七波段黑碳气溶胶监测仪的设计与实现

黑碳气溶胶是大气气溶胶的一种重要组成成分，主要是含碳物质不完全燃烧产生的不定型碳质。

位于热带地区和东亚的发展中国家已成为黑碳最大碳斟“。

黑碳气溶胶在大气气溶胶成分中所占的比例较小，在大气中浓度也较低，但它对气候和大气环境的影响却不容忽视。

黑碳气溶胶能吸收从可见光到红外波段的辐射，部分研究认为其是造成全球变暖的一个潜在因子。

黑碳气溶胶既可以通过直接气候效应改变地一气系统的辐射平衡，又可以作为云凝结成冰核改变云的微物理特性，间接影响区域或全球气候旧。

1。

因此，长期连续监测黑碳气溶胶十分必要，大气中的黑碳气溶胶也越来越受到关注，已经成为当前国际大气化学研究的热点之一。

1测量原理
黑碳气溶胶监测仪除了使用850hill光源外，还配备了6种辅助光源，以便分析黑碳气溶胶的来源分布和理化特性。

监测仪的原理基于光学衰减法，利用黑碳气溶胶对可见到红外波段范围内的强吸光特性。

以恒定韵流速把样气抽进气体监测室，经滤纸过滤后，黑碳颗粒附着在透光均匀的石英纤维滤纸上，每隔1个时问周期，仪器开／关测量各波段光源1次，分别测量透过滤纸的气溶胶采样区和空白参考区的光强，如图l所示。

随着黑碳量的增加，透过气溶胶样品滤纸的光强将减少，对应的光衰减量则增大，如式(1)所示：41：
2系统总体设计
黑碳监测仪总体设计如图2所示。

系统采用威纶触摸屏为监测仪操作界面，提供远程Pc网络监控功能，历史数据可本地或网络导出。

数据采集采用20位精密、宽动态范围电荷模数转换器DDCl01，检测透过空白滤纸、样品滤纸的光强，以及温度、流量数据。

根据运算、重要数据断电不丢失的需要，系统还扩展了外部RAM和EEPROM。

3系统硬件设计
3．1气路相关设计黑碳监测仪的气路是整个系统工作的基础，其结构如图3所示。

系统开机后抽气泵即开始工作，通过质量流量控制器使流量稳定在一定范围内，气体匀速通过石英滤纸并沉积黑碳在滤纸上，以供监测。

质量流量控制器选
用D07-7B型5L质量流量控制器，其稳定有一个过程，
同时出于节省滤纸的需要，当系统在进行光源校准等不需要黑碳在滤纸上沉积的工作时，打开旁路电磁阀，切换气路。

光学探测系统采用双探测器分别检测通过空白滤纸和样品滤纸的光强。

流量计的设定通过12位数模转换芯片MAX531实现，控制电压范围为0—5V。

走卷纸机构设计使系统在黑碳沉积达到一定量时更换新滤纸。

3．2信号采集电路设计信号采集中由于光电探测器的电流非常微弱，弱电流测量中最主要的部分是对弱电流信号的，放大，常用的实现方法有跨阻放大器、积分放大器和I-F变换器。

跨阻放大器电路的缺点是对噪声干扰非常敏感，不能测量一段时间内的累积输出电荷；积分放大器电路适合于测量缓慢变化的信号，电路存在死时间，会丢失部分电荷信息；I-F变换器电路设计复杂，稳定性、一致性较差瞪]。

为克服传统弱电流放大方法存在的不足，实现弱小光电流信号的精确测量，系统采用了电荷积分型模数转换芯片DDCl01。

信号采集单元是系统的一个重要组成部分，DDCl01不但完成光信号的测量，同时也将流量反馈信号、温度信号转换成数字信号。

DDCl01芯片采用串行的方式与单片机进行通讯，其接口电路设计如图4所示。

芯片采用2MHz有源晶振提供时钟信号，该时钟信号也作为双BCD同步计数器HC4518(两片级连)计数信号，后接双精密单稳多谐振荡器HCA538，提供低电平100p,s、高电平2500p,s的方波。

该方波即DDCl01的FDS信号，其有效持续信号小于过采样时间，为连续积分模式Mj，FDS信号用于启动DDCl01进行信号测量与数据转换。

在数据转换完成后，DVALID跳变为低电平，单片机在收到该信号后，首先控制D—TX信号为低电平，DVALID即恢复为高电平，再读取转换后的数据。

数据读取完成后，再置D_TX为高电平。

为同时实现光强、流量反馈与温度信号的测量，采用DG442进行4选1分时桥接到DDCl01的AIN输入端。

其中温敏电阻与流量反馈的信号较强，分别采用了分流与限流措施。

3．3触摸屏设计触摸屏是一种新型的人机交互设备，已广泛应用于工业控制系统中，为用户提供丰富友好的操作界面，使仪器操作更具人性化。

系统采用威纶MT8070iH2，7寸，16：9宽屏，65536色哪LCD触摸屏，分辨率800×480；内置400MHz CPU，128MB内存，提供网络与USB接口，适合系统功能要求，便于实现黑碳仪的远程集中控制与历史资料获取功能。

主控单片机通过MAX232芯片扩展了RS232接口，使之与触摸屏进行数据传输。

通讯采用Modbus协议，波特率为19200bps。

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3．4光源、电机与电磁阀驱动电路设计单片机接口不足以驱动光源、电机与电磁阀动作，同时端口数量有限，因此需要通过驱动电路来实现，这些信号分为7路，其中气泵控制信号由单片机控制外围接口芯片82C55直接给出，其他6路由82C55经反相器74LS06给出。

7路控制信号其中4路为走纸、卷纸、旁路电磁阀与气泵控制，这4路信号驱动继电器以实现相应功能；另外3路为光源控制信号，通过8选l模拟开关CIM051得到7路光源的控制信号，控制信号经7路达林顿管驱动器ULN2003驱动继电器工作，接通或断开相应LED光源。

LED 光源供电电压由12V电源经稳压模块LM317提供，LM317输出电压经精密可调电阻连接到LED灯管。

系统在首次工作前要调整可调电阻，通过观测触摸屏DDC数据，使相应光源DDC值一致，确保同一环境下多台仪器数据的一致性。

4系统软件设计
系统的软件设计分为单片机软件设计与触摸屏组态设计。

触摸屏在位于某一操作页面时会不停地通过串El以Modbus协议方式给单片机发送数据，并要求返回相应数据。

单片机在完成初始化后，将根据触摸屏发送过来的操作指令动作。

单
片机主流程姐图5所示，触摸屏软件设计通过相应的组态软件实现。

4.1循环检测程序设计
当触摸屏处于实时测量页面时，每隔1个周期要进行1次循环检测工作，即测定各光源经过空白滤纸和样品滤纸的光强以及温度、流量反馈DDC值，并把这些值保存到相应数组，根据式(5)反演出该时段的黑碳浓度平均值。

循环检测流程如图6所示。

4.2触摸屏组态触摸屏的组态是在EasyBuilder组态软件下完成的。

页面采用分级设，在主页面提供系统设置,系统测试、历史数据与实时测最4个功能按键。

系统设置里包括时间设置、冲地址设定、滤纸设置y滤纸安装等选项。

点击相应选项，系统将会跳转到相应贞面甲发送相应数据给单片机，单片机根据实际情况返回相应数据;系统测试提供光源测试、光源校准、解〔鼠测试与流量校准4个选项;数据查看分为表格数据查沂。

图形数据查看，本地数据导出到优盘与网
络远程导出到i十算机功能;实时侧量页而是系统正常工作员面。

如果开机后在一定时间内不进人其他页面，系统将会自动进人实时测量状态。

图T所示的是实时测量工作页面。

远程控制时打开浏览器窗口.输人触摸屏iP地址即可实现远程
监控功能.历史数据可从优盘或网络以GSV文件格式导出，使于进·步的分析与处理。

5系统验证
为了验证设计的正确性，将仪器与国外同款类型的仪器
（美国MAGEE公司AE31)一起进行了为期15d的数据比对实验。

实验时系统采用与AE31一致的系统光源（370,470,520,580,660,880、950nm)，将两机并排放置，使用相同的专业采样管，进气端并列系在一起.数据采集问隔为5min。

分别采用各自的算法采集数据。

数据比较结果见表1.其中在更换斑点至出数据时设计的系统需要l0min,AE.31需要15min
由表1可见,2台仪器间的数据一致性较好，随波长增加，绝对偏差减小。

系统运行稳定、设计合理、可以满足实现黑碳气溶胶长期连续监测要求，在使用、维护以及二次开发方面更方便.且系统提供了网络功能.便于连网监测。