基于STM32的空氣負離子濃度測量儀設計

張家田，方履寬

（西安石油大學陜西省油氣井測控技術重點實驗室，陜西 西安 710065）

1 設計原理

空氣負離子測量儀設計原理：根據空氣離子專家Backett所推薦的Wesix平行板式空氣離子收集原理設計。通過抽風機取樣空氣，在空間電場作用下，在極板上形成微弱電壓，來進行離子濃度檢測，見圖1。

圖1 空氣負離子測量儀原理圖

空氣負離子測量儀可以實時精準測量空氣中負離子的濃度數據。離子收集器是空氣離子濃度的“傳感器”，在風機的引風作用下，空氣夾帶著離子一同進入離子收集器中，離子收集器內部有兩個金屬電極，分別叫做極化電極和收集電極。極化電極板上加有電壓。根據實際需要，給極化極板施加正高壓或者負高壓。

例如，要測量的是負離子濃度，則在極化電極上施加負高壓。測量系統的風扇將空氣中的離子吸入收集器，收集器內部的兩個金屬板電極外加電壓形成電場，空氣離子受到電場力影響，離子的運行軌跡向金屬收集電極偏轉，最終被吸附形成微弱的電流信號。

金屬收集電極所收集測量的微弱電流信號及取樣的空氣流量可以換算出空氣中離子濃度的測量數據。本測量系統應用到的空氣中離子濃度換算公式為：

式中：N為每單位體積空氣中的離子數目（個／cm3）；I微電流計讀數（A）；q基本電荷電量（1.6×10-19C）；V取樣空氣流速（cm／s）；A收集器有效橫截面積（cm2）。

2 硬件設計

在本測量系統中，主要涉及對微電流檢測模塊的設計，微電流信號調理電路的設計主要包含：I-V轉換電路、運算放大電路、二階低通濾波電路、信號極性反轉選擇電路。

整套測量系統模塊設計可以分為微電流檢測模塊、主控模塊、人機交互模塊、電壓監控模塊四個部分。系統結構框圖，如圖2所示。

圖2 系統結構框圖

2.1 信號調理模塊

信號調理模塊是本次設計的核心部分，主要作用是將采集到的微弱電流信號通過I-V轉換、放大、濾波后，再通過極性反轉電路輸出到ADC電路進行測量。空氣中離子濃度較低時平均每立方厘米幾十個，較高時平均每立方厘米幾千萬個，由此設計本測量系統測量的離子濃度在10～106個／cm3。相較于微電流而言，電壓更易于測量和處理，故電路設計中引入I-V變換電路。將空氣中收集到離子形成的微電流，轉換成電壓信號來供系統檢測和處理。

2.1.1 I-V轉換電路的設計

在電流測量電路設計中，常見的I-V轉換方法有三種，分別為開關電容積分法、取樣電阻法、高輸入阻抗法。由于開關電容積分法在開關動作時會產生噪聲，取樣電阻法中的偏置電流會影響精度，所以選用高輸入阻抗法。高輸入阻抗法的特點是采樣電流經反饋電阻流到運放的輸出端，沒有取樣電阻，這樣就大大減少了偏置電流對采樣電流的影響。

本測量系統中，微電流放大的精度將直接影響最終的測量結果。放大器與微電流放大關系密切的參數為：輸入阻抗ZIN、輸入偏置電流IB、輸入失調電壓VOS、輸入失調電壓漂移TCVOS和輸入失調電流漂移TCIOS。以往的CMOS運算放大器由于輸入偏置電壓較高，不適于要求高精度的本測量系統使用。在這里選用具有低失調電壓、極低的輸入偏置電流、精密微功耗等特點的LMC6062放大器，。

本系統的I-V轉換電路設計了四個量程，在電路中接入三個反饋電阻，通過選取不同的電阻接入電路來調節量程。因考慮到空氣中離子濃度會實時變化，需要頻繁的操作開關切換量程，為方便操作，最終選用了旋鈕式的機械開關。

本電路設計的四個量程分別選擇阻值為0Ω、100KΩ、10MΩ、1GΩ的反饋電阻，分別對應的量程為100、102、104、106個／cm3。

2.1.2 次級放大電路設計

考慮到實際空氣中離子濃度變化范圍較大，采集器收集到的微電流信號經過I-V變換電路中前級運算放大器初步處理后，若要被ADC轉換器精確測量則需要選擇很高精度的ADC轉換器，這將大大增加此測量系統的成本。則設計在I-V變換電路后接入次級放大電路。

次級放大電路中運算放大器的選取，綜合考慮幾種影響因素，最終選取OP07低偏移電壓運算放大器。作為一種非斬波穩零的運算放大器，具有低于75μV的超低輸入失調電壓，低輸入偏置電流、低噪聲、開環增益高等特點。

2.1.3 二階低通濾波電路設計

微電流信號經過I-V轉換電路和放大電路后，考慮到模擬信號沒有頻率上限，會混雜無序且無頻率上限的高頻噪聲，則設計在放大電路后接入低通濾波電路。

濾波器可以對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率后的電源信號。濾波器按所處理的信號分為模擬濾波器和數字濾波器兩種。

由于數字濾波器處理能力與前端ADC采樣率有關，能處理的信號頻域寬度小于采樣率的一半。對于頻率高于采樣率的噪聲信號，數字濾波器無法處理產生混疊的信號。所以在低通濾波電路設計中選擇模擬濾波器作為低通濾波器。

2.1.4 信號極性反轉選擇電路

空氣中存在正負兩種離子，則I-V轉換電路輸出的信號也會有正負兩種極性。而輸入ADC轉換器信號的極性只能為正，這就需要在I-V轉換電路輸出負極性信號時加入信號極性反轉選擇電路，將信號極性翻轉。

信號極性轉換電路由模擬開關和放大倍數為1的運放組成。當極性為負的信號輸入時，信號流經反相電路把信號極性翻轉；當正極性的信號輸入時，控制模擬開關動作，使信號不經過反相電路而直接流向ADC轉換器。

2.2 人機交互模塊

測量系統實時測量的數據都通過一塊LCD液晶顯示屏顯示給用戶。用戶還可通過按鍵對系統進行控制，根據當時實際情況隨時調節測量系統的量程，查看電池電壓或選擇測量離子的正負極性。

2.2.1 按鍵輸入模塊

本測量系統中主要的人機交互都依靠按鍵輸入系統來完成。包括按鍵檢測模塊和旋鈕開關量程切換檢測模塊。

按鍵檢測模塊包括極性選擇按鈕、電壓按鈕和測量按鈕。極性選擇按鈕控制系統檢測離子的極性，選擇正離子或負離子檢測；電壓按鈕控制系統測量12V及24V電池的電壓。測量按鈕負責測量空氣中離子濃度。按下按鈕后，對應測量的數據將在LCD顯示屏上顯示。

通過一個機械旋鈕開關控制測量離子濃度量程檔位的選擇。四個檔位分別對應量程為100、102、104、106個／cm3，應根據LCD顯示屏中實時顯示的空氣中離子濃度，轉動旋鈕開關切換合適的量程。

2.2.2 LCD顯示模塊

顯示模塊選擇LCD12864液晶顯示屏，通過按鍵輸入模塊控制，可以實時顯示系統測量的空氣中離子濃度和電池電壓等信息。

LCD12864液晶顯示屏具有128×64顯示分辨率，可以顯示8×4，共16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。該顯示屏可構成全中文的人機交互圖形界面。且具有簡單的操作指令、靈活的接口方式、低電壓低功耗等特點。

2.3 電壓監控模塊設計

電壓監控模塊主要負責給測量系統提供穩定電壓，并實時測量電池電壓。測量系統若要得到高精度的測量數據，就必須保證采集到的信號穩定準確，這就需要電池為風扇提供穩定的極化電源，保證風扇以恒定速率吸入空氣離子。電池電壓可以通過人機交互模塊的LCD顯示屏顯示給用戶。

電池監控模塊包括電池組分壓及充放電模塊、正負極性轉換模塊、電池組電壓監測模塊、去潮模塊。整個模塊設計通過兩塊12V電池組作為電源，分別為監測系統和整個ARM測量系統提供穩定電壓。

電池組包括兩片K7805-1000R3的12V電源，分別提供±5V及3.3V的電源。其中±5V作為運算放大器的電源；3.3V作為整個ARM系統的電源，主要為取樣風扇、去潮器、ARM芯片、A／D采樣電路以及微電流檢測電路提供電源。

24V極化電源主要為極化板提供24V極化電壓，并實現極化電壓的反轉控制。電池組電壓監測模塊通過按鍵輸入模塊中的電壓按鈕控制，可實現對電池組電壓進行實時監測。電壓監測模塊通過電阻從電池組中進行分壓取樣，進行A／D轉換，通過ARM處理器進行處理，最后通過LCD液晶顯示器將當前電壓值顯示出來，實現對電池組電壓的監測。

本測量儀器與空氣接觸的面積較大，且內部電路直接與外界相通。考慮到空氣中的水汽進到儀器中會對測量電路產生干擾，影響測量精度，故在本系統中加入去潮電路。

2.4 通信模塊設計

通信模塊主要負責把測量數據傳輸到上位機。通信模塊選擇TTL—WiFi模塊，將TTL電平轉為符合WIFI無線網絡通信標準的信號，通過內置的TCP／IP協議，直接利用WIFI聯入網絡，進行數據傳輸。

3 軟件設計

該系統的軟件部分包括：ADC數據采樣程序、放大器控制程序、風扇控制程序、電源電壓監測程序、數據存儲程序，如圖3所示。

圖3 程序流程圖

4 結語

本測量系統的設計中，合理的設計了各個電路模塊，并對各個電子元件進行對比選型，選取適合本系統的元件。最終實現了設計出高精度、高便攜度、人性化的空氣負離子測量系統。