基于Mie 散射的顆粒物質(zhì)量濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

陳思龍，吳永聰，楊安，姜巖峰

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院微電子科學(xué)與工程系，江蘇 無錫 214122）

顆粒物(PM)按其空氣動力學(xué)直徑（微米）進(jìn)行分類，比如直徑小于或等于10 μm 的顆粒，稱為PM10或可吸入顆粒物，直徑小于或等于2.5 μm 的顆粒，被稱為PM2.5或“細(xì)”顆粒。大氣顆粒物是主要的大氣污染物之一，它們會對人類的呼吸道和心血管健康產(chǎn)生很大傷害。在許多行業(yè)，顆粒物質(zhì)量濃度直接或間接地決定著產(chǎn)品的質(zhì)量，比如精密加工、食品、電子等行業(yè)。因此，顆粒物質(zhì)量濃度越來越受到人們的關(guān)注。

顆粒物測量方法主要包括β射線吸收法、微量振蕩天平法、重量法和光散射法等[1]。與其他方法相比，光散射法同時具備檢測速度快、精度高、可重復(fù)性好等優(yōu)點。文中分析了粒子計數(shù)法的檢測原理，設(shè)計了包含傳感器和微處理器的信號采集與處理電路，并通過藍(lán)牙通信方式將處理結(jié)果傳送到移動端APP 顯示?；诠馍⑸浞ǖ牧Ｗ佑嫈?shù)法可在STM32 單片機上實現(xiàn)，可以在低濃度場景下快速、準(zhǔn)確地得到結(jié)果。在該系統(tǒng)設(shè)計中，將個人智能手機作為移動終端顯示設(shè)備，實現(xiàn)便攜式及數(shù)據(jù)無線傳輸，不受空間的限制。同時，該系統(tǒng)能通過設(shè)定相應(yīng)的閾值測量不同粒徑的顆粒物質(zhì)量濃度，也可根據(jù)需求進(jìn)行擴展，用一部智能手機接收多個采集點的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多點采集。

1 粒子計數(shù)法檢測原理

Mie 散射理論基于電磁波的麥克斯韋方程，對于平面線偏振單色波被一個位于均勻介質(zhì)中具有任意直徑和任意成分的均勻球衍射，得出一個嚴(yán)格數(shù)學(xué)解。對于粒徑與波長近似的粒子，Mie 散射占主導(dǎo)。一般大氣中氣體粒子間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過粒子的大小，可等效為單個球形粒子的Mie 散射模型[2]。

根據(jù)Mie 散射理論可知，當(dāng)光強為I0、波長為λ的完全偏振光為入射光時，球形粒子的總散射光強IS為[3]：

其中，r是觀察點與散射點的距離，θ是散射角，φ是方位角，S1(θ)和S2(θ)是振幅函數(shù)，表達(dá)式分別為：

式中，an和bn是粒子相對折射率m和粒徑d的函數(shù)，可以用貝塞爾（Bessel）函數(shù)和漢克爾(Hankel)函數(shù)來表示，它們被稱為Mie 散射系數(shù)；πn與τn可以用連帶勒讓德（Legendre）函數(shù)表示，它們僅與θ有關(guān)。張子同[4]等人利用Stokes 參數(shù)與散射矩陣推導(dǎo)出了總散射光強IS與粒徑d成正相關(guān)分布：

由式（4）可知，粒子的粒徑不同，則產(chǎn)生的脈沖強度不同。夏賽[3]通過對球形顆粒散射光通量與粒徑關(guān)系的數(shù)值計算，并利用測量的電壓脈沖信號幅度分布，得到了同時考慮粒子數(shù)目和大小的顆粒物質(zhì)量濃度C的計算公式：

其中，實際粒徑范圍被劃分成多個粒徑檔，以i表示，k為比例系數(shù)，需要標(biāo)定得到，Ni表示i通道的脈沖數(shù)（粒子數(shù)），Vi表示i通道的脈沖信號電壓，它反映的是顆粒光學(xué)等效粒徑的大小。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 整體框架構(gòu)思

顆粒物質(zhì)量濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：硬件部分和軟件部分[5]。整體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 顆粒物質(zhì)量濃度實時檢測系統(tǒng)整體構(gòu)架圖

2.2 硬件設(shè)計

硬件部分設(shè)計主要包括對激光驅(qū)動模塊、信號處理模塊、藍(lán)牙模塊、主控芯片模塊、電源管理模塊和主 板PCB 設(shè)計[6]。

2.2.1 激光驅(qū)動模塊

顆粒物傳感器采用的發(fā)射源是半導(dǎo)體激光器，它是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，具有體積小、壽命長、重量輕、價格便宜等特點[7]，常用的驅(qū)動方式是電流驅(qū)動。

對激光二極管的驅(qū)動電路有兩種，圖2（a）所示為開關(guān)PWM 模式，通過單片機提供的PWM 波控制三極管Q1 的通斷，從而達(dá)到控制驅(qū)動激光二極管電流的目的，但是該電路的缺點是產(chǎn)生的電流不穩(wěn)定。圖2（b）為文中設(shè)計的線性驅(qū)動電路[8]，從電源得到的穩(wěn)定電壓加在LMV602 的同相輸入端，通過電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路得到輸出電壓，輸出電壓在RC 濾波電路下得到穩(wěn)定的電壓加在晶體管上，通過晶體管的放大得到穩(wěn)定的輸出電流來驅(qū)動激光二極管。輸入電壓Vin和輸出電流Iout的關(guān)系為：

圖2 激光驅(qū)動模塊

在電路中，為了減少紋波電壓對電路的影響，在反相輸入端和輸出端之間加了一個耦合電容，輸出的紋波電壓通過此電容加在LMV602 的反向輸入端，經(jīng)放大后到達(dá)調(diào)整管的基極，因此在正常工作中，輸出端紋波電壓比較小。

2.2.2 信號處理模塊

在粒子經(jīng)過光散射后，二極管能接收到的光信號比較微弱，若不能很好地處理，將會被噪聲淹沒，造成最終結(jié)果的不確定性，如何在抑制噪聲的前提下增大微弱信號的幅度成為了獲取有用信號的關(guān)鍵[9]。

系統(tǒng)設(shè)計的信號處理電路如圖3 所示，它具有高增益、低噪聲的特點。

圖3 信號處理電路

光電二極管將微弱的散射光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，第一級為跨阻放大電路，它采用高輸入阻抗負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，且由于高的飽和極限而有較大的動態(tài)范圍，主要將輸入的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。緊跟其后的是濾波放大電路，主要將電壓小信號放大至單片機能夠處理的幅度，經(jīng)過處理后的電壓信號由單片機的ADC 進(jìn)行采集[10]，放大倍數(shù)Au的計算公式為：

取R4=220 kΩ，R5=3 kΩ，得理論放大倍數(shù)為74.3。

2.2.3 藍(lán)牙模塊

文中設(shè)計的藍(lán)牙模塊所使用的藍(lán)牙芯片是BC417，當(dāng)與藍(lán)牙軟件堆棧一起使用時，它提供了一個完全符合藍(lán)牙2.0 規(guī)范的藍(lán)牙系統(tǒng)，可與其他版本的藍(lán)牙兼容通信，包括與具有藍(lán)牙功能的電腦、手機等終端配對，用于數(shù)據(jù)傳輸和語音通信。該模塊不僅可以通過AT 指令來查詢和設(shè)定相關(guān)參數(shù)，還可以通過串口TTL 接口實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)透傳。只需要使用5 V/3.3V 電壓的TTL 電平便可以驅(qū)動該模塊，且支持的波特率范圍為4 800～1 382 400 b/s，非常適合在單片機上擴展藍(lán)牙特性[11-12]。該藍(lán)牙模塊支持設(shè)備短距離通信，通信距離為10 m，工作溫度范圍為-25～+75 ℃。模塊的原理圖如圖4 所示。

圖4 藍(lán)牙模塊電路圖

2.2.4 主控芯片模塊

主控芯片為STM32F070F6，包含以48 MHz 頻率運行的高性能RISC 內(nèi)核、高達(dá)32 kB 的SRAM 和高達(dá)256 kB 的閃存，以及12 位的ADC。工作的溫度范圍為-40～+85 ℃且電源電壓較低，可在比較極端的環(huán)境下工作。引腳有20-pin、48-pin 和64-pin，根據(jù)系統(tǒng)的要求，選擇芯片引腳為20，滿足系統(tǒng)的要求而且引腳利用充分，基本沒有浪費。在考慮系統(tǒng)便攜式、小型化的要求下，并在PCB 板緊湊化的前提下，采用SWD 調(diào)試，SWD 自帶復(fù)位協(xié)議，所以無需接RST 腳，它需要的引腳少，所需PCB 空間小。SWD模式在高速模式下比較可靠，在大數(shù)據(jù)量的情況下，SWD 下載程序的成功率比較高。芯片通過PA9 和PA10 與藍(lán)牙模塊相連，實現(xiàn)和手機的通信；考慮到在不同的環(huán)境下需要對氣流的流動速度進(jìn)行調(diào)整，芯片PA6 輸出不同占空比的PWM 波控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；PA7 輸出的PWM 波通過兩級RC 濾波控制可調(diào)穩(wěn)壓芯片的輸出電壓來給風(fēng)扇供電；PA1 是ADC 通道，用來采集處理好的信號。主控芯片及其外圍電路如圖5所示。

圖5 主控芯片及其外圍電路圖

2.2.5 電源管理模塊

電源管理模塊需要為單片機、運放、藍(lán)牙模塊、風(fēng)扇和激光驅(qū)動模塊供電，該模塊使用了兩款LDO穩(wěn)壓芯片，分別為穩(wěn)壓為3.3V 的TJ5205SF5-3.3V 穩(wěn)壓芯片和穩(wěn)壓可調(diào)的TJ4203GSF5-ADJ 穩(wěn)壓芯片。這兩款芯片具有電源電壓抑制比（PSRR）高、噪聲低、動態(tài)性能好等優(yōu)點。

在對單片機供電時，考慮到單片機對輸入電壓的要求較高，該模塊將穩(wěn)壓芯片輸出的電壓經(jīng)過了LC 濾波電路可以得到比較穩(wěn)定的電壓。為了產(chǎn)生穩(wěn)定的電流來驅(qū)動激光二極管，必須要給激光驅(qū)動模塊提供合適且穩(wěn)定的電壓，該模塊在穩(wěn)壓可調(diào)芯片輸出端加上了可調(diào)電阻，輸出電壓Vout和可調(diào)電阻Radj的關(guān)系為：

2.2.6 主板PCB設(shè)計

對主板PCB 設(shè)計時采用了單層板設(shè)計，一側(cè)放置元件，另外一側(cè)走線，單層板具有成本低、設(shè)計簡單、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點，且單層板不需要打過孔過線，減少了寄生電容和寄生電阻對主板性能的影響。

2.3 軟件設(shè)計

軟件算法通過ADC 測量產(chǎn)生的脈沖幅度和間隔來估計流經(jīng)的粒子質(zhì)量濃度，如圖6 所示。給定兩個獨立的閾值，P1和P2。P1閾值可以過濾掉前級的噪聲，P2閾值可以區(qū)分不同大小的顆粒，可以用更多的Pn閾值來擴展檢測不同的顆粒大小。例如要測量PM2.5的質(zhì)量濃度，首先要將Pn設(shè)置為2.5 μm 粒子對應(yīng)的電壓值，將P1設(shè)置為噪聲電壓值，在0～2.5 μm粒徑中劃分多個通道，每個通道對應(yīng)一個閾值。n值越大越精確，但耗費的計算資源就越多。根據(jù)采集電壓所屬閾值范圍增加對應(yīng)粒徑的粒子個數(shù)，再通過差值運算得到各通道的粒子個數(shù)。

圖6 脈沖間隔與幅度

用遞推平均濾波法對采樣信號進(jìn)行數(shù)字濾波，如圖7 所示，ADC 每隔1 ms 對脈沖信號進(jìn)行采樣，并使用8 個樣本的遞推平均值來消除信號中的一些噪音；每隔1 s 計數(shù)，校正調(diào)整10 s 遞推平均值，獲得最終的顆粒物質(zhì)量濃度。

圖7 粒子濃度計算的軟件算法

Keil 是具有集成開發(fā)環(huán)境的微控制器軟件開發(fā)平臺，該系統(tǒng)用此軟件對STM32 編程[13]。主程序流程如下：系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化（包括串口、PWM 和ADC 初始化），激光發(fā)生器和風(fēng)扇開始工作。ADC 設(shè)置成連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，同時對應(yīng)的DMA 通道開啟循環(huán)模式，這樣ADC就一直在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集然后通過DMA 把數(shù)據(jù)搬運至內(nèi)存，這樣可以節(jié)省CPU的資源來做其他操作[14]。處理好的數(shù)據(jù)即最終的顆粒物質(zhì)量濃度，通過藍(lán)牙傳輸?shù)狡ヅ浜玫囊苿佣恕?/p>

2.4 藍(lán)牙APP開發(fā)

考慮到APP 設(shè)計的簡單與實用性，對藍(lán)牙APP開發(fā)使用的工具是MIT App Inventor（AI），它由Google開發(fā)，是一款用來開發(fā)Android 智能手機程序的工具，編程環(huán)境有著可視化屬性，并且可以結(jié)合模擬器實現(xiàn)調(diào)試運行同步化，極大縮短了開發(fā)時間，提高了開發(fā)的效率[15]。設(shè)計好的APP 可以打包通過二維碼下載到手機端。其設(shè)計流程包括組件設(shè)計、邏輯設(shè)計和運行調(diào)試三部分。

設(shè)計好的藍(lán)牙APP 包含藍(lán)牙選擇、接收數(shù)據(jù)、斷開、暫停等功能鍵以及數(shù)據(jù)顯示窗口。進(jìn)入APP 后，點擊藍(lán)牙選擇按鈕可以跳轉(zhuǎn)到藍(lán)牙選擇界面，選擇好藍(lán)牙后退出，點擊接收數(shù)據(jù)便可以得到相應(yīng)藍(lán)牙傳輸過來的PM2.5數(shù)值。若想看某一時刻的數(shù)值，可以點擊暫停按鈕，若不想接收數(shù)據(jù)可以點擊斷開按鈕。

3 數(shù)據(jù)測試與分析

在軟件上設(shè)定合適的閾值，利用所設(shè)計的系統(tǒng)測量無錫某地區(qū)一天的PM2.5濃度。

將測量結(jié)果與TSI8530 粉塵檢測儀的測量結(jié)果進(jìn)行比較，可繪制如圖8 所示的曲線。所設(shè)計的檢測系統(tǒng)相對誤差大部分情況下不超過10%，通過計算得到相對誤差的平均值約為7%。由此可見，所設(shè)計的系統(tǒng)在顆粒物濃度檢測上具有較高的精確度。

圖8 測量結(jié)果對比

4 結(jié)束語

基于粒子計數(shù)法檢測原理，設(shè)計了一套可以檢測大氣不同粒徑顆粒物質(zhì)量濃度的便攜式無線系統(tǒng)，完成了相應(yīng)硬件部分和軟件部分的設(shè)計，通過自行設(shè)計的藍(lán)牙模塊，可以實現(xiàn)無線傳輸?shù)墓δ?，實驗結(jié)果可實時顯示在便攜智能手機中。與商用TSI-8530 粉塵檢測儀相比，結(jié)果表明，文中所設(shè)計的系統(tǒng)具有較高的精確度，測量PM2.5質(zhì)量濃度時，平均相對誤差約是7%。又由于成本低廉，操作方便，在居家生活[16]、工業(yè)環(huán)境監(jiān)測方面具有較大的應(yīng)用潛力。