便攜式TSP采樣器的設(shè)計(jì)

趙培宇，劉立明

（1.江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430056； 2.武漢分析儀器廠，湖北 武漢 430010）

0 引言

總懸浮顆粒物（Total suspended particulate，TSP）是指懸浮在空氣中、空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤100 μm的顆粒物，主要來源于燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙塵、生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生的粉塵、風(fēng)沙和交通揚(yáng)塵以及氣態(tài)污染物在空氣中生成的鹽類顆粒。大氣中TSP的組成十分復(fù)雜，而且變化很大。國家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，居住區(qū)日平均濃度低于0.3 mg/m3，年平均濃度低于 0.2 mg/m3［1-3］。

TSP是大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要指標(biāo)，所以TSP采樣器需求量很大，它是廠礦企業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)部門監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)大氣質(zhì)量的依據(jù)。但目前大部分國產(chǎn)采樣器存在體積龐大、不易攜帶、儀器智能化程度低、操作復(fù)雜、采樣精度低和恒流特性不好等缺點(diǎn)［4-6］。鑒于以上情況，依據(jù)HJ/T 374-2007《總懸浮顆粒物采樣器技術(shù)要求及檢測(cè)方法》［7］，研制了一種便攜式TSP采樣器。該采樣器采用單片機(jī)控制，定制大屏幕段式液晶屏顯示，用高精度微差壓傳感器檢測(cè)流量，采用脈寬調(diào)制技術(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，較好地解決了體積、效率、恒流精度等問題。

1 工作原理

TSP采樣器采用濾膜稱重法捕集環(huán)境大氣中的總懸浮微粒。其具體方法是抽取一定體積的空氣，使之通過已稱重的濾膜，粉塵被捕集在質(zhì)量已知的濾膜上，然后在實(shí)驗(yàn)室稱量含塵濾膜的質(zhì)量，根據(jù)采樣前后濾膜質(zhì)量的變化，計(jì)算懸浮顆粒物的質(zhì)量，再除以標(biāo)況采樣體積，得到顆粒物的質(zhì)量濃度［8］，即

其中 R表示總粉塵濃度（mg/m3）；m1表示采樣前濾膜質(zhì)量（mg）；m2表示采樣后濾膜質(zhì)量（mg）；V0表示標(biāo)況采樣體積（L）。

標(biāo)況采樣體積V0要根據(jù)采樣時(shí)大氣壓及溫度，由工況采樣體積V，利用氣態(tài)方程進(jìn)行實(shí)時(shí)修正得到。

其中P0表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（kPa）；T0表示標(biāo)況溫度273℃；P表示流量計(jì)前絕壓（kPa）；Ba表示當(dāng)?shù)卮髿鈮海╧Pa）；Pr表示流量計(jì)前表壓（kPa）；tr表示流量計(jì)前溫度（℃）。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 TSP采樣器總體結(jié)構(gòu)

TSP采樣器原理框如圖1所示，儀器主要由微控制器、TSP切割器、孔板與差壓傳感器構(gòu)成的流量檢測(cè)電路、抽氣泵、鍵盤、LCD顯示、RS232接口、電源等組成。

圖1 TSP采樣器原理框圖

通過鍵盤設(shè)置好采樣時(shí)間、采樣流量等參數(shù)后，采樣器按設(shè)定值啟動(dòng)抽氣泵工作，并同時(shí)檢測(cè)孔板流量計(jì)前后的差壓、氣流的溫度，據(jù)此計(jì)算出瞬時(shí)流量，送液晶屏顯示，并通過PID算法調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒流采樣的目的。該設(shè)計(jì)采用宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘機(jī)器周期（1T）單片機(jī)STC12C5A60S2，該單片機(jī)具有增強(qiáng)型51內(nèi)核，速度比傳統(tǒng)51芯片快20～35倍。泵電機(jī)的調(diào)速采用單片機(jī)自帶的PWM控制器，由于采用開關(guān)方式工作，極大地提升了工作效率。啟用了單片機(jī)內(nèi)部集成的復(fù)位電路及看門狗，提高了采樣器的可靠性。利用單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池、交流電源的狀態(tài)。設(shè)置與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在單片機(jī)內(nèi)帶的Flash存儲(chǔ)器內(nèi)。為便于程序下載，利用PC機(jī)調(diào)試、校準(zhǔn)，本機(jī)設(shè)計(jì)了RS232通訊接口。由于該單片機(jī)集成了本機(jī)所需的絕大部分功能，所以外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)化。

2.2 流量、溫度檢測(cè)電路

流量、溫度檢測(cè)電路如圖2所示。流量檢測(cè)采用孔板流量計(jì)，用差壓傳感器M1210（U3）檢測(cè)孔板兩側(cè)的差壓信號(hào)。溫度信號(hào)從JC3引入，采用PT100檢測(cè)。檢測(cè)流量、溫度的傳感器都需要穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電源，且這兩個(gè)傳感器輸出的信號(hào)都只有毫伏級(jí)，需要后接放大器。HX711芯片是2輸入通道、內(nèi)帶128倍放大的24位∑ΔAD轉(zhuǎn)換，內(nèi)部集成了傳感器驅(qū)動(dòng)電源、時(shí)鐘等電路，與單片機(jī)采用2線接口通信，具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、集成度高、外圍電路簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)。HX711芯片所具有的功能及特點(diǎn)，正好適合用于本儀器的流量、溫度檢測(cè)。差壓檢測(cè)信號(hào)送HX711的A通道放大、AD轉(zhuǎn)換，經(jīng)單片機(jī)處理后轉(zhuǎn)換為流量信號(hào)。溫度檢測(cè)信號(hào)送HX711的B通道放大、AD轉(zhuǎn)換，作為流量的溫度修正參數(shù)。

圖2 流量、溫度檢測(cè)電路

2.3 泵驅(qū)動(dòng)電路

泵驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，泵電機(jī)及電源從JC6接入。驅(qū)動(dòng)采用雙向晶閘管，為降低功率器件所產(chǎn)生的諧波干擾，采用帶過零觸發(fā)的光耦MOC3022，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 泵驅(qū)動(dòng)電路

2.4 LCD顯示電路

顯示采用定制的專用段式液晶屏，大屏幕多參數(shù)同屏顯示。由于顯示筆段較多，采用HT1622做屏的驅(qū)動(dòng)。HT1622可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)256段的液晶顯示。

2.5 鍵盤電路

鍵盤電路如圖4所示。為保證實(shí)時(shí)性，提高軟件效率，采用中斷加掃描方式工作，只要有鍵按下就產(chǎn)生鍵盤中斷，在鍵盤中斷服務(wù)程序中掃描具體鍵值。

圖4 鍵盤電路

2.6 電源電路

TSP采樣器采用交流220V及電瓶兩種方式供電，以適應(yīng)不同工況需求。為此，電源電路除提供穩(wěn)壓輸出外，還設(shè)置了電池充電及相應(yīng)的電源檢測(cè)電路，以保護(hù)電池不過充電和過放電。當(dāng)電源出現(xiàn)異常時(shí)，可自動(dòng)采取相應(yīng)保護(hù)措施。

3 程序流程

采樣器程序流程如圖5所示。開機(jī)后，程序顯示等待運(yùn)行界面，用戶可以在該界面下按實(shí)際需求設(shè)置時(shí)鐘、定時(shí)采樣間隔、次數(shù)、流量大小等運(yùn)行參數(shù)。在單片機(jī)控制下，采樣器按設(shè)定值及實(shí)時(shí)檢測(cè)的流量、時(shí)間參數(shù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制。采樣過程中如有停電，來電后自動(dòng)恢復(fù)采樣，采樣數(shù)據(jù)自動(dòng)記憶。實(shí)時(shí)顯示累計(jì)體積(∑V)、標(biāo)況體積(∑V0)、累計(jì)采樣時(shí)間(t)等參數(shù)。采樣完成后自動(dòng)停機(jī)。儀器還設(shè)計(jì)有充電指示和電量顯示及欠壓報(bào)警功能。

圖5 采樣器程序流程圖

4 結(jié)語

與手動(dòng)或模擬電路控制的儀器相比較，本TSP采樣器智能化程度高、功能齊全、操作簡(jiǎn)單。采樣的流量穩(wěn)定性好，采塵瞬時(shí)流量范圍在80～150 L/min時(shí)，精度不低于2.5級(jí)；采塵累計(jì)流量范圍在0～999999 L時(shí)，精度不低于2.5級(jí)；采氣流量范圍在0.1～1.0 L/min時(shí)，精度不低于2.5級(jí)。

經(jīng)客戶使用證明，整機(jī)設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶、流量穩(wěn)定、性能安全可靠，是環(huán)保、衛(wèi)生、勞動(dòng)、安監(jiān)、科研、教育等部門用于監(jiān)測(cè)的理想儀器。

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