简易空气负离子传感器的设计
郑留帅
(郑州大学电气工程学院 河南郑州 450001)
摘要:随着人们健康意识的加深,对于居住环境空气质量了解的需求越来越大。空气中负离子浓度作为空气质量的一大指标,对其的测量也受到广大人民的关注。为了能够方便快捷的测量空气中负离子的浓度,文章提出了一种简易空气负离子传感器的设计方法。以STC89C52单片机为核心,采用平板式负离子采集器、微信号放大电路以及液晶模块等器件设计出了一中空气负离子传感器。该传感器结构简单,测量快速方便,能够满足人们日常生活对空气中负离子浓度测量的需求。
关键词:空气负离子 平板式采集器 微信号放大电路中图分类号:TP212.2文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2015)02-0166-02
空气负离子被誉为“空气维生素”,对人们的身心健康非常有益。空气中的负离子浓度是空气质量的一大指标,它可以有效的降低空气中的细菌和灰尘含量,净化空气,提高人体的心肺功能,促进各项器官新陈代谢能力,增强人体的免疫力,还能预防和治疗多种疾病。随着生活水平的提高,以及健康意识的加深,人们对于空气负离子广大益处的认识也越来越深。通过对生活环境中空气负离子的测量,帮助人们重视改善生活环境,给予人们一个积极正确的生活指导。
A/D转换后产生便于单片机处理的数字信号;STC89C52单片机接收到数字电压信号后,对信号进行分析处理,除去剧烈跳变信号,并对多次测量得到的信号进行求取平均值,根据存储器中存储的电压—浓度对照表,得出空气中负离子浓度的数值,并向液晶显示模块发出控制信号;液晶显示模块主要用于实时显示空气负离子浓度的数值,接收到单片机的控制信息后,将浓度数值直观的显示出来,共使用者观察参考。图1是简易负离子传感器的结构框图。
2.2 平板式负离子采集器
平板式负离子采集器的核心器件——平板式电极板采用具有良好抗氧化性和导电性的奥氏体不锈钢制成,电极板暴露于要测量的空气中,当空气中的负离子接触到电极板后,其所携带的额外电荷被电极板吸收,电极板收集到大量的负离子电荷后,极板本身便呈现负极性。为了将电荷信息转化为后期电路能够处理的电信号,需要将电极板接地,电荷流向大地时会产生微弱电流信号,这里采用电流—电压转化法,将电流信号转化为电压信号。具体实现方式是在电极板与电源负极之间接入一个510MΩ的大阻值电阻,当微弱电流流经该电阻时,大阻值电阻将微弱电流信号转化为毫伏级电压信号,这样一来便实现了空气负离子浓度信息的采集。
1 空气负离子测量原理
空气负离子测量也被成为负氧离子,是指额外携带一个及以上负电荷的氧气离子。空气负离子的测量主要依据对单位体积空气中负电荷数量的估测。空气负离子采集器通常由导电性能良好的金属材料制成。当空气中游离的负离子在撞击到金属极板时,负离子携带的额外电子转移到金属极板上去,从而引起金属极板呈现负极性。如金属极板通过导线与大地接触,则会在导线上产生一个微弱电流,通过这一电流信号的采集和测量,可以估测出金属极板上所携带的电荷量,再经过计算便可得出空气中负离子的浓度。负离子采集器的设计方式大致分为平板式、电容式、格栅式和球式,但是后三种方式一般用于专业精密测量仪器,对材料要求高,制作难度大,制作成本高,不适用于一般个人和家庭日常使用。简易空气负离子传感器则采用平板式电极板作为负离子采集器,虽然测量精度略微较差,最大测量误差为±10%,但是已经足以满足日常非专业研究人员的使用需求,且极大的简化了仪器结构,降低了生产成本。
2.3 微信号放大电路
微信号放大电路包括放大电路、滤波电路和A/D转换电路三部分。平板式负离子采集器输出的是微弱模拟电压信号,电压级别为毫伏级,并且由于负离子自身的不稳定性,信号中包含很大的噪声干扰,只有经过微信号放大电路处理之后,才能得到单片机能够分析处理的数字电压信号。放大电路如图2所示,电阻R1为下拉电阻,电容C1为耦合电容,电容C2减少零点漂移对该放大电路的影响,电容C3和电阻R3起滤波和电压放大的作用。微弱电压信号经过该电
压放大电路后,模拟电压幅值提升到-5-+5V范围内。
+5
R3
R1
C1
U1
U2
LM358
C2 R2
C3
2 空气负离子传感器的设计
2.1 整体结构
简易空气负离子传感器主要由平板式负离子采集器、微信号放大电路、STC89C52单片机、液晶显示模块四大部分组成。其中平板式负离子采集器与空气直接接触,采集空气中的负离子,并将采集的电荷量转化为微弱的电压信号;微信号放大电路将负离子采集器输出的微弱电压信号进行差分放大,再对信号进行滤波降噪处理,消除干扰信号,输出较为平滑的模拟电压信号,模拟电压信号经过
图1图2
收稿日期:2015-02-18
作者简介:郑留帅(1992—),男,汉族,河南省周口市人,学生,单位:郑州大学电气工程院自动化专业,研究方向:检测技术与自动化装置。
166
各个定时器指数,以及和液晶显示模块的通信。主函数循环程序实现对各大模块函数的综合调用和执行,实现数字信号的计算处理以及控制指令的发出。中断服务程序实现中断函数的调用和定时器的溢出处理,是程序设计中的重点部分。液晶显示程序主要是实现单片机与液晶显示模块的通讯,并实现对液晶屏的控制,使其能够正确可靠的显示空气负离子浓度数值信息。此外,传感器加入的串口通信程序,可以实现多机通信以及传感器与计算机的通信,方便数据信息的存储和共享,传感器上的RXD和TXD引脚分别具有数据的接收和发送功能,只需通过简单的连线就可实现多机通信,大大拓展了传感器的功能和应用范围,也充分利用了单片机的硬件资源。
此时的电压信号已经足够进行模数转换处理,但是其中依然混合有较大的干扰信号。电压信号中存在的干扰信号,频率很大,幅值变化剧烈,必须要经过滤波处理。在此选用的是二阶RC低通滤波电路。
经过二阶RC低通滤波电路后,去除了其中的高频干扰信号,输出的电压U3已经变得比较平滑。可以向下一级电路进行传输。至此,由平板式负离子采集器输出的微弱电压信号已经经过放大和滤波处理,其中的干扰信号已被消除,电压幅值也放大到了符合要求的数值级别,但是由于STC89C52单片机只能处理数字信号且其自身没有A/D转换能力,必须将得到的模拟电压信号进行进一步处理。采用16位A/D转换芯片AD7705,可以实现0.003%非线性的16位无误码数据输出,完成电压信号的模数转换过程,能够很好的满足简易空气负离子传感器显示精度的要求。
4 结语
简易式空气负离子传感器采用较为简单的平板式负离子采集器,实现对负离子的采集、浓度信号的处理、浓度数值的显示。微信号放大电路对电压信号的多级处理,降低了干扰信号对于测量结果的影响,单片机采取一定时间内数据求平均值的方式,提高了数据的可靠性和数据显示的稳定性。通过各级电路与控制程序的配合,使的传感器的测量误差控制在10%之内。并且预留了串口通信接口,能够实现传感器的联合测量和数据共享,使得传感器的功能更加强大,用处更为广泛。
空气中负离子对人们生活十分益处,逐渐受到人们的重视,简易空气负离子传感器的设计满足了广大人们对于负离子浓度测量的需求,能够给人们的日常出行和生活带来有益的指导,具有良好的应用前景和市场需求。参考文献
[1]邵峰晶,於雷.负离子浓度检测[J].计算机应用研究,2006.06.[2]侯建华.空气负离子测量装置的设计[J].电子技术,2009,7.[3]陈文周.空气负离子研究及应用[J].福建电脑,2008,2.
2.4 浓度数据显示
经过多级电路处理后的电压信号最后被输入STC89C52单片机的IO口,单片机通过读取经过A/D转换后的数字信号,生成对应的数值。考虑到空气负离子不稳定,电极板附近小范围内离子浓度跳变迅速的特性,这里传感器采用5秒时间内求取平均值的方法得出中间电压数值,程序通过查找单片机存储器中的电压—浓度对照表,取出与该电压水平相对应的负离子浓度数值信息。该数值就是空气中5秒之内负离子浓度的平均值。最后单片机向液晶显示模块发出控制指令,将负离子浓度数值显示在液晶屏上。
3 程序设计
简易空气负离子传感器的程序设计采用C语言编写,使用模块化编程思想。主要完成定时采集数据、数字信号滤波处理、数值拟合分析、数据存储、数据显示等功能。程序主要包括有传感器初始化、主函数循环、中断服务程序、液晶显示程序以及串口通信程序。传感器初始化主要等待前级电路模块工作正常,形成稳定输出,完成对
······上接第165页
图
3 设备部件集成示意图
和模块化设计,对采集设备及其连接方式进行了整体部署;再根据各项采集工作的要求,搭建了满足光照、角度、距离、隔音等一系列要求的半开放式一体成型采集间。如图3所示。
故障。对此,正确判断故障情况,能帮助我们快速定位解决。
(5)采集项目质量控制模块。人脸自动检测、拍照自动对焦裁剪,指纹、语音、足痕等均有相应质量控制。不符合质量要求将无法采集,采集好项目自动显示质量检测评分。
(6)采集信息比对模块。对各比对项目的重要性和正确率进行分析,设置每项权值,实现复合特征比对方案。
(7)比对结果置信度汇集展示模块。针对各项比对结果进行分类,具体可分为参考类、单一证据类。参考类提供相似度排序;并根据设定权值计算最后复合相似度排序。
(8)系统管理模块。实现主要管理功能。
4 结语
经上文叙述,该系统硬件布局、采集流程、后续软件设计整体规范、合理。目前已成功申请国家专利,并在实际应用中取得很好的成效。参考文献
[1]于本成,曹天杰.人脸识别与指纹识别系统接口的设计与实现[J].
微电子学与计算机,2012.
[2]徐畅,王晓龙,王铖.基于指纹和人脸识别的二代证身份验证系统
研究[J].数字技术与应用,2011.11.
[3]张志坚,多模态生物特征识别融合算法的研究[D].中国科学技术
大学,博士论文,2009.
3.3 软件功能模块设计
软件分为以下几大模块:(1)采集模块。包含人员的身份信息、三面人像、身高、体重、足长、体表特殊标记、指纹、DNA、语音、尿样、足痕、鞋底面图像、声纹等项目的采集。
(2)自动计算和数据合成模块。根据采集项目计算出相关联项目。比如仅根据正面人像,计算出身高、脸型、五官特征;再结合体重计算出体型等。
(3)集成硬件故障检测模块。作为基础采集的终端设备,且集成较多硬件,设备维护和故障排除成为实际工作中必须的功能。系统提供了各设备集中检查平台,并给常见故障提供了故障排除指引。
(4)与其他系统接口模块及故障快速检测。系统要实现大量外库数据交互,故要提供大量接口。同时,频繁调用有时将引发大量连接
167
简易空气负离子传感器的设计
郑留帅
(郑州大学电气工程学院 河南郑州 450001)
摘要:随着人们健康意识的加深,对于居住环境空气质量了解的需求越来越大。空气中负离子浓度作为空气质量的一大指标,对其的测量也受到广大人民的关注。为了能够方便快捷的测量空气中负离子的浓度,文章提出了一种简易空气负离子传感器的设计方法。以STC89C52单片机为核心,采用平板式负离子采集器、微信号放大电路以及液晶模块等器件设计出了一中空气负离子传感器。该传感器结构简单,测量快速方便,能够满足人们日常生活对空气中负离子浓度测量的需求。
关键词:空气负离子 平板式采集器 微信号放大电路中图分类号:TP212.2文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2015)02-0166-02
空气负离子被誉为“空气维生素”,对人们的身心健康非常有益。空气中的负离子浓度是空气质量的一大指标,它可以有效的降低空气中的细菌和灰尘含量,净化空气,提高人体的心肺功能,促进各项器官新陈代谢能力,增强人体的免疫力,还能预防和治疗多种疾病。随着生活水平的提高,以及健康意识的加深,人们对于空气负离子广大益处的认识也越来越深。通过对生活环境中空气负离子的测量,帮助人们重视改善生活环境,给予人们一个积极正确的生活指导。
A/D转换后产生便于单片机处理的数字信号;STC89C52单片机接收到数字电压信号后,对信号进行分析处理,除去剧烈跳变信号,并对多次测量得到的信号进行求取平均值,根据存储器中存储的电压—浓度对照表,得出空气中负离子浓度的数值,并向液晶显示模块发出控制信号;液晶显示模块主要用于实时显示空气负离子浓度的数值,接收到单片机的控制信息后,将浓度数值直观的显示出来,共使用者观察参考。图1是简易负离子传感器的结构框图。
2.2 平板式负离子采集器
平板式负离子采集器的核心器件——平板式电极板采用具有良好抗氧化性和导电性的奥氏体不锈钢制成,电极板暴露于要测量的空气中,当空气中的负离子接触到电极板后,其所携带的额外电荷被电极板吸收,电极板收集到大量的负离子电荷后,极板本身便呈现负极性。为了将电荷信息转化为后期电路能够处理的电信号,需要将电极板接地,电荷流向大地时会产生微弱电流信号,这里采用电流—电压转化法,将电流信号转化为电压信号。具体实现方式是在电极板与电源负极之间接入一个510MΩ的大阻值电阻,当微弱电流流经该电阻时,大阻值电阻将微弱电流信号转化为毫伏级电压信号,这样一来便实现了空气负离子浓度信息的采集。
1 空气负离子测量原理
空气负离子测量也被成为负氧离子,是指额外携带一个及以上负电荷的氧气离子。空气负离子的测量主要依据对单位体积空气中负电荷数量的估测。空气负离子采集器通常由导电性能良好的金属材料制成。当空气中游离的负离子在撞击到金属极板时,负离子携带的额外电子转移到金属极板上去,从而引起金属极板呈现负极性。如金属极板通过导线与大地接触,则会在导线上产生一个微弱电流,通过这一电流信号的采集和测量,可以估测出金属极板上所携带的电荷量,再经过计算便可得出空气中负离子的浓度。负离子采集器的设计方式大致分为平板式、电容式、格栅式和球式,但是后三种方式一般用于专业精密测量仪器,对材料要求高,制作难度大,制作成本高,不适用于一般个人和家庭日常使用。简易空气负离子传感器则采用平板式电极板作为负离子采集器,虽然测量精度略微较差,最大测量误差为±10%,但是已经足以满足日常非专业研究人员的使用需求,且极大的简化了仪器结构,降低了生产成本。
2.3 微信号放大电路
微信号放大电路包括放大电路、滤波电路和A/D转换电路三部分。平板式负离子采集器输出的是微弱模拟电压信号,电压级别为毫伏级,并且由于负离子自身的不稳定性,信号中包含很大的噪声干扰,只有经过微信号放大电路处理之后,才能得到单片机能够分析处理的数字电压信号。放大电路如图2所示,电阻R1为下拉电阻,电容C1为耦合电容,电容C2减少零点漂移对该放大电路的影响,电容C3和电阻R3起滤波和电压放大的作用。微弱电压信号经过该电
压放大电路后,模拟电压幅值提升到-5-+5V范围内。
+5
R3
R1
C1
U1
U2
LM358
C2 R2
C3
2 空气负离子传感器的设计
2.1 整体结构
简易空气负离子传感器主要由平板式负离子采集器、微信号放大电路、STC89C52单片机、液晶显示模块四大部分组成。其中平板式负离子采集器与空气直接接触,采集空气中的负离子,并将采集的电荷量转化为微弱的电压信号;微信号放大电路将负离子采集器输出的微弱电压信号进行差分放大,再对信号进行滤波降噪处理,消除干扰信号,输出较为平滑的模拟电压信号,模拟电压信号经过
图1图2
收稿日期:2015-02-18
作者简介:郑留帅(1992—),男,汉族,河南省周口市人,学生,单位:郑州大学电气工程院自动化专业,研究方向:检测技术与自动化装置。
166
各个定时器指数,以及和液晶显示模块的通信。主函数循环程序实现对各大模块函数的综合调用和执行,实现数字信号的计算处理以及控制指令的发出。中断服务程序实现中断函数的调用和定时器的溢出处理,是程序设计中的重点部分。液晶显示程序主要是实现单片机与液晶显示模块的通讯,并实现对液晶屏的控制,使其能够正确可靠的显示空气负离子浓度数值信息。此外,传感器加入的串口通信程序,可以实现多机通信以及传感器与计算机的通信,方便数据信息的存储和共享,传感器上的RXD和TXD引脚分别具有数据的接收和发送功能,只需通过简单的连线就可实现多机通信,大大拓展了传感器的功能和应用范围,也充分利用了单片机的硬件资源。
此时的电压信号已经足够进行模数转换处理,但是其中依然混合有较大的干扰信号。电压信号中存在的干扰信号,频率很大,幅值变化剧烈,必须要经过滤波处理。在此选用的是二阶RC低通滤波电路。
经过二阶RC低通滤波电路后,去除了其中的高频干扰信号,输出的电压U3已经变得比较平滑。可以向下一级电路进行传输。至此,由平板式负离子采集器输出的微弱电压信号已经经过放大和滤波处理,其中的干扰信号已被消除,电压幅值也放大到了符合要求的数值级别,但是由于STC89C52单片机只能处理数字信号且其自身没有A/D转换能力,必须将得到的模拟电压信号进行进一步处理。采用16位A/D转换芯片AD7705,可以实现0.003%非线性的16位无误码数据输出,完成电压信号的模数转换过程,能够很好的满足简易空气负离子传感器显示精度的要求。
4 结语
简易式空气负离子传感器采用较为简单的平板式负离子采集器,实现对负离子的采集、浓度信号的处理、浓度数值的显示。微信号放大电路对电压信号的多级处理,降低了干扰信号对于测量结果的影响,单片机采取一定时间内数据求平均值的方式,提高了数据的可靠性和数据显示的稳定性。通过各级电路与控制程序的配合,使的传感器的测量误差控制在10%之内。并且预留了串口通信接口,能够实现传感器的联合测量和数据共享,使得传感器的功能更加强大,用处更为广泛。
空气中负离子对人们生活十分益处,逐渐受到人们的重视,简易空气负离子传感器的设计满足了广大人们对于负离子浓度测量的需求,能够给人们的日常出行和生活带来有益的指导,具有良好的应用前景和市场需求。参考文献
[1]邵峰晶,於雷.负离子浓度检测[J].计算机应用研究,2006.06.[2]侯建华.空气负离子测量装置的设计[J].电子技术,2009,7.[3]陈文周.空气负离子研究及应用[J].福建电脑,2008,2.
2.4 浓度数据显示
经过多级电路处理后的电压信号最后被输入STC89C52单片机的IO口,单片机通过读取经过A/D转换后的数字信号,生成对应的数值。考虑到空气负离子不稳定,电极板附近小范围内离子浓度跳变迅速的特性,这里传感器采用5秒时间内求取平均值的方法得出中间电压数值,程序通过查找单片机存储器中的电压—浓度对照表,取出与该电压水平相对应的负离子浓度数值信息。该数值就是空气中5秒之内负离子浓度的平均值。最后单片机向液晶显示模块发出控制指令,将负离子浓度数值显示在液晶屏上。
3 程序设计
简易空气负离子传感器的程序设计采用C语言编写,使用模块化编程思想。主要完成定时采集数据、数字信号滤波处理、数值拟合分析、数据存储、数据显示等功能。程序主要包括有传感器初始化、主函数循环、中断服务程序、液晶显示程序以及串口通信程序。传感器初始化主要等待前级电路模块工作正常,形成稳定输出,完成对
······上接第165页
图
3 设备部件集成示意图
和模块化设计,对采集设备及其连接方式进行了整体部署;再根据各项采集工作的要求,搭建了满足光照、角度、距离、隔音等一系列要求的半开放式一体成型采集间。如图3所示。
故障。对此,正确判断故障情况,能帮助我们快速定位解决。
(5)采集项目质量控制模块。人脸自动检测、拍照自动对焦裁剪,指纹、语音、足痕等均有相应质量控制。不符合质量要求将无法采集,采集好项目自动显示质量检测评分。
(6)采集信息比对模块。对各比对项目的重要性和正确率进行分析,设置每项权值,实现复合特征比对方案。
(7)比对结果置信度汇集展示模块。针对各项比对结果进行分类,具体可分为参考类、单一证据类。参考类提供相似度排序;并根据设定权值计算最后复合相似度排序。
(8)系统管理模块。实现主要管理功能。
4 结语
经上文叙述,该系统硬件布局、采集流程、后续软件设计整体规范、合理。目前已成功申请国家专利,并在实际应用中取得很好的成效。参考文献
[1]于本成,曹天杰.人脸识别与指纹识别系统接口的设计与实现[J].
微电子学与计算机,2012.
[2]徐畅,王晓龙,王铖.基于指纹和人脸识别的二代证身份验证系统
研究[J].数字技术与应用,2011.11.
[3]张志坚,多模态生物特征识别融合算法的研究[D].中国科学技术
大学,博士论文,2009.
3.3 软件功能模块设计
软件分为以下几大模块:(1)采集模块。包含人员的身份信息、三面人像、身高、体重、足长、体表特殊标记、指纹、DNA、语音、尿样、足痕、鞋底面图像、声纹等项目的采集。
(2)自动计算和数据合成模块。根据采集项目计算出相关联项目。比如仅根据正面人像,计算出身高、脸型、五官特征;再结合体重计算出体型等。
(3)集成硬件故障检测模块。作为基础采集的终端设备,且集成较多硬件,设备维护和故障排除成为实际工作中必须的功能。系统提供了各设备集中检查平台,并给常见故障提供了故障排除指引。
(4)与其他系统接口模块及故障快速检测。系统要实现大量外库数据交互,故要提供大量接口。同时,频繁调用有时将引发大量连接
167