練開(kāi)明， 陳文鳳， 鄭金貴， 吳仁燁， 楊志堅(jiān)， 羅志聰， 葉大鵬

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 福建 福州350002;2.福建農(nóng)林大學(xué) 農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)研究所, 福建 福州350002)

增益自調(diào)節(jié)型空氣負(fù)離子計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

練開(kāi)明1， 陳文鳳2， 鄭金貴2， 吳仁燁2， 楊志堅(jiān)2， 羅志聰1， 葉大鵬1

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 福建 福州350002;2.福建農(nóng)林大學(xué) 農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)研究所, 福建 福州350002)

設(shè)計(jì)一種增益自調(diào)節(jié)空氣負(fù)離子計(jì)數(shù)器。該裝置以STC15F2K16S2為控制器，AD采樣器，以CD4052為電子開(kāi)關(guān)，MAX7426為濾波器，通過(guò)增益切換實(shí)現(xiàn)負(fù)離子計(jì)數(shù)器量程自動(dòng)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果能反映植物負(fù)離子機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)不同距離的負(fù)離子濃度，表明該設(shè)計(jì)抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便測(cè)量,滿足對(duì)不同濃度的空氣負(fù)離子測(cè)量要求。

負(fù)離子計(jì)數(shù)器； 增益自調(diào)節(jié)； 開(kāi)關(guān)電容濾波器

空氣負(fù)離子具有促進(jìn)人體新陳代謝、增強(qiáng)免疫力等功效，人們將其比作空氣中“維生素”“生長(zhǎng)素”和“長(zhǎng)壽素”[1]。世界衛(wèi)生組織(WHO)對(duì)清新空氣標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定如下：空氣中的負(fù)離子濃度不低于1 000 ion/cm3。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人1天中70% ～80%的時(shí)間都在室內(nèi)。室內(nèi)的空氣污染會(huì)對(duì)人們的健康造成嚴(yán)重傷害，應(yīng)對(duì)室內(nèi)的空氣質(zhì)量給予更高的關(guān)注。據(jù)國(guó)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)室內(nèi)連續(xù)幾年的檢測(cè)結(jié)果表明，目前為止，室內(nèi)至少發(fā)現(xiàn)上千種化學(xué)物質(zhì)，其中一些化學(xué)物質(zhì)所含有毒物質(zhì)是室外的數(shù)十倍。人們?cè)谑覂?nèi)容易產(chǎn)生疲勞、困倦、呼吸不適的癥狀。因此室內(nèi)負(fù)離子濃度作為環(huán)境質(zhì)量好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)[2]，其監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

目前負(fù)離子測(cè)量?jī)x為平板式、電容式、格柵式和球式,后3種一般用于專業(yè)精密測(cè)量?jī)x器[3]，對(duì)材料要求高,制作難度大,制作成本高,不適用于一般個(gè)人和家庭日常使用，而且量程多為手動(dòng)切換，易出現(xiàn)超量程問(wèn)題。本設(shè)計(jì)空氣負(fù)離子計(jì)數(shù)器采用平板式采集器，簡(jiǎn)化了儀器結(jié)構(gòu)，采用增益可變方式，實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高了空氣負(fù)離子測(cè)量范圍，方便使用。以下主要從空氣負(fù)離子計(jì)數(shù)器調(diào)理電路設(shè)計(jì)與測(cè)量系統(tǒng)軟件兩個(gè)方面展開(kāi)論述。

1 空氣負(fù)離子計(jì)數(shù)器整體設(shè)計(jì)

負(fù)離子計(jì)數(shù)器系統(tǒng)框圖如圖1所示，負(fù)離子計(jì)數(shù)器包含電荷采集板，調(diào)理電路，微控制器(MCU),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，光電隔離數(shù)據(jù)采集串行通信模塊，以及顯示模塊。電荷采集板由具有良好導(dǎo)電性和抗氧化的奧氏體不銹鋼制成。當(dāng)空氣中的負(fù)氧離子撞擊到電荷采集板后，負(fù)離子會(huì)存儲(chǔ)在電極板上，并產(chǎn)生電壓。一個(gè)接地采樣大電阻與極板相連，形成微弱電流[4]。信號(hào)調(diào)理電路將電荷采集板上的電壓濾波放大，并輸入MCU自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通過(guò)相應(yīng)的數(shù)值分析，最終在顯示器顯示出空氣中負(fù)離子的濃度值，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊上傳至PC。

圖1 負(fù)離子計(jì)數(shù)器系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram of negative air ion counter

2 前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)

空氣負(fù)離子前端調(diào)理電路包括阻抗變換器，差分儀表放大電路，模擬開(kāi)關(guān)電路，末端緩沖器，以及開(kāi)關(guān)電容濾波電路。圖2為前端阻抗變化器設(shè)計(jì)，其作用是隔離電荷采集板和后級(jí)差分放大電路。該阻抗變化器由運(yùn)算放大器CA3140構(gòu)成。該運(yùn)算放大器既有極高的輸入阻抗和極小的輸入失調(diào)電壓，適合用于微弱電信號(hào)采集前端。VR1和VR5為輸入失調(diào)電壓調(diào)零電阻。

圖2 阻抗變換器電路Fig.2 Converter circuit of impedance

2.1 增益差分儀表放大電路設(shè)計(jì)

增益差分儀器放大器電路如圖3所示。其作用是對(duì)前端阻抗變換器微弱信號(hào)差分放大。該差分儀表放大器電路由AD620儀表運(yùn)算放大器、增益調(diào)節(jié)電阻、外部參考電壓電路構(gòu)成。該電路儀用運(yùn)算放大器采用經(jīng)典三運(yùn)放設(shè)計(jì)，既有極低的失調(diào)電壓，外部程控可調(diào)的增益，又有很高共模抑制比，能極大地抑制共模信號(hào)，放大差模信號(hào)，提高信噪比[5]。C1、C4、C5、C6為運(yùn)算放大器旁路電容，能有效地濾除干擾。RG1、RG2兩端接增益調(diào)節(jié)電阻，用于調(diào)節(jié)AD620輸入信號(hào)放大倍數(shù)。OP07CP作為電壓跟隨器，為該儀表運(yùn)算放大電路提供穩(wěn)定的參考電壓。

圖3 增益放大電路Fig.3 Amplifier circuit of gain

2.2 模擬開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

由于空氣離子濃度的測(cè)量范圍比較寬，若放大電路采用固定的增益，則可能會(huì)導(dǎo)致放大信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的測(cè)量范圍之外，引起測(cè)量誤差[4]。圖4為數(shù)控模擬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，其功能是通過(guò)MCU程控方式切換模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)AD620增益調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)量程切換，提高測(cè)量精度。該電路由增益電阻R3、R4、R5、R6和模擬開(kāi)關(guān)芯片構(gòu)成。

該芯片為CD4052 是差分4通道數(shù)控制模擬開(kāi)關(guān)，有A、B 兩個(gè)二進(jìn)制輸入端和INH 輸入，低導(dǎo)通阻抗與截止漏電流，其真值表如表1所示。設(shè)計(jì)選擇Y通道為連接通道，RG1、RG2分別接儀表放大器AD620增益選擇電阻、Y端，引腳6中INH接地，選通芯片，引腳A、B引腳與控制器I/0口相連接，通過(guò)改變兩輸入引腳中二進(jìn)制信號(hào)，分別選通Y0～Y3中任一通道，從而接通R3～R6中任一電阻，實(shí)現(xiàn)AD620增益改變，使量程切換。

表1 CD4052真值表

圖4 模擬開(kāi)關(guān)電路圖Fig.4 Diagram of analogue switch circuit

2.3 輸出緩沖器設(shè)計(jì)

圖5 輸出緩沖器電路Fig.5 Circuit of output buffer

輸出緩沖器設(shè)計(jì)如圖5所示。其作用是隔離AD620儀表放大器和后級(jí)開(kāi)關(guān)電容濾波器電路。該輸出緩沖器由OP07CP構(gòu)成。該運(yùn)算放大器OP07CP輸入失調(diào)電壓極值，噪聲小，開(kāi)環(huán)增益高，電源范圍寬，穩(wěn)定，適合用于儀表運(yùn)算放大器輸出端。VR3為運(yùn)算放大器失調(diào)電壓調(diào)零電阻，用于電路調(diào)試。

2.4 程控濾波器設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的低通濾波器工作原理如圖6所示。電路正常工作條件是K1和K2的頻率fCLK遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)Ui頻率，開(kāi)關(guān)電容單元可等效成電阻R。由式(1)-(3)可知，濾波器通帶截止頻率fC取決于時(shí)間常數(shù)。截止頻率fCLK為時(shí)間脈沖，由外部芯片給定，相當(dāng)穩(wěn)定，C1/C2是兩個(gè)電容量之比，在集成電路制作時(shí)，易于做到穩(wěn)定[6]。因此開(kāi)關(guān)電容濾波器能夠做到穩(wěn)定時(shí)間常數(shù)，從而使濾波器截止頻率fC穩(wěn)定。

圖6 開(kāi)關(guān)電容低通濾波器示意圖Fig.6 Schematic of switch capacitor low pass filter

程控濾波器電路如圖7所示。其功能是對(duì)前端信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，提取反映空氣負(fù)離子濃度變化的電信號(hào)。該程控濾波器由MAX7426

圖7 開(kāi)關(guān)電容濾波器原理圖Fig.7 Schematic of switch capacitor filter

單片開(kāi)關(guān)電容濾波器構(gòu)成，為5階低通、橢圓開(kāi)關(guān)電容濾波器，由5 V單電源供電，功耗低，輸入失調(diào)電壓小，而且干擾信號(hào)衰減快，截止頻率脈沖外部編程可調(diào)。

(1)

(2)

(3)

如圖7所示，需處理電壓信號(hào)由MAX7426濾波器FilterInA引腳接入，VCC接選通端SHDN，使能濾波器。由于MAX7426截止頻率fp與外部時(shí)鐘信號(hào)fCLOCK由關(guān)系式fP∶fCLOCK=1∶100決定，通過(guò)單片機(jī)在CLOCK引腳輸入100 kHz頻率時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了1 kHz的5階低通濾波器設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)，VR7、R13、R15起到輸入失調(diào)電壓調(diào)節(jié)作用，C9、C11、C12作為旁路濾波，外圍電路簡(jiǎn)單，使用方便，能夠提供穩(wěn)定的截止頻率，滿足低通濾波要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

軟件監(jiān)控程序采用時(shí)間輪方式[7]。想要實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換，需要通過(guò)一個(gè)CTC定時(shí)中斷方式，設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)軟件時(shí)鐘(見(jiàn)圖8)，在中斷中設(shè)置時(shí)間標(biāo)志位，與主程序建立聯(lián)系。主循環(huán)中掃描時(shí)間標(biāo)志，執(zhí)行相應(yīng)時(shí)間標(biāo)志下負(fù)離子測(cè)量程序，量程切換的程序，以及顯示程序，避免了CPU無(wú)謂的時(shí)間等待，提高主程序執(zhí)行效率，下面給出了主程序的部分代碼。

圖8 主程序程序框圖Fig.8 The block diagram of main program

void main()

{

InitSysTime0(); //初始化系統(tǒng)時(shí)鐘

InitRS232Com(); //串口初始化

InitOled(); //Oled顯示器初始化

InitRangeChange();//量程函數(shù)初始化

while(1)

{

if(Time1sF==1) //1s時(shí)間到了

{

RangeChange();

//執(zhí)行程序量程自調(diào)節(jié)程序

OledDis(IonNum);

//執(zhí)行負(fù)離子濃度顯示程序

if(Time100 msF==1)

{

IONTest();

//執(zhí)行負(fù)離子測(cè)量程序

}

… //其他任務(wù)

}

}。

3.2 系統(tǒng)量程調(diào)節(jié)程序設(shè)計(jì)

假設(shè)空氣中負(fù)離子的移動(dòng)速度和電荷采集板的面積固定，空氣中離子濃度與電流成正比。為了防止模擬開(kāi)關(guān)在超、欠量程的判斷中相鄰量程來(lái)回切換，采用了閾值回差的方法[4]。量程一次調(diào)節(jié)框圖如圖9，當(dāng)測(cè)量值超過(guò)上升量程閾值時(shí)升量程；當(dāng)測(cè)量值低于降量程閾值時(shí)，降低量程；高于最高量程或低于最低量程時(shí)設(shè)為最高量程。

圖9 一次調(diào)節(jié)流程圖Fig.9 The flowchart of one time regulation

4 空氣負(fù)離子計(jì)數(shù)器測(cè)量結(jié)果與結(jié)論

4.1 結(jié)果

選用日本KEC-990型負(fù)離子測(cè)定儀為參照機(jī)型，福建農(nóng)林大學(xué)自主研發(fā)的植物負(fù)離子機(jī)為負(fù)離子源，進(jìn)行試驗(yàn)。如表2所示，為不同距離觀測(cè)點(diǎn)多次測(cè)量所得空氣負(fù)離子濃度均值。在外部條件相同情況下，兩種型號(hào)負(fù)離子測(cè)量設(shè)備測(cè)得空氣負(fù)離子濃度均值隨距離增大而減小，走勢(shì)相同。自制空氣負(fù)離子計(jì)數(shù)器均值濃度與KEC-990測(cè)量均值相比，最大相對(duì)誤差在9.5%左右，能滿足家用負(fù)離子機(jī)濃度測(cè)量要求(測(cè)量環(huán)境：溫度為27～30℃，相對(duì)濕度：70%～80%)。

表2 負(fù)離子濃度均值表

4.2 結(jié)論

硬件電路設(shè)計(jì)方面，針對(duì)負(fù)離子機(jī)不同測(cè)量距離濃度特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了三級(jí)信號(hào)運(yùn)算放大電路，滿足對(duì)微弱電信號(hào)的測(cè)量。以及運(yùn)用5階開(kāi)關(guān)電容低通濾波器，對(duì)干擾頻率信號(hào)濾除，提高了信噪比。同時(shí)，采用模擬開(kāi)關(guān)切換增益電阻，實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換，更快地達(dá)到穩(wěn)定測(cè)量值。軟件設(shè)計(jì)方面，監(jiān)控程序采用時(shí)間輪方式，方便多任務(wù)的調(diào)度，提高程序執(zhí)行效率。總之，整體設(shè)計(jì)能滿足家用負(fù)離子機(jī)負(fù)離子濃度測(cè)量要求。

[1] 王薇,余莊.中國(guó)城市環(huán)境中空氣負(fù)離子研究進(jìn)展 [J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2013,22(4):705-711.

[2] 王薇,余莊,冀鳳全.基于空氣負(fù)離子濃度的城市環(huán)境空氣清潔度評(píng)價(jià)[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2013,22(2):298-303.

[3] 李文昭.空氣離子測(cè)量系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].保定：河北大學(xué)，2014.

[4] 李慶,甘罕,李文昭.空氣離子測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(3):64-65,68.

[5] 王樹(shù)振,單威,宋玲玲.AD620儀用放大器原理與應(yīng)用[J].微處理機(jī),2008(4):38-40.

[6] 童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：373-375.

[7] 吳錘紅．MCS-51微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].廈門：廈門大學(xué)出版社，2009：134-137.

(特約編輯：黃家瑜)

The design of negative air ion counter with gain self-adjustment

Lian Kaiming1, Chen Wenfeng2, Zheng Jingui2, Wu Renye2, Yang Zhijian2, Luo Zhicong1, Ye Dapeng1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 2.Agricultural Product Quality Institute, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

An air negative ion counter with gain self-adjustment was designed. The device comprises a STC15F2K16S2 controller, a sampler AD with an electronic switch CD4052 and a Max7426 switch-capacitor filter, which can automatically adjust the range of negative air ion counter via gain switching. The results show that the design is of strong anti-interference, and is convenient to measure negative air ions with simple structure. In addition, it can detect the concentration of negative air ions in different distances, satisfying the requirements of measuring negative air ion concentration.

negative ion counter; gain self-adjustment; switch capacitor filter

10.3969/j.issn.1672-4348.2017.01.010

2016-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31500207)

葉大鵬(1971- )，男，福建霞浦人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，研究方向:環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制。

TH7

A

1672-4348(2017)01-0044-05