烟尘浓度检测仪控制电路研究*

薛小鹏

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

0 引言

21世纪是一个以绿色健康发展为主题的时代，保护环境是每一个公民的应尽义务。改革开放40年来，我国火电行业发展迅速，火电厂装机容量已居世界之首，随着火电厂的不断发展，引发的环境问题也非常严重。因此，2011年环保部发布了更加严格的火电厂烟气排放标准《火电厂大气污染物排放标准》 (GB 13223—2011)，此标准[1]规定：重点地区的燃煤锅炉烟尘排放必须低于20 mg/m3，重点地区的燃气锅炉、燃气轮机组烟气粉尘排放浓度必须低于5 mg/m3。随着新标准的实施，我国的烟尘监测技术面临新的技术挑战。

基于新的环保标准、新的要求，除了需要在设计监测仪预处理时采用高温稀释抽取法以及前散射的测量技术外，还需要使用先进的激光检测器和设计合理优质的控制电路。本论文依托山西省科学技术厅的国际科技合作项目“基于激光前散射技术对烟气高精度监测及分析”，主要介绍烟尘监测仪的控制电路。

1 烟尘系统控制电路设计

控制电路主要对预处理后的烟尘进行粒径转化计算以及粒径显示等，其以MC9S12DP512单片机为核心，650 nm激光照射粉尘颗粒后的前散射光被高灵敏度的滨松硅光电二极管所接受，通过光电转换、数模转换、AD转换等电路，再通过单片机程序对数据进行反演计算，得出烟尘的颗粒物浓度，对颗粒物浓度进行换算，换算成标况时的数据，最终将换算成的烟气粉尘浓度在液晶屏上显示出来[2]。系统还设计了485通讯接口，可连接到工厂的其他控制电路上，对系统进行扩展。电路总体硬件控制结构如图1所示。

图1 硬件控制结构图

1.1 激光调制电路

激光调制电路一般分为激光发射模块和激光器驱动电路模块。激光发射模块主要是依靠注入半导体激光器的电流的稳定性决定激光的稳定性，所以对电流的稳定性要求比较高，并且对波纹系数要求比较高，波纹系数能直接有效地抑制谐波干扰并且能减小电网的影响。并且半导体激光器具有体积小、功率小、寿命较长的优点。激光器驱动电路主要是分为恒流驱动电路和限流电路。半导体激光器受电流的冲击影响比较大，所以必须有保护电路保护激光器承受的不稳定电流。为保证激光器发射的激光波长维持在650 nm，必须有稳定的电流，才能保证激光波长保持不变。所以必须要有恒流电路，提高激光器的准确性和稳定性。激光调制电路原理图如图2所示。

图2 激光调制电路原理图

其硬件电路具体设计如图3所示。Vr为基准电压，接入电压比较器的同相输入端，电压比较器控制三极管的导通程度，从而控制激光器的工作电流大小。R2为取样电阻，其值的大小可根据实际进行调节，工作电流经过R2形成取样电压，通过运放放大反馈回电压比较器的反相输入端，与基准电压进行比较，从而对激光器进行调节。整个电路形成一个闭环反馈系统，处于动态平衡的状态。

图3 激光调制电路图

1.2 信号检测电路

首先需要对光检测单元进行合理选择。采用前散射法测量烟气粉尘，检测传感器检测到的激光的信号比较弱，所以对传感器的要求比较高，选择检测器时主要对看检测器的适用场合、检测范围、零位、分辨率、零点漂移、线性度、稳定性、响应时间等等参数进行均衡考虑。通过对这些参数的综合考虑，选择了使用滨松S2386-8k硅光电二极管，这款传感器在可见光到近红外光波段具有较高的检测灵敏度，并且具有感光面积大、暗电流低、可靠性高、超级线性等优点，光谱响应图如图4所示。

图4 光谱响应

为了使共模抑制比最高，转换时放大器选择为具有极低的输入偏流和极高的输入阻抗的电流型放大器，从而提高电路的测量精度。为增加电路的抗干扰能力，在电压放大之前需要对信号进行滤波。常见的模拟滤波器有巴特沃兹、勒让德、切比雪夫、椭圆滤波等类型，根据各种滤波器的特点，考虑到有效信号的频率十分稳定，本设计采用巴特沃兹滤波器进行滤波。其拥有最平滑的频率响应，在截止频率外，频率响应单调下降，在通带中是理想的单位响应，在阻带中响应为零。然后根据 AD 型转换芯片特点放大电压测量信号，电路选择 16位逐次逼近型AD芯片 LTC1864，采用一个 5 V 的工作电源，包括采样和保持电路，利用三线式的串行I/O 完成读取数据，电路的设计比较简单，精度和稳定性比较好[3]。最后由单片机进行快速数据处理，计算烟气粉尘浓度。电路检测原理如图5所示。

图5电路检测原理图

MC9S12DP512单片机的性能介绍：

MC9S12DP512开发平台布局清晰、丰富的硬件资源，可分为十多个功能模块：1) 电源模块使用LM2576芯片，将12V和24V电源转换成直流5V；2) LED灯是由八个单片机控制的发光二极管；3) 一个蜂鸣器；4) 两路RS232，可调试单片机的串口；5) 两路485接口，可调试485总线通信；6) 两路AD模块；7) 定时器功能模块；8) 温度传感器模块；9) 直流电机控制接口，可调试直流电机的转速；10) 最小系统独立开发核心板，主要包括电源接口、调试接口、指示灯、晶振电路和复位按键。

其中，MC9S12DP512单片机的电路具体设计如图6所示。

图 6单片机电路

1.3 软件程序设计

系统主程序利用 C 语言进行设计，主要包括：系统参数配置初始化、开启串口中断服务、激光亮度反馈调节、读取电压AD转换、数据处理计算烟尘浓度和LCD 显示烟尘浓度等。

2 结束语

本次设计的粉尘浓度监测仪是基于MC9S12DP512单片机研发完成的，系统可靠、结构简单。本系统设计完成的内容包括：激光调制电路、信号检测电路等。本次设计的粉尘监测仪已在我省某某火电厂完成测试实验，测试现场的实际范围为(0.5～2)mg/m3。满足新的标准的要求，系统结构简单、运行稳定，便于维护。