基于光后向散射法的烟雾浓度检测系统的研制 1 结烟气 色散是光与材料之间的相互作用。通常所看见的物体的光,都是被散射过来的光。由于散射和人们的生活非常接近,人类对于散射的研究也慢慢变得多,也越来越深入。随着国民经济的发展,环境污染日益严重,而目前烟尘是造成中国大气环境污染的主要固定污染源,它通常含从烟囱,烟道等固定污染源中排放的烟尘和粉尘。近年来,工业烟尘和粉尘在排放之前基本上都经过了净化除尘,排放出的烟尘浓度大大降低,排放的烟尘颗粒尺寸基本上达到了微米量级,而直径小于2.5μm(PM2.5)的呼吸性颗粒物和小于10μm(PM10)的可吸入性颗粒物则能直接影响人类的身体健康。对于当前这种烟尘排放情况,传统的不透明式烟尘排放浓度监测装置因其灵敏度及安装的不足,故很难满足监测要求。针对这种状况,散射慢慢的变多的被应用于烟尘浓度测试中来。在已研设计的一套具有高灵敏度的利用光后向散射法测烟尘浓度的装置基础上,结合单片机、计算机研制了一套价格相对较低廉、易安装且灵敏度较高的能实时在线测量烟尘浓度的测量样机。实验结果证明该样机对粒径范围在几百nm到几μm的烟尘颗粒具备比较好的测试性能。 2 信号转换处理系统 后向散射式烟尘在线测量样机包括三部分:光后向散射装置、单片机控制管理系统与计算机处理系统。光后向散射装置包含系统光源、光电探测器和噪声信号处理单元。光源经过烟道发生散射,光电探测器将接受到的后向散射光信号转换成电信号,电信号经过噪声滤除后传送至单片机系统来进行预处理。单片机系统包括CPU处理模块、模数转换模块、通讯模块和看门狗电路。单片机系统将接受到的模拟信号通过数字滤波和A/D转换后,由RS485送至计算机进行数据处理。计算机处理系统包括一个RS485转RS232转换接头,通过串口转换后对接收到的原始信号进行储存并显示。图1是测量样机的总体框图。 3 光后散射式烟雾在线 光电池的响应曲线 光后向散射装置主要是用来把烟尘颗粒的后向散射光信号转变成为电信号。图2是自行设计的光后向散射测量装置实物图。装置中,光源选择具有体积小、功耗低、寿命长、反应速度快、耐震动、亮度高、成本低等优点的发光二极管。光电探测器选择了体积小、响应速度较快、光敏面积大、适合在比较恶劣的环境中工作的光电池,图4是光电池的响应曲线是后向散射装置光路图。三个发光二极管经过会聚准直扩束系统后输出的三束直径为3cm的平行光在烟道内会聚形成一个长轴约为18cm,短轴约为3cm的椭球状光散射区域,此椭球区域中心距离与其共轴的接收透镜(d=3cm、f=8.5cm)40cm。这部分椭球状区域即为取样区域。这样,只有取样区域中的烟尘所散射的垂直于接受透镜的光,才能会聚到位于透镜焦点处的光电探测器上,而其它不垂直于透镜入射的散射光即使被透镜会聚,也不会被探测器探测到。这就基本上消除了其它杂散光对测量造成的影响。光电探测器将探测到的光后向散射信号转变为电信号,经过相关电路后,输出结果经由单片机传送至计算机,由计算机对结果进行记录保存并实时显示。 3.2 系统的传输 后向散射装置传输出有物理意义的电信号后,如何将这些电信号传输至计算机并由计算机对信号做处理后,得到实时的粉尘浓度数值,这样一些问题就要靠单片机系统来解决。单片机系统共包括以下几个模块。 3.2.1 处理模块t路特点,芯片az-29c52 处理模块是整个单片机系统的核心部分,所有数据都要在这个地方进行预处理。其接受由模数转换器传入的数字信号,将它们滤波处理后,通过RS485总线传送给计算机。单片机系统中各个芯片的正常运行也都要靠处理模块来协调控制,所以说处理模块好比单片机系统的大脑,是单片机系统的重中之重。此处理模块中,现选用了AT89C52芯片。芯片是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,它能提供以下很多标准功能:8k字节Flash闪速存储器,256字节内部RAM,32个I/O口线向量两级中断结构,一个全双工串行通信口、片内振荡器及时钟电路。同时,AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止片内CPU的工作,但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一硬件复位。AT89C52器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准的MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大,适合于许多较为复杂的应用场合。 3.2.2 上传到处理模块 模数转化模块的最大的作用是将模拟信号转化成数字信号。通过模数转换,将模拟信号转变成AT89C52能操作的数字信号传送到处理模块。模数转换模块由 MAX197及接收信号的接收端子组成。MAX197是MAXIM公司生产的多范围输入、12位A/D转换器。5V工作电压;通过软件设置能够获得-10V～+10V、-5V～+5V、0V～10V、0V～5V的输入范围;具有8个模拟输入通道;转换和采样时间快;具有内部、外部的参考电压和时钟。图5是模数转换模块。 3.2.3 室患者显示 烟尘测量根据一定要通过通讯模块送给烟气分析仪或中控室以便显示。由于烟尘测量样机与烟气分析仪或中控室有一定的距离,且环境干扰严重,因此样机中选用基于RS-485的Modbus协议作为数据通信协议。 (1) rs332转换接头 通讯模块采用基于RS485协议的芯片,以提供RS485通讯,保证数据传输的稳定,不受干扰。在中控室直接用RS232的通讯端口(COM1 或 COM2),通过一个RS485转RS232的转换接头来实现数据传送和接收。其通讯中继图见图6。 (2) 神经网络协议 RS485只是一个物理介质层和链路层,为实现在工业环境下的数据可靠通信,采用Modbus协议作为数据通信的软件链路层。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。它慢慢的变成了一通用工业标准。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。当在一Modbus网络上通信时,此协议决定了每个控制器必须了解到它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。若需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。 (3) 基于线性码的检测 由于实验中进行的是远距离数据通信,为确保高效而无差错地传送数据,Modbus协议需要对数据来进行校验即差错控制。循环冗余校验CRC(cyclic redundancy check)是对一个传送数据块进行校验,是一种高效的差错操控方法。CRC校验的基本思想是利用线性编码理论,在发送端根据要传送的k位二进制码序列,以一定的规则产生一个校验用的监督码(即CRC码)r位,并附在信息后边,构成一个新的二进制码序列共(k+r)位,最后发送出去。在接收端,则根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检测验证,以确定传送中是否出错。在该系统中,设烟尘仪地址码为22,发送端发出2203 0000 0001 十六进制信息码序列,其生成的CRC校验码是 8359,这两串数列构成一个新的十六进制循环码(要发送的数据)序列2203 0000 0001 8359,向烟尘仪查询测量结果,单片机响应后,基于Modbus协议向接收端发送检测结果。模块中芯片采用的是TEXAS公司生产的低功耗、应用于RS-485总线V电源供电,能够在高噪声环境中实现长距离多点

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