雙光路煙霧測量系統(tǒng)設(shè)計

孫晶華，邱 健

(哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

火災(zāi)煙霧是火災(zāi)的前兆和伴隨產(chǎn)物，是可燃物燃燒產(chǎn)生的氣溶膠，是火災(zāi)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(zāi)探測。本文基于消光原理，結(jié)合相關(guān)硬軟件設(shè)計，提出一種基于雙光路的煙霧測量系統(tǒng)。采用雙光路法，有效消除了外界溫度、濕度等影響，可以準(zhǔn)確測量煙霧濃度。

1 測量原理及分析

Lambert-Beer定律的推導(dǎo)與分析如下：當(dāng)光在吸收介質(zhì)和混沌介質(zhì)中傳播時，能量在其傳播途徑上不斷地衰耗，在線性范圍內(nèi)，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(shù)；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(shù)或衰減系數(shù)，通常是光頻v和距離z的函數(shù)。

利用式(1)解得光通過距離為Z=Z1-Z0區(qū)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(xué)厚度。如果介質(zhì)是均勻的，則光學(xué)厚度為r(v，z)，式(2)可簡化為：

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

式中，ra、rs分別為吸收系數(shù)和散射系數(shù)，都是頻率的函數(shù)(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(yīng)用中通常采用如下形式：

當(dāng)一束光在穿過煙霧場之后，與懸浮顆粒相互作用，強(qiáng)度會發(fā)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(qiáng)在煙霧中隨傳播距離的強(qiáng)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(qiáng)度，I0為發(fā)射光強(qiáng)度，K為消光系數(shù)，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(jù)成立的

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

2 光路設(shè)計

利用本系統(tǒng)測量時，只須測量參考光臂和測量光臂的信號強(qiáng)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(tǒng)采用雙光路法測量，其光路設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 測量系統(tǒng)光路設(shè)計圖

本設(shè)計中激光器采用體積較小的半導(dǎo)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(qiáng)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(tǒng)的光電感煙技術(shù)僅僅針對光強(qiáng)一項參量作為直接或間接的探測依據(jù)。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(qiáng)僅占總光強(qiáng)的很小一部分。隨著顆粒粒徑的增大，前向散射的光強(qiáng)變得越來越大。對于明火燃燒的煙霧來說，散射效應(yīng)的影響不大，70%及更多的入射光強(qiáng)衰減都是由吸收造成的。但盡管如此，在測量光路中加了準(zhǔn)直鏡后，可以盡可能地避免前向散射光強(qiáng)對測量結(jié)果的影響。

系統(tǒng)工作時，光學(xué)部分分為測量光臂和參考光臂，通過主控制板控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)制，測量光臂和參考光臂分時照到傳感器上，實現(xiàn)分時測量。假設(shè)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(shù)，通過微處理器計算，即可得出煙霧濃度。

3 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)采用了高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)光電信號的快速、精確測量，結(jié)合CAN總線穩(wěn)定、高速等特點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，并且采用了RS232通信接口，可方便地與PC機(jī)建立通信，實現(xiàn)用上位機(jī)程序?qū)y量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理。系統(tǒng)電路框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電路框圖

由圖可知，本電路是以美國微芯公司高性能數(shù)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(shù)轉(zhuǎn)換、RS232串口通信、CAN總線通信及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(zhuǎn)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(tǒng)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)放大電路對電壓信號放大到與其連接的模數(shù)轉(zhuǎn)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(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和前端模擬信號電路的隔離，以提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度與穩(wěn)定度。

(2)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司的ADS1110。ADS1110是一種精密、可連續(xù)自校準(zhǔn)的串行A/D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達(dá)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(xiàn)與ADS1110的連接。ADS1110通過I2C總線(內(nèi)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(xiàn)對ADS1110的識別。ADS1110只能作為從機(jī)，其I2C地址是1001aaa，其中aaa是出廠時默認(rèn)設(shè)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(jī)的通信及測試。DSPIC30F6013主控芯片通過串口TXD、RXD與MAX232的相應(yīng)管腳相連，DSPIC30F6013主控芯片把實時采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)，PC機(jī)客戶端軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)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(shù)字信號轉(zhuǎn)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(qiáng)的抗噪特性，支持 1 Mb/s的運行速率，可連接節(jié)點高達(dá)112個。本系統(tǒng)中，主控制器的C_RX、C_TX引腳與MCP2551相應(yīng)管腳相連，主控制器的CAN控制器生成的信號由MCP2551轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片采用ULN2803，其驅(qū)動負(fù)載電流為500 mA，驅(qū)動電壓可達(dá)50 V。系統(tǒng)所用的步進(jìn)電機(jī)為3546BYJ46型四相八拍永磁式步進(jìn)電機(jī)，其工作電壓為直流12 V。DSPIC30F6013主控芯片產(chǎn)生的脈沖信號按照35BYJ46型四相八拍永磁式步進(jìn)電機(jī)的勵磁順序進(jìn)行信號分配，信號經(jīng)過驅(qū)動電路功率放大后，再與步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)勵磁線圈的引腳相連，即可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，實現(xiàn)對測量光路和參考光路的切換。

4 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為主控制芯片軟件和PC機(jī)客戶端軟件兩部分。

(1)主控制芯片軟件設(shè)計流程如圖4所示。由圖可知，DSPIC30F6013先對自身進(jìn)行初始化。首先，對片上CAN總線模塊進(jìn)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(guān)鍵部分，主要包括在復(fù)位模式下設(shè)置通信的波特率、報文濾波器、發(fā)送和接收郵箱設(shè)置及屏蔽濾波器設(shè)置。其次，主控芯片對RS232模塊初始化，包括波特率設(shè)置、停止位及數(shù)據(jù)通信位等設(shè)置。

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

主控芯片對測量數(shù)據(jù)處理完畢后，通過CAN總線發(fā)送至CAN總線其他節(jié)點，并通過RS232串口發(fā)送至PC機(jī)，PC機(jī)客戶端程序接收數(shù)據(jù)，用戶可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存盤及打印等。

(2)PC機(jī)客戶端軟件設(shè)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(jī)與主控制板客戶端程序，在PC機(jī)上實現(xiàn)友好的人機(jī)操作界面，并實現(xiàn)實時控制、實時故障報警、現(xiàn)場情況顯示、數(shù)據(jù)存儲、打印報表及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

圖4 主控制芯片軟件設(shè)計流程圖

本文利用了雙光路法的抗干擾、抗溫漂等特點，結(jié)合CAN總線、RS232等總線數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)點，設(shè)計了雙光路法煙霧測量系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了雙光路煙霧測量系統(tǒng)的原理、硬件電路及軟件設(shè)計。由于本系統(tǒng)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(wěn)定造成的干擾。軟件上采用合理的濾波算法，實現(xiàn)了較好的測量效果。

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