基于STM32的光散射式扬尘在线监测仪

牛志云， 杨义新，桂华侨，张礁石，余同柱，程 寅

(1.中国科学院安徽光学精密机械研究所，中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽合肥 230031；2.中国科学技术大学，安徽合肥 230026；3.安徽省环境光学监测技术重点实验室，安徽合肥 230031)

0 引言

大气细颗粒物是我国很多城市的主要污染物，严重影响到大气能见度、气候变化和人体健康，扬尘是大气细颗粒物的主要来源之一[1-3]，扬尘主要分为道路扬尘、施工扬尘、堆场扬尘等，属于无组织污染源，防治难度大，亟需精细化监控和管理。目前，扬尘的监测方法主要有称重法、β射线法和光散射法等。称重法测量结果准确，但是时间分辨率低难以实现扬尘的实时在线监测；β射线法精度较高但是系统复杂、成本较高，难以实现大面积布点；光散射法成本较低，时间分辨率高[4-6]。光散射法也存在一些缺点，如高相对湿度影响测量结果准确性，高质量浓度扬尘容易造成光学镜片污染等。为了实现扬尘在线监测的实时性、可靠性、可维护性，应用于车载和大规模布点监测，本文利用光散射原理设计了一套基于STM32微控制器的扬尘监测仪，可实时在线监测扬尘质量浓度，空气温湿度、流量等参数，并且设计了循环鞘气保护光学镜片，设计了温湿度补偿电路降低相对湿度干扰。

1 扬尘监测仪原理及结构

1.1 系统原理

扬尘监测仪的光路示意图如图1所示，激光二极管发出一束光，经非球面透镜准直整形后照射到被测颗粒物群上发生光散射现象，穿透颗粒物群的入射光被光阱吸收，前向散射光被收集透镜整形后聚焦于光电二极管(PD)上，通过高精度光电转换电路将其转换为电信号并进行进一步处理。在透镜垂直于激光的平面部分设有光澜只允许特定角度的散射光透过。据MIE散射原理可得到下式[6]：

(1)

式中：I是为PD接收到的总光强；k0为比例系数；Cm为颗粒总的质量浓度；FN(DP)为粒子数分布的概率密度函数；Dp为颗粒物粒径；ρp为颗粒物质量密度；I(θ)为沿散射角θ方向上的散射光强的积分。

图1 扬尘监测仪光路示意图

探测光强和浓度成线性相关，通过测量接收到的散射光信号可反演其浓度值。

1.2 仪器结构

仪器由PM2.5切割器、加热器、光学腔、流量计、采样泵和控制与监测系统等模块组成。图2为系统框图，实线表示气流的走向，虚线表示电路连接。

图2 样机系统框图

图3为扬尘监测仪样机机身内部结构图。仪器从周围环境中抽取样气，样气依次经过PM2.5切割器、加热器、光学腔、过滤器，经采样泵过滤器滤掉10 μm以上的颗粒物，一部分样气排出，另外一部分经过过滤器过滤掉0.2 μm以上颗粒物作为循环鞘气从光学腔两侧进入。装置有流量计、采样泵、吹扫泵和调节阀分别对2路吹扫保护气路和1路采样气路进行控制，以尽可能地保证光学腔内气流的稳定和光学透镜免受污染。

图3 样机内部结构实物图

2 电路设计

扬尘监测仪选用STM32F103VBT6作为系统的主控制器，该控制器是基于ARM内核的cortex-M3 32位芯片，具有体积小、价格低、外设多等优点。其主频为72 MHz，具有100个GPIO端口和8个定时器，支持43个可屏蔽中断和16个可编程优先等级[7-8]。为了精确控制采样流量，并且减小温湿度变化的影响，同时兼顾与上位机的实时通信，系统以STM32F10VBT6最小系统为核心，设计了电源电路、扬尘传感器电路、流量控制电路、温湿度补偿电路和通信接口电路，如图4所示。

图4 电路系统框图

2.1 电源电路

扬尘监测仪采用24 V供电，需要+12 V和+5 V对系统采样泵供电，±12 V对运放供电，+10 V对流量计供电，+5 V对ADC、温湿度传感器和串口转USB芯片供电，+3.3 V对STM32最小系统供电。电源输入端接F300熔断电阻丝，防止因短路造成电流过大对电路造成损坏，使用SMJ24CA稳压器和In8522整流器抑制浪涌电流和瞬态电压。隔离电源采用OTTE TRA2412，输入18～30 V，输出±12 V，LT1109ACS8-12 将12 V电压转为10 V，LM7805CT将12 V电压转为5 V，STM32最小系统所需电压3.3 V是由芯片LM1117-3.3转换而得。电源电路如图5所示。

图5 电源电路

2.2 扬尘传感器电路

扬尘传感器光源部分所使用的激光二极管选用HL6748MG，功率为10 mW，波长为670 nm。 激光二极管驱动电路如图6所示。驱动芯片选用IC-WJB，该芯片ISET引脚可接滑动变阻器，通过调节滑动变阻器阻值大小，找到对应合适的驱动功率。激光采用1 Hz占空比为50%方波调制的模式，定时亮灭，在二极管点亮时刻测量扬尘质量浓度，熄灭时测量噪声信号，二者相减，减小不同时段、场景与工况下噪声的干扰。

图6 激光二极管驱动电路

为了实现较高的光电转换线性度，光电转换电路选用光伏模式，光电转换电路由光电二极管和两级运放组成，后端接入模数转换器(ADC)将接收到的模拟信号转化为数字信号，如图7所示。PIN型硅光电二极管S1223将接收的前向散射光转化为电流，低输入偏置电流和失调电压运放OPA132U搭建I-V转换电路，高精度运放LT1492进行二级放大。ADC采用AD7680，AD7680是16位逐次逼近型ADC，采用I2C模式通信，采样频率最高可达7 MHz。在设计电路时考虑到运放零点漂移的影响，将+5 V电源接入二级运放正向端，调节R7、R9的比值，消除实际运放零点漂移影响。

图7 光电转换电路

2.3 流量控制电路

在扬尘取样过程中需要对流量进行精确的控制以减小流量变化造成的误差。采用PID算法对采样泵抽气速率精确控制，使用PMW调制的方式对气体的流量进行调节。采样泵选用TTC微型隔膜泵。图8为采样泵驱动电路。Q1和Q2是PNP型三极管，两者共同构成了开关电路，当MCU引脚输出高电平时，Q1导通，Q2截止，采样泵工作，通过改变高电平占空比改变采样泵抽气的流量。通过压差式流量计对气体流量进行实时监测，当流量偏离设定的数值，系统会进行实时修正。

图8 采样泵驱动电路

2.4 温湿度补偿电路

相对湿度超过60%时，光散射法测量颗粒物质量浓度受相对湿度变化影响变得显著[9-11]。具有如下关系式：

(2)

式中：Ratio为当相对湿度超过20%时颗粒物的光散射系数与相对湿度小于20%时颗粒物光散射系数的比值；RH为相对湿度；a、b、c为方程的系数。

需要设计温湿度补偿电路降低相对湿度的影响，当温湿度传感器检测到外界环境空气相对湿度超过60%时，利用电阻丝对采样通道内的样气加热使其相对湿度降低。湿度传感器选用SHT11型温湿度传感器，其具有响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。加热电阻丝需要合适的功率，过高的功率致使仪器功耗过大，过低的功率不足以达到降低相对湿度的目的。因此需要对加热功率进行调制，调制方法与采样泵类似，选用PWM调制模式使得加热功率维持在合适的水平。值得注意的是，对电阻丝的加热需要较高的电功率，需要对PCB板进行割铜处理。

2.5 通信接口电路

MCU与光电转换模块、压差式流量计使用到的ADC和温湿度传感器之间均采用I2C通信模式。当测试到扬尘颗粒物质量浓度等相关数据时通过串口发送到上位机界面进行处理，串口转USB电路如图9所示，使用CH340芯片实现STM32与上位机的通信，芯片采用5 V供电。

图9 串口转USB电路

3 软件设计

3.1 下位机软件流程

主函数主要负责单片机系统时钟、GPIO口和各模块的初始化；通过STM32高级定时器，控制每10 ms进入一次中断服务函数；每进入一次中断由STM32读取一次ADC采集到的光电转化的电压信号并存储到定义好的数组中；进行50次处理后，激光二极管状态取反，这样激光二极管调制为1 Hz的频率；累计1 s时，对高电平期间采集到的电压信号和低电平期间采集到的白噪声分别求平均，并用高电平期间的有效信号值减去低电平期间所测得噪声值得到最终的计算结果。通过系统Systick时钟精确定时每秒向串口和LCD打印一次数据。由于扬尘传感器的光电转换模块为核心模块，需要精确计时，光电转换模块软件处理部分设置为最高中断优先级，温湿度传感器模块设为次优先级。流程图如图10所示。

图10 软件流程图

3.2 上位机软件

上位机使用基于图形化的数据流编程语言LabVIEW编写，该语言内置I/O交互式控件，广泛应用于数据采集、自动测量和控制系统[12]。界面包括串口选择按钮、波特率设置按钮、数据保存按钮和数据显示区，如图11所示。程序后面板上可选择数据保存的位置等内容，内容可以dat格式保存。

图11 LabVIEW界面

4 实验及数据分析

4.1 流量稳定性测试

为保证仪器稳定地抽取样气，对流量的稳定性做系统测试，测试结果如图12所示，表明通过PID控制算法，对泵采用PWM波调制，实现了采样流量的稳定控制，0.5 h内流量最高误差<±0.03 L/min，流量大小的频率成近似高斯分布，集中在2 L/min附近。

(a)

(b)图12 流量稳定性测试

4.2 扬尘检测系统测试

由于扬尘现场监测过程需要长期多点监测，以获得不同类型颗粒物不同的质量浓度，时间周期长、数据复杂、计算量大难以实现观测效果，因此通过搭建实验平台分别发生亚利桑那尘和粉煤灰两种类型的尘做观测对比实验，图13为实验平台，图14为空气动力学粒径谱仪(APS)测得两种尘颗粒物空气动力学粒径分布，表1为2种尘颗粒物主要特性。

图13 实验平台

图14 2种颗粒物粒径分布

表1 2种颗粒物主要特性

图15为2种类型尘对比实验结果。其中，横坐标是ES-642测得的质量浓度值,纵坐标是本文研制的扬尘监测仪测试出的质量浓度，两者时间分辨率相仿，所测试的亚利桑那尘与粉煤灰决定系数分别为0.993与0.959,扬尘监测仪与ES-642在0～1 000 μg/m3以内测量结果相差不超过150 μg/m3。由于混合箱中尘类颗粒物质量浓度难以长时间稳定地维持在高浓度且存在涨落现象，在浓度较高时会因为这些因素存在对测试结果造成一定影响。

(a)

(b)图15 2种类型尘对比实验

用该扬尘监测仪与β射线颗粒物监测仪(LGH-01B，蓝盾光电子)作对比实验，由于β射线监测仪时间分辨率为1 h，而实验室混合箱内难以长时间维持较高的颗粒物质量浓度，因此将该扬尘监测仪与β射线监测仪置于合肥市科学岛安光所综合楼顶楼测量大气中的颗粒物质量浓度，测量结果如图16所示。

(a)

(b)图16 大气颗粒物对比实验

统计扬尘监测仪1 h的平均数据，结果表明两者变化趋势较为一致，具有较高的相关性，决定系数为0.783，平均误差为20.72 μg/m3,前者测量到的空气中颗粒物质量浓度比后者平均低10.42 μg/m3。

5 结束语

本文设计了一种基于STM32的光散射式扬尘监测仪，该仪器可同步对扬尘质量浓度，空气的温度、湿度，系统的流量进行同步测量。其优点是成本低、体积小、适合大面积布点；实时性好、时间分辨率高；整体系统的流量测试稳定；可以连续长期测量高浓度的扬尘颗粒物；同商用扬尘监测仪器ES-642进行了对比实验呈现强相关性。最后将数据测试结果同β射线分析仪进行比对分析，相关性较好，误差较低，验证了系统的可行性与数据的稳定性。