摘 要 基于化学发光原理，应用PMT光子探头，通过嵌入式单片机实现微量级氮氧化物自动检测。MCU采用模糊算法，完成仪器关键部件的温度恒定，得以实现空气中ppb级氮氧化物的自动检测。
【关键词】PMT 暗脉冲数 化学发光法 半导体制冷 模糊算法
嵌入式32位高性价比单片机的迅猛发展，方便廉价的开发环境和仿真工具，丰富的外围功能模块，强大的数据处理能力，使得这类单片机在高端仪器仪表行业的应用，得以展开和普及。
本文介绍NOx自动监测仪的嵌入式设计和应用，用一颗SMT32F103VET6实现仪器的人机交互、界面、运行控制与监测、100MHz高速计数器、数据处理与外部通信等全部功能；大幅简化硬件电路，提高不间断运行稳定性，降低故障率。
1 仪器硬件系统
NOx自动监测仪是基于化学发光法（NO+O3=NO2+hv*），实现ppb级空气NOx浓度监测。仪器内置O3发生器， O3过滤器。用滨松的单光子计数探头检测微弱光，用半导体制冷技术将PMT冷却恒温到5度，抑制其暗脉冲数和温漂。采样气体和O3在真空泵的作用下进入反应室，用质量流量计监控气流量，并监测反应室负压，保障仪器不间断运行和故障监控与处理；反应室恒温加热以稳定反应环境；排气O3分解装置，保护泵和降低排气污染；用气路微孔稳定进气；内置钼还原室，实现NO2检测，在310度实现Mo+NO2=MoO2+NO反应，通过三通电磁阀切换气路，即实现NO2的检测。进气采用Nafion除湿管，无污染地大幅降低样品含水量；用聚四氟滤膜滤除样品灰尘。仪器气路与光路硬件系统组成见图1。
针对仪器性能的电路硬件系统配置如表1。
2 NO、NO2、NOX测量与气路切换控制
图中采样气体通过三通阀直接进入反应室，测量的是NO浓度；经过钼室进入反应室，测量的是NOX浓度，三种气体浓度的关系是NOX−NO=NO2。由此，仪器可同时监测三种气体浓度，也可单独监测NOX或NO浓度。在同时监测时，电磁阀切换后延时2～4秒的气路稳定时间，再进行浓度检测。
3 温度控制算法与异常处理
20KHz的PWM连续电压调节控制PMT制冷，1～2秒周期PWM控制反应室加热，温控精度优于±0.2度。PWM调功方式控制加热钼室310度，控温精度优于±2度。三处温度控制采用经验模糊算法：采样温度与设定值温差分a、b、c档，且a 4 100MHz光子计数器的实现 所用MCU计数器上限在27MHz左右，对PMT光子信号4分频后进入MCU，用内部计数器完成100MHz高速计数；对分频输出的上升和下降沿，均用独立计数，实际分频系数V=2。用内部定时器中断接口输出信号捕获计数器。计数值计算公式F=（（N1*65536+A2﹣A1）+ （N2*65536+B2﹣B1））*V；其中，F为每周期内PMT脉冲信号的计数值，N1/2为计数器A/B溢出中断次数，A2、B2为本周期捕获的计数值，A1、B1 上周期捕获的计数值，V分频系数。 5 数字滤波算法与快速反应的实现 为滤除PMT噪声，对计数值数组Fi进行长滤波计算：f=/（n−m）；其中，f为滤波计算结果，n为滤波数组长度（n取100～160），m为对称去掉极值总数（m取约n/10的偶数）。从算法可知，f的稳定性和快速性是一对矛盾，高稳定和精度是牺牲仪器的反应速度为代价，反之亦然。对于缓慢浓度变化的气体监测，算法比较贴合实际；而较高浓度被测气体标定仪器时，需另采用同一波算法的短滤波计算，短滤波数组的长度约为n/10，使仪器标定时间缩短到20分钟以内。切换算法的依据是长短滤波结果差值Δf的大小。 6 结语 NOX自动监测仪器的性能 最低分辨力2ppb，24小时漂移小于5ppb，量程0～2000ppb，灵敏度1.5字/ppb良好的线性分辨力，满足环境空气自动监测要求。 参考文献 [1][日]久米主编，英浩翻译，曾治槐，席与霖，张省吾.光电倍增管基础及应用，1995（08）. [2]主编[日]谷萩隆嗣，王友功译，薛培鼎校.数字滤波器与信号处理，2003.09（01）. 作者单位 大连理工大学 软件学院 辽宁省大连市 116600