基于STM32的空气负离子浓度测量仪设计

张家田，方履宽

（西安石油大学陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西 西安 710065）

1 设计原理

空气负离子测量仪设计原理：根据空气离子专家Backett所推荐的Wesix平行板式空气离子收集原理设计。通过抽风机取样空气，在空间电场作用下，在极板上形成微弱电压，来进行离子浓度检测，见图1。

图1 空气负离子测量仪原理图

空气负离子测量仪可以实时精准测量空气中负离子的浓度数据。离子收集器是空气离子浓度的“传感器”，在风机的引风作用下，空气夹带着离子一同进入离子收集器中，离子收集器内部有两个金属电极，分别叫做极化电极和收集电极。极化电极板上加有电压。根据实际需要，给极化极板施加正高压或者负高压。

例如，要测量的是负离子浓度，则在极化电极上施加负高压。测量系统的风扇将空气中的离子吸入收集器，收集器内部的两个金属板电极外加电压形成电场，空气离子受到电场力影响，离子的运行轨迹向金属收集电极偏转，最终被吸附形成微弱的电流信号。

金属收集电极所收集测量的微弱电流信号及取样的空气流量可以换算出空气中离子浓度的测量数据。本测量系统应用到的空气中离子浓度换算公式为：

式中：N为每单位体积空气中的离子数目（个／cm3）；I微电流计读数（A）；q基本电荷电量（1.6×10-19C）；V取样空气流速（cm／s）；A收集器有效横截面积（cm2）。

2 硬件设计

在本测量系统中，主要涉及对微电流检测模块的设计，微电流信号调理电路的设计主要包含：I-V转换电路、运算放大电路、二阶低通滤波电路、信号极性反转选择电路。

整套测量系统模块设计可以分为微电流检测模块、主控模块、人机交互模块、电压监控模块四个部分。系统结构框图，如图2所示。

图2 系统结构框图

2.1 信号调理模块

信号调理模块是本次设计的核心部分，主要作用是将采集到的微弱电流信号通过I-V转换、放大、滤波后，再通过极性反转电路输出到ADC电路进行测量。空气中离子浓度较低时平均每立方厘米几十个，较高时平均每立方厘米几千万个，由此设计本测量系统测量的离子浓度在10～106个／cm3。相较于微电流而言，电压更易于测量和处理，故电路设计中引入I-V变换电路。将空气中收集到离子形成的微电流，转换成电压信号来供系统检测和处理。

2.1.1 I-V转换电路的设计

在电流测量电路设计中，常见的I-V转换方法有三种，分别为开关电容积分法、取样电阻法、高输入阻抗法。由于开关电容积分法在开关动作时会产生噪声，取样电阻法中的偏置电流会影响精度，所以选用高输入阻抗法。高输入阻抗法的特点是采样电流经反馈电阻流到运放的输出端，没有取样电阻，这样就大大减少了偏置电流对采样电流的影响。

本测量系统中，微电流放大的精度将直接影响最终的测量结果。放大器与微电流放大关系密切的参数为：输入阻抗ZIN、输入偏置电流IB、输入失调电压VOS、输入失调电压漂移TCVOS和输入失调电流漂移TCIOS。以往的CMOS运算放大器由于输入偏置电压较高，不适于要求高精度的本测量系统使用。在这里选用具有低失调电压、极低的输入偏置电流、精密微功耗等特点的LMC6062放大器，。

本系统的I-V转换电路设计了四个量程，在电路中接入三个反馈电阻，通过选取不同的电阻接入电路来调节量程。因考虑到空气中离子浓度会实时变化，需要频繁的操作开关切换量程，为方便操作，最终选用了旋钮式的机械开关。

本电路设计的四个量程分别选择阻值为0Ω、100KΩ、10MΩ、1GΩ的反馈电阻，分别对应的量程为100、102、104、106个／cm3。

2.1.2 次级放大电路设计

考虑到实际空气中离子浓度变化范围较大，采集器收集到的微电流信号经过I-V变换电路中前级运算放大器初步处理后，若要被ADC转换器精确测量则需要选择很高精度的ADC转换器，这将大大增加此测量系统的成本。则设计在I-V变换电路后接入次级放大电路。

次级放大电路中运算放大器的选取，综合考虑几种影响因素，最终选取OP07低偏移电压运算放大器。作为一种非斩波稳零的运算放大器，具有低于75μV的超低输入失调电压，低输入偏置电流、低噪声、开环增益高等特点。

2.1.3 二阶低通滤波电路设计

微电流信号经过I-V转换电路和放大电路后，考虑到模拟信号没有频率上限，会混杂无序且无频率上限的高频噪声，则设计在放大电路后接入低通滤波电路。

滤波器可以对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。滤波器按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。

由于数字滤波器处理能力与前端ADC采样率有关，能处理的信号频域宽度小于采样率的一半。对于频率高于采样率的噪声信号，数字滤波器无法处理产生混叠的信号。所以在低通滤波电路设计中选择模拟滤波器作为低通滤波器。

2.1.4 信号极性反转选择电路

空气中存在正负两种离子，则I-V转换电路输出的信号也会有正负两种极性。而输入ADC转换器信号的极性只能为正，这就需要在I-V转换电路输出负极性信号时加入信号极性反转选择电路，将信号极性翻转。

信号极性转换电路由模拟开关和放大倍数为1的运放组成。当极性为负的信号输入时，信号流经反相电路把信号极性翻转；当正极性的信号输入时，控制模拟开关动作，使信号不经过反相电路而直接流向ADC转换器。

2.2 人机交互模块

测量系统实时测量的数据都通过一块LCD液晶显示屏显示给用户。用户还可通过按键对系统进行控制，根据当时实际情况随时调节测量系统的量程，查看电池电压或选择测量离子的正负极性。

2.2.1 按键输入模块

本测量系统中主要的人机交互都依靠按键输入系统来完成。包括按键检测模块和旋钮开关量程切换检测模块。

按键检测模块包括极性选择按钮、电压按钮和测量按钮。极性选择按钮控制系统检测离子的极性，选择正离子或负离子检测；电压按钮控制系统测量12V及24V电池的电压。测量按钮负责测量空气中离子浓度。按下按钮后，对应测量的数据将在LCD显示屏上显示。

通过一个机械旋钮开关控制测量离子浓度量程档位的选择。四个档位分别对应量程为100、102、104、106个／cm3，应根据LCD显示屏中实时显示的空气中离子浓度，转动旋钮开关切换合适的量程。

2.2.2 LCD显示模块

显示模块选择LCD12864液晶显示屏，通过按键输入模块控制，可以实时显示系统测量的空气中离子浓度和电池电压等信息。

LCD12864液晶显示屏具有128×64显示分辨率，可以显示8×4，共16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。该显示屏可构成全中文的人机交互图形界面。且具有简单的操作指令、灵活的接口方式、低电压低功耗等特点。

2.3 电压监控模块设计

电压监控模块主要负责给测量系统提供稳定电压，并实时测量电池电压。测量系统若要得到高精度的测量数据，就必须保证采集到的信号稳定准确，这就需要电池为风扇提供稳定的极化电源，保证风扇以恒定速率吸入空气离子。电池电压可以通过人机交互模块的LCD显示屏显示给用户。

电池监控模块包括电池组分压及充放电模块、正负极性转换模块、电池组电压监测模块、去潮模块。整个模块设计通过两块12V电池组作为电源，分别为监测系统和整个ARM测量系统提供稳定电压。

电池组包括两片K7805-1000R3的12V电源，分别提供±5V及3.3V的电源。其中±5V作为运算放大器的电源；3.3V作为整个ARM系统的电源，主要为取样风扇、去潮器、ARM芯片、A／D采样电路以及微电流检测电路提供电源。

24V极化电源主要为极化板提供24V极化电压，并实现极化电压的反转控制。电池组电压监测模块通过按键输入模块中的电压按钮控制，可实现对电池组电压进行实时监测。电压监测模块通过电阻从电池组中进行分压取样，进行A／D转换，通过ARM处理器进行处理，最后通过LCD液晶显示器将当前电压值显示出来，实现对电池组电压的监测。

本测量仪器与空气接触的面积较大，且内部电路直接与外界相通。考虑到空气中的水汽进到仪器中会对测量电路产生干扰，影响测量精度，故在本系统中加入去潮电路。

2.4 通信模块设计

通信模块主要负责把测量数据传输到上位机。通信模块选择TTL—WiFi模块，将TTL电平转为符合WIFI无线网络通信标准的信号，通过内置的TCP／IP协议，直接利用WIFI联入网络，进行数据传输。

3 软件设计

该系统的软件部分包括：ADC数据采样程序、放大器控制程序、风扇控制程序、电源电压监测程序、数据存储程序，如图3所示。

图3 程序流程图

4 结语

本测量系统的设计中，合理的设计了各个电路模块，并对各个电子元件进行对比选型，选取适合本系统的元件。最终实现了设计出高精度、高便携度、人性化的空气负离子测量系统。