基于STM32的空氣負(fù)離子濃度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

張家田，方履寬

（西安石油大學(xué)陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

1 設(shè)計(jì)原理

空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)原理：根據(jù)空氣離子專(zhuān)家Backett所推薦的Wesix平行板式空氣離子收集原理設(shè)計(jì)。通過(guò)抽風(fēng)機(jī)取樣空氣，在空間電場(chǎng)作用下，在極板上形成微弱電壓，來(lái)進(jìn)行離子濃度檢測(cè)，見(jiàn)圖1。

圖1 空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x原理圖

空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量空氣中負(fù)離子的濃度數(shù)據(jù)。離子收集器是空氣離子濃度的“傳感器”，在風(fēng)機(jī)的引風(fēng)作用下，空氣夾帶著離子一同進(jìn)入離子收集器中，離子收集器內(nèi)部有兩個(gè)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(jù)實(shí)際需要，給極化極板施加正高壓或者負(fù)高壓。

例如，要測(cè)量的是負(fù)離子濃度，則在極化電極上施加負(fù)高壓。測(cè)量系統(tǒng)的風(fēng)扇將空氣中的離子吸入收集器，收集器內(nèi)部的兩個(gè)金屬板電極外加電壓形成電場(chǎng)，空氣離子受到電場(chǎng)力影響，離子的運(yùn)行軌跡向金屬收集電極偏轉(zhuǎn)，最終被吸附形成微弱的電流信號(hào)。

金屬收集電極所收集測(cè)量的微弱電流信號(hào)及取樣的空氣流量可以換算出空氣中離子濃度的測(cè)量數(shù)據(jù)。本測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)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(shù)目（個(gè)／cm3）；I微電流計(jì)讀數(shù)（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(shè)計(jì)

在本測(cè)量系統(tǒng)中，主要涉及對(duì)微電流檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)，微電流信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)主要包含：I-V轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)算放大電路、二階低通濾波電路、信號(hào)極性反轉(zhuǎn)選擇電路。

整套測(cè)量系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)可以分為微電流檢測(cè)模塊、主控模塊、人機(jī)交互模塊、電壓監(jiān)控模塊四個(gè)部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊是本次設(shè)計(jì)的核心部分，主要作用是將采集到的微弱電流信號(hào)通過(guò)I-V轉(zhuǎn)換、放大、濾波后，再通過(guò)極性反轉(zhuǎn)電路輸出到ADC電路進(jìn)行測(cè)量?？諝庵须x子濃度較低時(shí)平均每立方厘米幾十個(gè)，較高時(shí)平均每立方厘米幾千萬(wàn)個(gè)，由此設(shè)計(jì)本測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的離子濃度在10～106個(gè)／cm3。相較于微電流而言，電壓更易于測(cè)量和處理，故電路設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來(lái)供系統(tǒng)檢測(cè)和處理。

2.1.1 I-V轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

在電流測(cè)量電路設(shè)計(jì)中，常見(jiàn)的I-V轉(zhuǎn)換方法有三種，分別為開(kāi)關(guān)電容積分法、取樣電阻法、高輸入阻抗法。由于開(kāi)關(guān)電容積分法在開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，取樣電阻法中的偏置電流會(huì)影響精度，所以選用高輸入阻抗法。高輸入阻抗法的特點(diǎn)是采樣電流經(jīng)反饋電阻流到運(yùn)放的輸出端，沒(méi)有取樣電阻，這樣就大大減少了偏置電流對(duì)采樣電流的影響。

本測(cè)量系統(tǒng)中，微電流放大的精度將直接影響最終的測(cè)量結(jié)果。放大器與微電流放大關(guān)系密切的參數(shù)為：輸入阻抗ZIN、輸入偏置電流IB、輸入失調(diào)電壓VOS、輸入失調(diào)電壓漂移TCVOS和輸入失調(diào)電流漂移TCIOS。以往的CMOS運(yùn)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(cè)量系統(tǒng)使用。在這里選用具有低失調(diào)電壓、極低的輸入偏置電流、精密微功耗等特點(diǎn)的LMC6062放大器，。

本系統(tǒng)的I-V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)了四個(gè)量程，在電路中接入三個(gè)反饋電阻，通過(guò)選取不同的電阻接入電路來(lái)調(diào)節(jié)量程。因考慮到空氣中離子濃度會(huì)實(shí)時(shí)變化，需要頻繁的操作開(kāi)關(guān)切換量程，為方便操作，最終選用了旋鈕式的機(jī)械開(kāi)關(guān)。

本電路設(shè)計(jì)的四個(gè)量程分別選擇阻值為0Ω、100KΩ、10MΩ、1GΩ的反饋電阻，分別對(duì)應(yīng)的量程為100、102、104、106個(gè)／cm3。

2.1.2 次級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)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(hào)經(jīng)過(guò)I-V變換電路中前級(jí)運(yùn)算放大器初步處理后，若要被ADC轉(zhuǎn)換器精確測(cè)量則需要選擇很高精度的ADC轉(zhuǎn)換器，這將大大增加此測(cè)量系統(tǒng)的成本。則設(shè)計(jì)在I-V變換電路后接入次級(jí)放大電路。

次級(jí)放大電路中運(yùn)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(yùn)算放大器。作為一種非斬波穩(wěn)零的運(yùn)算放大器，具有低于75μV的超低輸入失調(diào)電壓，低輸入偏置電流、低噪聲、開(kāi)環(huán)增益高等特點(diǎn)。

2.1.3 二階低通濾波電路設(shè)計(jì)

微電流信號(hào)經(jīng)過(guò)I-V轉(zhuǎn)換電路和放大電路后，考慮到模擬信號(hào)沒(méi)有頻率上限，會(huì)混雜無(wú)序且無(wú)頻率上限的高頻噪聲，則設(shè)計(jì)在放大電路后接入低通濾波電路。

濾波器可以對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個(gè)特定頻率的電源信號(hào)，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號(hào)。濾波器按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。

由于數(shù)字濾波器處理能力與前端ADC采樣率有關(guān)，能處理的信號(hào)頻域?qū)挾刃∮诓蓸勇实囊话?。?duì)于頻率高于采樣率的噪聲信號(hào)，數(shù)字濾波器無(wú)法處理產(chǎn)生混疊的信號(hào)。所以在低通濾波電路設(shè)計(jì)中選擇模擬濾波器作為低通濾波器。

2.1.4 信號(hào)極性反轉(zhuǎn)選擇電路

空氣中存在正負(fù)兩種離子，則I-V轉(zhuǎn)換電路輸出的信號(hào)也會(huì)有正負(fù)兩種極性。而輸入ADC轉(zhuǎn)換器信號(hào)的極性只能為正，這就需要在I-V轉(zhuǎn)換電路輸出負(fù)極性信號(hào)時(shí)加入信號(hào)極性反轉(zhuǎn)選擇電路，將信號(hào)極性翻轉(zhuǎn)。

信號(hào)極性轉(zhuǎn)換電路由模擬開(kāi)關(guān)和放大倍數(shù)為1的運(yùn)放組成。當(dāng)極性為負(fù)的信號(hào)輸入時(shí)，信號(hào)流經(jīng)反相電路把信號(hào)極性翻轉(zhuǎn)；當(dāng)正極性的信號(hào)輸入時(shí)，控制模擬開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使信號(hào)不經(jīng)過(guò)反相電路而直接流向ADC轉(zhuǎn)換器。

2.2 人機(jī)交互模塊

測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)都通過(guò)一塊LCD液晶顯示屏顯示給用戶(hù)。用戶(hù)還可通過(guò)按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，根據(jù)當(dāng)時(shí)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)節(jié)測(cè)量系統(tǒng)的量程，查看電池電壓或選擇測(cè)量離子的正負(fù)極性。

2.2.1 按鍵輸入模塊

本測(cè)量系統(tǒng)中主要的人機(jī)交互都依靠按鍵輸入系統(tǒng)來(lái)完成。包括按鍵檢測(cè)模塊和旋鈕開(kāi)關(guān)量程切換檢測(cè)模塊。

按鍵檢測(cè)模塊包括極性選擇按鈕、電壓按鈕和測(cè)量按鈕。極性選擇按鈕控制系統(tǒng)檢測(cè)離子的極性，選擇正離子或負(fù)離子檢測(cè)；電壓按鈕控制系統(tǒng)測(cè)量12V及24V電池的電壓。測(cè)量按鈕負(fù)責(zé)測(cè)量空氣中離子濃度。按下按鈕后，對(duì)應(yīng)測(cè)量的數(shù)據(jù)將在LCD顯示屏上顯示。

通過(guò)一個(gè)機(jī)械旋鈕開(kāi)關(guān)控制測(cè)量離子濃度量程檔位的選擇。四個(gè)檔位分別對(duì)應(yīng)量程為100、102、104、106個(gè)／cm3，應(yīng)根據(jù)LCD顯示屏中實(shí)時(shí)顯示的空氣中離子濃度，轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕開(kāi)關(guān)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(guò)按鍵輸入模塊控制，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)測(cè)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(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示。該顯示屏可構(gòu)成全中文的人機(jī)交互圖形界面。且具有簡(jiǎn)單的操作指令、靈活的接口方式、低電壓低功耗等特點(diǎn)。

2.3 電壓監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

電壓監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)給測(cè)量系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓，并實(shí)時(shí)測(cè)量電池電壓。測(cè)量系統(tǒng)若要得到高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，就必須保證采集到的信號(hào)穩(wěn)定準(zhǔn)確，這就需要電池為風(fēng)扇提供穩(wěn)定的極化電源，保證風(fēng)扇以恒定速率吸入空氣離子。電池電壓可以通過(guò)人機(jī)交互模塊的LCD顯示屏顯示給用戶(hù)。

電池監(jiān)控模塊包括電池組分壓及充放電模塊、正負(fù)極性轉(zhuǎn)換模塊、電池組電壓監(jiān)測(cè)模塊、去潮模塊。整個(gè)模塊設(shè)計(jì)通過(guò)兩塊12V電池組作為電源，分別為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和整個(gè)ARM測(cè)量系統(tǒng)提供穩(wěn)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(yùn)算放大器的電源；3.3V作為整個(gè)ARM系統(tǒng)的電源，主要為取樣風(fēng)扇、去潮器、ARM芯片、A／D采樣電路以及微電流檢測(cè)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(shí)現(xiàn)極化電壓的反轉(zhuǎn)控制。電池組電壓監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)按鍵輸入模塊中的電壓按鈕控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。電壓監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)電阻從電池組中進(jìn)行分壓取樣，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，通過(guò)ARM處理器進(jìn)行處理，最后通過(guò)LCD液晶顯示器將當(dāng)前電壓值顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組電壓的監(jiān)測(cè)。

本測(cè)量?jī)x器與空氣接觸的面積較大，且內(nèi)部電路直接與外界相通。考慮到空氣中的水汽進(jìn)到儀器中會(huì)對(duì)測(cè)量電路產(chǎn)生干擾，影響測(cè)量精度，故在本系統(tǒng)中加入去潮電路。

2.4 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊主要負(fù)責(zé)把測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。通信模塊選擇TTL—WiFi模塊，將TTL電平轉(zhuǎn)為符合WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，通過(guò)內(nèi)置的TCP／IP協(xié)議，直接利用WIFI聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件部分包括：ADC數(shù)據(jù)采樣程序、放大器控制程序、風(fēng)扇控制程序、電源電壓監(jiān)測(cè)程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序，如圖3所示。

圖3 程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，合理的設(shè)計(jì)了各個(gè)電路模塊，并對(duì)各個(gè)電子元件進(jìn)行對(duì)比選型，選取適合本系統(tǒng)的元件。最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)出高精度、高便攜度、人性化的空氣負(fù)離子測(cè)量系統(tǒng)。