CN108801866A - 颗粒物传感器的电路、信号放大方法及颗粒物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及颗粒物传感器技术领域，尤其涉及一种颗粒物传感器的电路、信号放大方法及颗粒物传感器；所述电路包括一级放大电路，所述一级放大电路包括第一放大器U1，所述第一放大器U1的输出端分别与二级放大电路和MCU处理器连接；所述一级放大电路还包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第三电容C3，所述第七电阻R7的一端与所述第五电阻R5和所述第六电阻R6的公共连接点连接，另一端与MCU处理器连接。本发明所公开的颗粒物传感器的电路及颗粒物传感器，通过设置第七电阻和MCU处理器，对一级放大电路进行反馈调节，使一级放大电路的输出电压稳定在设置的范围内，能够获得更大的放大倍数，探测到更小的颗粒物。

Description

颗粒物传感器的电路、信号放大方法及颗粒物传感器

技术领域

本发明涉及颗粒物传感器技术领域，尤其涉及一种颗粒物传感器的电路、信号放大方法及颗粒物传感器。

背景技术

颗粒物传感器基于光学散射原理，如图3所示，光源一般采用激光器或红外LED，当有PM2.5或其他细颗粒物，进入光散射腔时，发生散射，光电探测器可以将接收到的散射光信号转变成电流信号。放大电路将电流信号放大成合适幅值的电压信号，再由MCU处理。相对于光源发出的光，颗粒物散射的光功率非常非常小，且散射光是向空间360°散射。光电探测器需要放置在恰当的位置，既要避免光源的直接照射，又要保证散射光能够尽可能的接收到。这样光电探测器就只接收到散射光。颗粒物的散射光能量极低，这样光电探测器产生的光生电流就非常小，一般在pA量级的脉冲电流。这就需要放大电路有很大的放大倍数。

放大电路通常采用由集成运放构成的两级放大电路进行放大，第一级需要将电流信号转换为电压信号，通常采用如图4所示的跨阻放大的形式，光电探测器D接在放大器的输入与输出端，电阻R2和电容C3跨接在放大器的反向输入端与输出端，R2一般采用大阻值电阻，比如1MΩ或10MΩ。C3是滤波电容。跨阻放大倍数A＝I*R2，I为光电探测器D所产生的光电流。图3的反馈电阻R2也可以用T型网络(R4、R5、R6)代替，如图5所示。

颗粒物的粒径越小，散射光能量越小，放大电路的放大倍数就要设置的越高。但这样会遇到一个问题，颗粒物传感器不论内部结构采用黑色材料或者特殊结构，都无法避免光源发出的光经过内壁的反射、散射等多条路径间接照射到光电探测器上。这样，在实际情况中，光电探测器会接收到两种光信号，一种是颗粒物散射的脉冲光信号(有颗粒物经过才有光信号)，另一种是光源发出的光被传感器内壁及内部结构的反射、散射后照射到探测器的直流的光信号。

这样，光电探测器产生的光电流就由两部分组成：直流电信号和脉冲电信号。而脉冲电信号才是需要的。通常情况，脉冲电信号的幅值要比直流信号小很多。而经过放大电路的第一级放大时，两种信号会同时放大，当放大倍数很大时，放大后的直流信号会达到放大器的电源电压，使放大器饱和，输出始终等于电源电压，脉冲信号消失，电路的放大作用失效。这样传统的颗粒物传感器，在放大倍数选择上就需要作出妥协，要探测更小的颗粒物，例如小于1um直径的，就需要增大放大倍数，但放大倍数增大就导致放大电路饱和。正是这个原因，传统的红外颗粒物传感器只能探测到1um以上的颗粒物。

因此，为了解决上述问题，急需发明一种新的颗粒物传感器的电路、信号放大方法及颗粒物传感器。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种颗粒物传感器的电路及颗粒物传感器、信号放大方法及颗粒物传感器，在获得大的放大倍数的同时，增强了传感器的可靠性和抗干扰性。

本发明提供了下述方案：

一种颗粒物传感器的电路，包括串联设置的一级放大电路和二级放大电路，所述一级放大电路的输出端还与MCU处理器的检测电压输入端1连接，所述二级放大电路的输出端与所述MCU处理器的放大信号输入端3连接，所述MCU处理器的控制电压信号输出端2与滤波电路的一端连接，所述滤波电路的另一端与所述一级放大电路连接。

优选地，所述一级放大电路包括第一放大器U1，

所述第一放大器U1的正向输入端用于与光电探测器D的正向端连接，所述第一放大器U1的反向输入端用于与光电探测器D的反向端连接，所述第一放大器U1的输出端分别与所述二级放大电路和所述MCU处理器连接；

所述一级放大电路还包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第三电容C3，所述第五电阻R5的一端与所述第一放大器U1的反向输入端连接，另一端与所述第六电阻R6的一端连接，所述第六电阻R6的另一端与所述第一放大器U1的输出端连接；所述第四电阻R4的一端与所述第五电阻R5和所述第六电阻R6的公共连接点连接，另一端接地；所述第三电容C3的第一电容板与所述第五电阻R5和所述第六电阻R6的公共连接点连接，所述第三电容C3的第二电容板与所述第一放大器U1的输出端连接；

所述第七电阻R7的一端与所述第五电阻R5和所述第六电阻R6的公共连接点连接，另一端与所述滤波电路的一端连接。

优选地，所述滤波电路包括第九电阻R9、第十电阻R10和第四电容C4，所述第九电阻R9和所述第十电阻R10串联，所述第九电阻R9的一端与所述MCU处理器连接，所述第十电阻R10的一端与所述第七电阻R7的一端连接；所述第四电容C4的第一电容板与所述第九电阻R9和所述第十电阻R10的公共连接点连接，所述第四电容C4的第二电容板接地。

优选地，所述滤波电路还包括第十一电阻R11和第五电容C5，所述第十一电阻R11的一端与所述第十电阻R10的一端连接，所述第十一电阻R11的另一端接地；所述第五电容C5的第一电容板与所述第十电阻R10的一端连接，所述第五电容C5的第二电容板接地。

优选地，所述二级放大电路包括第二放大器U2，所述第二放大器U2的正向输入端与第二电容C2的第一电容板连接，所述第二电容C2的第二电容板与所述第一放大器U1的输出端连接，所述第二放大器U2的输出端与所述MCU处理器连接。

优选地，所述二级放大电路还包括第二电阻R2、第三电阻R3和第一电容C1，所述第二电阻R2和所述第三电阻R3串联，所述第二电阻R2的一端接地，所述第二电阻R2和所述第三电阻R3的公共连接点与所述第二放大器U2的反向输入端连接，所述第三电阻R3的一端与所述第二放大器U2的输出端连接；所述第一电容C1与所述第三电阻R3并联。

优选地，所述二级放大电路还包括第八电阻R8，所述第八电阻R8的一端与所述第二放大器U2的正向输入端连接，所述第八电阻R8的另一端接地。

优选地，所述的颗粒物传感器的电路还包括第一电阻R1，所述第一电阻R1的一端与所述第一放大器U1的正向输入端连接，所述第一电阻R1的另一端接地。

进一步地，本发明还提供了一种基于所述的颗粒物传感器的电路的信号放大方法，包括以下步骤：

当MCU处理器的检测电压输入端接收到一级放大电路的输出电压值，MCU处理器根据接收到的输出电压值，实时编辑反馈电压信号，并将编辑好的反馈电压信号经MCU处理器的控制电压信号输出端发送给滤波电路，滤波电路将接收到的反馈电压信号经过滤波整形处理后输出给一级放大电路，进而将一级放大电路的输出电压值控制在设定的范围内，防止整个放大电路的输出电压饱和，在获得大的放大倍数的同时，增强了传感器的可靠性和抗干扰性。

进一步地，本发明还提供了一种颗粒物传感器，包括所述的颗粒物传感器的电路。

本发明产生的有益效果：

1、本发明所公开的颗粒物传感器的电路、信号放大方法及颗粒物传感器，通过设置第七电阻和MCU处理器，对一级放大电路进行反馈调节，使一级放大电路的的输出电压稳定在设置的范围内，避免当放大倍数很大时，放大后的直流信号会达到放大器的电源电压，使放大器饱和，输出始终是电源电压，脉冲信号消失，电路的放大作用失效的问题；同时能够获得更大的放大倍数，而不会导致放大电路饱和，能够探测到更小的颗粒物；

2、所述滤波电路包括第九电阻R9、第十电阻R10和第四电容C4，所述第九电阻R9和所述第十电阻R10串联，所述第九电阻R9的一端与所述MCU处理器连接，所述第十电阻R10的一端与所述第七电阻R7的一端连接；所述第四电容C4的第一电容板与所述第九电阻R9和所述第十电阻R10的公共连接点连接，所述第四电容C4的第二电容板接地；所述滤波电路还包括第十一电阻R11和第五电容C5，所述第十一电阻R11的一端与所述第十电阻R10的一端连接，所述第十一电阻R11的另一端接地；所述第五电容C5的第一电容板与所述第十电阻R10的一端连接，所述第五电容C5的第二电容板接地；由于电路放大倍数很大时，放大器的漏电流、输入失调电流等就变得不可忽略，这些电流都可以看成直流。在如此大的放大倍数的情况下，随着环境和时间的变化，可能导致一级的直流电压发生较大变化。加入这种动态调节机制，就可以有效避免这些情况的发生，始终监测并控制一级的输出在设定的范围。这极大的增强了传感器的可靠性和抗干扰性。

附图说明

图1为本发明的颗粒物传感器的电路的结构框图；

图2为本发明的颗粒物传感器的电路的电路图；

图3为传统的颗粒物传感器的组成框图；

图4为传统的一级放大电路的一种电路图；

图5为传统的一级放大电路的另一种电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1所示，一种颗粒物传感器的电路，包括串联设置的一级放大电路和二级放大电路，所述一级放大电路的输出端还与MCU处理器的检测电压输入端1连接，所述二级放大电路的输出端与所述MCU处理器的放大信号输入端3连接，所述MCU处理器的控制电压信号输出端2与滤波电路的一端连接，所述滤波电路的另一端与所述一级放大电路连接。

参见图2所示，所述一级放大电路包括第一放大器U1，所述第一放大器U1的正向输入端用于与光电探测器D的正向端连接，所述第一放大器U1的反向输入端用于与光电探测器D的反向端连接，所述第一放大器U1的输出端用于分别与二级放大电路和MCU处理器连接；所述一级放大电路还包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第三电容C3，所述第五电阻R5的一端与所述第一放大器U1的反向输入端连接，另一端与所述第六电阻R6的一端连接，所述第六电阻R6的另一端与所述第一放大器U1的输出端连接；所述第四电阻R4的一端与所述第五电阻R5和所述第六电阻R6的公共连接点连接，另一端接地；所述第三电容C3的第一电容板与所述第五电阻R5和所述第六电阻R6的公共连接点连接，所述第三电容C3的第二电容板与所述第一放大器U1的输出端连接；所述第七电阻R7的一端与所述第五电阻R5和所述第六电阻R6的公共连接点连接，另一端与MCU处理器连接。所述的颗粒物传感器的电路还包括滤波电路，所述滤波电路的一端与所述第七电阻R7的一端连接，所述滤波电路的另一端与MCU处理器连接。所述滤波电路包括第九电阻R9、第十电阻R10和第四电容C4，所述第九电阻R9和所述第十电阻R10串联，所述第九电阻R9的一端与所述MCU处理器连接，所述第十电阻R10的一端与所述第七电阻R7的一端连接；所述第四电容C4的第一电容板与所述第九电阻R9和所述第十电阻R10的公共连接点连接，所述第四电容C4的第二电容板接地。所述滤波电路还包括第十一电阻R11和第五电容C5，所述第十一电阻R11的一端与所述第十电阻R10的一端连接，所述第十一电阻R11的另一端接地；所述第五电容C5的第一电容板与所述第十电阻R10的一端连接，所述第五电容C5的第二电容板接地。所述二级放大电路包括第二放大器U2，所述第二放大器U2的正向输入端与第二电容C2的第一电容板连接，所述第二电容C2的第二电容板与所述第一放大器U1的输出端连接，所述第二放大器U2的输出端用于与MCU处理器连接。

参见图2所示，所述二级放大电路还包括第二电阻R2、第三电阻R3和第一电容C1，所述第二电阻R2和所述第三电阻R3串联，所述第二电阻R2的一端接地，所述第二电阻R2和所述第三电阻R3的公共连接点与所述第二放大器U2的反向输入端连接，所述第三电阻R3的一端与所述第二放大器U2的输出端连接；所述第一电容C1与所述第三电阻R3并联。所述二级放大电路还包括第八电阻R8，所述第八电阻R8的一端与所述第二放大器U2的正向输入端连接，所述第八电阻R8的另一端接地。所述的颗粒物传感器的电路还包括第一电阻R1，所述第一电阻R1的一端与所述第一放大器U1的正向输入端连接，所述第一电阻R1的另一端接地。所述MCU处理器包括MCU处理器，所述MCU处理器分别与所述第一放大器U1的输出端以及所述第九电阻R9的一端连接。

参见图2所示，本实施例中还提供了一种颗粒物传感器，包括所述的颗粒物传感器的电路。

本实施例中所述颗粒物传感器的电路及颗粒物传感器，通过设置第七电阻和MCU处理器，对一级放大电路进行反馈调节，使一级放大电路的的输出电压稳定在设置的范围内，避免当放大倍数很大时，放大后的直流信号会达到放大器的电源电压，使放大器饱和，输出始终是电源电压，脉冲信号消失，电路的放大作用失效的问题；同时能够获得更大的放大倍数，而不会导致放大电路饱和，能够探测到更小的颗粒物；

本实施例中所述颗粒物传感器的电路及颗粒物传感器，所述滤波电路包括第九电阻R9、第十电阻R10和第四电容C4，所述第九电阻R9和所述第十电阻R10串联，所述第九电阻R9的一端与所述MCU处理器连接，所述第十电阻R10的一端与所述第七电阻R7的一端连接；所述第四电容C4的第一电容板与所述第九电阻R9和所述第十电阻R10的公共连接点连接，所述第四电容C4的第二电容板接地；所述滤波电路还包括第十一电阻R11和第五电容C5，所述第十一电阻R11的一端与所述第十电阻R10的一端连接，所述第十一电阻R11的另一端接地；所述第五电容C5的第一电容板与所述第十电阻R10的一端连接，所述第五电容C5的第二电容板接地；由于电路放大倍数很大时，放大器的漏电流、输入失调电流等就变得不可忽略，这些电流都可以看成直流。在如此大的放大倍数的情况下，随着环境和时间的变化，可能导致一级的直流电压发生较大变化。加入这种动态调节机制，就可以有效避免这些情况的发生，始终监测并控制一级的输出在设定的范围。这极大的增强了传感器的可靠性和抗干扰性。

本实施例中还提供了一种基于所述的颗粒物传感器的电路的信号放大方法，包括以下步骤：当MCU处理器的检测电压输入端接收到一级放大电路的输出电压值，MCU处理器根据接收到的输出电压值，实时编辑反馈电压信号，并将编辑好的反馈电压信号经MCU处理器的控制电压信号输出端发送给滤波电路，滤波电路将接收到的反馈电压信号经过滤波整形处理后输出给一级放大电路，进而将一级放大电路的输出电压值控制在设定的范围内，防止整个放大电路的输出电压饱和，在获得大的放大倍数的同时，增强了传感器的可靠性和抗干扰性。

本实施例中所述颗粒物传感器的电路及颗粒物传感器，采用的放大电路分为两级，利用MCU处理器采集一级放大电路的输出电压，经过MCU处理器运算后，MCU处理器再通过滤波电路来控制一级放大电路的输出电压。

参见图2所示，本实施例中所述颗粒物传感器的电路及颗粒物传感器的原理为：一级放大电路仍然为跨阻放大电路，在T型网络的基础上增加了电阻R7。同时在电阻R7的端口8，接一个电压可以变化的MCU处理器(由MCU处理器实现)。端口8的电压是变化的，这个电压来自于滤波电路。这样从R7支路流过的直流电流就会变化，同时节点4的电压也会发生变化。端口8上的电压由MCU控制，端口8与MCU之间有一个由电阻、电容、电感所组成的滤波整形电路。如图2所示，该部分电路可以将PWM信号(占空比可以变化的方波)，转换成直流电压。通过MCU发出PWM信号，经过滤波电路，将PWM信号转换成直流电压；PWM信号变化，直流电压的值就发生变化。

参见图2所示，本实施例中所述颗粒物传感器的电路在工作时，MCU采集一级放大电路输出的直流电压(直流成分远大于脉冲成分，可以认为此处的电压为直流电压)，MCU预先设置控制程序，根据采集到的一级电压值，来调节PWM信号，从而改变端口8上的电压。MCU会设置一个一级电压的范围，比如0.7V-1.3V。当采集的电压高于这个范围的上限1.3V时，就增大PWM信号的占空比，使R1端点的电压增加，这样节点4的电压增加，通过电路的作用，一级的输出电压下降。当采集的电压低于这个范围的下限时，就减小PWM信号的占空比，使R1端点的电压降低，这样节点4的电压下降，从而，使一级的输出电压上升。通过这样的反馈调节，最终使一级的输出电压稳定在设置的范围内。而对于脉冲信号(交流信号)，R1上加的这个直流电压，相当于交流的地，电路的交流通路是不会受到这个可调直流电压的影响的，因此，直流电压的改变并不会改变电路的交流放大倍数。当直流电压变化时，一级的脉冲信号不会因此受到影响。这样，相对于交流信号，可以设计很大的放大倍数。而对于直流，由于有R1支路的存在。通过MCU的反馈控制，可以动态的调节输出的直流电压，始终保证直流输出电压，在我们设定的范围，不会出现饱和的情况；同时，这个电路还有一个优点。由于电路放大倍数很大时，放大器的漏电流、输入失调电流等就变得不可忽略，这些电流都可以看成直流。在如此大的放大倍数的情况下，随着环境和时间的变化，可能导致一级的直流电压发生较大变化。加入这种动态调节机制，就可以有效避免这些情况的发生，始终监测并控制一级的输出在设定的范围。这极大的增强了传感器的可靠性和抗干扰性。

本实施例中所述颗粒物传感器的电路及颗粒物传感器，放大电路中在T型网络中增加一条支路，并在此支路外加MCU处理器；通过MCU监测一级放大电路的直流电压的变化，实时调节加在T型网络上的电压；这个动态电压，是由MCU以及滤波整形电路实现的。其优点为：高放大倍数，能够探测到更小的颗粒，以及高可靠性和抗干扰性。本发明的电路实现方案，只是一种方案，其他类似的有同样功能的电路也在专利保护范围内。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种颗粒物传感器的电路，其特征在于：包括串联设置的一级放大电路和二级放大电路，所述一级放大电路的输出端还与MCU处理器的检测电压输入端连接，所述二级放大电路的输出端与所述MCU处理器的放大信号输入端连接，所述MCU处理器的控制电压信号输出端与滤波电路的一端连接，所述滤波电路的另一端与所述一级放大电路连接。

2.根据权利要求1所述的颗粒物传感器的电路，其特征在于：所述一级放大电路包括第一放大器，

所述第一放大器的正向输入端用于与光电探测器的正向端连接，所述第一放大器U1的反向输入端用于与光电探测器的反向端连接，所述第一放大器的输出端分别与所述二级放大电路和所述MCU处理器连接；

所述一级放大电路还包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第三电容，所述第五电阻的一端与所述第一放大器的反向输入端连接，另一端与所述第六电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端与所述第一放大器的输出端连接；所述第四电阻的一端与所述第五电阻和所述第六电阻的公共连接点连接，另一端接地；所述第三电容的第一电容板与所述第五电阻和所述第六电阻的公共连接点连接，所述第三电容的第二电容板与所述第一放大器的输出端连接；

所述第七电阻的一端与所述第五电阻和所述第六电阻的公共连接点连接，另一端与所述滤波电路的一端连接。

3.根据权利要求2所述的颗粒物传感器的电路，其特征在于：所述滤波电路包括第九电阻、第十电阻和第四电容，所述第九电阻和所述第十电阻串联，所述第九电阻的一端与所述MCU处理器连接，所述第十电阻的一端与所述第七电阻的一端连接；所述第四电容的第一电容板与所述第九电阻和所述第十电阻的公共连接点连接，所述第四电容的第二电容板接地。

4.根据权利要求3所述的颗粒物传感器的电路，其特征在于：所述滤波电路还包括第十一电阻和第五电容，所述第十一电阻的一端与所述第十电阻的一端连接，所述第十一电阻的另一端接地；所述第五电容的第一电容板与所述第十电阻的一端连接，所述第五电容的第二电容板接地。

5.根据权利要求4所述的颗粒物传感器的电路，其特征在于：所述二级放大电路包括第二放大器，所述第二放大器的正向输入端与第二电容的第一电容板连接，所述第二电容的第二电容板与所述第一放大器的输出端连接，所述第二放大器的输出端与所述MCU处理器连接。

6.根据权利要求5所述的颗粒物传感器的电路，其特征在于：所述二级放大电路还包括第二电阻、第三电阻和第一电容，所述第二电阻和所述第三电阻串联，所述第二电阻的一端接地，所述第二电阻和所述第三电阻的公共连接点与所述第二放大器的反向输入端连接，所述第三电阻的一端与所述第二放大器的输出端连接；所述第一电容与所述第三电阻并联。

7.根据权利要求6所述的颗粒物传感器的电路，其特征在于：所述二级放大电路还包括第八电阻，所述第八电阻的一端与所述第二放大器的正向输入端连接，所述第八电阻的另一端接地。

8.根据权利要求7所述的颗粒物传感器的电路，其特征在于：还包括第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一放大器的正向输入端连接，所述第一电阻的另一端接地。

9.一种基于权利要求1-8中任一所述的颗粒物传感器的电路的信号放大方法，其特征在于：包括以下步骤：

当MCU处理器的检测电压输入端接收到一级放大电路的输出电压值，MCU处理器根据接收到的输出电压值，实时编辑反馈电压信号，并将编辑好的反馈电压信号经MCU处理器的控制电压信号输出端发送给滤波电路，滤波电路将接收到的反馈电压信号经过滤波整形处理后输出给一级放大电路，进而将一级放大电路的输出电压值控制在设定的范围内，防止一级放大电路的输出电压饱和，在获得大的放大倍数的同时，增强了传感器的可靠性和抗干扰性。

10.一种颗粒物传感器，其特征在于：包括权利要求1-8中任一所述的颗粒物传感器的电路。