摘  要： 介紹了一種基于雙光路法的煙霧測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)朗伯-比爾定律，采用雙光路法消除了溫度、濕度等環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)的影響，并結(jié)合軟件濾波算法，有效地抑制外界及傳感器自身的干擾，取得了較好的測(cè)量效果。實(shí)際測(cè)量表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、有效避免干擾，能實(shí)現(xiàn)較高精度的測(cè)量。
關(guān)鍵詞： 雙光路；朗伯-比爾定律；濾波算法；測(cè)量系統(tǒng)；煙霧測(cè)量

　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(cè)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(cè)這些煙霧顆粒，也就可以實(shí)施火災(zāi)探測(cè)。本文基于消光原理，結(jié)合相關(guān)硬軟件設(shè)計(jì)，提出一種基于雙光路的煙霧測(cè)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(cè)量煙霧濃度。
1 測(cè)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(shí)，能量在其傳播途徑上不斷地衰耗，在線性范圍內(nèi)，對(duì)于平面波，傳播途徑損耗的能量與光通過(guò)的距離成正比[2]，即：

　
　在實(shí)際應(yīng)用中通常采用如下形式：
　當(dāng)一束光在穿過(guò)煙霧場(chǎng)之后，與懸浮顆粒相互作用，強(qiáng)度會(huì)發(fā)生衰減。顆粒對(duì)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：  

2 光路設(shè)計(jì)
　利用本系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，只須測(cè)量參考光臂和測(cè)量光臂的信號(hào)強(qiáng)度的差值，即可測(cè)出煙霧衰減，通過(guò)計(jì)算就可得出煙霧濃度。系統(tǒng)采用雙光路法測(cè)量，其光路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

　本設(shè)計(jì)中激光器采用體積較小的半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)為650 nm，激光束通過(guò)分光鏡分為測(cè)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(cè)器由于光強(qiáng)限制造成的靈敏度問(wèn)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(duì)光強(qiáng)一項(xiàng)參量作為直接或間接的探測(cè)依據(jù)。傳感器采用型號(hào)為2CU68A的光電池，光電池帶有濾光片，工作波長(zhǎng)為530 nm~850 nm，峰值波長(zhǎng)為650 nm。在實(shí)際測(cè)量中，多少會(huì)有前向散射光被收集。對(duì)于小顆粒，入射光在各個(gè)方向都會(huì)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(lái)越大。對(duì)于明火燃燒的煙霧來(lái)說(shuō)，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(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
　系統(tǒng)工作時(shí)，光學(xué)部分分為測(cè)量光臂和參考光臂，通過(guò)主控制板控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)制，測(cè)量光臂和參考光臂分時(shí)照到傳感器上，實(shí)現(xiàn)分時(shí)測(cè)量。假設(shè)在沒(méi)有煙霧時(shí)，測(cè)量光臂和參考光臂的信號(hào)輸出分別為I1、I2；在有煙霧時(shí)，測(cè)量光臂和參考光臂的信號(hào)輸出分別為I3、I4，則可得出衰減系數(shù)，通過(guò)微處理器計(jì)算，即可得出煙霧濃度。
3 硬件電路設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)采用了高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的快速、精確測(cè)量，結(jié)合CAN總線穩(wěn)定、高速等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)用上位機(jī)程序?qū)y(cè)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。

　由圖可知，本電路是以美國(guó)微芯公司高性能數(shù)字處理器DSPIC30F6013為核心處理芯片，整個(gè)硬件電路主要由模擬信號(hào)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(dòng)部分組成。
　(1)模擬信號(hào)前端處理主要包括傳感器電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)、電壓信號(hào)放大、信號(hào)濾波及電壓跟隨器。本系統(tǒng)的傳感器采用型號(hào)為2CU68A的光電池，輸出信號(hào)為電流信號(hào)，通過(guò)電流變電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)放大電路對(duì)電壓信號(hào)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(lái)濾除電壓信號(hào)的高頻噪聲。電壓跟隨器采用LM358運(yùn)放，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和前端模擬信號(hào)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(guò)自帶的I2C總線接口實(shí)現(xiàn)與ADS1110的連接。ADS1110通過(guò)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(gè)ADS1110，通過(guò)I2C地址實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS1110的識(shí)別。ADS1110只能作為從機(jī)，其I2C地址是1001aaa，其中aaa是出廠時(shí)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(cè)試。DSPIC30F6013主控芯片通過(guò)串口TXD、RXD與MAX232的相應(yīng)管腳相連，DSPIC30F6013主控芯片把實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)，PC機(jī)客戶端軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析、計(jì)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(guó)微芯公司的MCP2551，把CAN控制器生成的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成為適合CAN總線傳輸(差分輸出)的信號(hào)。MCP2551采用差分總線，具有很強(qiáng)的抗噪特性，支持1 Mb/s的運(yùn)行速率，可連接節(jié)點(diǎn)高達(dá)112個(gè)。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(hào)由MCP2551轉(zhuǎn)換成適合CAN總線傳輸(差分輸出)的信號(hào)[5]，其兩個(gè)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(dòng)芯片采用ULN2803，其驅(qū)動(dòng)負(fù)載電流為500 mA，驅(qū)動(dòng)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(hào)按照35BYJ46型四相八拍永磁式步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁順序進(jìn)行信號(hào)分配，信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路功率放大后，再與步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)勵(lì)磁線圈的引腳相連，即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量光路和參考光路的切換。
4 軟件設(shè)計(jì)
　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(jì)流程如圖4所示。由圖可知，DSPIC30F6013先對(duì)自身進(jìn)行初始化。首先，對(duì)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(bào)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(duì)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(kāi)始采集數(shù)據(jù)，先對(duì)參考光臂進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，然后對(duì)測(cè)量光臂進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集。對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理采用濾波算法，連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)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(diǎn)，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(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)處理完畢后，通過(guò)CAN總線發(fā)送至CAN總線其他節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)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(duì)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(jì)。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(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)操作界面，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)故障報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)情況顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印報(bào)表及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。
　本文利用了雙光路法的抗干擾、抗溫漂等特點(diǎn)，結(jié)合CAN總線、RS232等總線數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙光路法煙霧測(cè)量系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了雙光路煙霧測(cè)量系統(tǒng)的原理、硬件電路及軟件設(shè)計(jì)。由于本系統(tǒng)只使用了一個(gè)傳感器，一個(gè)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(shí)現(xiàn)了較好的測(cè)量效果。
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