雙光路煙霧測量系統設計

孫晶華，邱 健

(哈爾濱工程大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

火災煙霧是火災的前兆和伴隨產物，是可燃物燃燒產生的氣溶膠，是火災探測研究的重要參量，其主要成分包括微小固體顆粒、微小液滴及灰塵等[1]。探測這些煙霧顆粒，也就可以實施火災探測。本文基于消光原理，結合相關硬軟件設計，提出一種基于雙光路的煙霧測量系統。采用雙光路法，有效消除了外界溫度、濕度等影響，可以準確測量煙霧濃度。

1 測量原理及分析

Lambert-Beer定律的推導與分析如下：當光在吸收介質和混沌介質中傳播時，能量在其傳播途徑上不斷地衰耗，在線性范圍內，對于平面波，傳播途徑損耗的能量與光通過的距離成正比[2]，即：

式中，Iγ(v)是入射到 dz所在面上的通量密度， 為頻率 v的函數；dz是所考慮的微分距離；γ(v，z)是為比例因子，稱之為消光系數或衰減系數，通常是光頻v和距離z的函數。

利用式(1)解得光通過距離為Z=Z1-Z0區段后的光通量密度為：

式中，Ir0(v)為在入射面 Z0處的通量密度為光學厚度。如果介質是均勻的，則光學厚度為r(v，z)，式(2)可簡化為：

通常把消光系數分為兩部分，一部分描述介質的吸收特性，另一部分描述散射特性。總的消光特性則表現為該兩部分之和：

式中，ra、rs分別為吸收系數和散射系數，都是頻率的函數(即ra)，ra對頻率有劇烈的變化。如果入射光不是單一頻率，那么在計算光的總衰減時，需要在整個入射頻譜上積分。

在實際應用中通常采用如下形式：

當一束光在穿過煙霧場之后，與懸浮顆粒相互作用，強度會發生衰減。顆粒對光的衰減影響包括散射與吸收兩種方式[3]。光強在煙霧中隨傳播距離的強度衰減可用Lambert-Beer定律定量地描述：

圖1 煙霧測量示意圖

式中，I為出射光強度，I0為發射光強度，K為消光系數，L是光程長度。煙霧測量示意圖如圖1所示。

采用Lambert Beer定律測量煙霧濃度的理論依據成立的

前提是：(1)光源是單色光；(2)接收的出射光強中不包括前向散射光成分[4]。

2 光路設計

利用本系統測量時，只須測量參考光臂和測量光臂的信號強度的差值，即可測出煙霧衰減，通過計算就可得出煙霧濃度。系統采用雙光路法測量，其光路設計框圖如圖2所示。

圖2 測量系統光路設計圖

本設計中激光器采用體積較小的半導體激光器，波長為650 nm，激光束通過分光鏡分為測量光束和參考光束兩種。由于引入激光作為入射光源，克服了光電感煙探測器由于光強限制造成的靈敏度問題，且降低了背景光的干擾，突破了傳統的光電感煙技術僅僅針對光強一項參量作為直接或間接的探測依據。傳感器采用型號為2CU68A的光電池，光電池帶有濾光片，工作波長為530 nm～850 nm，峰值波長為650 nm。在實際測量中，多少會有前向散射光被收集。對于小顆粒，入射光在各個方向都會被散射，但前向散射光強僅占總光強的很小一部分。隨著顆粒粒徑的增大，前向散射的光強變得越來越大。對于明火燃燒的煙霧來說，散射效應的影響不大，70%及更多的入射光強衰減都是由吸收造成的。但盡管如此，在測量光路中加了準直鏡后，可以盡可能地避免前向散射光強對測量結果的影響。

系統工作時，光學部分分為測量光臂和參考光臂，通過主控制板控制步進電機進行調制，測量光臂和參考光臂分時照到傳感器上，實現分時測量。假設在沒有煙霧時，測量光臂和參考光臂的信號輸出分別為I1、I2；在有煙霧時，測量光臂和參考光臂的信號輸出分別為I3、I4，則可得出衰減系數，通過微處理器計算，即可得出煙霧濃度。

3 硬件電路設計

系統采用了高精度的模數轉換芯片，實現光電信號的快速、精確測量，結合CAN總線穩定、高速等特點，實現數據的實時傳輸，并且采用了RS232通信接口，可方便地與PC機建立通信，實現用上位機程序對測量數據進行分析及處理。系統電路框圖如圖3所示。

圖3 系統電路框圖

由圖可知，本電路是以美國微芯公司高性能數字處理器DSPIC30F6013為核心處理芯片，整個硬件電路主要由模擬信號前端處理、模數轉換、RS232串口通信、CAN總線通信及步進電機驅動部分組成。

(1)模擬信號前端處理主要包括傳感器電流信號轉換為電壓信號、電壓信號放大、信號濾波及電壓跟隨器。本系統的傳感器采用型號為2CU68A的光電池，輸出信號為電流信號，通過電流變電壓轉換器轉換為電壓信號，經放大電路對電壓信號放大到與其連接的模數轉換的合適范圍。濾波電路采用壓控低通濾波器，用來濾除電壓信號的高頻噪聲。電壓跟隨器采用LM358運放，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點，實現模數轉換電路和前端模擬信號電路的隔離，以提高模數轉換的精度與穩定度。

(2)模數轉換芯片采用TI公司的ADS1110。ADS1110是一種精密、可連續自校準的串行A/D轉換器，帶有差分輸入和高達16 bit的分辨率，其串行接口為I2C總線。DSPIC30F6013主控芯片通過自帶的I2C總線接口實現與ADS1110的連接。ADS1110通過I2C總線(內部集成電路)接口通信。DSPIC30F6013主控芯片的I2C總線接口最多可掛接8個ADS1110，通過I2C地址實現對ADS1110的識別。ADS1110只能作為從機，其I2C地址是1001aaa，其中aaa是出廠時默認設置。ADS1110有8種不同類型，每種類型都有不同的I2C地址。

(3)RS232串口通信主要完成主控制板和PC機的通信及測試。DSPIC30F6013主控芯片通過串口TXD、RXD與MAX232的相應管腳相連，DSPIC30F6013主控芯片把實時采集到的數據傳輸到PC機，PC機客戶端軟件實現對數據的分析、計算及保存等。

(4)CAN總線通信接口電路。由于主控制器帶有片上CAN控制器，故接口芯片采用美國微芯公司的MCP2551，把CAN控制器生成的數字信號轉化成為適合CAN總線傳輸(差分輸出)的信號。MCP2551采用差分總線，具有很強的抗噪特性，支持 1 Mb/s的運行速率，可連接節點高達112個。本系統中，主控制器的C_RX、C_TX引腳與MCP2551相應管腳相連，主控制器的CAN控制器生成的信號由MCP2551轉換成適合CAN總線傳輸(差分輸出)的信號[5]，其兩個輸出端CANH和 CANL分別與物理總線的CAN_H和CAN_L連接[6]。

(5)步進電機驅動芯片采用ULN2803，其驅動負載電流為500 mA，驅動電壓可達50 V。系統所用的步進電機為3546BYJ46型四相八拍永磁式步進電機，其工作電壓為直流12 V。DSPIC30F6013主控芯片產生的脈沖信號按照35BYJ46型四相八拍永磁式步進電機的勵磁順序進行信號分配，信號經過驅動電路功率放大后，再與步進電機相應勵磁線圈的引腳相連，即可驅動步進電機，實現對測量光路和參考光路的切換。

4 軟件設計

本系統軟件設計主要分為主控制芯片軟件和PC機客戶端軟件兩部分。

(1)主控制芯片軟件設計流程如圖4所示。由圖可知，DSPIC30F6013先對自身進行初始化。首先，對片上CAN總線模塊進行初始化，以便主控芯片與CAN總線之間快速建立通信連接，這是建立CAN總線通信的關鍵部分，主要包括在復位模式下設置通信的波特率、報文濾波器、發送和接收郵箱設置及屏蔽濾波器設置。其次，主控芯片對RS232模塊初始化，包括波特率設置、停止位及數據通信位等設置。

系統初始化完畢后，主控制芯片開始采集數據，先對參考光臂進行連續的數據采集，然后對測量光臂進行連續的數據采集。對采集數據的處理采用濾波算法，連續采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數據的算術平均值。這種方法融合了兩種濾波方法的優點，可以消除由于偶然出現的脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

主控芯片對測量數據處理完畢后，通過CAN總線發送至CAN總線其他節點，并通過RS232串口發送至PC機，PC機客戶端程序接收數據，用戶可以對數據進行分析、存盤及打印等。

(2)PC機客戶端軟件設計。主要采用Visual C++6.0編程，利用VC自帶的通信控件MSComm編寫PC機與主控制板客戶端程序，在PC機上實現友好的人機操作界面，并實現實時控制、實時故障報警、現場情況顯示、數據存儲、打印報表及歷史數據查詢等功能。

圖4 主控制芯片軟件設計流程圖

本文利用了雙光路法的抗干擾、抗溫漂等特點，結合CAN總線、RS232等總線數據傳輸優點，設計了雙光路法煙霧測量系統，詳細介紹了雙光路煙霧測量系統的原理、硬件電路及軟件設計。由于本系統只使用了一個傳感器，一個激光器，因此，可以有效避免因傳感器及激光器自身不穩定造成的干擾。軟件上采用合理的濾波算法，實現了較好的測量效果。

[1]范維澄，王清安，姜馮輝，等.火災學簡明教程[M].合肥：中國科學技術大學出版社，1995.

[2]吳健，楊春平，劉建斌，等.大氣傳輸的光傳輸理論[M].北京：北京郵電大學出版社，2005.

[3]石林雄.粉塵濃度測量儀[J].計量技術，1996(10)：24-27.

[4]趙建華.基于多波長激光散射的火災煙霧識別研究[D].合肥：中國科學技術大學，2000.

[5]鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1996.

[6]王毅峰，李令奇.基于CAN總線的分布式數據采集與控制系統[J].工業計算機，2000(5)，34-35.