基于Mie 散射的颗粒物质量浓度实时监测系统设计

陈思龙，吴永聪，杨安，姜岩峰

（江南大学物联网工程学院微电子科学与工程系，江苏 无锡 214122）

颗粒物(PM)按其空气动力学直径（微米）进行分类，比如直径小于或等于10 μm 的颗粒，称为PM10或可吸入颗粒物，直径小于或等于2.5 μm 的颗粒，被称为PM2.5或“细”颗粒。大气颗粒物是主要的大气污染物之一，它们会对人类的呼吸道和心血管健康产生很大伤害。在许多行业，颗粒物质量浓度直接或间接地决定着产品的质量，比如精密加工、食品、电子等行业。因此，颗粒物质量浓度越来越受到人们的关注。

颗粒物测量方法主要包括β射线吸收法、微量振荡天平法、重量法和光散射法等[1]。与其他方法相比，光散射法同时具备检测速度快、精度高、可重复性好等优点。文中分析了粒子计数法的检测原理，设计了包含传感器和微处理器的信号采集与处理电路，并通过蓝牙通信方式将处理结果传送到移动端APP 显示。基于光散射法的粒子计数法可在STM32 单片机上实现，可以在低浓度场景下快速、准确地得到结果。在该系统设计中，将个人智能手机作为移动终端显示设备，实现便携式及数据无线传输，不受空间的限制。同时，该系统能通过设定相应的阈值测量不同粒径的颗粒物质量浓度，也可根据需求进行扩展，用一部智能手机接收多个采集点的数据，实现多点采集。

1 粒子计数法检测原理

Mie 散射理论基于电磁波的麦克斯韦方程，对于平面线偏振单色波被一个位于均匀介质中具有任意直径和任意成分的均匀球衍射，得出一个严格数学解。对于粒径与波长近似的粒子，Mie 散射占主导。一般大气中气体粒子间的距离远远超过粒子的大小，可等效为单个球形粒子的Mie 散射模型[2]。

根据Mie 散射理论可知，当光强为I0、波长为λ的完全偏振光为入射光时，球形粒子的总散射光强IS为[3]：

其中，r是观察点与散射点的距离，θ是散射角，φ是方位角，S1(θ)和S2(θ)是振幅函数，表达式分别为：

式中，an和bn是粒子相对折射率m和粒径d的函数，可以用贝塞尔（Bessel）函数和汉克尔(Hankel)函数来表示，它们被称为Mie 散射系数；πn与τn可以用连带勒让德（Legendre）函数表示，它们仅与θ有关。张子同[4]等人利用Stokes 参数与散射矩阵推导出了总散射光强IS与粒径d成正相关分布：

由式（4）可知，粒子的粒径不同，则产生的脉冲强度不同。夏赛[3]通过对球形颗粒散射光通量与粒径关系的数值计算，并利用测量的电压脉冲信号幅度分布，得到了同时考虑粒子数目和大小的颗粒物质量浓度C的计算公式：

其中，实际粒径范围被划分成多个粒径档，以i表示，k为比例系数，需要标定得到，Ni表示i通道的脉冲数（粒子数），Vi表示i通道的脉冲信号电压，它反映的是颗粒光学等效粒径的大小。

2 系统总体设计

2.1 整体框架构思

颗粒物质量浓度实时监测系统主要由两部分构成：硬件部分和软件部分[5]。整体构架如图1所示。

图1 颗粒物质量浓度实时检测系统整体构架图

2.2 硬件设计

硬件部分设计主要包括对激光驱动模块、信号处理模块、蓝牙模块、主控芯片模块、电源管理模块和主 板PCB 设计[6]。

2.2.1 激光驱动模块

颗粒物传感器采用的发射源是半导体激光器，它是用半导体材料作为工作物质的激光器，具有体积小、寿命长、重量轻、价格便宜等特点[7]，常用的驱动方式是电流驱动。

对激光二极管的驱动电路有两种，图2（a）所示为开关PWM 模式，通过单片机提供的PWM 波控制三极管Q1 的通断，从而达到控制驱动激光二极管电流的目的，但是该电路的缺点是产生的电流不稳定。图2（b）为文中设计的线性驱动电路[8]，从电源得到的稳定电压加在LMV602 的同相输入端，通过电压串联负反馈电路得到输出电压，输出电压在RC 滤波电路下得到稳定的电压加在晶体管上，通过晶体管的放大得到稳定的输出电流来驱动激光二极管。输入电压Vin和输出电流Iout的关系为：

图2 激光驱动模块

在电路中，为了减少纹波电压对电路的影响，在反相输入端和输出端之间加了一个耦合电容，输出的纹波电压通过此电容加在LMV602 的反向输入端，经放大后到达调整管的基极，因此在正常工作中，输出端纹波电压比较小。

2.2.2 信号处理模块

在粒子经过光散射后，二极管能接收到的光信号比较微弱，若不能很好地处理，将会被噪声淹没，造成最终结果的不确定性，如何在抑制噪声的前提下增大微弱信号的幅度成为了获取有用信号的关键[9]。

系统设计的信号处理电路如图3 所示，它具有高增益、低噪声的特点。

图3 信号处理电路

光电二极管将微弱的散射光信号转换为电流信号，第一级为跨阻放大电路，它采用高输入阻抗负反馈结构，且由于高的饱和极限而有较大的动态范围，主要将输入的电流信号转换成电压信号。紧跟其后的是滤波放大电路，主要将电压小信号放大至单片机能够处理的幅度，经过处理后的电压信号由单片机的ADC 进行采集[10]，放大倍数Au的计算公式为：

取R4=220 kΩ，R5=3 kΩ，得理论放大倍数为74.3。

2.2.3 蓝牙模块

文中设计的蓝牙模块所使用的蓝牙芯片是BC417，当与蓝牙软件堆栈一起使用时，它提供了一个完全符合蓝牙2.0 规范的蓝牙系统，可与其他版本的蓝牙兼容通信，包括与具有蓝牙功能的电脑、手机等终端配对，用于数据传输和语音通信。该模块不仅可以通过AT 指令来查询和设定相关参数，还可以通过串口TTL 接口实现串口数据透传。只需要使用5 V/3.3V 电压的TTL 电平便可以驱动该模块，且支持的波特率范围为4 800～1 382 400 b/s，非常适合在单片机上扩展蓝牙特性[11-12]。该蓝牙模块支持设备短距离通信，通信距离为10 m，工作温度范围为-25～+75 ℃。模块的原理图如图4 所示。

图4 蓝牙模块电路图

2.2.4 主控芯片模块

主控芯片为STM32F070F6，包含以48 MHz 频率运行的高性能RISC 内核、高达32 kB 的SRAM 和高达256 kB 的闪存，以及12 位的ADC。工作的温度范围为-40～+85 ℃且电源电压较低，可在比较极端的环境下工作。引脚有20-pin、48-pin 和64-pin，根据系统的要求，选择芯片引脚为20，满足系统的要求而且引脚利用充分，基本没有浪费。在考虑系统便携式、小型化的要求下，并在PCB 板紧凑化的前提下，采用SWD 调试，SWD 自带复位协议，所以无需接RST 脚，它需要的引脚少，所需PCB 空间小。SWD模式在高速模式下比较可靠，在大数据量的情况下，SWD 下载程序的成功率比较高。芯片通过PA9 和PA10 与蓝牙模块相连，实现和手机的通信；考虑到在不同的环境下需要对气流的流动速度进行调整，芯片PA6 输出不同占空比的PWM 波控制风扇转速；PA7 输出的PWM 波通过两级RC 滤波控制可调稳压芯片的输出电压来给风扇供电；PA1 是ADC 通道，用来采集处理好的信号。主控芯片及其外围电路如图5所示。

图5 主控芯片及其外围电路图

2.2.5 电源管理模块

电源管理模块需要为单片机、运放、蓝牙模块、风扇和激光驱动模块供电，该模块使用了两款LDO稳压芯片，分别为稳压为3.3V 的TJ5205SF5-3.3V 稳压芯片和稳压可调的TJ4203GSF5-ADJ 稳压芯片。这两款芯片具有电源电压抑制比（PSRR）高、噪声低、动态性能好等优点。

在对单片机供电时，考虑到单片机对输入电压的要求较高，该模块将稳压芯片输出的电压经过了LC 滤波电路可以得到比较稳定的电压。为了产生稳定的电流来驱动激光二极管，必须要给激光驱动模块提供合适且稳定的电压，该模块在稳压可调芯片输出端加上了可调电阻，输出电压Vout和可调电阻Radj的关系为：

2.2.6 主板PCB设计

对主板PCB 设计时采用了单层板设计，一侧放置元件，另外一侧走线，单层板具有成本低、设计简单、适合大批量生产等优点，且单层板不需要打过孔过线，减少了寄生电容和寄生电阻对主板性能的影响。

2.3 软件设计

软件算法通过ADC 测量产生的脉冲幅度和间隔来估计流经的粒子质量浓度，如图6 所示。给定两个独立的阈值，P1和P2。P1阈值可以过滤掉前级的噪声，P2阈值可以区分不同大小的颗粒，可以用更多的Pn阈值来扩展检测不同的颗粒大小。例如要测量PM2.5的质量浓度，首先要将Pn设置为2.5 μm 粒子对应的电压值，将P1设置为噪声电压值，在0～2.5 μm粒径中划分多个通道，每个通道对应一个阈值。n值越大越精确，但耗费的计算资源就越多。根据采集电压所属阈值范围增加对应粒径的粒子个数，再通过差值运算得到各通道的粒子个数。

图6 脉冲间隔与幅度

用递推平均滤波法对采样信号进行数字滤波，如图7 所示，ADC 每隔1 ms 对脉冲信号进行采样，并使用8 个样本的递推平均值来消除信号中的一些噪音；每隔1 s 计数，校正调整10 s 递推平均值，获得最终的颗粒物质量浓度。

图7 粒子浓度计算的软件算法

Keil 是具有集成开发环境的微控制器软件开发平台，该系统用此软件对STM32 编程[13]。主程序流程如下：系统上电后，首先进行系统的初始化（包括串口、PWM 和ADC 初始化），激光发生器和风扇开始工作。ADC 设置成连续转换模式，同时对应的DMA 通道开启循环模式，这样ADC就一直在进行数据采集然后通过DMA 把数据搬运至内存，这样可以节省CPU的资源来做其他操作[14]。处理好的数据即最终的颗粒物质量浓度，通过蓝牙传输到匹配好的移动端。

2.4 蓝牙APP开发

考虑到APP 设计的简单与实用性，对蓝牙APP开发使用的工具是MIT App Inventor（AI），它由Google开发，是一款用来开发Android 智能手机程序的工具，编程环境有着可视化属性，并且可以结合模拟器实现调试运行同步化，极大缩短了开发时间，提高了开发的效率[15]。设计好的APP 可以打包通过二维码下载到手机端。其设计流程包括组件设计、逻辑设计和运行调试三部分。

设计好的蓝牙APP 包含蓝牙选择、接收数据、断开、暂停等功能键以及数据显示窗口。进入APP 后，点击蓝牙选择按钮可以跳转到蓝牙选择界面，选择好蓝牙后退出，点击接收数据便可以得到相应蓝牙传输过来的PM2.5数值。若想看某一时刻的数值，可以点击暂停按钮，若不想接收数据可以点击断开按钮。

3 数据测试与分析

在软件上设定合适的阈值，利用所设计的系统测量无锡某地区一天的PM2.5浓度。

将测量结果与TSI8530 粉尘检测仪的测量结果进行比较，可绘制如图8 所示的曲线。所设计的检测系统相对误差大部分情况下不超过10%，通过计算得到相对误差的平均值约为7%。由此可见，所设计的系统在颗粒物浓度检测上具有较高的精确度。

图8 测量结果对比

4 结束语

基于粒子计数法检测原理，设计了一套可以检测大气不同粒径颗粒物质量浓度的便携式无线系统，完成了相应硬件部分和软件部分的设计，通过自行设计的蓝牙模块，可以实现无线传输的功能，实验结果可实时显示在便携智能手机中。与商用TSI-8530 粉尘检测仪相比，结果表明，文中所设计的系统具有较高的精确度，测量PM2.5质量浓度时，平均相对误差约是7%。又由于成本低廉，操作方便，在居家生活[16]、工业环境监测方面具有较大的应用潜力。