一種便攜式大氣顆粒物種類測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)程中排放出含有大量顆粒物的煙 氣，對(duì)人們的生活環(huán)境和交通運(yùn)輸都造成了極大的影響。霧霾天氣的不斷增多，人們對(duì)空氣 質(zhì)量監(jiān)測(cè)的需求也不斷提高，要求能夠準(zhǔn)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(cè)裝置應(yīng)該具有較高的可靠性、較快的響應(yīng)時(shí)間以及易于攜帶的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的顆粒 物檢測(cè)裝置無(wú)法滿足以上要求，難以實(shí)現(xiàn)在野外對(duì)顆粒物種類的實(shí)時(shí)檢測(cè)。所以應(yīng)用新技 術(shù)、新設(shè)計(jì)研究開發(fā)新型檢測(cè)裝置是解決快速、準(zhǔn)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(jī)芯片的不斷更新，使得研究小型顆粒物測(cè)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(jì)一種便攜式顆粒物種類測(cè)定裝置，以解決野外環(huán)境下由于條件所限，大型設(shè)備無(wú) 法采集數(shù)據(jù)的問(wèn)題，進(jìn)而滿足快速準(zhǔn)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(cè)定裝置由箱體、排氣扇、光強(qiáng)檢測(cè)電路、濾波電路、放大電路在內(nèi)的光電探測(cè)器調(diào)理 電路，以MC9S08DZ60單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)采集模塊的外圍電路的設(shè)計(jì)。并利 用上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線顯示、保存等功能。本發(fā)明的有益效果是：箱體 設(shè)計(jì)巧妙實(shí)用，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的： 步驟一：不銹鋼體裝置處理； 選用長(zhǎng)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(gè)高度為300mm的鋼板余料沿接 縫焊接成一個(gè)整體，焊接完成后可以得到一個(gè)長(zhǎng)300mm、寬250mm、高300mm的無(wú)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(gè)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(diǎn) 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(fēng)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(qiáng)足夠強(qiáng)，同時(shí)使散射發(fā)生在Mie散射范疇之 內(nèi)，在本設(shè)計(jì)中所選用的是波長(zhǎng)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(cè)器； 如圖4所示，光源發(fā)出的光束通過(guò)含有待測(cè)顆粒物的測(cè)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(cè)器5,具體參數(shù)見表2。4個(gè)光電池安裝在不用于激光 束和排風(fēng)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(qiáng)檢測(cè)電路、濾波電路、放大電路在內(nèi)的光電探測(cè)器調(diào)理電路，以MC9S08DZ60單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和串行通信模塊的外圍電路的設(shè)計(jì)。
[0010] (1)選用了Maxim公司的斬波穩(wěn)零運(yùn)放ICL7650,減少放大器的零點(diǎn)漂移對(duì)電路的 影響。采用低噪聲的運(yùn)算放大器0P07對(duì)電信號(hào)進(jìn)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(hào)放大，內(nèi)附相位補(bǔ)償線路。根據(jù)A/D的 參考電壓基準(zhǔn)，在輸出端添加了兩個(gè)鉗位二極管，起到保護(hù)電路的作用。光電檢測(cè)電路如圖 5所示。
[0011] (2)采用無(wú)限增益多端反饋濾波電路（MFB)設(shè)計(jì)的一個(gè)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(jī)，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(hù)和電流限制功能的AMS1117-5. 0V正向低壓降 穩(wěn)壓器，通過(guò)此芯片可以為單片機(jī)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(guò)USB接口在不變動(dòng)單片機(jī) 和PC機(jī)的通信程序的情況下，實(shí)現(xiàn)兩者之間的串行通信。CH341T工作在異步串口通信方式 時(shí)的USB轉(zhuǎn)串口的硬件電路如圖8所示。芯片通過(guò)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(jī)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī) 的工作電壓為2. 7V-5. 5V，使用AD1-AD8共8個(gè)通道，采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)果為 0-4095。每個(gè)通道的信號(hào)幅度范圍為0-5V，每個(gè)通道設(shè)計(jì)了保護(hù)電路和濾波電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換 電路以及實(shí)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(gè)頂蓋7與箱體底面長(zhǎng)寬一致，但為了便于提攜，頂板手提處做一 個(gè)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(lái)。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(gè)20mmX20mm的矩形框，將串口 8端口引 線導(dǎo)出。
[0018] 步驟八：下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)； 把采集到的模擬電壓信號(hào)經(jīng)飛思卡爾單片機(jī)的ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，并由單片機(jī)的 串口通信模塊（SCI)，發(fā)送至筆記本電腦。其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖11所示。
[0019] 步驟九：上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)； 本設(shè)計(jì)中的上位機(jī)軟件是為了方便觀察記錄下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，采用VC++語(yǔ)言編寫 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此軟件通過(guò)串口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理，具有8個(gè)不同通道，每個(gè)通道都可 以按照通訊協(xié)議接收下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)。軟件功能如下： 1.設(shè)定不同的采樣時(shí)間（采樣時(shí)間設(shè)定范圍從l〇ms到10s之間）。
[0020] 2.實(shí)時(shí)繪制數(shù)據(jù)曲線，以便觀察采集到的信號(hào)。
[0021] 3.原始數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，以便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。
[0022] 4.查詢歷史曲線。
[0023] 上位機(jī)程序界面如圖12所示。
【附圖說(shuō)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(cè)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(cè)器，6為電路板，7為頂蓋，8為串口； 圖5是光電檢測(cè)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(jī)程序流程圖； 圖12是上位機(jī)程序界面。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 便攜式顆粒物種類測(cè)定裝置，其特征在于它包括：不銹鋼箱體、排氣扇、光強(qiáng)檢測(cè)電 路、濾波電路、放大電路在內(nèi)的光電探測(cè)器調(diào)理電路，以MC9S08DZ60單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換和信號(hào)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(cè)定裝置，其特征在于裝置通過(guò)去除部分 鋼板，折疊并將鋼板余料沿接縫焊接成一個(gè)長(zhǎng)寬高分別為300 mm、250 mm和300 mm的無(wú)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(cè)定裝置，其特征在于在箱體的任 一側(cè)面切割一個(gè)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(cè)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(cè)定裝置。主要思想是在待測(cè)顆粒物區(qū)域安裝光源和探測(cè)器，一定波長(zhǎng)的光束與大氣顆粒作用會(huì)向不同的方向發(fā)生光的散射，散射光強(qiáng)與顆粒物種類有特定的線性關(guān)系，通過(guò)處理探測(cè)器接收到的散射光強(qiáng)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(duì)于入射光的位置不同，采用后向光散射法測(cè)量顆粒物的時(shí)候可以把光源和探測(cè)器結(jié)合起來(lái)，使得安裝更方便，而且不用進(jìn)行角度調(diào)試。通過(guò)檢測(cè)儀器的發(fā)明設(shè)計(jì)表明，隨著多角度光后向散射理論的不斷發(fā)展，單片機(jī)芯片的不斷更新，使得發(fā)明小型顆粒物種類測(cè)定裝置成為可能，這在顆粒物檢測(cè)領(lǐng)域有著非常深遠(yuǎn)的意義。
【IPC分類】G01N15/00
【公開號(hào)】CN105241792
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510455492
【發(fā)明人】桑海濤, 曲芳, 周真, 孫遒, 吳娟
【申請(qǐng)人】黑龍江科技大學(xué)
【公開日】2016年1月13日
【申請(qǐng)日】2015年7月30日