基于STM32的激光霧霾檢測儀光電系統設計*

王 彪， 陳 越， 劉昱峰， 陳 壘，3， 楊 凱，3

(1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所， 長春 130033； 2. 中國科學院大學 a. 材料與光電技術學院， b. 物理學院， 北京 100049； 3. 中國科學技術大學 微電子學院， 合肥 230026)

基于STM32的激光霧霾檢測儀光電系統設計*

王 彪1， 陳 越2a， 劉昱峰2b， 陳 壘1，3， 楊 凱1，3

(1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所， 長春 130033； 2. 中國科學院大學 a. 材料與光電技術學院， b. 物理學院， 北京 100049； 3. 中國科學技術大學 微電子學院， 合肥 230026)

為了實現對霧霾的快速、高精度在線檢測，提出了一種基于激光散射原理的霧霾檢測光學與電學系統設計方案.該系統采用紅光激光器作為檢測光源，環形光電探測器用來接收激光信號.模擬多路復用器選通光電環輸出的光電流信號，利用IV轉換電路與AD轉換電路將信號轉換為數字信號，使用串口將信息發送給屏幕，同時提供上位機數據接口實現數據傳輸.結果表明，該光電系統工作穩定、速度快，可以較好地滿足激光霧霾檢測儀光電系統的要求.

環形光電探測器； 霧霾檢測； 模擬多路復用器； 紅光激光； 數據采集； 散射原理； 光電系統； 數據接口

霧霾已經成為我國部分城市的常見天氣現象，霧霾由人類生產、生活中產生的顆粒和污染形成，會對人類機體造成多種持續性的傷害，直接或間接導致部分疾病的形成.防治霧霾已經成為我國環境文明建設的重中之重，其中霧霾的檢測為防治過程中的首要環節.激光霧霾檢測儀利用顆粒能使激光產生散射這一物理現象實現了對霧霾樣品的檢測[1-7].使用光學系統將紅光激光照射在霧霾樣品上，激光與霧霾顆粒相遇并發生散射現象，通過測量激光散射后的光強分布，選擇合適的模型及反演算法可以實現霧霾的準確測算.

1 光電系統總體設計

依據米氏散射理論，當待測氣體的粒徑與照射光的波長接近時，顆粒對光的散射特性包含顆粒的粒徑分布和濃度等相關信息[8-12]，根據米氏散射理論，得到散射光強在空間的分布與顆粒粒徑分布的關系，其表達式為

(1)

式中：θ為散射角；α為粒徑；m為待測氣體與空氣的相對折射率；K為常系數；I(θ)為空間中某散射角上的光強；i(θ，α，m)為光強分布函數；f(α)為顆粒的粒徑分布.通過環形光電探測器測量出不同角度上的散射光強度，并于上位機中使用軟件進行反演運算，可以得到待測顆粒系統的質量分布，即顆粒的粒度分布[13].

霧霾檢測儀光電系統整體結構圖如圖1所示，光電系統主要分為光學系統與電學系統兩大部分.光學系統輸出檢測光束照射待測氣體，電學系統檢測散射光強并將信息轉化為數字信號.依據米氏散射原理組建的霧霾檢測儀光電系統實物圖如圖2所示.

圖1 光電系統結構Fig.1 Structure of photoelectric system

圖2 激光霧霾檢測儀光電系統Fig.2 Photoelectric system of laser haze detector

電學系統由環形光電探測器、模擬多路復用器、IV轉換電路、AD轉換電路、主控器與顯示輸出幾部分組成，提供上位機數據接口，將數據上傳到上位機端.在檢測儀開始測量后，模擬多路復用器依次選通環形光電探測器，IV轉換電路將光電環輸出的小電流信號轉換為電壓信號，經AD采集電路轉化為數字信號并輸入到主控芯片中，最后主控芯片將電壓數據輸出至顯示屏幕與上位機端口，以便完成后續的數據運算與結果顯示.

2 光學系統設計

霧霾檢測儀的光學系統構成如圖3所示.整個光學系統搭建在光學平臺上，空間濾波器的顯微物鏡與小孔之間距離4.43 mm，小孔與準直透鏡之間距離40 mm，傅氏透鏡與環形探測器之間間距400 mm，氣室與傅氏透鏡距離100 mm.圖4為組建完成的光學系統實物圖.

圖3 光學系統結構Fig.3 Structure of optical system

圖4 光學系統Fig.4 Optical system

本文使用逆向傅里葉結構匯聚激光散射信號.將焦距為40 mm的傅里葉透鏡置于待測氣體的前面，在近軸情況下，這種逆向傅里葉變換結構同經典傅里葉變換一樣，會將相同角度的散射光匯聚在焦平面上，其優點是能夠減小系統的等效焦距，擴大系統散射光探測的等效角度范圍，進而在不更換傅里葉鏡頭的條件下降低了系統的測量下限.但缺點是隨著散射角度的增大，其聚焦情況會越來越差，在計算散射光分布時必須加以修正.本文出于提高霧霾的測量下限與減小光路系統體積的考慮，采用了這種逆向傅里葉結構.

3 電學系統設計

電學系統結構圖如圖5所示.31路環形光電探測器置于傅里葉透鏡的后焦平面上，接收散射光并將其轉化為電信號.通過模擬多路復用器分時依次選通光電環后，用IV轉換電路與AD轉換電路將光電流信號轉化為數字信號.

模擬多路復用器電路由4片MAX4638多路復用芯片組成.MAX4638是單8∶1CMOS模擬多路復用器，選通端與公共端的內阻約為3.5 Ω，具有納秒級別的開關速度，可以實現環形光電探測器的快速掃描測量.環形光電探測器共有31路光電環，采用4片MAX4638組成多通道選通電路，連接前31路通道與環形光電探測器的31路光電環的陽極端，模擬多路復用器的公共端接地.

將環形光電探測器的共陰極端連接IV轉換電路輸入端，將小電流信號轉化為正電壓信號.本文采用TI公司的TLV2252低電壓低功耗運算放大器組建IV轉換電路，電路原理圖如圖6所示.調節電位器RPOT1可以調節放大倍數，輸出適用于后級模數轉換電路的輸入電壓信號，以此提高信號采集精度.

圖5 電學系統結構Fig.5 Structure of electrical system

圖6 IV轉換電路原理圖Fig.6 Schematic principle for IV conversion circuit

AD轉換電路中的AD7864芯片是Analog Device公司的12位高速模數轉換器，具有12位并行數據輸出接口.單次轉換周期為1.65 μs，其較高的轉換速度使得本文系統整體掃描速率得到保障.

圖7為部分電學系統的實物圖.電學系統采用意法半導體公司的STM32F103VET6芯片作為主控器，使用該主控器讀取AD7864的數據輸出，使用串口0將數據發送給顯示屏顯示，將數據打包后，使用串口1發送數據至上位機端口完成數據上傳.

圖7 部分電學系統Fig.7 Partial electrical system

數據顯示采用廣州大彩光電科技公司的DC32240B035顯示屏.圖8顯示的是分辨率為320×240像素的3.5寸組態串口屏，該屏幕將主控器發出的電壓數據依次顯示出來，圖8中左上角的數據對應第1路采集電壓，其單位為mV，依次向右遞加數據對應的光電環環數.本系統中該顯示屏一共顯示了31路光電環的測量數據，使用這種顯示屏顯示數據可以清晰直觀地觀察到光電環光強的相對變化情況.

圖8 顯示屏顯示數據Fig.8 Data displayed on screen

4 測 試

選取美真香牌1CW002簡易裝線香進行樣品制備，分別截取0.5、10、15和20 mm于88 cm3的氣室之中燃燒，待燃燒完成后閉合氣室窗口，啟動光電系統進行數據測量并記錄數據，測量結束后使用濾膜法稱量氣室中的煙塵顆粒質量，從而得到不同待測樣品的濃度.通過對多組不同濃度的樣品進行實驗測試，對比實驗數據與天平法測得的顆粒質量，觀察到輸出的電壓數據會隨著待測氣體濃度的變化而有規律變化，其總體規律為散射光光強信號會隨著樣品濃度增加而增加，透射光光強則會減小，這一規律可以用米氏散射理論解釋.將測得的數據打包并通過串口1發送至上位機中，對比屏幕顯示數據與上位機數據信息，表明數據傳輸準確可靠.上述兩條測試結果說明本光電系統工作性能理想，可以滿足后續上位機軟件的數據處理與反演分析所需的前端數據采集要求.

5 結 論

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PhotoelectricsystemdesignoflaserhazedetectorbasedonSTM32

WANG Biao1, CHEN Yue2a, LIU Yu-feng2b, CHEN Lei1,3, YANG Kai1,3

(1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China; 2a. School of Materials Science and Opto-Electronic Technology, 2b. School of Physical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. School of Microelectronics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In order to realize the rapid and precise on-line detection of haze, a design scheme of optical and electrical system for haze detection based on the laser scattering principle was proposed. In the proposed system, a red laser was adopted as the detection light source, and an annular photoelectric detector was used to receive the laser signal. In addition, the analog multiplexer was adopted to select the photocurrent signal exported by the photoelectric ring, and the IV and AD conversion circuits were applied to convert the photocurrent signal into the digital signal. The information was sent to the screen with the serial port, and the data interface of upper computer was provided to realize the data transmission. The results show that the photoelectric system can stably work, has fast speed, and can better meet the requirements in the photoelectric system of laser haze detection system.

annular photoelectric detector; haze detection; analog multiplexer; red laser; data acquisition; scattering principle; photoelectric system; data interface

2016-11-17.

國家重點研發計劃重點專項基金資助項目(2017YFB0405300)； 吉林省科技廳重點科技攻關項目(20150204048SF)； 吉林省科技廳重大科技招標專項基金資助項目(20160203015GX).

王 彪(1981-)，男，吉林松原人，副研究員，博士，主要從事嵌入式系統等方面的研究.

* 本文已于2017-08-01 12∶23在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170801.1223.014.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.06.10

TN 29

A

1000-1646(2017)06-0654-05

(責任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)