CN102032951A - 一种空气质量检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空气质量检测器。该空气质量检测器包括集成ADC的MCU、温度传感器、湿度传感器和气体传感器。ADC的输入端口分别与温度传感器、湿度传感器和气体传感器连接，把来自上述传感器的模拟信号转换成数字信号。通过把ADC集成在MCU内，降低系统成本，显著减小空气质量检测器的体积和重量，便于携带，同时避免了因信号在MCU和ADC之间的传送带来的干扰和延迟而导致的性能局限。

Description

一种空气质量检测器
技术领域
本发明涉及一种空气质量检测器。
背景技术
随着环保意识的提高，空气污染问题已经引起社会广泛关注。所谓空气污染，即指空气中含有一种或多种污染物，其存在的量、性质及时间会伤害到人类、植物及动物的生命，损害财物，或干扰舒适的生活环境。经过对室内空气中主要有害气体组成的分析得出结论：由于人们在室内的呼吸和现代房间的密封性，影响室内空气质量的主要有害气体是二氧化碳气体，而室内装修产生的环境污染使得室内的空气质量更加糟糕，尤其是甲醛的存在，对人们的健康有极大的影响。
现有的空气质量检测仪器基本都属于专用型设备，要么功能单一，要么价格昂贵，并不适合用于日常居室内的空气质量检测。因此，设计一款低成本、多功能、便携式的家用空气质量检测器，将能够给人们的日常生活提供一个关于居室内空气质量的参考，让人们能够及时改善室内空气质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种低成本、多功能、便携式的家用空气质量检测器。
为解决以上技术问题，本发明提供一种空气质量检测器，包括微控制器(MCU)、温度传感器、湿度传感器和气体传感器；所述MCU集成了模数转换器(ADC)，所述ADC包括第一通道、第二通道和第三通道，所述三个通道的输入端口分别与温度传感器、湿度传感器和气体传感器连接，ADC把来自传感器的模拟信号转换成数字信号；所述温度传感器、湿度传感器和气体传感器分别用于实时检测温度、湿度和气体含量。
作为较佳技术方案，所述空气质量检测器还包括和微控制器连接的LCD显示屏，显示温度、湿度和空气质量信息。
作为较佳技术方案，所述空气质量检测器还包括和微控制器连接的按键模块，用于系统功能的操作。
作为较佳技术方案，所述空气质量检测器还包括和微控制器连接的扬声器，在氧气含量低于正常值或其他气体含量高于阈值时，发出报警信号。
作为较佳技术方案，所述空气质量检测器还包括时钟电路，用于实现系统的时钟功能，并在LCD显示屏上显示时间信息。所述时钟电路是实时时钟电路，包括晶振和定时器。
作为较佳技术方案，所述时钟电路集成在微控制器内。
作为较佳技术方案，所述空气质量检测器还包括通讯模块，通过通讯模块实现和另外一台或数台空气质量检测器的无线连接。
作为较佳技术方案，所述通讯模块为2.4G射频通讯模块，通过SPI协议实现多个射频模块间的无线通讯。
作为较佳技术方案，所述通讯模块集成在微控制器内。
作为较佳技术方案，所述多台空气质量检测器可放置于相距约30米远处的开阔地或12米以内的若干隔离空间，通过通讯模块实现空气质量检测器间的无线通讯。
作为较佳技术方案，所述气体传感器可拆卸。
作为较佳技术方案，所述气体传感器可以是任意一种气体传感器，包括氧气传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳传感器、二氧化硫传感器或甲醛传感器。
作为较佳技术方案，所述气体传感器包括若干气体传感器，所述若干气体传感器的输出端口分别连接多路选择器的输入端口，多路选择器的输出端口连接到所述微控制器集成的模数转换器第三通道的输入端口。
作为较佳技术方案，所述模数转换器还包括若干通道，气体传感器包括若干气体传感器，每个通道分别与一个气体传感器的输出端口连接。
作为较佳技术方案，所述模数转换器还包括若干通道，分别与输入端口连接有多个气体传感器的多路选择器的输出端口连接。
作为较佳技术方案，所述模数转换器还包括多个通道，其中若干通道每个分别与一个气体传感器的输出端口连接，另有若干通道分别与输入端口连接有多个气体传感器的多路选择器的输出端口连接。
作为较佳技术方案，所述气体传感器为电化学传感器或红外传感器。
作为较佳技术方案，所述气体传感器是多功能红外传感器，可以同时检测多种气体的含量。
作为较佳技术方案，所述微控制器为8位或16位。
作为较佳技术方案，所述微控制器还集成了FLASH模块。
作为较佳技术方案，所述FLASH模块还包括存储区和引导区。
作为较佳技术方案，所述FLASH模块的存储区为32K字节。
作为较佳技术方案，所述FLASH模块的引导区为256字节。
作为较佳技术方案，所述微控制器集成的模数转换器的精度为10位或12位。
作为较佳技术方案，所述空气质量检测器还包括底层软件。
作为较佳技术方案，所述底层软件包括按键控制模块、LCD显示控制模块、模数转换器计量模块、空气质量分析模块和时钟模块。
作为较佳技术方案，所述按键控制模块主要用于时间设置及调节、传感器配置和功能菜单的选择。
作为较佳技术方案，所述LCD显示模块主要用于控制温度、湿度、空气质量信息和时间的显示。
作为较佳技术方案，所述模数转换器计量模块主要用于空气成份、温度、湿度的检测及数据收集、分类。
作为较佳技术方案，所述空气质量分析模块主要用于模数转换器转换后的数据处理，分析出当前环境中的温度、湿度和空气质量信息。
作为较佳技术方案，所述时钟模块主要用于时间的计算及调整。
作为较佳技术方案，所述空气质量信息包括空气成份指数和空气质量等级。
本发明的技术效果是，通过把ADC集成在MCU内，降低系统成本，提高了系统的可靠性，还可以显著减小空气质量检测器的体积和重量，便于携带，同时避免了因信号在MCU和ADC之间的传送带来的干扰和延迟而导致的性能局限。
附图说明
图1为本发明提供的空气质量检测器的系统架构图，包括分立的时钟电路和通讯模块。
图2为单机模式下LCD显示屏显示的内容。
图3为联机模式下LCD显示屏显示的内容。
图4为本发明提供的改进的空气质量检测器的系统架构图，时钟电路和通讯模块集成在MCU内。
图5为多个气体传感器通过多路选择器连接ADC的第三通道的输入端口的示意图。
图6为多个气体传感器和ADC的多个通道的输入端口连示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，但它们不是对本发明的限定。
图1所示为本发明提供的空气质量检测器的系统架构图，该空气质量检测器包括MCU11、温度传感器21、湿度传感器22和气体传感器23；在MCU11内部集成了ADC12，降低了系统成本，减小了空气质量检测器的体积和重量，便于携带，同时避免了因信号在ADC12和MCU11之间的传送带来的干扰和延迟而导致的性能局限，提高了系统的可靠性。在本实施例中，温度传感器21、湿度传感器22和气体传感器23，分别用于实时检测温度、湿度和气体含量；在本发明中采用低成本、体积小的传感器，方便携带。本发明的MCU11集成的ADC包括第一通道、第二通道和第三通道，所述三个通道的输入端口分别与温度传感器21、湿度传感器22和气体传感器23连接，ADC12把来自温度传感器21、湿度传感器22和气体传感器23的模拟信号转换为数字信号。
如图1所示，作为优选方案，本发明提供的空气质量检测器还包括LCD显示屏24、按键模块25和扬声器26，LCD显示屏24和MCU11的输入输出端口连接，用于温度、湿度、空气质量信息的显示，空气质量信息包括空气成份指数和空气质量等级，当没有连接气体传感器23时，显示温度和湿度信息。本发明的按键模块25和MCU11的I/O端口连接，用于系统功能的操作，有设置、加、减、主机、从机五个按键。设置键主要用于调用选项、选项确认；加/减键主要是时间调整、功能选择、从机地址选择；主/从机键主要用于网络模式下主机和从机的设置，显示其他检测器信息的机器为主机，信息被显示的机器为从机。操作方法直观方便，能让绝大部分人快速上手，成本也能控制在大众消费的水平。本发明采用的扬声器26功能简洁、成本低，当检测到氧气含量低于正常值或其他气体含量超过阈值时，发出报警声音，提醒人们注意空气质量。
在MCU11上电复位后，初始化完成，每隔一秒读取ADC12各个通道的寄存器数据，然后用相应的计算方法进行分析，分析结果与标准值进行比较，得到一个空气质量指数。MCU11将这一指数在LCD显示屏24上实时显示出来，给出一个比较直观的提示，使得使用者很快就能得到所处居室的温度、湿度和空气质量。如果氧气含量低于正常值或其他气体含量超过最大阈值时，扬声器26发出报警声音，提醒人们注意空气质量。
作为优选方案，本发明还包括时钟电路13，和MCU11连接，在LCD显示屏24上显示温度、湿度、空气质量信息的同时显示年份、月份、日期和时间信息，可以作为时钟使用。在本实施例中，时钟电路13可以是实时时钟电路，包括晶振和定时器。因此，本发明提供的空气质量检测器可以作为一个时钟点缀室内的环境并代替普通时钟。
如图2所示的为单机模式下LCD显示屏24显示的内容。显示日期、时间、温度、湿度、空气质量指数和空气质量等级，空气质量等级分为优、良、轻度污染、中度污染和重污染，根据空气质量情况显示相应等级。
作为优选方案，本发明提供的空气质量检测器还包括通讯模块14，通过通讯模块14实现多台空气质量检测器间的无线通讯，只需要通过按键模块25选择相应的空间，就可以得到相应空间的温度、湿度和空气质量信息，减小了移动主机带来的麻烦，便于使用。在本实施例中，通讯模块采用2.4G射频通讯模块，开阔地的有效通讯距离大于30米，普通砖墙隔离的空间约12米；采用外挂模块的方式，通过SPI协议由主控芯片进行控制，采用nRF24L01芯片作为主控，使用GFSK进行信号调制，通过2.4G射频通讯模块实现多台空气质量检测器间的无线通讯，显示其他检测器信息的机器为主机，信息被主机显示的机器为从机，主机收到从机的信号后，根据事先设定的从机地址将相对应的居室的空气质量在主机的LCD显示屏24上显示出来，从而可以通过一台检测器就能查看各居室的空气质量情况，尤其是家中有老人小孩，方便查看其所在居室的空气质量。在不需要检测其他居室的空气质量时，2.4G射频模块是被禁止的，可以节省电能消耗。其性能参数如下：
工作电压：2.0V～3.6V；
工作温度：-40～+85℃；
工作频率：2.4～2.525GHz；
频道数量：125个；
数据传输率：1～2Mb/s；
发射功率：-18～0dbm；
发射距离：＞30m(室内)，＞12m(穿透砖墙)；
封装形式：QFN20；
体积：4×4(mm)。
如图3所示为联机模式下LCD显示屏显示的内容，显示日期、时间、居室地址、温度、湿度、空气质量指数和空气质量等级，空气质量等级分为优、良、轻度污染、中度污染和重污染，根据空气质量情况显示相应等级。
如图4所示的改进的空气质量检测器的系统架构图，随着集成电路设计技术的进步，时钟电路33和通讯模块34集成在微控制器11内，减小了系统体积和重量，有效降低空气质量检测器的成本，同时避免了因信号在时钟电路和MCU之间的传送带来干扰和延迟而导致的性能局限，提高了系统的可靠性。
作为优选方案，本发明提供的气体传感器23可拆卸，可以根据需要更换探头来探测不同气体的传感器，包括氧气传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳传感器、二氧化硫传感器或甲醛传感器等各种气体的传感器，减少了所需ADC的通道数目，减小了设计复杂度和对存储空间的要求，从而减小了空气质量检测器的体积和成本，方便携带。不需要检测空气质量时，空气质量检测器作为时钟使用，可卸下气体传感器，不影响时钟的外观。
作为优选方案，本发明提供的气体传感器23可以为多功能红外传感器，可以同时检测多种气体的含量，包括氧气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫和甲醛，减小了传感器数量，方便携带。在本实施例中采用多功能红外线传感器，探头选用多功能红外线检测探头，同时检测多种气体的含量，其性能参数如下：
红外线检测气体/范围：(0～5％vol)；
响应速度：30秒内；
检测原理：电化学；
输出信号：4～20mA；
精度：±2％F/S；
灵敏度漂移：±2％F/S；
工作温度：-20℃～+50℃；
工作湿度：0～95％不结露；
工作电源：9～24V；
重复性：±1％F/S；
重量：0.80kg；
外形尺寸：165×120×5(mm)。
如图5为多个气体传感器(231～234)通过多路选择器29连接ADC12的第三通道的输入端口的示意图，本发明中，也可以同时使用多个气体传感器，这些气体传感器的输出端口分别连接多路选择器29后连接到ADC12的第三通道的输入端口，通过多路选择器29来选择连接到ADC12第三通道的气体传感器。
如图6为多个气体传感器(231～238)和ADC32的多个通道的输入端口连接示意图；本发明的ADC 32除了连接温度传感器21和湿度传感器22的通道外，还可以包括若干通道，多个连接若干气体传感器的多路选择器分别与ADC32的一个通道连接；还可以是其中若干通道每个分别与一个气体传感器238的输出端口连接，另有若干通道分别与连接多个气体传感器的多路选择器(291，292)连接。
本发明中的气体传感器可以采用电化学式传感器或红外传感器。
如图1所示，本发明中的MCU11可以是8位或16位，还可以集成FLASH模块15，包括32K字节的存储区和256字节的引导区。这样可以减少外挂器件数量，降低成本，同时MCU11在处理数据时也比较方便和快速，只需读取寄存器内容就可以进行计算，节省了外挂IC时用于通讯的资源消耗。而且在读写数据时都是在MCU11内部进行，不受外界影响，提高了可靠性和准确性。FLASH15具有擦写功能，可反复擦写100万次，给软件调试和程序运行带来很大方便，而且可以把一段时间内的分析结果保存起来，供用户调用。
本发明中集成于MCU11的ADC12的精度为10位或12位。
为了控制本发明提供的空气质量检测器，本发明还包括底层软件，所述底层软件包括按键控制模块、LCD显示控制模块、ADC计量模块、空气质量分析模块和时钟模块。按键控制模块主要用于时间设置及调节、传感器配置和功能菜单的选择；LCD显示模块主要用于控制温度、湿度、空气质量信息和时间的显示；ADC计量模块主要用于空气成份、温度、湿度的检测及数据收集、分类；空气质量分析模块主要用于ADC转换后的数据处理，分析出当前环境中的温度、湿度和空气质量信息；时钟模块主要用于时间的计算及调整。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (33)

1.一种空气质量检测器，包括微控制器、温度传感器、湿度传感器和气体传感器，所述温度传感器、湿度传感器、气体传感器分别用于实时检测温度、湿度和气体含量；其特征在于，所述微控制器集成了模数转换器，所述模数转换器包括第一通道、第二通道和第三通道，所述三个通道的输入端口分别与温度传感器、湿度传感器和气体传感器连接，模数转换器把来自传感器的模拟信号转换为数字信号。
2.根据权利要求1所述的空气质量检测器，其特征在于，所述空气质量检测器还包括和微控制器连接的LCD显示屏，显示温度、湿度和空气质量信息。
3.根据权利要求1所述的空气质量检测器，其特征在于，所述空气质量检测器还包括和微控制器连接的按键模块，实现系统功能的操作。
4.根据权利要求1所述的空气质量检测器，其特征在于，所述空气质量检测器还包括和微控制器连接的扬声器，在氧气含量低于正常值或其他气体含量高于阈值时，发出报警信号。
5.根据权利要求2所述的空气质量检测器，其特征在于，所述空气质量检测器还包括时钟电路，实现系统的时钟功能，并在LCD显示屏上显示时间信息。
6.根据权利要求5所述的空气质量检测器，其特征在于，所述时钟电路是实时时钟电路，包括晶振和定时器。
7.根据权利要求5或6所述的空气质量检测器，其特征在于，所述时钟电路集成在微控制器内。
8.根据权利要求1所述的空气质量检测器，其特征在于，所述空气质量检测器还包括通讯模块，通过通讯模块实现和另外一台或数台空气质量检测器的无线连接。
9.根据权利要求8所述的空气质量检测器，其特征在于，所述通讯模块为2.4G射频通讯模块，通过SPI协议实现多个射频模块间的无线通讯。
10.根据权利要求8或9所述的空气质量检测器，其特征在于，所述通讯模块集成在微控制器内。
11.根据权利要求8或9所述的空气质量检测器，其特征在于，所述多台空气质量检测器可放置于相距约30米远处的开阔地或12米以内的若干隔离空间，通过通讯模块实现空气质量检测器间的无线通讯。
12.根据权利要求1所述的空气质量检测器，其特征在于，所述气体传感器可拆卸。
13.根据权利要求1或12所述的空气质量检测器，其特征在于，所述气体传感器可以是任意一种气体传感器，包括氧气传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳传感器、二氧化硫传感器或甲醛传感器。
14.根据权利要求1或12所述的空气质量检测器，其特征在于，所述气体传感器包括若干气体传感器，所述若干气体传感器的输出端口分别连接多路选择器的输入端口，多路选择器的输出端口连接到所述微控制器集成的模数转换器第三通道的输入端口。
15.根据权利要求1所述的空气质量检测器，其特征在于，所述模数转换器还包括若干通道，气体传感器包括相同数量的气体传感器，每个通道分别与一个气体传感器的输出端口连接。
16.根据权利要求1所述的空气质量检测器，其特征在于，所述模数转换器还包括若干通道，分别与输入端口连接有多个气体传感器的多路选择器的输出端口连接。
17.根据权利要求1所述的空气质量检测器，其特征在于，所述模数转换器还包括多个通道，其中若干通道每个分别与一个气体传感器的输出端口连接，另有若干通道分别与输入端口连接有多个气体传感器的多路选择器的输出端口连接。
18.根据权利要求1或12所述的空气质量检测器，其特征在于，所述气体传感器为电化学传感器或红外传感器。
19.根据权利要求1或18所述的空气质量检测器，其特征在于，所述气体传感器是多功能红外传感器，可以同时检测多种气体的含量。
20.根据权利要求1所述的空气质量检测器，其特征在于，所述微控制器为8位或16位。
21.根据权利要求1或20所述的空气质量检测器，其特征在于，所述微控制器还集成了FLASH模块。
22.根据权利要求21所述的空气质量检测器，其特征在于，所述FLASH模块还包括存储区和引导区。
23.根据权利要求22所述的空气质量检测器，其特征在于，所述FLASH模块的存储区为32K字节。
24.根据权利要求22所述的空气质量检测器，其特征在于，所述FLASH模块的引导区为256字节。
25.根据权利要求1所述的空气质量检测器，其特征在于，所述微控制器集成的模数转换器的精度为10位或12位。
26.根据权利要求1所述的空气质量检测器，其特征在于，所述空气质量检测器还包括底层软件。
27.根据权利要求26所述的空气质量检测器，其特征在于，所述底层软件包括按键控制模块、LCD显示控制模块、模数转换器计量模块、空气质量分析模块和时钟模块。
28.根据权利要求27所示的空气质量检测器，其特征在于，所述按键控制模块主要用于时间设置及调节、传感器配置和功能菜单的选择。
29.根据权利要求27所示的空气质量检测器，其特征在于，所述LCD显示模块主要用于控制温度、湿度、空气质量信息或时间的显示。
30.根据权利要求27所示的空气质量检测器，其特征在于，所述模数转换器计量模块主要用于空气成份、温度、湿度的检测及数据收集、分类。
31.根据权利要求27所示的空气质量检测器，其特征在于，所述空气质量分析模块主要用于模数转换器转换后的数据处理，分析出当前环境中的温度、湿度和空气质量信息。
32.根据权利要求27所示的空气质量检测器，其特征在于，所述时钟模块实现时间的计算及调整。
33.根据权利要求2或29或31所述的空气质量检测器，其特征在于，所述空气质量信息包括空气成份指数和空气质量等级。
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