雾霾检测与静电除霾系统设计

课程名称：电子系统综合设计

实验题目：雾霾检测与静电除霾系统设计 {#实验题目雾霾检测与静电除霾系统设计}

课程简要信息

课程名称：电子系统综合设计，课程学时：32，适用专业：电子信息工程，学生年级 大三

实验内容与任务（限500字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

针对北方冬天常发雾霾现象，基于单片机或FPGA，结合模拟器件及光散射式空气微粒传感器，设计一款雾霾检测与静电除尘原理的除霾系统，本实验内容分为基础部分和发挥部分，其中基础部分要求全体学生完成，发挥部分供学有余力的同学完成。主要任务和要求如下：

（1）基本部分，完成基本功能的雾霾检测与静电除霾，指标要求如下：

1. 设计一个波形发生器作为传感器的激励源，要求矩形波高电平5 V，低电平0 V，周期10 ms，占空比96.8%；

2. 针对空气颗粒传感器输出信号，设计模拟比较器/数字电路，判断过阈值后，给出启动除霾器触发信号，并显示；

3. 设计一个高压发生器电压不低于250 V，并采用PCB敷铜板或其他金属板制成静电吸附电极；

4. 制作保护外壳（可用有机玻璃制作），并实现基本的雾霾检测及自动除霾功能；

5. 采用220 V交流电供电。

（2）发挥部分要求如下：

1. 在基础部分波形发生器基础上，实现脉冲周期可调，占空比可调；

2. 将空气颗粒传感器输出信号，调理采集后处理，并可显示出当前空气质量值，可设置不同阈值启动除霾器；

3. 进一步提高静电吸附电压，提高除霾能力；

4. 自动控制空气雾霾值，即高于设定值时启动，低于设定值时关闭，使一定空间内维持较好空气质量，尽量缩短控制时间，增加除霾立体空间尺寸；

5. 其他，如推送手机APP等。

实验过程及要求（限300字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1. 进行需求分析。自学了解雾霾微粒的不同测量方法，了解光学法测空气微粒浓度的原理和方法。了解常见的除霾原理及方法。

2. 查阅各种雾霾光学传感器的数据手册，了解传感器的类型、原理、测量范围、灵敏度、输出信号形式和线性范围等关键特征参数，了解静电除尘原理和电路。

3. 根据给定的雾霾光学传感器对输入激励源的要求，对比尽可能多的非对称矩形波的波形产生方法，选择激励源方案，并结合所学知识设计激励源波形发生电路,根据波形发生电路的占空比要求、驱动能力及电压范围，选择合适的运算放大器等元器件。选择合适电极，设计高压静电发生电路。

4. 依据雾霾光学传感器的输出模拟信号，选择模拟信号转换为数字信号的方法，并将其以数字的形式显示出来；设计信号调理采集转换电路，注意输出波形的电平范围以及与激励源的时序关系，理论计算各单元电路的技术参数指标。根据高压静电发生原理，计算除霾电路的技术参数指标。

5. 采用Multism电子虚拟设计平台进行虚拟仿真验证，在优化电路的基础上实现传感器的激励源波形发生电路以及输出调理电路。仿真除霾电路，优化除霾电路参数

6. 在万用板或制作PCB搭建实际电路，逐个模块焊接调试，并记录调试中遇到的问题。并对除霾电路进行调试测试。

7. 构建一个简易的测试环境，完成发挥部分的同学，以标准空气质量检测仪为标准测试不同时间段内的空气质量，测量雾霾空气质量检测器的误差；并与当地实时空气质量指数AQI进行比较，分析误差产生的原因。开启除霾电路后，以标准空气检测仪和自行设计的检测仪做对比，观察是否有效除霾，记录除霾时间及除霾效果。

8. 撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

相关知识及背景（限150字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

在秋冬季节，我国北方多地区雾霾污染越来越严重，雾霾出现越来越频繁，严重影响到人们日常生活和身体健康，如何检测雾霾和有效除霾是一项非常有意义的课题。当前大部分除霾采用风机滤网过滤，噪音大，需频繁更换滤网，而静电除霾具有噪音小，无滤网等优点。雾霾检测与除霾系统是一个运用模拟与数字电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要运用传感器及检测技术、信号发生、信号调理、模数转换、数据显示、静电场吸附等相关知识与技术方法。并涉及测量仪器精度、仪器设备标定及抗干扰等工程概念与方法。

教学目标与目的（限100字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

1. 引导学生了解现代测量方法、传感器技术；熟练掌握运算放大器线性与非线性应用电路的设计及解决实际工程问题的方法；掌握高压静电场发生电路设计及调试方法。

2. 培养学生根据需要设计电路、选择元器件、虚拟仿真等电子技术综合设计及知识的运用能力；

3. 培养与提高学生工程综合素质及团队协作能力。

教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

本实验是一个较为完整的设计性实验，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 学习检测雾霾浓度（空气中颗粒物浓度）的基本方法，了解不同方法实现空气中颗粒物浓度的测量范围与测量精度的差异，在传感器选择、测量方法等方面不同的处理方法。了解机械滤芯式除尘、静电沉淀法等除尘方法的优缺点，了解静电沉淀法除尘的概念和原理。

2. 不同传感器输出信号的形式、幅度、驱动能力、有效范围、线性度都存在很大的差异，后续的信号调理和放大电路也要根据信号的特征来设计；一般情况下，传感器的datasheet中会给出参考电路，要求熟读参考手册，了解所选传感器的特性及典型应用电路。不同静电场产生方法差异较大，了解各种高压静电场产生电路，选型适合本系统设计的电路。

3. 实验要求的测量精度主要取决于雾霾光学传感器以及外围电路（包括内部噪声和转换精度等）；雾霾浓度是一个缓变信号，可先进行峰值保持等模拟电路调理，然后进行A/D转换。将模拟信号转换为数字信号的方案较多，如可采用常用的逐次逼近型ADC、10bit/12bit串行A/D、ICL7106/07等；也可以采用V/F转换方法将电压转换成频率进行计数；也可采用由控制器输出PWM波，经整流滤波后与雾霾输出信号比较的方法等。根据选型电路，设计实际用于本系统的高压静电场产生电路，计算各参数并进行仿真。

4. 在电路设计、参数计算、仿真、焊接、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际比对，标定所完成的雾霾检测器的误差；需要根据实验室所能够提供的条件，设计测试方法，搭建空气流动相对平缓稳定的测试环境。

5. 在实验完成后，进行实物验收，组织学生以项目演讲、答辩的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

6. 在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

实验原理及方案

雾霾检测及静电除霾系统设计主要包含以下几部分电路，一是雾霾检测器电路，完成空气颗粒的浓度检测，提供除霾的依据；二是单片机/FPGA处理系统，是决策控制的大脑和人机交互的重要组成部分；三是静电除霾电路，完成对PM2.5空气污染颗粒物的净化。系统组成如图1所示。

图1 系统组成框图

1）雾霾检测器电路

雾霾检测器的原理是通过激励源驱动光源发射光线照射空气，雾霾空气中的微粒产生光散射，光电管检测散射光强度并输出电参量（电阻、电压、电流等），再经过放大、峰值保持、滤波、校正等一系列运算，变为与雾霾浓度呈线性关系的模拟量，最后通过模/数转换器（ADC）变为数字量，显示在液晶屏或数码管上。

（a）系统结构

雾霾检测器系统由激励源产生、雾霾传感器、信号调理、信号转换、控制器、显示单元等部分组成，结构框图如图2所示。

图2 雾霾检测器结构框图

（b）实现方案

雾霾检测器系统实现方案如图3所示。

图3 雾霾检测器系统实现方案图

首先，可供选择的传感器有很多型号，如韩国SYHITECH传感器 DSM501A，日本SHARP的GP2Y1010AU0F 空气质量PM2.5检测传感器，日本神荣SHINYEI的PPD42NS传感器以及日本SHARP的SHARP的GP2Y1050AU0F（串行数字式输出）。

其次，不同传感器输出信号形式（数字、模拟）、信号幅度各异，与之相应的信号调理与控制电路也各不相同。选择数字式集成传感器时，宜采用单片机或在FPGA器件中设计控制器，以串行总线的方式获取雾霾颗粒浓度数据；在选择GP2Y1010AU0F时，需要给出占空比96.8%的矩形波，将输出包含颗粒浓度的电压脉冲信号放大调理，并减去无颗粒灰尘时的基值，通过峰值保持电路、滤波电路后转换成数字信号。在将模拟信号转化成数字量时，也可以采用常规的A/D转换器、电压—频率（V/F），或比较器等方式。

在雾霾浓度的数字显示形式上，也有LED灯、数码管、字符型LCD等形式；可以借助于数字式电压表显示；也可以采用ICL7106/7107，将A/D转换和数字显示结合在一起；也可以将模拟信号通过一组比较器直接驱动灯柱显示。

2）静电除霾电路

图4 静电除霾电路实现方案图

此电路有两个主要作用过程，首先是利用高电压将污染微粒物粒子化，赋予粒子电荷，再利用通有正负交叉的收集板，将带有电荷的污染微粒吸附在收集板上。

注意事项

1. 注意所有芯片电源端对地应加上0.1 uF退耦电容，电源入口处应加至少10 uF退耦电容。

2. 注意元件误差、运放失调、基准源偏差等都会带来误差，电路设计中要适当留有电位器以便调整零点偏移。

参考资料

（1）GP2Y1010AU0F：雾霾微尘传感器

GP2Y1010AU0F是一种光学雾霾微尘传感器，此传感器内部集成对角分布红外发光管和光电管，利用光散射光敏原理工作，用于检测特别细微颗粒，依靠输出脉冲高度输出对应雾霾颗粒浓度，主要用于空气检测器、空气检测器等领域。图5(a) 是其内部和引脚图，图5(b)是其输出电压与雾霾微粒浓度的关系。

（a）内部结构和引脚 （b）输出电压与雾霾微粒浓度关系

图5 雾霾微粒传感器

（2）LM324：通用型四运放

LM324是一款通用型四运放，内部集成了4枚运算放大器。典型指标为：

失调电压：典型2 mV，最大7 mV 开环增益：100 dB

偏置电流：典型20 nA，最大200 nA 失调电流：典型2 nA

单位增益带宽：1 MHz 压摆率：1 V/us

电源电压（Vcc-Vee）：3~32 V 静态工作电流：0.7 mA

（a）外形和引脚（顶视） （b）内部电路

图6 LM324 通用型四运放

（3）2V数显表头（DVM）

数显表头（Digital Voltage Meter, DVM）是一种模拟量显示装置，它的内部包含了模/数转换器（ADC）和数码显示器，将输入的被测电压以数值的方式显示出来。本次试验中使用的是2V数显表头，它将-1.999V到1.999 V的电压显示为数字-1999~1999。

2V数显表头的用法类似于数字万用表的2 V档，区别在于数显表头的小数点位置是可以独立设定的（注意，并不改变2V量程）。例如将小数点设置在十位，则-1.999~1.999 V输入将显示为数字-199.9~199.9。

数显表头的接线图参照图5，小数点位置的设定是通过6、5、4脚与3脚短路来选择的。另外注意1脚附近有微调电位器，一般情况下勿调整。

图7 2V数显表头（顶视图）

（4）ICL7660：电荷泵芯片

ICL7660是一款多用途的电荷泵芯片，所谓电荷泵，指的是不断地用一个电容C1存储电荷再将电荷注入另一电容C2，它能够实现倍压、反压等电源电压变换功能。本电路中用它将单电源VCC（+5 V）变换为Vee（-5 V），可以为运放提供负电源电压。其电路接法如图8(a)，图8(b)是它的内部原理，请自行分析。

（a）管脚和典型电路（顶视） (b)电压反转的原理（供参考）

图8电荷泵芯片ICL7660

（5）TL431 ：2.5 V基准源

所谓基准源，就是电路中一个稳定不变的电压源，考虑到VCC的稳定度通常是很差的，本实验中的某些常数（如2.73 V，320 mV等）都需要通过基准源来得到。TL431是常用的一种基准源，其内部集成了一个2.5V的带隙基准，一枚运放以及一只三极管，如图9(a)所示；TL431的电路符号是在齐纳二极管的基础上增加了一只调整脚（R），引脚排布如图9(b)，典型应用电路如图9(c)所示。

分析：若R脚高于2.5 V，运放输出升高，三极管电流增加，Uo降低，R脚电压下降，反之亦然。因此运放呈现虚短路，R脚的电压始终等于内部基准源2.5 V。即Uo被R1、R2分压点始终保持2.5V，因此可得输出电压：

Uo=2.5V×(1+R1/R2)

(a) TL431的内部电路和符号 (b)TL431管脚排列 (c)TL431典型应用

图9 TL431原理及应用

如果将R1短路，R2不接，也可以作为2.5V固定基准源使用。注意流过TL431的Iz>1 mA才能正常稳压（通常取2~10 mA），另外输出端必须并联不小于10 uF电容，否则会自激震荡。

图10为部分同学制作的实物图：

图10 作品实物图

教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

1. 任务安排，通过学校选课系统提前将课程设置时间，分组情况等通过网络选好。

2. 预习自学，将涉及的主要技术提前给学生布置，学生进行仔细。

3. 教师在开课时讲解两课时，后面不定期指导。

4. 布置后，时间开放空间开放方案开放，学生可自行组队不超过三人。

5. 结果验收，由教师主导进行，学生带实际制作的实物验收，并进行总结演讲，教师批改报告。

教学设计的思路和目的是：为便于提高学生综合设计以及面向应用的实验水平，开发雾霾检测和静电除霾系统设计实验，包含虚拟仿真设计与实际硬件电路设计两部分，内容包含激励源波形发生电路、滤波电路、高压发生电路等设计等部分。本实验“先虚拟，后实验”，既可以作为电子系统综合设计实验，也可以作为微机原理与模拟电子线路基础相结合的综合性实验，该实验有益于学生课内实验以及课外科技工程创新活动。

实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

1. 实验需求分析

2. 实现方案论证

3. 理论推导计算

4. 电路设计与参数选择

5. 电路虚拟仿真及验证

6. 电路装配过程

7. 电路测试方法

8. 实验数据记录

9. 数据处理分析

10. 实验结果总结

考核要求与方法（限300字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

任务安排后一学期内完成。共计100分。其考核方法如下：

1. 完成时间为一学期，在课程时间内理论推导计算并选择参数，完成虚拟仿真验证；以两人至三人为小组组队，在万用板或PCB制版实物焊接、调试并测试。

2. 仿真验收：电路元件参数选择与指标完成程度，单人单组进行。 （20分）

3. 实物验收：功能与性能指标的完成程度（如雾霾浓度测量精度、波形发生的准确度等）。（30分）

4. 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、电装工艺。（10分）

5. 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。（10分）

6. 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。（10分）

7. 实验数据：测试数据和测量误差。（10分）

8. 实验报告：实验报告的规范性与完整性。（10分）

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色和创新在于：

1. 项目背景与学生生活紧密结合，激发学生的兴趣；

2. 项目综合了所学的电路基础、模拟电子电路、数字电路等多学科的知识，采用先虚拟仿真后搭建实物的“虚实结合”实验模式，引导学生掌握现代电子系统设计实验新方法，提高学生理论结合实际以及解决问题的能力。

3. 项目为开放性实验，要求用一学期内完成，学生可以自主安排时间。并且，项目中设有发挥部分，为学有余力的学生提供锻炼机会，充分发挥学生自主创新潜能。

参赛选手信息表