便攜式TSP采樣器的設計

趙培宇，劉立明

（1.江漢大學 機電與建筑工程學院，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、空氣動力學當量直徑≤100 μm的顆粒物，主要來源于燃燒時產生的煙塵、生產加工過程中產生的粉塵、風沙和交通揚塵以及氣態污染物在空氣中生成的鹽類顆粒。大氣中TSP的組成十分復雜，而且變化很大。國家環境質量標準規定，居住區日平均濃度低于0.3 mg/m3，年平均濃度低于 0.2 mg/m3［1-3］。

TSP是大氣質量評價中的一個重要指標，所以TSP采樣器需求量很大，它是廠礦企業、環境監測部門監測與評價大氣質量的依據。但目前大部分國產采樣器存在體積龐大、不易攜帶、儀器智能化程度低、操作復雜、采樣精度低和恒流特性不好等缺點［4-6］。鑒于以上情況，依據HJ/T 374-2007《總懸浮顆粒物采樣器技術要求及檢測方法》［7］，研制了一種便攜式TSP采樣器。該采樣器采用單片機控制，定制大屏幕段式液晶屏顯示，用高精度微差壓傳感器檢測流量，采用脈寬調制技術驅動電機，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，粉塵被捕集在質量已知的濾膜上，然后在實驗室稱量含塵濾膜的質量，根據采樣前后濾膜質量的變化，計算懸浮顆粒物的質量，再除以標況采樣體積，得到顆粒物的質量濃度［8］，即

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

標況采樣體積V0要根據采樣時大氣壓及溫度，由工況采樣體積V，利用氣態方程進行實時修正得到。

其中P0表示標準大氣壓（kPa）；T0表示標況溫度273℃；P表示流量計前絕壓（kPa）；Ba表示當地大氣壓（kPa）；Pr表示流量計前表壓（kPa）；tr表示流量計前溫度（℃）。

2 硬件設計

2.1 TSP采樣器總體結構

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成的流量檢測電路、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

通過鍵盤設置好采樣時間、采樣流量等參數后，采樣器按設定值啟動抽氣泵工作，并同時檢測孔板流量計前后的差壓、氣流的溫度，據此計算出瞬時流量，送液晶屏顯示，并通過PID算法調節泵的轉速，達到恒流采樣的目的。該設計采用宏晶科技生產的單時鐘機器周期（1T）單片機STC12C5A60S2，該單片機具有增強型51內核，速度比傳統51芯片快20～35倍。泵電機的調速采用單片機自帶的PWM控制器，由于采用開關方式工作，極大地提升了工作效率。啟用了單片機內部集成的復位電路及看門狗，提高了采樣器的可靠性。利用單片機自帶的A/D轉換器，實時監測電池、交流電源的狀態。設置與校準數據儲存在單片機內帶的Flash存儲器內。為便于程序下載，利用PC機調試、校準，本機設計了RS232通訊接口。由于該單片機集成了本機所需的絕大部分功能，所以外圍電路相對簡化。

2.2 流量、溫度檢測電路

流量、溫度檢測電路如圖2所示。流量檢測采用孔板流量計，用差壓傳感器M1210（U3）檢測孔板兩側的差壓信號。溫度信號從JC3引入，采用PT100檢測。檢測流量、溫度的傳感器都需要穩定的驅動電源，且這兩個傳感器輸出的信號都只有毫伏級，需要后接放大器。HX711芯片是2輸入通道、內帶128倍放大的24位∑ΔAD轉換，內部集成了傳感器驅動電源、時鐘等電路，與單片機采用2線接口通信，具有精度高、抗干擾能力強、功耗低、集成度高、外圍電路簡單、使用方便的特點。HX711芯片所具有的功能及特點，正好適合用于本儀器的流量、溫度檢測。差壓檢測信號送HX711的A通道放大、AD轉換，經單片機處理后轉換為流量信號。溫度檢測信號送HX711的B通道放大、AD轉換，作為流量的溫度修正參數。

圖2 流量、溫度檢測電路

2.3 泵驅動電路

泵驅動電路如圖3所示，泵電機及電源從JC6接入。驅動采用雙向晶閘管，為降低功率器件所產生的諧波干擾，采用帶過零觸發的光耦MOC3022，提高了系統的穩定性。

圖3 泵驅動電路

2.4 LCD顯示電路

顯示采用定制的專用段式液晶屏，大屏幕多參數同屏顯示。由于顯示筆段較多，采用HT1622做屏的驅動。HT1622可以驅動多達256段的液晶顯示。

2.5 鍵盤電路

鍵盤電路如圖4所示。為保證實時性，提高軟件效率，采用中斷加掃描方式工作，只要有鍵按下就產生鍵盤中斷，在鍵盤中斷服務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，以適應不同工況需求。為此，電源電路除提供穩壓輸出外，還設置了電池充電及相應的電源檢測電路，以保護電池不過充電和過放電。當電源出現異常時，可自動采取相應保護措施。

3 程序流程

采樣器程序流程如圖5所示。開機后，程序顯示等待運行界面，用戶可以在該界面下按實際需求設置時鐘、定時采樣間隔、次數、流量大小等運行參數。在單片機控制下，采樣器按設定值及實時檢測的流量、時間參數，實現閉環自動控制。采樣過程中如有停電，來電后自動恢復采樣，采樣數據自動記憶。實時顯示累計體積(∑V)、標況體積(∑V0)、累計采樣時間(t)等參數。采樣完成后自動停機。儀器還設計有充電指示和電量顯示及欠壓報警功能。

圖5 采樣器程序流程圖

4 結語

與手動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、操作簡單。采樣的流量穩定性好，采塵瞬時流量范圍在80～150 L/min時，精度不低于2.5級；采塵累計流量范圍在0～999999 L時，精度不低于2.5級；采氣流量范圍在0.1～1.0 L/min時，精度不低于2.5級。

經客戶使用證明，整機設計合理、結構緊湊、便于攜帶、流量穩定、性能安全可靠，是環保、衛生、勞動、安監、科研、教育等部門用于監測的理想儀器。

［1］吳忠勇，等.環境監測綜合技術概論［M］.北京：中國環境科學出版社，1992.

［2］魏復盛.發展我國環境監測儀器工業的意見［J］.現代科學儀器，1999（Z1）：3-5.

［3］楊書申，邵龍義，龔鐵強，等.大氣顆粒物濃度檢測技術及其發展［J］.北京工業職業技術學院學報，2005，4（1）：36-39.

［4］野瑩瑩，劉新，沈烈銀.新型便攜式大氣采樣器的設計［J］.裝備制造技術，2008（5）：65-66.

［5］蔣舸揚，張玉鈞，鄭朝暉，等.大氣恒流采樣系統的設計與實現［J］.真空電子技術，2002（4）：48-50.

［6］徐慶鶴，宗光華，孫明磊，等.便攜式恒流空氣采樣泵的設計與實現［J］.液壓與氣動，2009（1）：68-71.

［7］國家環境保護總局.HJ/T 374-2007總懸浮顆粒物采樣器技術要求及檢測方法［S］.北京：中國環境科學版社，2008.

［8］李成文，趙榮健，馬濤.攜帶式大氣采樣器存在的問題探討［J］.環境保護科學，2000（S1）：74-76.