一種便攜式大氣顆粒物種類測定裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光電檢測裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種便攜式大氣顆粒物種類測定裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)和能源燃燒過程中排放出含有大量顆粒物的煙 氣，對人們的生活環(huán)境和交通運輸都造成了極大的影響。霧霾天氣的不斷增多，人們對空氣 質(zhì)量監(jiān)測的需求也不斷提高，要求能夠準確、快速地獲得數(shù)據(jù)，并且野外環(huán)境氣候多變環(huán)境 惡劣，檢測裝置應該具有較高的可靠性、較快的響應時間以及易于攜帶的特點。傳統(tǒng)的顆粒 物檢測裝置無法滿足以上要求，難以實現(xiàn)在野外對顆粒物種類的實時檢測。所以應用新技 術(shù)、新設(shè)計研究開發(fā)新型檢測裝置是解決快速、準確的獲得顆粒物數(shù)據(jù)的主要手段。隨著多 角度光后向散射理論的不斷發(fā)展，單片機芯片的不斷更新，使得研究小型顆粒物測定裝置 成為可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于： 設(shè)計一種便攜式顆粒物種類測定裝置，以解決野外環(huán)境下由于條件所限，大型設(shè)備無 法采集數(shù)據(jù)的問題，進而滿足快速準確獲得空氣中顆粒物種類的需求。這種便攜式顆粒物 種類測定裝置由箱體、排氣扇、光強檢測電路、濾波電路、放大電路在內(nèi)的光電探測器調(diào)理 電路，以MC9S08DZ60單片機為核心實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和信號采集模塊的外圍電路的設(shè)計。并利 用上位機軟件實現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時曲線顯示、保存等功能。本發(fā)明的有益效果是：箱體 設(shè)計巧妙實用，檢測數(shù)據(jù)準確可信。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的： 步驟一：不銹鋼體裝置處理； 選用長900mm、寬850mm、高0. 8mm的不銹鋼板，如圖1所示。將該鋼板利用雙氧水去除 表面雜質(zhì)后，沿著圖2所示虛線剪掉部分鋼板，折疊并將四個高度為300mm的鋼板余料沿接 縫焊接成一個整體，焊接完成后可以得到一個長300mm、寬250mm、高300mm的無頂層不 銹鋼箱體，如圖3所示。
[0005] 步驟二：安裝排氣扇； 如圖4所示，在箱體的任一側(cè)面切割一個距離上邊沿90mm的矩形框1，矩形框1的尺 寸為200mmX200mm，將尺寸為200mmX200mmX15mm的排氣扇2安放此處，固定方法采用點 焊，可以有效增加其穩(wěn)定性，提高空氣的流通性。其中，排氣扇額定電壓是5V，額定電流小于 180mA，電源模式為USB端口供電，風扇轉(zhuǎn)速3200±10%RPM，重量為300g。
[0006] 步驟三：制作箱體隔層； 如圖4所示，在垂直距離上邊沿80mm的位置，將尺寸分別為300mmX250mm的不銹鋼板 作為隔層3焊接在箱體的內(nèi)層。
[0007] 步驟四：安裝激光束； 如圖4所示，為了保證光的后向散射光強足夠強，同時使散射發(fā)生在Mie散射范疇之 內(nèi)，在本設(shè)計中所選用的是波長為635nm的紅光激光。激光器4安裝在不同于換氣扇一側(cè) 的箱體側(cè)面，垂直距離上邊沿100mm的中心位置，激光器采用的是上海昊量光電設(shè)備有限 公司所生產(chǎn)的激光器，其參數(shù)如表1所示。
[0008] 表1激光器主要技術(shù)參數(shù)
步驟五：安裝光電探測器； 如圖4所示，光源發(fā)出的光束通過含有待測顆粒物的測量區(qū)域，發(fā)生光的散射，散射光 從顆粒物向不同方向發(fā)生散射，后向散射的光被光電傳感器接收，光電傳感器選用接收面 4. 5_X4. 5_硅光電池作為光電探測器5,具體參數(shù)見表2。4個光電池安裝在不用于激光 束和排風扇的側(cè)面，分別與激光束成〇度、30度、90度和120度角。
[0009] 表2硅光電池主要技術(shù)參數(shù)
步驟六：制作及安裝電路板； 電路板包括光強檢測電路、濾波電路、放大電路在內(nèi)的光電探測器調(diào)理電路，以MC9S08DZ60單片機為核心實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和串行通信模塊的外圍電路的設(shè)計。
[0010] (1)選用了Maxim公司的斬波穩(wěn)零運放ICL7650,減少放大器的零點漂移對電路的 影響。采用低噪聲的運算放大器0P07對電信號進行放大。0P07具有非常小的失調(diào)電壓溫 漂dU/dT(為0· 7mV/°C)和輸入失調(diào)電流溫漂dA/dT(為12pA/°C)，轉(zhuǎn)換速率低（為0· 17V/ μs)，其精度比較高，適用于直流及低速的微弱信號放大，內(nèi)附相位補償線路。根據(jù)A/D的 參考電壓基準，在輸出端添加了兩個鉗位二極管，起到保護電路的作用。光電檢測電路如圖 5所示。
[0011] (2)采用無限增益多端反饋濾波電路（MFB)設(shè)計的一個二階低通巴特沃斯濾波 器。低通濾波器的增益Κ=4,截止頻率fc=1000Hz。濾波電路如圖6所示。
[0012] (3)選用飛思卡爾其產(chǎn)品HCS08系列中的MC9S08DZ60單片機，其作為數(shù)據(jù)采集和 A/D轉(zhuǎn)換的控制芯片。
[0013] (4)選用的是AMS公司的具有熱保護和電流限制功能的AMS1117-5. 0V正向低壓降 穩(wěn)壓器，通過此芯片可以為單片機等模塊供電。電源模塊電路如圖7所示。
[0014] (5)使用的USB總線轉(zhuǎn)接芯片CH341T構(gòu)成的電路可以過USB接口在不變動單片機 和PC機的通信程序的情況下，實現(xiàn)兩者之間的串行通信。CH341T工作在異步串口通信方式 時的USB轉(zhuǎn)串口的硬件電路如圖8所示。芯片通過SCL和SDA設(shè)置芯片功能，其功能配置 如表3所示。
[0015] 表3SDA和SCL的功能配置表
(6)A/D轉(zhuǎn)換電路是利用MC9S08DZ60單片機內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊來實現(xiàn)的。單片機 的工作電壓為2. 7V-5. 5V，使用AD1-AD8共8個通道，采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)果為 0-4095。每個通道的信號幅度范圍為0-5V，每個通道設(shè)計了保護電路和濾波電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換 電路以及實際電路板如圖9、10所示。
[0016] (7)將電路板6焊接在鋼板隔層上，如圖4所示。
[0017] 步驟七：制作頂蓋，引線焊接； 如圖4所示，制作一個頂蓋7與箱體底面長寬一致，但為了便于提攜，頂板手提處做一 個凹槽，寬度為120mm，其他參數(shù)如圖4所示，與箱體邊沿采用焊接技術(shù)連接起來。利用激光 切割技術(shù)在垂直距離激光束20mm的下方，切割一個20mmX20mm的矩形框，將串口 8端口引 線導出。
[0018] 步驟八：下位機軟件設(shè)計； 把采集到的模擬電壓信號經(jīng)飛思卡爾單片機的ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，并由單片機的 串口通信模塊（SCI)，發(fā)送至筆記本電腦。其程序設(shè)計流程圖如圖11所示。
[0019] 步驟九：上位機軟件設(shè)計； 本設(shè)計中的上位機軟件是為了方便觀察記錄下位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，采用VC++語言編寫 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此軟件通過串口對數(shù)據(jù)進行接收處理，具有8個不同通道，每個通道都可 以按照通訊協(xié)議接收下位機傳送的數(shù)據(jù)。軟件功能如下： 1.設(shè)定不同的采樣時間（采樣時間設(shè)定范圍從l〇ms到10s之間）。
[0020] 2.實時繪制數(shù)據(jù)曲線，以便觀察采集到的信號。
[0021] 3.原始數(shù)據(jù)自動保存，以便后期進行數(shù)據(jù)處理和分析。
[0022] 4.查詢歷史曲線。
[0023] 上位機程序界面如圖12所示。
【附圖說明】
[0024] 圖1是不銹鋼板俯視圖； 圖2是箱體制作尺寸圖； 圖3是剪裁焊接后箱體立體圖； 圖4是便攜式顆粒物種類測定裝置立體圖，其中1為切割的矩形框，2為排氣扇，3為隔 層，4為激光束，5為探測器，6為電路板，7為頂蓋，8為串口； 圖5是光電檢測電路； 圖6是濾波電路； 圖7是供電模塊； 圖8是USB轉(zhuǎn)串口電路； 圖9是A/D轉(zhuǎn)換電路； 圖10是A/D轉(zhuǎn)換電路板； 圖11是下位機程序流程圖； 圖12是上位機程序界面。
【主權(quán)項】
1. 便攜式顆粒物種類測定裝置，其特征在于它包括：不銹鋼箱體、排氣扇、光強檢測電 路、濾波電路、放大電路在內(nèi)的光電探測器調(diào)理電路，以MC9S08DZ60單片機為核心實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換和信號采集模塊的外圍電路。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式顆粒物種類測定裝置，其特征在于裝置通過去除部分 鋼板，折疊并將鋼板余料沿接縫焊接成一個長寬高分別為300 mm、250 mm和300 mm的無頂 層不銹鋼箱體。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜式顆粒物種類測定裝置，其特征在于在箱體的任 一側(cè)面切割一個距離上邊沿90mm的矩形框，矩形框尺寸為200mmX200mm，將尺寸為 200mmX 200mmX 15mm的排氣扇安放此處。
【專利摘要】本發(fā)明涉及光電檢測裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種便攜式大氣顆粒物種類測定裝置。主要思想是在待測顆粒物區(qū)域安裝光源和探測器，一定波長的光束與大氣顆粒作用會向不同的方向發(fā)生光的散射，散射光強與顆粒物種類有特定的線性關(guān)系，通過處理探測器接收到的散射光強度信息就可以間接得到大氣顆粒物的種類。根據(jù)光電傳感器相對于入射光的位置不同，采用后向光散射法測量顆粒物的時候可以把光源和探測器結(jié)合起來，使得安裝更方便，而且不用進行角度調(diào)試。通過檢測儀器的發(fā)明設(shè)計表明，隨著多角度光后向散射理論的不斷發(fā)展，單片機芯片的不斷更新，使得發(fā)明小型顆粒物種類測定裝置成為可能，這在顆粒物檢測領(lǐng)域有著非常深遠的意義。
【IPC分類】G01N15/00
【公開號】CN105241792
【申請?zhí)枴緾N201510455492
【發(fā)明人】桑海濤, 曲芳, 周真, 孫遒, 吳娟
【申請人】黑龍江科技大學
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年7月30日