，待烟雾扩散完全进行有烟采集。

（3）有烟采集结束，上传数据至PC终端，处理数据得到透光率，开始排烟。

（4）判断烟雾是否排净，如排净继续进行下一次测试。

（5）测试结束，掉电。

二、硬件电路

硬件电路包括：激光测试前端、信号调理模块、控制与采集模块、电源模块。

（一）激光测试前端

由可调频激光器、光电池和前置放大模块组成，并通过高通滤波消除暗电流的影响。

（二）信号调理模块

由多谐振荡模块、信号放大模块、锁相放大模块组成。多谐振荡模块为可调频激光器提供稳定的方波（此系统中为500Hz），并为锁相放大模块提供参考频率信号。信号放大模块将输出信号适当放大，并得到较大的输入阻抗和较小的输出阻抗。锁相放大模块将多谐振荡模块输出的参考频率信号与信号放大模块的测量信号相乘，其中直流信号为有效信号，将其通过低通滤波即可削弱干扰。

（三）控制与采集模块

由主控制器、AD转换模块、通信接口模块组成，完成系统的整体控制和数据的传输，其中通信使用USB通信，AD转换使用12位串口AD转换芯片TLC2543，主控制器采用STC89C52RC单片机。

由信号调理模块处理后的信号作为TLC2543的输入，在PC端给单片机发出转换信号后，由单片机控制TLC2543转换开始或结束，并将A/D转换结果实时传输到单片机缓存区。单片机不断将缓存区的数据通过USB传输到PC端，由PC端软件接收并实时处理。

（四）电源模块

使用变压器和降压芯片将220V交流电压转换为+5V、±12V直流电压，为相关芯片供电。

三、 PC终端显示软件

该测试系统使用Labview进行PC终端软件设计。[3]PC终端人机交互界面如图3.1所示。

PC终端程序的功能为：控制采集和获取数据、结果计算和统计分析。 本系统采用VISA来实现与USB设备的串口通信。[4]其操作流程为：

（1）进行参数设置。

（2）开始进行无烟采集，判断无烟采集是否结束。

（3）判断是否产生烟雾以及烟雾是否扩散稳定，如扩散稳定进行有烟采集。

（4）开始进行有烟采集，判断有烟采集是否结束。

（5）停止采集，进行数据处理，得到透光率。

（6）开始排烟，判断烟雾是否排净。

四、 实验验证

根据测试系统的操作流程，我们对100g秸秆的燃烧进行了烟雾测试，得到测试结果如表4.1所示：

由式（4.2）可知该烟雾测试系统透光率的分辨率可以达到小于0.1%。

总结：

烟雾颗粒对光的吸收散射使光强衰减，该烟雾测试系统通过测量烟雾的透光率来衡量烟雾量的多少以及烟雾浓度。本测试系统通过锁相放大法来削弱干扰，并通过51单片机和PC终端的Labview程序联合控制数据采集与数据处理，最终得到烟雾的透光率，并且透光率的分辨率小于0.1%。

参考文献：

[1] 李昆，钟磊，张洪泉等.烟雾浓度测量方法综述[J].传感器与微系统，2013，32（2）：8-11.

[2] 刘吉超，阿地力·依米提.微弱信号检测方法的探讨[J].新疆师范大学学报：自然科学版，2013（3）：5-10.

[3] 李琳芳，贾芸芳，李国厚等.基于Labview的数据采集与处理系统设计[J].河南科技学院学报（自然科学版），2015，43（2）：51-55.

[4] 廖传书，黄道斌，孙丹均等.Labview与USB的直接数据通信[J].现代电子技术，2007，30（20）：4-6.

作者简介：第一作者：阳雨妍，出生年月：1996-02-28，女，民族：汉，籍贯（精确到市）：湖南省湘潭市。当前职务：本科生，当前职称：本科生，学历：在校本科生。研究方向：精密仪器方向，单位：南京理工大学。第二作者：杨佳星，南京理工大学。第三作者：谭涌，南京理工大学。