CN103776714B - 大气颗粒物综合监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气颗粒物综合监测系统，颗粒物采集装置包括圆环结构的支架、支架的外壁上设置的若干颗粒物切割器、用于驱动颗粒物切割器的气泵，颗粒物切割器上设置有输出管，支架内设置有可选择与颗粒物切割器对接的滑动机构，滑动机构与颗粒物切割器对接，颗粒物切割器所切割到的颗粒物通过对接管传送到颗粒物收集装置进行收集，称重传感器对颗粒物进行重量检测；信号输入电路包括前级滤波电路、小信号放大电路、后级滤波电路；Zigbee传输模块；主控电路接收信号输入电路给Zigbee传输模块的信号并进行处理，并与上位机进行通信序。本发明可对大气中的颗粒物含量进行监测、为公众提供空气质量参考数据的大气颗粒物综合监测系统。
Description
技术领域
本发明涉及大气颗粒物的检测领域，尤其涉及一种可对大气中的颗粒物含量进行监测、为公众提供空气质量参考数据的大气颗粒物综合监控系统。
背景技术
随着工业的不断发展，人类生存环境遭到破坏，其中空气污染形势严峻，空气中的悬浮颗粒物能够造成灰霾天气。
气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。粒径10微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5微米至10微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在2.5微米以下的细颗粒物，直径相当于人类头发的1/10大小，不易被阻挡。被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。
大气中的颗粒物检测指对存在于空气中的污染物质进行定点、连续或定时的采样和测量。为了对空气质量进行监测，一般在一个城市设立若干个空气监测点，安装自动监测的仪器作连续监测，将监测结果派人定期取回，加以分析并得到相关的数据。而目前大城市中，对大气中的颗粒物浓度的检测是长期的，如果每个空气监测点都要人工进行取回，则需要工作人员去做比较繁琐的工作。
因此，亟需一种能够对大气中的颗粒物进行自动检测和分析的大气颗粒物综合监控系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种可对大气中的颗粒物含量进行监测、为公众提供空气质量参考数据的大气颗粒物综合监控系统。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：提供一种大气颗粒物综合监控系统，包括：颗粒物采集装置、称重传感器、信号输入电路、主控电路及上位机：
颗粒物采集装置，所述颗粒物采集装置包括圆环结构的支架、所述支架的外侧均匀设置有若干颗粒物切割器、用于驱动所述颗粒物切割器的气泵，所述颗粒物切割器上设置有输出管，所述支架内设置有可选择与不同的所述颗粒物切割器对接的滑动机构，所述滑动机构可在所述支架内部做圆周运动，所述滑动机构外侧设置有与所述颗粒物切割器的输出管对接的对接管、颗粒物收集装置，所述颗粒物切割器所切割到的颗粒物通过所述对接管传送到所述颗粒物收集装置进行收集，且所述颗粒物收集装置设置有称重传感器，所述称重传感器对所述颗粒物收集装置所收集到的颗粒物进行重量检测；
信号输入电路，所述信号输入电路与所述称重传感器电性连接，包括依次电性连接的前级滤波电路、小信号放大电路、后级滤波电路，所述信号输入电路接收到所述称重传感器的信号，通过所述前级滤波电路进行滤波，所述小信号放大电路将信号进行放大，通过所述后级滤波电路再次进行滤波后接入主控电路；
主控电路，所述主控电路与所述信号输入电路电性连接，并接收所述信号输入电路的信号并进行处理，并与上位机进行通信；
Zigbee传输模块，所述Zigbee传输模块包括中心节点Zigbee模块和Zigbee终端采集模块，所述中心节点Zigbee模块连接在所述主控电路上，所述信号输入电路与所述Zigbee终端采集模块连接，所述信号输入电路通过所述Zigbee传输模块与所述主控电路连接；
上位机，所述上位机与所述主控电路连接，所述上位机接收所述主控电路的信号并进行显示，且所述上位机还向所述主控电路下载控制程序。
所述颗粒物收集装置悬挂在所述对接管外壁上，包括悬挂部分和水平部分，且所述悬挂部分和水平部分合围成一个颗粒物收集空间，所述水平部分设置有正对所述对接管的涂覆有硅油的玻璃纤维滤膜，所述悬挂部分包覆有用于防止颗粒物逃逸的、透气性材质的薄膜。
所述主控电路与所述上位机之间还设置有通信接口电路，为所述上位机向所述主控电路下载程序时提供硬件支持。
所述主控电路还连接有人机接口电路，所述人机接口电路包括显示器接口电路和键盘接口电路。
所述前级滤波电路采用二阶RC低通无源滤波网络，信号线SEN-上连接有电阻R1和R2，信号线SEN+上连接有电阻R3和R4，在所述电阻R1和R3的负极跨接有由电容C1和C2串联起来的电路，还跨接有电容C5，在电阻R2和R4的负极跨接有由电容C3和C4，还跨接有电容C6，且电容C1和电容C3的负极接地AGND。
电阻R1和电阻R3的电阻值均为100欧姆，电阻R2和电阻R4的阻值均为1K欧姆，电容C1和电容C2的电容值均为10μF，电容C5的电容值为0.1μF，电容值C3和C4的电容值为1μF，电容C6的电容值为1μF。
所述小信号放大电路包括型号为INA141的放大电路电芯片U1和型号为0PA277UA的通信电路芯片U2，信号线SEN-连接U1的IN-引脚，信号线SEN+连接U1的IN+引脚，U1的V+、V-引脚分别连接+15V的电源及-15V的电源，U2的V+、V-引脚分别连接+15V的电源及-15V的电源，且U1的Vo引脚通过阻值为10K的电阻R6与U2的IN+引脚连接，U2的IN-引脚通过阻值为10K的电阻R5接地，且U2的IN-引脚与OUT引脚之间还跨接有阻值为13K的电阻R7。
所述后级滤波电路包括型号为MAX293的芯片U3，U3的V+及V-引脚分别连接+5V和-5V的电源，从所述小信号放大电路出来的信号经过电阻R8和电阻R10和U3的OPIN-引脚连接，U3的OPIN-和OPOUT引脚之间还跨接有电容C8，且U3的OPOUT引脚与电阻R9和电容C7连接之后接地，U3的CLK和GND引脚之间跨接有电容C9之后接地，电容C9的电容值为33nF。
所述颗粒物采集装置还包括有用于驱动所述滑动机构在所述支架内做圆周运动，并选择与不同的所述颗粒物切割器对接的驱动装置，所述驱动装置与所述主控电路电性连接，所述主控电路预先写入对所述驱动装置进行控制的程序。
所述滑动机构为中空、且外壁开设有通风孔的结构。
所述颗粒物切割器包括PM10、PM2.5、PM1颗粒物切割器。
所述滑动机构内设置有两根以上可同时与不同的所述颗粒物切割器进行对接的对接管。
所述颗粒物切割器通过所述输出管与所述对接管连通，且所述输出管和对接管之间还设置有达到气密封的密封圈。
所述输出管包括有竖直部、弯折部和倾斜部，所述竖直部的一端与所述颗粒物切割器连通，另一端与所述弯折部的一端连通，所述弯折部的另一端与所述倾斜部的一端连通，所述倾斜部的另一端与所述对接管连通。
还包括有伺服电机，所述支架的内壁设置有导轨，且所述滑动机构上设置有与所述导轨配合的滑块，所述滑动机构的一端设置有连杆，所述伺服电机与所述连杆连接，所述伺服电机通过所述连杆驱动所述滑动机构在所述支架内圆周运动。
与现有技术相比，本发明大气颗粒物综合监控系统中，由于所述颗粒物采集装置包括圆环结构的支架、所述支架的外侧均匀设置有若干颗粒物切割器，所述支架内设置有可选择与不同的所述颗粒物切割器对接的滑动机构，所述滑动机构内设置有与所述颗粒物切割器对接的对接管、颗粒物收集装置，所述颗粒物切割器所切割到的颗粒物通过所述对接管传送到所述颗粒物收集装置进行收集，且所述颗粒物收集装置设置有称重传感器，所述称重传感器对所述颗粒物收集装置所收集到的颗粒物进行重量检测，因此在使用过程中，可以在所述颗粒物切割器中切割PM10、PM2.5、PM1等不同粒径的颗粒物，对大气中的颗粒物含量进行监测、为公众提供空气质量参考数据。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为本发明大气颗粒物综合监控系统的一个实施例的电路原理模块图。
图2为如图1所示的大气颗粒物综合监控系统的颗粒物采集装置的一个实施例的俯视图。
图3为如图2所示的颗粒物采集装置的颗粒物切割器与颗粒物收集装置连接的示意图。
图4为如图3所示的颗粒物切割器与输出管的侧视图。
图5为如图1所示的大气颗粒物综合监控系统的信号输入电路的原理模块图。
图6为如图1所示的大气颗粒物综合监控系统的前级滤波电路的电路原理图。
图7为如图1所示的大气颗粒物综合监控系统的小信号放大电路的电路原理图。
图8为如图1所示的大气颗粒物综合监控系统的后级滤波电路的电路原理图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，如图1-8所示，本发明提供的大气颗粒物综合监控系统100，包括：颗粒物采集装置1、称重传感器2、信号输入电路3、主控电路4及上位机5：
颗粒物采集装置1，所述颗粒物采集装置1包括圆环结构的支架10、所述支架10的外侧均匀设置有八个颗粒物切割器11a、12a、13a、14a、11b、12b、13b、14b、用于驱动所述颗粒物切割器的气泵(图上未示)，每个所述颗粒物切割器上设置有输出管19，所述支架10内设置有可选择与不同的所述颗粒物切割器对接的滑动机构15，所述滑动机构15可在所述支架10内部做圆周运动，所述滑动机构15外侧设置有与所述颗粒物切割器的输出管19对接的对接管16、颗粒物收集装置17，所述支架10内设置有至少两个所述颗粒物采集装置1，且能够同时对所述颗粒物切割器所切割到的颗粒物通过所述对接管16传送到两个所述颗粒物收集装置17进行收集，且所述颗粒物收集装置17设置有称重传感器18，所述称重传感器18对所述颗粒物收集装置17所收集到的颗粒物进行重量检测；
所述颗粒物收集装置17悬挂在所述对接管16外壁上，包括悬挂部分171和水平部分172，且所述悬挂部分171和水平部分172合围成一个颗粒物收集空间173，所述水平部分172设置有正对所述对接管16的涂覆有硅油的玻璃纤维滤膜，所述悬挂部分171包覆有用于防止颗粒物逃逸的、透气性材质的薄膜。
所述输出管19包括有竖直部191、弯折部192和倾斜部193，所述竖直部191的一端与所述颗粒物切割器11a，另一端与所述弯折部192的一端连通，所述弯折部192的另一端与所述倾斜部193的一端连通，所述倾斜部193的另一端与所述对接管16连通；
信号输入电路3，所述信号输入电路3与所述称重传感器18电性连接，包括依次电性连接的前级滤波电路31、小信号放大电路32、后级滤波电路33，所述信号输入电路3接收到所述称重传感器18的信号，通过所述前级滤波电路31进行滤波，所述小信号放大电路32将信号进行放大，通过所述后级滤波电路33再次进行滤波后接入主控电路4；
主控电路4，所述主控电路4与所述信号输入电路3电性连接，并接收所述信号输入电路3的信号并进行处理，并与上位机5进行通信；
Zigbee传输模块8，所述Zigbee传输模块8包括中心节点Zigbee模块9a和Zigbee终端采集模块9b，所述中心节点Zigbee模块9a连接在所述主控电路4上，所述信号输入电路3与所述Zigbee终端采集模9b块连接，所述信号输入电路3通过所述Zigbee传输模块8与所述主控电路4连接；
由于在实际的大气颗粒物监测中，可能会对需要监测的一个区域中，设置多个不同的监测点进行监测，此时，需要在每个颗粒物采集装置1中所采集到的数据发送到所述主控电路4，因此只需要设置一个所述主控电路4，即可对多个不同的监测点的数据进行分析和处理。
上位机5，所述上位机5与所述主控电路4连接，所述上位机5接收所述主控电路4的信号并进行显示，且所述上位机5还向所述主控电路4下载控制程序。
所述主控电路4与所述上位机5之间还设置有通信接口电路6，为所述上位机5向所述主控电路4下载程序时提供硬件支持。
所述主控电路4还连接有人机接口电路7，所述人机接口电路7包括显示器接口电路71和键盘接口电路72。
所述前级滤波电路31采用二阶RC低通无源滤波网络，信号线SEN-上连接有电阻R1和R2，信号线SEN+上连接有电阻R3和R4，在所述电阻R1和R3的负极跨接有由电容C1和C2串联起来的电路，还跨接有电容C5，在电阻R2和R4的负极跨接有由电容C3和C4，还跨接有电容C6，且电容C1和电容C3的负极接地AGND。
电阻R1和电阻R3的电阻值均为100欧姆，电阻R2和电阻R4的阻值均为1K欧姆，电容C1和电容C2的电容值均为10μF，电容C5的电容值为0.1μF，电容值C3和C4的电容值为1μF，电容C6的电容值为1μF。
所述小信号放大电路32包括型号为INA141的放大电路电芯片U1和型号为0PA277UA的通信电路芯片U2，信号线SEN-连接U1的IN-引脚，信号线SEN+连接U1的IN+引脚，U1的V+、V-引脚分别连接+15V的电源及-15V的电源，U2的V+、V-引脚分别连接+15V的电源及-15V的电源，且U1的Vo引脚通过阻值为10K的电阻R6与U2的IN+引脚连接，U2的IN-引脚通过阻值为10K的电阻R5接地，且U2的IN-引脚与OUT引脚之间还跨接有阻值为13K的电阻R7。
所述后级滤波电路包括型号为MAX293的芯片U3，U3的V+及V-引脚分别连接+5V和-5V的电源，从所述小信号放大电路32出来的信号经过电阻R8和电阻R10和U3的OPIN-引脚连接，U3的OPIN-和OPOUT引脚之间还跨接有电容C8，且U3的OPOUT引脚与电阻R9和电容C7连接之后接地，U3的CLK和GND引脚之间跨接有电容C9之后接地，电容C9的电容值为33nF。
所述颗粒物采集装置1还包括有用于驱动所述滑动机构15在所述支架10内做圆周运动，并选择与不同的所述颗粒物切割器11、12、13、14对接的驱动装置，所述驱动装置与所述主控电路4电性连接，所述主控电路4预先写入对所述驱动装置进行控制的程序。
所述滑动机构15为中空、且外壁开设有通风孔的结构。
所述颗粒物切割器11、12、13、14包括PM10、PM2.5、PM1颗粒物切割器。
在一个实施例中，所述滑动机构15内设置有两根以上可同时与不同的所述颗粒物切割器进行对接的对接管。
所述颗粒物切割器通过输出管与所述对接管连通，且所述输出管19和对接管16之间还设置有达到气密封的密封圈20。
还包括有伺服电机(图上未示)，所述支架10的内壁设置有导轨(图上未示)，且所述滑动机构15上设置有与所述导轨配合的滑块151，所述滑动机构15的一端设置有连杆152，所述伺服电机与所述连杆152连接，所述伺服电机通过所述连杆152驱动所述滑动机构15在所述支架10内圆周运动。
结合图1-8，本发明大气颗粒物综合监控系统100，由于所述颗粒物采集装置1包括圆环结构的支架10、所述支架10的外侧均匀设置有颗粒物切割器，所述支架10内设置有可选择与不同的所述颗粒物切割器对接的滑动机构15，所述滑动机构15内设置有与所述颗粒物切割器对接的对接管16、颗粒物收集装置17，所述颗粒物切割器所切割到的颗粒物通过所述对接管16传送到所述颗粒物收集装置17进行收集，且所述颗粒物收集装置17设置有称重传感器18，所述称重传感器18对所述颗粒物收集装置17所收集到的颗粒物进行重量检测；因此在使用过程中，可以在所述颗粒物切割器中切割PM10、PM2.5、PM1等不同粒径的颗粒物，对大气中的颗粒物含量进行监测、为公众提供空气质量参考数据。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (15)
1.一种大气颗粒物综合监控系统，包括：颗粒物采集装置、称重传感器、信号输入电路、主控电路、Zigbee传输模块及上位机，其特征在于：
颗粒物采集装置，所述颗粒物采集装置包括圆环结构的支架、所述支架的外侧均匀设置有八个颗粒物切割器、用于驱动所述颗粒物切割器的气泵，所述颗粒物切割器上设置有输出管，所述支架内设置有可选择与不同的所述颗粒物切割器对接的滑动机构，所述滑动机构可在所述支架内部做圆周运动，并所述滑动机构外侧设置有与所述颗粒物切割器的输出管对接的对接管、颗粒物收集装置，所述颗粒物切割器所切割到的颗粒物通过所述对接管传送到所述颗粒物收集装置进行收集，且所述颗粒物收集装置设置有称重传感器，所述称重传感器对所述颗粒物收集装置所收集到的颗粒物进行重量检测；
信号输入电路，所述信号输入电路与所述称重传感器电性连接，包括依次电性连接的前级滤波电路、小信号放大电路、后级滤波电路，所述信号输入电路接收到所述称重传感器的信号，通过所述前级滤波电路进行滤波，所述小信号放大电路将信号进行放大，通过所述后级滤波电路再次进行滤波后接入主控电路；
主控电路，所述主控电路与所述信号输入电路电性连接，并接收所述信号输入电路的信号并进行处理，并与上位机进行通信；
Zigbee传输模块，所述Zigbee传输模块包括中心节点Zigbee模块和Zigbee终端采集模块，所述中心节点Zigbee模块连接在所述主控电路上，所述信号输入电路与所述Zigbee终端采集模块连接，所述信号输入电路通过所述Zigbee传输模块与所述主控电路连接；
上位机，所述上位机与所述主控电路连接，所述上位机接收所述主控电路的信号并进行显示，且所述上位机还向所述主控电路下载控制程序。
2.如权利要求1所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，所述颗粒物收集装置悬挂在所述对接管外壁上，包括悬挂部分和水平部分，且所述悬挂部分和水平部分合围成一个颗粒物收集空间，所述水平部分设置有正对所述对接管的涂覆有硅油的玻璃纤维滤膜，所述悬挂部分包覆有用于防止颗粒物逃逸的、透气性材质的薄膜。
3.如权利要求1或2所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，所述主控电路与所述上位机之间还设置有通信接口电路，为所述上位机向所述主控电路下载程序时提供硬件支持。
4.如权利要求3所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，所述主控电路还连接有人机接口电路，所述人机接口电路包括显示器接口电路和键盘接口电路。
5.如权利要求3所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，所述前级滤波电路采用二阶RC低通无源滤波网络，信号线SEN-上连接有电阻R1和R2，信号线SEN+上连接有电阻R3和R4，在所述电阻R1和R3的负极跨接有由电容C1和C2串联起来的电路，还跨接有电容C5，在电阻R2和R4的负极跨接有由电容C3和C4，还跨接有电容C6，且电容C1和电容C3的负极接地AGND。
6.如权利要求5所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，电阻R1和电阻R3的电阻值均为100欧姆，电阻R2和电阻R4的阻值均为1K欧姆，电容C1和电容C2的电容值均为10μF，电容C5的电容值为0.1μF，电容值C3和C4的电容值为1μF，电容C6的电容值为1μF。
7.如权利要求5或6所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，所述小信号放大电路包括型号为INA141的放大电路电芯片U1和型号为0PA277UA的通信电路芯片U2，信号线SEN-连接U1的IN-引脚，信号线SEN+连接U1的IN+引脚，U1的V+、V-引脚分别连接+15V的电源及-15V的电源，U2的V+、V-引脚分别连接+15V的电源及-15V的电源，且U1的Vo引脚通过阻值为10K的电阻R6与U2的IN+引脚连接，U2的IN-引脚通过阻值为10K的电阻R5接地，且U2的IN-引脚与OUT引脚之间还跨接有阻值为13K的电阻R7。
8.如权利要求7所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，所述后级滤波电路包括型号为MAX293的芯片U3，U3的V+及V-引脚分别连接+5V和-5V的电源，从所述小信号放大电路出来的信号经过电阻R8和电阻R10和U3的OPIN-引脚连接，U3的OPIN-和OPOUT引脚之间还跨接有电容C8，且U3的OPOUT引脚与电阻R9和电容C7连接之后接地，U3的CLK和GND引脚之间跨接有电容C9之后接地，电容C9的电容值为33nF。
9.如权利要求1或8所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，所述颗粒物采集装置还包括有用于驱动所述滑动机构在所述支架内做圆周运动，并选择与不同的所述颗粒物切割器对接的驱动装置，所述驱动装置与所述主控电路电性连接，所述主控电路预先写入对所述驱动装置进行控制的程序。
10.如权利要求1或8所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，所述滑动机构为中空、且外壁开设有通风孔的结构。
11.如权利要求1或8所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，所述颗粒物切割器包括PM10、PM2.5、PM1颗粒物切割器。
12.如权利要求11所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，所述滑动机构内设置有两根以上可同时与不同的所述颗粒物切割器进行对接的对接管。
13.如权利要求11所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，所述颗粒物切割器通过所述输出管与所述对接管连通，且所述输出管和对接管之间还设置有达到气密封的密封圈。
14.如权利要求11所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，所述输出管包括有竖直部、弯折部和倾斜部，所述竖直部的一端与所述颗粒物切割器连通，另一端与所述弯折部的一端连通，所述弯折部的另一端与所述倾斜部的一端连通，所述倾斜部的另一端与所述对接管连通。
15.如权利要求11所述的大气颗粒物综合监控系统，其特征在于，还包括有伺服电机，所述支架的内壁设置有导轨，且所述滑动机构上设置有与所述导轨配合的滑块，所述滑动机构的一端设置有连杆，所述伺服电机与所述连杆连接，所述伺服电机通过所述连杆驱动所述滑动机构在所述支架内圆周运动。
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