嵌入式單片機在NOx自動檢測儀器中的應(yīng)用

班崟峰

摘 要 基于化學發(fā)光原理，應(yīng)用PMT光子探頭，通過嵌入式單片機實現(xiàn)微量級氮氧化物自動檢測。MCU采用模糊算法，完成儀器關(guān)鍵部件的溫度恒定，得以實現(xiàn)空氣中ppb級氮氧化物的自動檢測。

【關(guān)鍵詞】PMT 暗脈沖數(shù) 化學發(fā)光法 半導(dǎo)體制冷 模糊算法

嵌入式32位高性價比單片機的迅猛發(fā)展，方便廉價的開發(fā)環(huán)境和仿真工具，豐富的外圍功能模塊，強大的數(shù)據(jù)處理能力，使得這類單片機在高端儀器儀表行業(yè)的應(yīng)用，得以展開和普及。

本文介紹NOx自動監(jiān)測儀的嵌入式設(shè)計和應(yīng)用，用一顆SMT32F103VET6實現(xiàn)儀器的人機交互、界面、運行控制與監(jiān)測、100MHz高速計數(shù)器、數(shù)據(jù)處理與外部通信等全部功能；大幅簡化硬件電路，提高不間斷運行穩(wěn)定性，降低故障率。

1 儀器硬件系統(tǒng)

NOx自動監(jiān)測儀是基于化學發(fā)光法（NO+O3=NO2+hv*），實現(xiàn)ppb級空氣NOx濃度監(jiān)測。儀器內(nèi)置O3發(fā)生器， O3過濾器。用濱松的單光子計數(shù)探頭檢測微弱光，用半導(dǎo)體制冷技術(shù)將PMT冷卻恒溫到5度，抑制其暗脈沖數(shù)和溫漂。采樣氣體和O3在真空泵的作用下進入反應(yīng)室，用質(zhì)量流量計監(jiān)控氣流量，并監(jiān)測反應(yīng)室負壓，保障儀器不間斷運行和故障監(jiān)控與處理；反應(yīng)室恒溫加熱以穩(wěn)定反應(yīng)環(huán)境；排氣O3分解裝置，保護泵和降低排氣污染；用氣路微孔穩(wěn)定進氣；內(nèi)置鉬還原室，實現(xiàn)NO2檢測，在310度實現(xiàn)Mo+NO2=MoO2+NO反應(yīng)，通過三通電磁閥切換氣路，即實現(xiàn)NO2的檢測。進氣采用Nafion除濕管，無污染地大幅降低樣品含水量；用聚四氟濾膜濾除樣品灰塵。儀器氣路與光路硬件系統(tǒng)組成見圖1。

針對儀器性能的電路硬件系統(tǒng)配置如表1。

2 NO、NO2、NOX測量與氣路切換控制

圖中采樣氣體通過三通閥直接進入反應(yīng)室，測量的是NO濃度；經(jīng)過鉬室進入反應(yīng)室，測量的是NOX濃度，三種氣體濃度的關(guān)系是NOX?NO=NO2。由此，儀器可同時監(jiān)測三種氣體濃度，也可單獨監(jiān)測NOX或NO濃度。在同時監(jiān)測時，電磁閥切換后延時2～4秒的氣路穩(wěn)定時間，再進行濃度檢測。

3 溫度控制算法與異常處理

20KHz的PWM連續(xù)電壓調(diào)節(jié)控制PMT制冷，1～2秒周期PWM控制反應(yīng)室加熱，溫控精度優(yōu)于±0.2度。PWM調(diào)功方式控制加熱鉬室310度，控溫精度優(yōu)于±2度。三處溫度控制采用經(jīng)驗?zāi)：惴ǎ翰蓸訙囟扰c設(shè)定值溫差分a、b、c檔，且a

4 100MHz光子計數(shù)器的實現(xiàn)

所用MCU計數(shù)器上限在27MHz左右，對PMT光子信號4分頻后進入MCU，用內(nèi)部計數(shù)器完成100MHz高速計數(shù)；對分頻輸出的上升和下降沿，均用獨立計數(shù)，實際分頻系數(shù)V=2。用內(nèi)部定時器中斷接口輸出信號捕獲計數(shù)器。計數(shù)值計算公式F=（（N1*65536+A2﹣A1）+ （N2*65536+B2﹣B1））*V；其中，F(xiàn)為每周期內(nèi)PMT脈沖信號的計數(shù)值，N1/2為計數(shù)器A/B溢出中斷次數(shù)，A2、B2為本周期捕獲的計數(shù)值，A1、B1 上周期捕獲的計數(shù)值，V分頻系數(shù)。

5 數(shù)字濾波算法與快速反應(yīng)的實現(xiàn)

為濾除PMT噪聲，對計數(shù)值數(shù)組Fi進行長濾波計算：f=/（n?m）；其中，f為濾波計算結(jié)果，n為濾波數(shù)組長度（n取100～160），m為對稱去掉極值總數(shù)（m取約n/10的偶數(shù)）。從算法可知，f的穩(wěn)定性和快速性是一對矛盾，高穩(wěn)定和精度是犧牲儀器的反應(yīng)速度為代價，反之亦然。對于緩慢濃度變化的氣體監(jiān)測，算法比較貼合實際；而較高濃度被測氣體標定儀器時，需另采用同一波算法的短濾波計算，短濾波數(shù)組的長度約為n/10，使儀器標定時間縮短到20分鐘以內(nèi)。切換算法的依據(jù)是長短濾波結(jié)果差值Δf的大小。

6 結(jié)語 NOX自動監(jiān)測儀器的性能

最低分辨力2ppb，24小時漂移小于5ppb，量程0～2000ppb，靈敏度1.5字/ppb良好的線性分辨力，滿足環(huán)境空氣自動監(jiān)測要求。

參考文獻

[1][日]久米主編，英浩翻譯，曾治槐，席與霖，張省吾.光電倍增管基礎(chǔ)及應(yīng)用，1995（08）.

[2]主編[日]谷萩隆嗣，王友功譯，薛培鼎校.數(shù)字濾波器與信號處理，2003.09（01）.

作者單位

大連理工大學 軟件學院 遼寧省大連市 116600

摘 要 基于化學發(fā)光原理，應(yīng)用PMT光子探頭，通過嵌入式單片機實現(xiàn)微量級氮氧化物自動檢測。MCU采用模糊算法，完成儀器關(guān)鍵部件的溫度恒定，得以實現(xiàn)空氣中ppb級氮氧化物的自動檢測。

【關(guān)鍵詞】PMT 暗脈沖數(shù) 化學發(fā)光法 半導(dǎo)體制冷 模糊算法

嵌入式32位高性價比單片機的迅猛發(fā)展，方便廉價的開發(fā)環(huán)境和仿真工具，豐富的外圍功能模塊，強大的數(shù)據(jù)處理能力，使得這類單片機在高端儀器儀表行業(yè)的應(yīng)用，得以展開和普及。

本文介紹NOx自動監(jiān)測儀的嵌入式設(shè)計和應(yīng)用，用一顆SMT32F103VET6實現(xiàn)儀器的人機交互、界面、運行控制與監(jiān)測、100MHz高速計數(shù)器、數(shù)據(jù)處理與外部通信等全部功能；大幅簡化硬件電路，提高不間斷運行穩(wěn)定性，降低故障率。

1 儀器硬件系統(tǒng)

NOx自動監(jiān)測儀是基于化學發(fā)光法（NO+O3=NO2+hv*），實現(xiàn)ppb級空氣NOx濃度監(jiān)測。儀器內(nèi)置O3發(fā)生器， O3過濾器。用濱松的單光子計數(shù)探頭檢測微弱光，用半導(dǎo)體制冷技術(shù)將PMT冷卻恒溫到5度，抑制其暗脈沖數(shù)和溫漂。采樣氣體和O3在真空泵的作用下進入反應(yīng)室，用質(zhì)量流量計監(jiān)控氣流量，并監(jiān)測反應(yīng)室負壓，保障儀器不間斷運行和故障監(jiān)控與處理；反應(yīng)室恒溫加熱以穩(wěn)定反應(yīng)環(huán)境；排氣O3分解裝置，保護泵和降低排氣污染；用氣路微孔穩(wěn)定進氣；內(nèi)置鉬還原室，實現(xiàn)NO2檢測，在310度實現(xiàn)Mo+NO2=MoO2+NO反應(yīng)，通過三通電磁閥切換氣路，即實現(xiàn)NO2的檢測。進氣采用Nafion除濕管，無污染地大幅降低樣品含水量；用聚四氟濾膜濾除樣品灰塵。儀器氣路與光路硬件系統(tǒng)組成見圖1。

針對儀器性能的電路硬件系統(tǒng)配置如表1。

2 NO、NO2、NOX測量與氣路切換控制

圖中采樣氣體通過三通閥直接進入反應(yīng)室，測量的是NO濃度；經(jīng)過鉬室進入反應(yīng)室，測量的是NOX濃度，三種氣體濃度的關(guān)系是NOX?NO=NO2。由此，儀器可同時監(jiān)測三種氣體濃度，也可單獨監(jiān)測NOX或NO濃度。在同時監(jiān)測時，電磁閥切換后延時2～4秒的氣路穩(wěn)定時間，再進行濃度檢測。

3 溫度控制算法與異常處理

20KHz的PWM連續(xù)電壓調(diào)節(jié)控制PMT制冷，1～2秒周期PWM控制反應(yīng)室加熱，溫控精度優(yōu)于±0.2度。PWM調(diào)功方式控制加熱鉬室310度，控溫精度優(yōu)于±2度。三處溫度控制采用經(jīng)驗?zāi)：惴ǎ翰蓸訙囟扰c設(shè)定值溫差分a、b、c檔，且a

4 100MHz光子計數(shù)器的實現(xiàn)

所用MCU計數(shù)器上限在27MHz左右，對PMT光子信號4分頻后進入MCU，用內(nèi)部計數(shù)器完成100MHz高速計數(shù)；對分頻輸出的上升和下降沿，均用獨立計數(shù)，實際分頻系數(shù)V=2。用內(nèi)部定時器中斷接口輸出信號捕獲計數(shù)器。計數(shù)值計算公式F=（（N1*65536+A2﹣A1）+ （N2*65536+B2﹣B1））*V；其中，F(xiàn)為每周期內(nèi)PMT脈沖信號的計數(shù)值，N1/2為計數(shù)器A/B溢出中斷次數(shù)，A2、B2為本周期捕獲的計數(shù)值，A1、B1 上周期捕獲的計數(shù)值，V分頻系數(shù)。

5 數(shù)字濾波算法與快速反應(yīng)的實現(xiàn)

為濾除PMT噪聲，對計數(shù)值數(shù)組Fi進行長濾波計算：f=/（n?m）；其中，f為濾波計算結(jié)果，n為濾波數(shù)組長度（n取100～160），m為對稱去掉極值總數(shù)（m取約n/10的偶數(shù)）。從算法可知，f的穩(wěn)定性和快速性是一對矛盾，高穩(wěn)定和精度是犧牲儀器的反應(yīng)速度為代價，反之亦然。對于緩慢濃度變化的氣體監(jiān)測，算法比較貼合實際；而較高濃度被測氣體標定儀器時，需另采用同一波算法的短濾波計算，短濾波數(shù)組的長度約為n/10，使儀器標定時間縮短到20分鐘以內(nèi)。切換算法的依據(jù)是長短濾波結(jié)果差值Δf的大小。

6 結(jié)語 NOX自動監(jiān)測儀器的性能

最低分辨力2ppb，24小時漂移小于5ppb，量程0～2000ppb，靈敏度1.5字/ppb良好的線性分辨力，滿足環(huán)境空氣自動監(jiān)測要求。

參考文獻

[1][日]久米主編，英浩翻譯，曾治槐，席與霖，張省吾.光電倍增管基礎(chǔ)及應(yīng)用，1995（08）.

[2]主編[日]谷萩隆嗣，王友功譯，薛培鼎校.數(shù)字濾波器與信號處理，2003.09（01）.

作者單位

大連理工大學 軟件學院 遼寧省大連市 116600

摘 要 基于化學發(fā)光原理，應(yīng)用PMT光子探頭，通過嵌入式單片機實現(xiàn)微量級氮氧化物自動檢測。MCU采用模糊算法，完成儀器關(guān)鍵部件的溫度恒定，得以實現(xiàn)空氣中ppb級氮氧化物的自動檢測。

【關(guān)鍵詞】PMT 暗脈沖數(shù) 化學發(fā)光法 半導(dǎo)體制冷 模糊算法

嵌入式32位高性價比單片機的迅猛發(fā)展，方便廉價的開發(fā)環(huán)境和仿真工具，豐富的外圍功能模塊，強大的數(shù)據(jù)處理能力，使得這類單片機在高端儀器儀表行業(yè)的應(yīng)用，得以展開和普及。

本文介紹NOx自動監(jiān)測儀的嵌入式設(shè)計和應(yīng)用，用一顆SMT32F103VET6實現(xiàn)儀器的人機交互、界面、運行控制與監(jiān)測、100MHz高速計數(shù)器、數(shù)據(jù)處理與外部通信等全部功能；大幅簡化硬件電路，提高不間斷運行穩(wěn)定性，降低故障率。

1 儀器硬件系統(tǒng)

NOx自動監(jiān)測儀是基于化學發(fā)光法（NO+O3=NO2+hv*），實現(xiàn)ppb級空氣NOx濃度監(jiān)測。儀器內(nèi)置O3發(fā)生器， O3過濾器。用濱松的單光子計數(shù)探頭檢測微弱光，用半導(dǎo)體制冷技術(shù)將PMT冷卻恒溫到5度，抑制其暗脈沖數(shù)和溫漂。采樣氣體和O3在真空泵的作用下進入反應(yīng)室，用質(zhì)量流量計監(jiān)控氣流量，并監(jiān)測反應(yīng)室負壓，保障儀器不間斷運行和故障監(jiān)控與處理；反應(yīng)室恒溫加熱以穩(wěn)定反應(yīng)環(huán)境；排氣O3分解裝置，保護泵和降低排氣污染；用氣路微孔穩(wěn)定進氣；內(nèi)置鉬還原室，實現(xiàn)NO2檢測，在310度實現(xiàn)Mo+NO2=MoO2+NO反應(yīng)，通過三通電磁閥切換氣路，即實現(xiàn)NO2的檢測。進氣采用Nafion除濕管，無污染地大幅降低樣品含水量；用聚四氟濾膜濾除樣品灰塵。儀器氣路與光路硬件系統(tǒng)組成見圖1。

針對儀器性能的電路硬件系統(tǒng)配置如表1。

2 NO、NO2、NOX測量與氣路切換控制

圖中采樣氣體通過三通閥直接進入反應(yīng)室，測量的是NO濃度；經(jīng)過鉬室進入反應(yīng)室，測量的是NOX濃度，三種氣體濃度的關(guān)系是NOX?NO=NO2。由此，儀器可同時監(jiān)測三種氣體濃度，也可單獨監(jiān)測NOX或NO濃度。在同時監(jiān)測時，電磁閥切換后延時2～4秒的氣路穩(wěn)定時間，再進行濃度檢測。

3 溫度控制算法與異常處理

20KHz的PWM連續(xù)電壓調(diào)節(jié)控制PMT制冷，1～2秒周期PWM控制反應(yīng)室加熱，溫控精度優(yōu)于±0.2度。PWM調(diào)功方式控制加熱鉬室310度，控溫精度優(yōu)于±2度。三處溫度控制采用經(jīng)驗?zāi)：惴ǎ翰蓸訙囟扰c設(shè)定值溫差分a、b、c檔，且a

4 100MHz光子計數(shù)器的實現(xiàn)

所用MCU計數(shù)器上限在27MHz左右，對PMT光子信號4分頻后進入MCU，用內(nèi)部計數(shù)器完成100MHz高速計數(shù)；對分頻輸出的上升和下降沿，均用獨立計數(shù)，實際分頻系數(shù)V=2。用內(nèi)部定時器中斷接口輸出信號捕獲計數(shù)器。計數(shù)值計算公式F=（（N1*65536+A2﹣A1）+ （N2*65536+B2﹣B1））*V；其中，F(xiàn)為每周期內(nèi)PMT脈沖信號的計數(shù)值，N1/2為計數(shù)器A/B溢出中斷次數(shù)，A2、B2為本周期捕獲的計數(shù)值，A1、B1 上周期捕獲的計數(shù)值，V分頻系數(shù)。

5 數(shù)字濾波算法與快速反應(yīng)的實現(xiàn)

為濾除PMT噪聲，對計數(shù)值數(shù)組Fi進行長濾波計算：f=/（n?m）；其中，f為濾波計算結(jié)果，n為濾波數(shù)組長度（n取100～160），m為對稱去掉極值總數(shù)（m取約n/10的偶數(shù)）。從算法可知，f的穩(wěn)定性和快速性是一對矛盾，高穩(wěn)定和精度是犧牲儀器的反應(yīng)速度為代價，反之亦然。對于緩慢濃度變化的氣體監(jiān)測，算法比較貼合實際；而較高濃度被測氣體標定儀器時，需另采用同一波算法的短濾波計算，短濾波數(shù)組的長度約為n/10，使儀器標定時間縮短到20分鐘以內(nèi)。切換算法的依據(jù)是長短濾波結(jié)果差值Δf的大小。

6 結(jié)語 NOX自動監(jiān)測儀器的性能

最低分辨力2ppb，24小時漂移小于5ppb，量程0～2000ppb，靈敏度1.5字/ppb良好的線性分辨力，滿足環(huán)境空氣自動監(jiān)測要求。

參考文獻

[1][日]久米主編，英浩翻譯，曾治槐，席與霖，張省吾.光電倍增管基礎(chǔ)及應(yīng)用，1995（08）.

[2]主編[日]谷萩隆嗣，王友功譯，薛培鼎校.數(shù)字濾波器與信號處理，2003.09（01）.

作者單位

大連理工大學 軟件學院 遼寧省大連市 116600