CN110044996A - 大气负离子浓度检测装置 - Google Patents

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程勇
朱晓东
朱亚宾
任予舒
徐园园
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Abstract

本发明提供提供一种大气负离子浓度检测装置，该装置对空气中的负氧离子浓度进行检测，以便于用户能够直观的观测到空气负氧离子浓度水平信息，从而为环境质量评估提供数据。该装置包括分别与主控单元控制连接的空气负离子传感器、温湿度传感、显示单元和电源单元，所述空气负离子传感器经AD转换单元与主控单元连接，电源单元为各部分供电；其中，空气负离子传感器包括离子收集桶和电荷放大器，离子收集桶包括屏蔽装置、PWM调速风扇、以及内置于屏蔽装置中的双筒型电容，所述双筒型电容的外筒为空心圆桶，接入负的偏置电压，内桶为实心圆柱棒，内桶绝缘支撑在外筒中并连接电荷放大器同时接地；PWM调速风扇位于双筒型电容的一端。

Description

大气负离子浓度检测装置
技术领域：
本发明属气象、环境探测领域，设计一种空气负氧离子检测装置，具有离子收集，电荷放大，模数转换，温度检测，湿度检测，LCD显示，数据处理功能，为环境的监测提供了可靠的数据支持。
背景技术:
近年来，环境污染尤其是大气污染的问题日益突出。随着社会生产力以及经济水平的提高，人们对生态环境的关注度越来越高。空气负离子又称负氧离子，是指获得1个或1个以上的电子带负电荷的氧气离子，被誉为空气中的维生素。在医学健康方面，负离子进入肺部通过血液循环到达全身组织器官，对人体产生综合的生理保健作用。
临床医学上，负氧离子可用来来治疗或改善呼吸系统疾病、神经系统疾病、心血管系统疾病，有增强人体免疫的功能。在环境卫生方面，空气负氧离子清洁空气功能主要表现在除尘、抑菌、除臭等方面。以微米为单位的飘尘伴着细菌、病毒、有害气体呈正电荷在空气中长期飘浮，人的鼻腔无法过滤这种微粒尘埃，其成为危害人们健康的无形杀手。空气中最有害人体健康的是直径<10μm的尘埃，一般机械设备很难滤除，而空气负氧离子却能捕获这些带正电的有害物质，特别对<0.01μm的微粒和飘尘具有显著的沉降效果，粒度越小，捕获效率相对越高。并且空气负氧离子能有效吸收和消除苯甲醛氨等刺激性气体，清除垃圾释放出的酸臭气体。
在生态环境方面，空气负氧离子可以维持大气中适当的正负离子平衡，从而改善空气环境质素。因此，大气负氧离子浓度水平成为衡量空气质量的一项重要指标。而现有的大气负离子检测系统存在着传感器极化板风扇门易发生故障，续航能力弱，受环境限制，适用范围小，成本高，功耗大等众多问题。
发明内容：
本发明提供一种大气负离子浓度检测装置，该装置对空气中的负氧离子浓度进行检测，以便于用户能够直观的观测到空气负氧离子浓度水平信息，从而为环境质量评估提供数据。
本发明的具体技术方案如下：
一种大气负离子浓度检测装置，包括分别与主控单元控制连接的空气负离子传感器、温湿度传感、显示单元和电源，所述空气负离子传感器经AD转换单元与主控单元连接，电源单元为各部分供电；
其中空气负离子传感器包括离子收集桶和电荷放大器；离子收集桶包括屏蔽装置，PWM调速风扇，以及内置于屏蔽装置中的双筒型电容，所述双筒型电容的外筒为空心圆桶，接入负的偏置电压，内桶为实心圆柱棒，内桶绝缘支撑于外筒中并连接电荷放大器同时接地；PWM调速风扇位于双筒型电容的一侧；
启动时，空气被吸入双筒型电容，在偏置电压的作用下，空气中负氧离子偏转到实心圆柱棒，再将实心圆柱棒接入电荷放大器，之后经AD转换单元后输出至控制单元，经控制单元计算处理后，得到的空气负氧离子浓度水平信息经显示单元的LCD显示。
所述离子收集桶的双筒型电容中，外筒直径D为27.8mm，长度L为201.80mm；内桶的实心圆柱棒直径d为10.12mm，长度l为201.80mm。
优选地，所述PWM风扇采用40*40*10mm风扇，满功率风量S＝4.0CFM。
优选地，外筒所接负的偏置电压由电源提供。
优选地，屏蔽装置为圆筒形或长方形的金属容器。
优选地，所述电荷放大器采用DCA10X型号，包括电荷转换级和电压放大级。
优选地，所述主控单元采用CS32F103C8主控芯片。
本发明具有如下有益效果：
本装置采用电容吸入法收集空气中负离子，并结合温、湿度传感器对空气中负氧离子的浓度进行动态检测，对传统的装置进行改造。
该装置中离子收集功能和电荷放大功能构成了负氧离子传感器，将空气负氧离子浓度水平信号转换为电信号，模数转换功能可以将电信号转换为数字信号与单片机进行通信，数据处理功能运用递推平均数字滤波算法，对传输进单片机的信号进行处理计算，提高数据准确率，减少测量误差，并利用并行通信的方式将计算后的数据显示在LCD上。
本发明可以实时自动检测空气中负氧离子的浓度，具有成本低，相对便携性高，续航能力强，适用范围广，灵敏度和精确度相对较高，能有效反映出环境质量问题。
附图说明
图1为实施例中大气负离子检测装置的结构图；
图2为实施例中圆筒形离子收集装置的结构图；
图3为实施例大气负离子检测装置的电原理图(也作摘要附图)；
图4为实施例中电荷放大电路图；
图5为实施例中电源单元电路图；
图6为实施例中大气负离子检测装置控制流程图；
图中，1-内筒；2-外筒；3-屏蔽罩。
具体实施方式：
实施例一：
如图1所示，本发明大气负离子检测装置，包括主控单元、空气负离子传感器、AD转换单元、温湿度传感、显示单元和电源单元。空气负离子传感器经AD转换单元与主控单元连接。
其中，空气负离子传感器包括离子收集桶和电荷放大器，离子收集桶包括屏蔽罩3、PWM调速风扇、以及内置于屏蔽罩中的双筒型电容。双筒型电容的外筒2为空心圆桶，接入负的偏置电压，内桶1为实心圆柱棒，内桶绝缘支撑在外筒中并连接电荷放大器同时接地；PWM调速风扇位于双筒型电容的一端。
电源单元包含单电源转双电源单元、升压模块、降压模块；空气负离子传感器包含温湿传感器；数据转换装置为AD转换单元；显示单元采用LCD串口屏。
启动时，空气被吸入双筒型电容，在偏置电压的作用下，空气中负氧离子偏转到实心圆柱棒，再由实心圆柱棒接入电荷放大器，之后经AD转换单元后输出至控制单元，经控制单元计算处理后，得到的空气负氧离子浓度信息由显示单元的LCD显示。
如图2所示，圆筒形离子收集装置由内外筒形成双筒结构，中间的是内筒，供电电源是正12伏锂电池，采用-12伏接入外筒，内筒接地形成电压差，内筒的输出信号接入电荷放大器。至于内筒固定的问题，内筒和外筒的制作是通过3D打印机，内筒与外筒是一起制作，之间用了绝缘材料固定，同样是3D打印机的材料。
如图3所示，本发明中各部分设计如下：
主控单元，以CKS CS32F103C8为主控芯片，设计的空气负氧离子检测装置，具有离子收集，电荷放大，模数转换，温度检测，湿度检测，LCD显示，数据处理功能。控制单元对传输进单片机的信号进行处理计算，提高数据准确率，并利用并行通信的方式将计算后的数据显示在LCD上。
空气负离子传感器，用于收集空气中负离子信息并进行放大；空气负氧离子传感器，含有金属屏蔽装置和圆筒形离子收集筒。采用电容吸入法，外筒为空心圆桶，接入负的偏置电压，内桶实心圆柱棒，启动PWM调速风扇，空气被吸入双筒型电容，在偏置电压的作用下，负氧离子偏转到实心圆柱棒，再将实心圆柱棒接入电荷放大器再接地。
AD转换单元，AD转换单元可以将电信号转换为数字信号与单片机进行通信；AD转换单元采用16位高精度ADS1115模数转换芯片，可以识别到毫伏甚至微伏级别的电压。用MCU对其进行驱动。
温湿度传感，采用DHT11温湿传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
显示单元采用ILI9341SPI串口240*320屏幕。串行通信更加节约单片机引脚，方便后续开发，完善功能。
电源单元，如图5所示，采用12V锂电池对整个系统进行供电，并通过单电源转双电源单元，升压模块，降压模块，产生±5V、+12V、+3.3V的直流电压，对装置的各个模块进行供电。12V锂电池接入自锁开关，并与单电源转双电源单元，升压模块，降压模块相连接。降压模块采用LM2577芯片，升压模块采用XL60XX系列芯片。
电源单元采用12V锂电池进行供电，AD转换单元使用了16位高精度AD转换单元。显示单元使用了SPI串口LCD显示屏幕，节约MCU资源，为二次开发做准备。
如图4所示，核心部件电荷放大器采用DCA10X电荷放大器模块，其低成本、高精度的直流电荷放大器模块，可将电荷信号转化为电压信号输出，温度稳定性好、噪声低、频响误差小。放大器内部采用特别设计的电位置零电路，准确度可靠性高，灵活的解决了低频测试时的漂移问题。模块采用环保树脂进行密封并屏蔽，具有防潮、防震和抗干扰的优点。静态漂移低，适合>1nC的静态或动态电荷测量应用。
电荷放大器由两部分构成，一部分是电荷转换级，另一部分是电压放大级。输出范围为±220pC～±22000pC，输出范围为±5V～±10V。Rg为可调电阻，可控制电压放大倍数，RESET为控制端口，由MCU发出一个脉冲控制电荷转换级清零。再为下一次收集电荷做准备。
设电荷传感器输出电压值为V，单位为伏；检测到的电荷个数为N，单位为个；电荷转换率为K，单位为mV/pC；S为抽气速度，单位为L/s；可以的计算出大气负氧离子密度为：
实施例二：
可选地，本发明空气负离子传感器中，PWM风扇采用40*40*10mm尺寸的风扇，供电电压为直流12V供电，满功率风量S＝4.0CFM。圆筒型离子收集桶外筒直径D为27.8mm(R＝13.9mm)，长度L为201.80mm；内金属圆柱体直径d为10.12mm(r＝5.06mm)，长度l为201.80mm。根据计算得到进入离子收集筒中的风速Ve＝185.66cm/s。
空气中正负离子随取样空气进入收集器之后，在收集板和极化板之间的极化电场的作用下，按照不同极性分别向收集板和极化板偏转。负离子偏转至内实心圆柱棒上，通过电荷放大器入地，电荷放大器将电荷量转换为电压值输出。
在极化电场作用下，空气离子在横穿气体时要与大量的中性气体分子发生碰撞，使其运动速度受到限制。空气负离子穿过气体的平均速度成为迁移速度Vd，它与电场强度E成正比，比例常数M为离子迁移率。
Vd＝ME
离子迁移率是分辨测量离子直径大小的一个重要参数。根据相关资料查阅，大气负氧离子的离子迁移率为0.4(cm2/V*s)【2】。结合离子收集装置的结构，可以得到离子迁移率的计算公式：
其中：Ve为抽气速率(cm/s)；R为外圆筒半径(cm)；r为内圆筒半径(cm)；L为外圆筒长度；U为极化电压(V)。
根据计算，可以得到极化电压的值的计算公式为：
在本装置中，极化电压取值7.19V。
实施例三：
本发明的工作过程如下，如图6所示：
首先，初始化各个模块的引脚时钟，然后对转换单元ADS1115、温湿传感器DHT11和LCD模块进行寄存器配置，完成配置后，主控制器对电荷放大器输出一个低电平信号，使电荷放大器开始工作，之后再读取AD采样的数据并对其进行限幅滤波，规定前后两次数值只差不能超过原值的20％，再读取温湿传感器的数据并把它显示在LCD屏幕上。
把读取AD和温湿的数据的步骤重复20次，并把数据存储下来，然后计算他的平均值，然后再进行数值换算，公式为
其中电荷传感器输出电压值为V，单位为伏；电荷转换率为K，单位为mV/pC；S为抽气速度，单位为L/s。根据具体硬件参数计算出K×S。将计算出的数值，即空气负离子数，显示到LCD屏幕上。最后由MCU输出一个时常为1秒的高电平对电荷放大器进行清零，开始下一次循环。

Claims (7)

1.一种大气负离子浓度检测装置，其特征在于：包括分别与主控单元控制连接的空气负离子传感器、温湿度传感、显示单元和电源单元，所述空气负离子传感器经AD转换单元与主控单元连接，电源单元为各部分供电；
其中，空气负离子传感器包括离子收集桶和电荷放大器，离子收集桶包括屏蔽装置、PWM调速风扇、以及内置于屏蔽装置中的双筒型电容，所述双筒型电容的外筒为空心圆桶，接入负的偏置电压，内桶为实心圆柱棒，内桶绝缘支撑在外筒中并连接电荷放大器同时接地；PWM调速风扇位于双筒型电容的一端；
启动时，空气被吸入双筒型电容，在偏置电压的作用下，空气中负氧离子偏转到实心圆柱棒，再由实心圆柱棒接入电荷放大器，之后经AD转换单元后输出至控制单元，经控制单元计算处理后，得到的空气负氧离子浓度信息由显示单元的LCD显示。
2.根据权利要求1所述大气负离子浓度检测装置，其特征在于：所述离子收集桶的双筒型电容中，外筒直径D为27.8mm，长度L为201.80mm；内桶的实心圆柱棒直径d为10.12mm，长度l为201.80mm。
3.根据权利要求2所述大气负离子浓度检测装置，其特征在于：所述PWM风扇采用40*40*10mm风扇，满功率风量S=4.0CFM。
4.根据权利要求1-3任一所述大气负离子浓度检测装置，其特征在于：外筒所接负的偏置电压由电源提供。
5.根据权利要求4所述大气负离子浓度检测装置，其特征在于：屏蔽装置为圆筒形或长方形的金属容器。
6.根据权利要求5所述大气负离子浓度检测装置，其特征在于：所述电荷放大器采用DCA10X型号，包括电荷转换级和电压放大级。
7.根据权利要求6所述大气负离子浓度检测装置，其特征在于：所述主控单元采用CS32F103C8主控芯片。
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