近些年，雾霾状况不容乐观，空气质量也令人担忧，空气净化器在写字楼中也必不缺少，我对于空气净化器如何进行空气质量检测有点兴趣，挺想做个简易的空气质量检测装置。一次讨论上，我提出自己的这个想法，组长表示同意，并把这个任务交给我和另一个同事组成的小组共同完成。

   对我来说，我已经半只腿踏出了校园，毕竟大四已经开学了，但是我没有任何项目经验，对这方面更是一无所知 ，所以这次来说也是个学习的机会，一定要好好把握。我在大学期间自学过模电一段时间，所以对于一些大学生在电路学习上存在一些问题还是比较了解，更想通过这个DIY的分享，和同行的朋友们一同学习和进步。在这里，我们拥有一个实力强劲的工程师团队，所以，虽然我还未真正踏进电子工程师这个圈层，但我无需畏惧，可以大胆的尝试。

言归正传，要如何做一个空气检测状态呢？

DIY制作要求：

（1）：设置一个烟雾参考浓度，当超过这个浓度，蜂鸣器响，红灯亮，并要求用方波对蜂鸣器进行驱动

（2）：当低于这个浓度，蜂鸣器不工作，绿灯亮

（3）：USB 5V输出供电，另一路DC (7V-24V) 输入，5V输出供电

DIY制作目的：

   通过本次DIY，让所有参与进来的朋友能够学习与熟练运用三极管开关电路、线性稳压电源、比较器电路、三角波与方波实现电路、蜂鸣器等电路，更重要的是让所有志同道合的朋友聚在一起，互相帮助，共同学习与进步，实现我们自己的目标。我们决定每天不动摇进行更新，这期间所有参与其中的朋友，可以畅所欲言，说出自己的想法或者疑问，尽可能完美的实现这个电路。

   今天开始我会每天把我的设计进度会与自己的个人思考与进步与大家一起分享，希望更多的同行的工程师能够参与其中，也能发表你们的作品，我们一起学习、探讨、进步。

  烟雾的浓度即对应一个电压信号，所以要选定一个参考的浓度，即选定对应参考一个电压值，大于这个电压值，蜂鸣器工作，红灯亮，小于这个电压值，蜂鸣器不工作，绿灯亮，需要与这个电压值通过比较来实现，即需要比较器来实现，同时需要使用方波对蜂鸣器进行驱动，则可以通过比较器实现方波输出。蜂鸣器和红灯同时工作，即对应比较器其中的同一种输出状态（例如，高电平），即高电平实现对红灯亮，且要实现方波对蜂鸣器驱动，红绿灯的逻辑是相反的，可通过取反实现。

RC充放电计算.docx

OC门OD门

集电极开路（OC）输出的结构如上图（上图为比较器的芯片内部电路）所示，右边的那个三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路。

由图可知，OC门不能输出高电平，低电平，只存在高阻态。所以加上上拉电阻之后，就避免了高阻态，可输出高电平和低电平。

同理，漏极开路（OD）门，加了上拉电阻，可以输出高电平。

比较器输出就是OC门输出，所以需要接上拉电阻。

比较器

上图的电路和对应的输出结果波形图：

   当输入电压Ui大于VREF时，Uo输出为高（VCC）；

   当输入电压Ui小于VREF时，Uo输出为低（0V）；

（图中比较器是单电源供电，若是双电源供电，高不变，低为负电源）

比较器拓展：运用的是滞回比较器实现三角波的生成

（上图电路为单电源供电）

电路分析：当输入端A的电压高于输入端B 的电压时，此时输出为高，即

VCC通过R4，再通过R5对C1进行充电 ，此时A 的电压 Vth1= VCC* R2 / [ ( (R3+R4)//R1 ) + R2 ]    (R4与R3串联，再和R1并联，然后在和R2串联分压)

C1充电，充电电压达到Vth1之后，即VB>VA，C点输出为低（即0V）,此时电容C1开始放电，C点变为低（即等同于与地连接），即R3与R2并联，此时A点的电压

Vth2 = VCC * (R2//R3)  /　 [(R2//R3)+R1]（即R3与R2并联再和R1进行分压）

   三角波实现主要利用电容充放电实现，关于频率的问题可以参考RC充放电文档，得出充放电时间，即f=1/T.

实现方波，即再利用第一个电路，即三角波转化成方波。改变直流电压，即实现占空比可调。

滞回比较器有俩个阈值，推荐阈值电压为VCC的1/4或1/3,2/3或3/4,充放电曲线趋近于线性。（下图是电容充电图形 电源是10V）

比较器实现三角波、方波电路如下

元器件

电路的搭建如下（电路比较器是4合1，电源脚别忘了供电上图未显示）

下图是应用的5V电源

比较器6脚输出的三角波

比较器14脚输出的方波

基于三极管搭建的5V电路

上图电路在中国电子解码张老师有非常详细搭建过程，细致到各个元器件解读

http://www.zhangfeidz.com/election_video/35.html

首先需要选定的一个传感器，对空气质量信号进行捕捉输出，在某创商城找到一个MQ-2 的气体传感器。右下角是实物图。

   上图是MQ-2的测试电路，传感器没有引脚标识，引脚是一个轴对称的，最中间的为2、5，为加热电极，然后其他引脚就确定了，其中 VH用于为传感器提供特定的工作温度。 VRL是传感器串联的负载电阻（RL推荐阻值为20K）上的电压。VC是为负载电阻RL提供测试的电压，须用直流电源（VH与VC可共用直流5V）。RL上输出的是模拟电压信号。

三极管开关

三极管放大电路， ic = β* ib ,   Vout = Vcc – ic*R3  

三极管开关电路， ic ≠ β* ib，  Vout =0.3V≈ 0V

这里大家可以思考一下，下拉电阻有哪些作用呢？又怎样选择呢？

下图是三极管是的输出特性曲线（三极管部分参考我的馆友的一片文章）

    图中电源电压为4V，绿色的斜线是负载电阻为80欧姆的负载线，V/R=50MA，图中标出了Ib分别等于0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、1.0mA的工作点A、B、C、D、E、F。据此在右侧作出了Ic与Ib的关系曲线。根据这个曲线，就比较清楚地看出“饱和”的含义了。曲线的绿色段是线性放大区，Ic随Ib的增大几乎成线性地快速上升，可以看出β值约为200。蓝色段开始变弯曲，斜率逐渐变小。红色段就几乎变成水平了，这就是“饱和”。实际上，饱和是一个渐变的过程，蓝色段也可以认为是初始进入饱和的区段。在实际工作中，常用Ib*β=V/R作为判断临界饱和的条件。在图中就是假想绿色段继续向上延伸，与Ic=50MA的水平线相交，交点对应的Ib值就是临界饱和的Ib值。图中可见该值约为0.25mA。

   由图可见，根据Ib*β=V/R算出的Ib值，只是使晶体管进入了初始饱和状态，实际上应该取该值的数倍以上，才能达到真正的饱和；倍数越大，饱和程度就越深。

    图中还画出了负载电阻为200欧姆时的负载线。可以看出，对应于Ib=0.1mA，负载电阻为80欧姆时，晶体管是处于线性放大区，而负载电阻200欧姆时，已经接近进入饱和区了。负载电阻由大到小变化，负载线以Vce=4.0为圆心呈扇状向上展开。负载电阻越小，进入饱和状态所需要的Ib值就越大，饱和状态下的C-E压降也越大。

   使用三极管的开关管时推荐设置ib为1mA,BE 有0.7V压降即可。N管开关E接地，P管开关E接电源。（1mA相对大些，可以保证可靠的开关状态，可以有效的避免温度变化等干扰导致误开关）

   看完之后你还对三极管的开关电路还有疑惑吗，下面留言，群里讨论，保证解决你的疑问。

传感器电路和红、绿灯切换电路

传感器电路参考传感器手册，推荐电阻R10为20K（1、3只需要接一个，4、6只需要接一个）

    Q2工作在开关状态，空气质量良好，比较器5号脚低电平输入，通过与4号脚比较，2号脚输出低，红灯不亮，三极管不工作，5V通过R17、D4到低，D4亮；空气质量差，比较器5号脚高电平输入，比较之后，2号脚输出高，红灯亮，三极管工作在开关状态，集电极电位被拉低，此时对应D4的电压降低，D4不亮。

空气质量好对应2号脚的电平

   空气质量良好，传感器输出低电平送给比较器5号脚，低于4号脚的直流电平，则2号脚输出为低，上图可见，对应蓝灯亮，红灯不亮。

空气质量差对应2号脚的电平

   上图可见，当传感器检测到空气质量不佳，比较器的5号脚电位升高，高于4号脚的直流电平，此时比较器2号脚输出高电平，上图可见，红灯亮，蓝灯不亮。

如何判断蜂鸣器是有源还是无源

方法一：找来稳压电源直接连接，如果发出“咔咔”声音是无源，发出“嘀嘀”是有源。

方法二：用万用表的欧姆档进行测量，若电阻值只要几十欧，颠倒仍为几十欧，则为无源。阻值大于1K，则为有源。

方法三：看器件上面是否含有白色的胶纸，含有的是有源，没有的是无源；有源的引脚一高一低，无源的两个引脚高度一致。

上图是NPN三极管驱动的蜂鸣器电路，只需三极管工作在开关状态即可，其中，

（1）C9可以在有强干扰的环境下，有效的滤除干扰信号，避免蜂鸣器变音和意外发声。

（2）C8为电源滤波电容，滤除电源高频杂波。

（3）电阻R18的作用：

     其一下拉电阻，如果R17输入端悬空，R18的存在能够使三极管可保持可靠的关断状态，如果没有R18，当BUZZER输入      端悬空时，则易收到干扰而可能导致三极管状态发生意外翻转或进入不期望的放大状态，造成蜂鸣器意外发声。

     其二R18可提升高电平的门槛电压。如果删除R18，则三极管的高电平门槛电压就只有0.7V，即R1输入端只要超过0.7V      就有可能导通，添加R18情况就不同了，对 应上图，当输入电压达到约1.4V左右时，三极管才会饱和导通。

     其三R17输入端悬空时，R18可作为C9和极间电容的放电回路。

   蜂鸣器工作只需要保证三极管工作在开关状态，同理还有P型三极管的蜂鸣器电路，原理一致，三极管工作在开关状态。

无源蜂鸣器电路，需要续流二极管D1。

   无源蜂鸣器本质上是一个感性元件，其电流不能瞬变，因此必须有一个续流二极管D1提供续流。否则，在蜂鸣器两端会有反向感应电动势，产生几十伏的尖峰电压，可能损坏驱动三极管，并干扰整个电路系统的其它部分。而如果电路中工作电压较大，要使用耐压值较大的二极管，而如果电路工作频率高，则要选用高速的二极管，无源蜂鸣器需要一定频率的方波（2K-5K左右）去驱动，C3可以提高电路的抗干扰性。

原理图

    空气质量不佳，LM339  2号脚输出高电平，红灯亮，若没有R20，VA则会被D3钳为在较低的电平，加了R20，VA则会是一个相对较高的电平，然后给会面的滞回比较器供电，输出三角波，然后产生方波进行驱动蜂鸣器；若空气质量良好，VA则为低电平，三角波则不会输出，比较器14号脚输出低，蜂鸣器则不工作。

PCB

电路测试波形

（1）稳压电源5V输出

（2） 4脚基准电压3V

（3）2脚（第一个比较器的输出端电压信号）在没有烟雾与有烟雾时的电压

      没有烟雾（输出低电平，0.7V左右）

 有烟雾（输出高电平，大约4V左右）

（4）5脚（传感器输出电压信号端）在没有烟雾与有烟雾时的电压

     没有烟雾（电压信号<3V,所以导致了2脚是低电平）  

有烟雾（输出高电平，超过基准电压3V）

后面的三角波和方波会在明天以问题的形式持续更新

三角波

方波

   通过波形，可以直观看到幅值、周期，三角波和方波的周期有点差异，通过验证，可能是示波器带来的误差，也有可能是探针导致的，换了一个示波器有测试一次，图形如下

（上图示波器显示有点错误，比如CH1的2.00V却显示5.00V）

  下面是一些朋友疑问的地方，或者通过私下的方式和我交流的，现在统一在这里更新，希望以后大家能够在更新下面讨论，这样的话同一个问题，就不用多次回答了，希望大家也理解下，在这里我也能给大家一个保证，和DIY相关的问题在此提问，我会尽快的回应与交流。

（1）通常会看到一个大的电解电容并联一个小的瓷片电容进行滤波?例如C1 C2

  大电容（有极性电容）通常主要用于储能，而且还用于滤除低频波（信号）的干扰，小电容主要用于滤除高频波（信号）的干扰。

  滤除干扰波（信号）的原理：  实际电容由于电感效应通常等效一个电容，一个电感和一个电阻串联的形式。干扰信号越接近电容的自谐振频率，干扰信号越容易被电容彻底过滤掉。

  大电容（有极性电容 ，电解电容），由于卷制工艺，通常具有较大的等效电感，因此，谐振频率较小，所以适合于滤除低频干扰噪声；小电容（无极性电容），通常等效电感较小，因此自谐振频率很大，所以适合用于滤除高频干扰噪声。

（2）关于C1 C2的选择有计算的方法吗

括号内是系数，一般取5

其中R是后面的负载阻值，如果不知道可以通过（输出电压/输出电流）计算

注意：如果遇到全波整流，f就为原来的1倍，对应的T就会改变

例如，上面的电路输出5V，电流约100mA，则有             （电流可以通过大致计算，不需要特别精确）

C = 5*0.5*(1/50)/(5/100) = 1000uf

小电容按照经验，一般情况104就可以了