摘? 要: 介紹了利用單片機構成測量煙道SO2濃度的在線監(jiān)測儀的研制情況。該監(jiān)測儀采用氘燈作光源，旋轉光柵式單色儀進行分光，光電倍增管作探測器，控制系統(tǒng)采用STD總線結構雙CPU設計，實現(xiàn)了煙道中SO2含量的實時監(jiān)測。
關鍵詞：? 儀器儀表? 在線檢測? 單片機? STD總線??
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城市空氣污染的主要來源是工業(yè)排放和機動車尾氣排放的二氧化硫(SO2)、氮氧化物(主要是NO和NO2)和總懸浮物(TSP)等。而城市各類工業(yè)煙囪和生活煙囪是排放SO2的主要污染源。因此，實時監(jiān)測煙囪SO2的排放情況，對于污染物總量控制、消除危害和改善環(huán)境有著重要意義。
本監(jiān)測儀采用光學方法，即利用SO2在300nm附近的特征吸收光譜，采用差分光學吸收濃度反演算法，對測量到的吸收光譜進行濃度計算。
1 原理與方法
光譜法測量污染氣體濃度是利用光在氣體中傳播時氣體分子對光的吸收特性。在一定條件下，氣體分子對光的吸收遵循朗伯-比爾定律。當光通過氣體時，有一部分被吸收，吸光度與氣體分子濃度及氣層厚度的乘積成正比。不同氣體分子對光的特征吸收是不一樣的。SO2有三個特征吸收帶，第一吸收帶為430～400nm光譜區(qū)，第二吸收帶為240～330nm光譜區(qū)，第三吸收帶為210～240nm光譜區(qū)。這里選用SO2在300nm附近的紫外特征吸收光譜，如圖1所示。通過測量煙氣中SO2的特征吸收光譜，利用濃度反演算法，計算出煙氣中SO2的濃度。
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根據朗伯-比爾定律，物質對光的吸收度與物質的吸收系數(shù)和濃度成正比，即:
A是吸光度，I0是入射光強，I是透射光強，L是吸收池光路長度，c是樣品的濃度，ε是摩爾吸光系數(shù)，ε與入射光的波長以及吸光物質的性質有關。
在實際應用中為了方便運算，將式(1)變換成式(2):
式(2)中，I0(λ)是光源強度，I(λ)是通過長度為L的吸收池后的光強度，c是氣體分子的濃度，σ(λ)是氣體分子在波長λ處的吸收截面，σ(x)可以在實驗室精確測量，D是氣體分子的光學密度。所以，氣體分子的濃度c可以通過測量I0(λ)/I(λ)的比值計算出。
實際測量時，由于樣品池中存在氣體分子，光源強度I0(λ)比較難以確定，故采用差分吸收的方法來解決這一問題，即測量特征吸收譜線峰和谷的值，利用相應的算法，求出SO2的濃度。
同時，利用壓差傳感器和溫度探頭測量煙道中靜壓力、動壓力和煙氣的溫度，根據這些參數(shù)通過公式(3)可以計算出煙氣的密度、流速和流量，知道流量后再根據SO2的濃度計算出污染物的總排放量。
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其中，Q為煙氣流量，S為煙道的截面，V為煙氣的流速，Ba為大氣壓力，Ps為煙氣靜壓力，T為煙氣溫度，Xsw為含濕量。
煙道SO2含量在線監(jiān)測儀裝置工作原理如圖2。
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煙氣由標準皮托管采樣，通過過濾器去除煙氣中灰塵，再經過冷凝器去除煙氣中的水汽，然后送入紫外吸收池。氘燈發(fā)出的寬帶光譜經石英透鏡準直后透過吸收池，被氣體吸收后照射到光譜儀的入射狹縫上，經光柵分光，在出射狹縫處由光電倍增管接收光譜信號，光電倍增管輸出的信號經前置放大器放大后送入高速信號采集單元。信號采集和處理單元將該信號數(shù)字化并存在存儲器中，在數(shù)據分析和處理中采用硬件和軟件平均濾波技術，然后由系統(tǒng)總控制單元采用適當?shù)乃惴▽ζ溥M行處理，得到SO2濃度、煙氣溫度、燃燒率等信息。系統(tǒng)總控制單元除完成數(shù)據處理工作以外，還擔負著包括數(shù)據存儲、LED顯示、PC遠程數(shù)據傳輸和控制等工作。
2 硬件系統(tǒng)設計
考慮到測量環(huán)境是在工廠企業(yè)，對于測量系統(tǒng)的抗干擾性和機械強度要求較高，在硬件電路系統(tǒng)設計時采用STD總線結構，模塊化設計。硬件系統(tǒng)由主控模板、I/O模板、信號采集處理模板、前置放大模板構成，通過STD總線與母板相連接，具有高可靠性、高抗干擾能力和高穩(wěn)定性。
其中，儀器采用特殊的光譜儀，將光柵由步進電機驅動正弦機構或凸輪進行波長掃描改為勻速電機直接驅動光柵同心旋轉進行波長掃描，從而克服了機械傳動帶來的誤差與不穩(wěn)定性，縮短了測量周期，完成280～330nm波段SO2吸收光譜的測量只要10ms，滿足了實時測量光譜的需要。探測采用側窗式光電倍增管，靈敏度高，解決了弱光信號在線實時測量既要求測量周期短又要求靈敏度高的問題。
2.1 數(shù)據采集處理模板
根據吸收光譜光電信號特征和采樣頻率的要求，設計的數(shù)據采集處理模板組成原理如圖3所示。該模板設計是以AT89C52微處理器為核心構成STD總線結構的分機系統(tǒng)，完成對SO2吸收光譜測量信號的采集處理和SO2的濃度計算，并且對溫度、壓力和O2的信號進行處理，結果通過STD總線接口送處理機模板，通過I/O接口模板輸出、顯示、打印。
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2.2 數(shù)據采集電路
光電倍增管的輸出信號經過前置放大送到數(shù)據采集處理模板。經程控放大器AD526放大，送入A/D。A/D轉換芯片選用MAXIM公司生產的MAX120，其片內有跟蹤保持電路(T/H)和低漂移電壓基準，而且轉換速度快、功耗低。采用了標準的微處理器(μP)接口，三態(tài)數(shù)據輸出可直接與12位數(shù)據總線連接。訪問數(shù)據和在線釋放的時序特性參數(shù)允許在不插入等待狀態(tài)的情況下與大多數(shù)微處理器兼容。
系統(tǒng)設計中采用MAX120工作方式2，它是一種獨立工作方式(MODE=開路，/RD=/CS=DGND)，電路連接圖如圖4所示。在這種方式下，MAX120能直接與FIF0緩沖器相連或通過DMA口直接與存儲器相連，由/CONVST引腳上的下降沿啟動一次轉換，數(shù)據輸出端總是開放的。當/INT、/BUSY引腳電平的上升沿指示轉換結束時，數(shù)據端上的數(shù)據就得到更新。因為A/D的數(shù)據端總有數(shù)據，所以用74HC245雙向三態(tài)八總線收發(fā)器進行總線隔離。
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在數(shù)據轉換過程中，CPU只負責轉換電路的啟動和檢測一幀數(shù)據轉換是否結束，中間無需CPU干預，使對CCD一幀數(shù)據的轉換由邏輯控制電路自動完成。A/D一次采樣工作過程為:①接收光耦同步采集信號;②驅動A/D轉換;③單片機查詢是否轉換完成;④讀出數(shù)據，存入存儲器。
2.3 數(shù)據板與STD總線的通訊
數(shù)據采集模板與STD總線的連接控制使用一片74LS125總線驅動器和兩片74LS373等來實現(xiàn)。74LS373是透明D型鎖存器，即當允許端G是高電平時，Q輸出數(shù)據D并被鎖存。當輸出控制端(/OE，1腳)接低電平時(在一般硬件系統(tǒng)中/OE接地)，數(shù)據輸出，當/OE端接高電平時輸出為高阻態(tài)。由于輸出可提供高阻抗的第三態(tài)，所以在總線系統(tǒng)結構中不需另外加接口和上拉部件，74LS373可以直接連接到總線上并驅動總線。在高阻狀態(tài)下輸出端的狀態(tài)由其它電路的輸出狀態(tài)決定。其8位寄存器的特點是可驅動大電容或低阻抗的負載，因此，74LS373作為緩沖寄存器、I/O通道、總線驅動器及工作寄存器是完全可以的。地址分配由GAL16V8B編程實現(xiàn)。
下面介紹應用74LS373實現(xiàn)A/D轉換模板與STD總線數(shù)據傳輸?shù)倪^程。
A/D——STD:
① 8031把數(shù)據輸入373，P1.3=0，同時使P1.5=0。
② STD讀狀態(tài)74LS125，D0=0，則讀373;D0=1，則不執(zhí)行讀操作。
?、?讀數(shù)據時，使P1.5=1，8031檢測到數(shù)據被取走，返回①。
STD——A/D:
?、?STD把數(shù)據輸入373 ，并使P1.6=0。
?、?8031檢測P1.6，P1.6=0，8031執(zhí)行讀操作，把數(shù)據取走，并使P1.6=0;P1.6=1，不執(zhí)行讀操作。
?、?STD讀74LS125，D0=0等待;D0=1，返回①。
2.4 氧氣測量電路
煙道中氧氣含量的測量是為了知道燃煤的燃燒率，從而控制燃煤的投入量。我們使用HT-OIG型氧氣傳感器，它是采用穩(wěn)定的氧化鋯固體電解質材料制作成的一種界限電流式氧敏元件。它具有選擇性好、工作穩(wěn)定、響應和恢復速度快、無需基準氣體等特點。
根據氧傳感器的工作原理，設計的應用電路如圖5所示。其中MC1413是基準源，為氧傳感器提供輔助的電源。運算放大器OP27用來進行電流/電壓轉換，AD620對信號放大調整。
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3 控制軟件流程???
由于測量系統(tǒng)中有較多運算公式，而且公式中有的系數(shù)很大，有的系數(shù)卻很小，因此本系統(tǒng)軟件在數(shù)值計算上采用多字節(jié)、浮點數(shù)運算。整個系統(tǒng)軟件是模塊化設計，主要由主程序、數(shù)據采樣子程序、數(shù)據處理子程序、采集參數(shù)設定子程序、顯示子程序、打印子程序、標定子程序等組成。主程序完成對整個系統(tǒng)工作管理任務，包括初使化程序、鍵盤/顯示管理程序等;數(shù)據采集子程序配合系統(tǒng)硬件實現(xiàn)對被測信號的采集;數(shù)據處理子程序包括對采樣數(shù)據異常值剔除程序、譜線平移程序、數(shù)值計算程序;參數(shù)設定子程序用于輸入采樣參數(shù)(煙道截面積、各種調整參數(shù));打印子程序和顯示子程序分別用來打印和顯示設定、測量、計算的數(shù)值等。
煙道SO2含量在線監(jiān)測儀是光機電一體的高技術產品。采用國家環(huán)保局及美國環(huán)境保護組織(USEPA)推薦的紫外差分吸收光譜法，建立適合于監(jiān)測的濃度反演算法，去除其它氣體成份以及光源強度等變化對測量的影響，精確得到SO2氣體濃度。采用STD總線結構的自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了煙道排放SO2在線實時自動監(jiān)測。
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參考文獻
1 S.M. Ahmed and V. Kumar. Quantitative photoabsorption and fluorescence spectroscopy of SO2 at 188-231
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2 何立民. 單片機應用系統(tǒng)設計. 北京:北京航空航天大學出版社， 1995
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4 HAMAMATSU 光電倍增管-基礎和應用，1993