基于虛擬儀器的煙霧測試系統(tǒng)

陽雨妍 楊佳星 譚涌

摘 要：在生產(chǎn)生活中，我們時常需要測定煙霧量的大小或煙霧濃度。本文對煙霧測試方法進(jìn)行了分析與研究，基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計出一套煙霧測試系統(tǒng)。硬件以單片機(jī)為控制器，加上AD轉(zhuǎn)換、USB通信接口等模塊。軟件包括單片機(jī)控制程序以及PC終端的Labview程序。最終有效測定煙霧量的大小并且煙霧透光率的分辨率小于0.1%。

關(guān)鍵字：煙霧量 虛擬儀器 鎖相放大

Smoke test system based on virtual instrument

Abstract：In production and life，we often need to measure the amount or concentration of the smoke.In this paper，the smoke test method is analyzed and studied，and a smoke test system is designed based on virtual instrument technology.The hardware is controlled by a single chip microcomputer，which adds AD conversion， USB communication interface and other modules.Software includes single chip microcomputer control program and Labview program of PC terminal.Finally， the magnitude of the smoke was measured effectively and the resolution of smoke transmittance was less than 0.1%.

Keywords：amount of smoke；virtual instrument ；Phase-locked amplifier

引言

煙霧存在于生產(chǎn)生活的方方面面，在一些特定場景中，我們需要得到產(chǎn)生煙霧量的多少或煙霧濃度。例如膛口煙霧會暴露射擊手的位置，我們可以通過測定對比不同槍發(fā)射產(chǎn)生的煙霧量的多少來評定槍性能的好壞。

本課題通過硬件、控制軟件和PC終端顯示軟件三個方面設(shè)計了煙霧測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對煙霧透光率的測量，并以此得到煙霧濃度。

一、測試系統(tǒng)整體概述

由式（1.1）和式（1.2）可知煙霧量的大小以及煙霧的濃度可以通過煙霧的透光比得到。[1]

測試的環(huán)境中不可避免的存在大量干擾，而光電池的輸出為微安級別，該測試系統(tǒng)在微弱信號檢測方面選擇了鎖相放大法來檢測微弱信號。[2]

此煙霧測試系統(tǒng)由激光測試前端、信號調(diào)理模塊、控制與采集模塊、電源模塊和顯示終端組成。煙霧測試系統(tǒng)的組成如圖1.1所示。

測試系統(tǒng)有三種工作狀態(tài)：無煙采集狀態(tài)、有煙采集狀態(tài)、排煙狀態(tài)。其工作流程為：

（1）系統(tǒng)上電，進(jìn)行無煙采集。

（2）無煙采集結(jié)束，上傳數(shù)據(jù)至PC終端，導(dǎo)入測試的煙霧進(jìn)入收集煙霧的容器，待煙霧擴(kuò)散完全進(jìn)行有煙采集。

（3）有煙采集結(jié)束，上傳數(shù)據(jù)至PC終端，處理數(shù)據(jù)得到透光率，開始排煙。

（4）判斷煙霧是否排凈，如排凈繼續(xù)進(jìn)行下一次測試。

（5）測試結(jié)束，掉電。

二、硬件電路

硬件電路包括：激光測試前端、信號調(diào)理模塊、控制與采集模塊、電源模塊。

（一）激光測試前端

由可調(diào)頻激光器、光電池和前置放大模塊組成，并通過高通濾波消除暗電流的影響。

（二）信號調(diào)理模塊

由多諧振蕩模塊、信號放大模塊、鎖相放大模塊組成。多諧振蕩模塊為可調(diào)頻激光器提供穩(wěn)定的方波（此系統(tǒng)中為500Hz），并為鎖相放大模塊提供參考頻率信號。信號放大模塊將輸出信號適當(dāng)放大，并得到較大的輸入阻抗和較小的輸出阻抗。鎖相放大模塊將多諧振蕩模塊輸出的參考頻率信號與信號放大模塊的測量信號相乘，其中直流信號為有效信號，將其通過低通濾波即可削弱干擾。

（三）控制與采集模塊

由主控制器、AD轉(zhuǎn)換模塊、通信接口模塊組成，完成系統(tǒng)的整體控制和數(shù)據(jù)的傳輸，其中通信使用USB通信，AD轉(zhuǎn)換使用12位串口AD轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，主控制器采用STC89C52RC單片機(jī)。

由信號調(diào)理模塊處理后的信號作為TLC2543的輸入，在PC端給單片機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)換信號后，由單片機(jī)控制TLC2543轉(zhuǎn)換開始或結(jié)束，并將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果實時傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)緩存區(qū)。單片機(jī)不斷將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)通過USB傳輸?shù)絇C端，由PC端軟件接收并實時處理。

（四）電源模塊

使用變壓器和降壓芯片將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為+5V、±12V直流電壓，為相關(guān)芯片供電。

三、 PC終端顯示軟件

該測試系統(tǒng)使用Labview進(jìn)行PC終端軟件設(shè)計。[3]PC終端人機(jī)交互界面如圖3.1所示。

PC終端程序的功能為：控制采集和獲取數(shù)據(jù)、結(jié)果計算和統(tǒng)計分析。 本系統(tǒng)采用VISA來實現(xiàn)與USB設(shè)備的串口通信。[4]其操作流程為：

（1）進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

（2）開始進(jìn)行無煙采集，判斷無煙采集是否結(jié)束。

（3）判斷是否產(chǎn)生煙霧以及煙霧是否擴(kuò)散穩(wěn)定，如擴(kuò)散穩(wěn)定進(jìn)行有煙采集。

（4）開始進(jìn)行有煙采集，判斷有煙采集是否結(jié)束。

（5）停止采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到透光率。

（6）開始排煙，判斷煙霧是否排凈。

四、 實驗驗證

根據(jù)測試系統(tǒng)的操作流程，我們對100g秸稈的燃燒進(jìn)行了煙霧測試，得到測試結(jié)果如表4.1所示：

由式（4.2）可知該煙霧測試系統(tǒng)透光率的分辨率可以達(dá)到小于0.1%。

總結(jié)：

煙霧顆粒對光的吸收散射使光強(qiáng)衰減，該煙霧測試系統(tǒng)通過測量煙霧的透光率來衡量煙霧量的多少以及煙霧濃度。本測試系統(tǒng)通過鎖相放大法來削弱干擾，并通過51單片機(jī)和PC終端的Labview程序聯(lián)合控制數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理，最終得到煙霧的透光率，并且透光率的分辨率小于0.1%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李昆，鐘磊，張洪泉等.煙霧濃度測量方法綜述[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（2）：8-11.

[2] 劉吉超，阿地力·依米提.微弱信號檢測方法的探討[J].新疆師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013（3）：5-10.

[3] 李琳芳，賈蕓芳，李國厚等.基于Labview的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計[J].河南科技學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，43（2）：51-55.

[4] 廖傳書，黃道斌，孫丹均等.Labview與USB的直接數(shù)據(jù)通信[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（20）：4-6.

作者簡介：第一作者：陽雨妍，出生年月：1996-02-28，女，民族：漢，籍貫（精確到市）：湖南省湘潭市。當(dāng)前職務(wù)：本科生，當(dāng)前職稱：本科生，學(xué)歷：在校本科生。研究方向：精密儀器方向，單位：南京理工大學(xué)。第二作者：楊佳星，南京理工大學(xué)。第三作者：譚涌，南京理工大學(xué)。