空气离子浓度测量仪的设计

摘要

本文主要介绍了空气离子浓度测量仪的软件和硬件的设计与实现。其中硬件设计主要针对收集系统与电路的设计。
　　该仪器采用电容法实现了离子浓度的实时监测。完成了仪器的主要性能指标：离子浓度测量范围10-107个/cm3,实时监测，高稳定性，较快的响应速度。
　　本文针对空气离子的特性和作用进行了介绍说明，并对空气离子的测量原理进行了阐述。
　　空气离子浓度测量仪主要分为收集系统、测量系统、控制系统三大部分。
　　在收集系统的设计中，本文对平板式、格栅式等四种收集系统的优缺性的进行了对比分析。并论述了平行板式、圆筒式、球型收集系统的电场强度及电压、电容的关系。针对平行板式和圆筒式收集系统的边缘效应进行了分析。由于圆筒式和流线型收集器在实质上都是同轴式电容器，因此针对同轴式电容器进行分析。在理论上对同轴式电容器的筒长、内外半径的最佳比进行了论述，最终确定了收集系统的基本模型——流线型收集器。对于流线型收集器的入口设计中，采用fluent软件分别对圆形入口和矩形入口进行了对比分析，最终确定最佳入口形状。最后采用fluent软件对新型收集系统的整体结构进行了模拟，得到了收集系统内部的速度场分布图。从模拟图来看,其效果达到了最佳，摩擦阻力达到了最小值，避免了空气绕动对浓度测量的影响。
　　在测量系统的设计中，离子浓度转换的电流信号为fA-nA级，信号及其微弱，为避免信号被噪声淹没，文中选用阻抗为1015Ω的精密的仪器仪表放大器INA116。该仪表放大器具有阻抗高、低温漂、低偏置电流等特点。文中采用自动增益可调的设计思路。通过仪表放大器、单片机、数字电位器完成了I-V电路转换及放大电路的设计。该方案提高了增益的可调范围。与模拟电位器相比更大程度上的降低了噪声干扰。在测量中噪声是影响测量精度的一个重要因素，而运放和电阻中存在固有噪声。文中采用二端口网络的方法建立了前置放大电路的噪声模型，并对其进行了分析。最终得到了运放和电阻中存在的固有噪声经放大后的输出噪声，并提出了噪声最小化方案与措施。为避免电源噪声影响信噪比，文中对稳压电源模块进行了设计。分别设计了15V、3V、3.3V稳压模块。这些模块分别为放大器、单片机、ADC提供稳压信号。
　　在控制系统的设计中，实现了对程控增益放大电路、离子极性转换、极化电压等的控制。采用带可编程增益放大器的12位精度的ADC对放大信号进行数模转换，提高了离子浓度的测量精度。针对C8051F020中自带的ADC具有单端电源供电的特点，及空气离子浓度的极性为双极性，其转换的电压值为双极性。通过对ADC电路的设计实现了单端电源供电的条件下实现了双极性的模数转换。在报警电路的设计中，通过比较器与预先设定的电压值进行对比，来判定空气离子的浓度，低于预定值是，报警器开启，此功能为环境优差提供了一个的参考。
　　最后对仪器各项性能进行了测试，测试结果达到预计要求。

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第1章 绪 论

1.1 研究的目的和意义

1.2 空气离子浓度测量仪的发展概述

1.3 本文的主要工作及内容安排

第2章 空气负离子的特性及功能

2.1 空气负离子的特性

2.2 空气负离子产生的机理

2.3 空气负离子的功能及应用

2.4 本章小结

第3章 收集系统的设计

3.1 收集系统的测量原理

3.2 收集系统性能的对比

3.3 收集系统的电场、电容关系的研究

3.4 收集系统最佳设计方案

3.5 数值模拟

3.6 新型收集系统的设计与模拟

3.7 本章小结

第4章 离子检测系统的设计

4.1 I-V转换电路的设计

4.2 系统噪声研究

4.3 低噪声放大器的设计与处理

4.4 放大电路的噪声分析

4.5 稳压电源设计

4.6 滤波处理模块

4.7 PCB布局

第5章 控制系统的设计

5.1 整体设计方案

5.2 硬件设计方案

5.3 整体软件流程

5.4 本章小结

第6章 数据采集处理模块

6.1 主控芯片的选择

6.2 A/D转换模块

6.3 显示模块

6.4 复位电路与时钟电路

6.5 人机交互电路的设计

6.6 本章小结

结束语

参考文献

致 谢

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