CN103901172A

CN103901172A - 一种气体质量检测仪

Info

Publication number: CN103901172A
Application number: CN201410149204.1A
Authority: CN
Inventors: 马昌媛; 张西良; 袁园; 张媛; 林丽丹; 赵麟; 印学浩
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2034-04-15
Also published as: CN103901172B

Abstract

本发明公开了一种气体质量检测仪，包括气体传感器节点和显示控制节点。气体传感器节点分为CO传感器节点、CO₂传感器节点、VOC传感器节点、灰尘传感器节点，每种节点包括气体传感器、电源管理模块、无线单片机模块A、信号调理电路、节点序号设置键盘、工作指示灯A和电量不足指示灯A，用于气体浓度信号的采集和处理。显示控制节点包括电源模块、LCD显示器、无线单片机模块B、温湿度传感器、键盘和报警电路，用于进行数据运算处理、检测结果修正补偿处理、实时显示检测结果和发出报警信号。本发明可有效实时检测室内、车内空气的多种参数，功耗小，气体传感器节点和显示控制节点相互独立，无线连接，检测位置灵活，操作方便，具有较大应用推广价值。

Description

一种气体质量检测仪

技术领域

本发明涉及一种气体质量检测仪，属于环境监测领域，主要用于检测气体环境中的温湿度、CO、CO₂、VOC气体和灰尘的浓度，适合于普通家庭、工作室、机房、车内等相对封闭环境的空气质量检测及超标报警。

背景技术

随着人民生活水平稳步提高,人们对综合生活质量的要求也在不断提高,更希望有一个清洁、舒适和温馨的生活空间,因而对拥有良好的室内、车内空气质量和健康的愿望也愈加迫切和认真。室内环境是人类生存和活动的重要场所，关于室内气体质量对人体健康影响的研究近年来越来越受到国内外学者的重视和关注。室内环境问题主要有：（1）因室内通风不良、空调使用不合理,造成暴露人群出现不良建筑综合症；（2）室内装修过程使用的产品包括各种建筑、装饰材料以及粘合剂、涂料、空气清新剂等,释放大量甲醛、苯系物等挥发性有机物；(3)室外大气中亦含有一定量的挥发性有机物和悬浮颗粒物,其经过渗透作用进入室内造成的污染不应忽视；（4）室内外燃烧产生的无机气体，包括CO，CO₂和NO_X等。作为必不可少的交通工具，汽车内部污染问题也已成为消费者普遍关心的热点。车内环境问题主要有：（1）内饰释放的甲醛、二甲苯等挥发性有机物；（2）燃料不完全燃烧产生的CO和NO_X等无机化合物进入车内；（3）人体呼吸产生的CO₂等气体；（4）车外渗入的悬浮颗粒物等。对汽车的性能进行改进，对车内的空气进行检测，可以大大减少车内有害空气对人带来的一些危害。深入开展对室内、车内环境中气体污染物的监测具有重要现实意义。

目前针对于室内、车内的空气质量检测已有一些相关的专利和产品，如中国发明专利（CN201765479U）公开了一种便携式的室内环境监控装置，由室内空气监测装置和室内空气净化装置构成，二者之间采用无线连接，对室内的氨气、甲醛和苯进行检测，当气体浓度超标时，给出报警并自动启动室内空气净化装置；中国发明专利（CN202562903U）公开了一种室内空气质量检测仪，主要包括CPU、传感器、3G通信模块、液晶显示器和电源，传感器通过AD转换器与CPU连接，可以进行远程客户端操作；中国发明专利（CN202014374U）公开了一种可自由布置实时测量室内空气质量的自组网节点，包括传感器模块、处理器模块、Zigbee短距离无线通信模块、内部带闪存卡的数据存储模块和电源模块，传感器模块通过传感器接口模块与处理器模块相接，处理器模块通过Zigbee短距离无线通信模块与远程接收终端进行双向通信。上述专利中涉及的空气质量检测装置的共性问题是：均将多种传感器及其信号调理电路集成在一个模块中，直接或者通过无线通信模块与处理器相连，没有考虑到复杂的室内、车内环境中对不同污染气体浓度检测要求不同，和温湿度对污染气体浓度检测造成的误差；以及不能根据需要分开放置气体传感器、改变传感器的数量和种类，功耗较大。

发明内容

基于以上不足，本发明公开一种结构简单，各种气体传感器节点类型、数量和位置配置灵活，功耗小，参考温湿度的检测结果对不同污染气体浓度检测结果进行修正、补偿处理，能够对室内、车内等场所多种污染气体进行实时检测的气体质量检测仪。

一种气体质量检测仪，其特征在于：包括气体传感器节点和显示控制节点,气体传感器节点和显示控制节点通过无线方式进行通信；

所述气体传感器节点包括气体传感器、电源管理模块、无线单片机模块A、信号调理电路、节点序号设置键盘、工作指示灯A和电量不足指示灯A；气体传感器的输出端与信号调理电路相连接，信号调理电路的输出端、节点序号设置键盘、工作指示灯A、电量不足指示灯A和电源管理电路的控制端分别与无线单片机模块A的IO引脚相连接；气体传感器、信号调理电路、无线单片机模块A和节点序号设置键盘的电源引脚分别与电源管理电路的输出端相连接；

所述的信号调理电路包括滤除测量过程中干扰和噪声信号的滤波电路、用于放大传感器微弱信号的放大电路、ADC输入缓冲和用于阻抗匹配的电压跟随器电路；

所述显示控制节点包括电源模块、LCD显示器、无线单片机模块B、温湿度传感器、键盘和报警电路；所述键盘、报警电路、温湿度传感器和LCD显示器的IO引脚分别与无线单片机模块B的IO引脚相连接；所述键盘、温湿度传感器、报警电路、LCD显示器和无线单片机模块B 的电源引脚分别与电源模块的输出端相连接；

所述的无线单片机模块A和无线单片机模块B，自带模数转换功能、电源电压检测功能、无线通信功能。

所述的气体传感器节点可以包括以下四种中的任一种或多种：CO传感器节点、CO₂传感器节点、VOC传感器节点和灰尘传感器节点；CO传感器节点、CO₂传感器节点、VOC传感器节点和灰尘传感器节点与待测气体相接触，分别将待测气体中CO、CO₂、VOC气体和灰尘浓度信息转换为电信号，用于检测环境中CO、CO₂、VOC气体和灰尘浓度。

本发明的工作过程如下：

温湿度传感器用于采集环境中的温湿度信息；

气体传感器与待测气体相接触，将气体浓度信息转换为电信号，经过信号调理电路对传感器输出的信号进行放大、滤波、阻抗匹配等处理，利用无线单片机模块A中集成的模数转换功能，对经过信号调理电路处理的传感器输出信号进行模数转换，并将转换结果无线发送给显示控制节点，显示控制节点中的无线单片机模块B接收数据并对接收的数据进行数据运算处理、依据温湿度传感器的检测值对气体浓度检测结果的影响关系进行修正、补偿处理，处理结果通过LCD显示器实时显示：LCD显示器在正常情况下显示温湿度、CO、CO₂、VOC气体和灰尘浓度，当环境中某种气体浓度超过设定标准阈值时，针对不同的空气质量问题，LCD显示器会显示不同的提示信息，同时报警电路发出声音报警，提示空气中存在的各种污染问题。通过键盘改变气体传感器节点的电源管理模块的状态，从而控制气体传感器节点的工作状态，增加或者减少气体传感器节点的数量和种类。

气体传感器节点可以自动监测电源是否充足，当电源电压低于2V时，电量不足指示灯A发光。对于气体传感器节点，无线单片机模块A用于采集CO、CO₂、VOC气体和灰尘浓度信息、控制气体传感器和信号调理电路的电源以及实现与显示控制节点的无线通信；对于显示控制节点，无线单片机模块B主要用于采集温湿度信号、对气体传感器节点发送的气体浓度信息进行数据运算处理、检测结果修正补偿处理、控制LCD显示器和报警电路的显示和报警工作。电源管理模块用于为无线单片机模块A、节点序号设置键盘提供电源和控制气体传感器、信号调理电路的电源。

本发明具有有益效果。本发明通过气体传感器节点采集CO、CO₂、VOC气体和灰尘浓度信息，经过显示控制节点对气体传感器节点和温湿度传感器采集的信息进行运算处理和显示，实现对室内、车内的温湿度、CO、CO₂、VOC气体和灰尘浓度进行检测，能够全面反映室内、车内的空气质量问题；将每种气体传感器设置为一个无线气体传感器节点，可以灵活选择配置所需检测的气体种类、气体传感器节点的数量和布置气体传感器节点的检测位置；通过显示控制节点的键盘控制每个气体传感器节点的工作状态，改变气体传感器节点的数量和种类，这样不仅可以减少功耗，延长传感器的使用寿命，同时增加了气体质量检测仪的灵活性，使人与检测仪之间的交流更加方便。

附图说明

图1为本发明的气体质量检测仪的总体框图。

图2为气体传感器节点的原理框图。

图3为气体传感器节点的结构示意图。

图4为显示控制节点的结构示意图。

图5为LCD显示器的电路图。

图6为显示控制节点的程序流程图。

图7为气体传感器检测节点的程序流程图。

图中:1气体传感器节点壳体，2电源开关，3工作指示灯A，4电量不足指示灯A，5节点序号设置键盘，7显示控制节点壳体，8 LCD显示器，9 CO传感器节点选择按钮，10 CO₂传感器节点选择按钮，11 VOC传感器节点选择按钮，12灰尘传感器节点选择按钮，13增加节点按钮，14减少节点按钮，15电量不足指示灯B，16蜂鸣器，17工作指示灯B，18电源开关。

具体实施方式

下面以每种气体传感器节点各配置两个为例，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

实施例一，使用本发明装置检测空气中CO浓度

如图1所示，本发明所述的一种气体质量检测仪，包括气体传感器节点和显示控制节点。对应不同目标气体，气体传感器节点分为CO传感器节点、CO₂传感器节点、VOC传感器节点、灰尘传感器节点，主要是气体浓度信号的采集和处理。显示控制节点包括电源模块、LCD显示器、无线单片机模块B、温湿度传感器、键盘和报警电路，主要是进行数据运算处理、检测结果修正补偿处理、实时显示检测结果和发出报警信号。

无线单片机模块A和无线单片机模块B选择无线模块CC2430，电源电压为3.3V，具有21个IO口，P0口可用作ADC输入引脚，自带电池电压检测功能。对于气体传感器节点，信号调理电路的输出端接至无线单片机模块A的 P0.0引脚，用于CO气体浓度信号的采集；无线单片机模块A的P1.0引脚用于控制CO传感器及其信号调理电路的电源；P1.4引脚用于控制电量不足指示灯A发光；P2口用于连接节点序号设置键盘。对于显示控制节点，无线单片机模块B的P0口和P2口与LCD显示器连接，用于显示控制；P1.0引脚用于控制蜂鸣器；P1.1引脚用于控制电量不足指示灯B发光；键盘通过8-3编码器与无线单片机模块B的P1.2、P1.3、P1.4引脚连接；P1.6引脚和P1.7引脚与数字式温湿度传感器连接，采集环境中的温湿度信号。

如图2、图3所示，CO传感器节点包括CO传感器、电源管理模块、无线单片机模块A、信号调理电路、节点序号设置键盘、工作指示灯A和电量不足指示灯A，主要是CO气体浓度信号的采集。利用无线单片机模块A中自带电池电压检测功能，自动监测电源电量是否充足，当电源电压低于2V时，无线单片机模块A通过P1.4引脚控制电压不足指示灯A发光，给予提示。CO传感器选择MQ-7半导体气体传感器，其输出为模拟量，CO传感器与CO气体相接触，将CO气体浓度信息转换为电信号，信号调理电路对CO传感器的输出信号进行滤波等处理，利用无线单片机模块A中集成的模数转换功能，对经过调理的传感器输出信号进行模数转换，并将转换结果无线发送给显示控制节点。由于CO气体传感器节点的数量可以改变，为便于显示控制节点对各CO传感器节点进行辩别和控制，可通过节点序号设置键盘为CO传感器节点编号。工作指示灯A用于提示对应CO传感器节点是否处于工作状态。

电源管理电路为CO传感器节点中的无线单片机模块A、CO传感器、信号调理电路和节点序号设置键盘提供电源，CO传感器节点所需的电源电压包括3.3V和5V，分别通过AMS1117-3.3V芯片和LM2596模块得到。AMS1117-3.3V芯片用于为无线单片机模块A和节点序号设置键盘提供电源；LM2596模块分为电压固定版本和可调版本，选择固定版本的LM2596模块为CO传感器和信号调理电路提供电源。LM2596模块可以通过ON/OFF控制端控制芯片的打开与关断，将LM2596模块的ON/OFF控制端连接到CO传感器节点中无线单片机模块A的P1.0引脚，ON/OFF控制端输出低电平时，LM2596模块被打开，为CO传感器和信号调理电路提供电源；ON/OFF控制端输出高电平时，LM2596模块被关断，CO传感器和信号调理电路的电源断开，从而达到通过键盘控制CO传感器节点工作状态的目的。

如图4所示，显示控制节点的壳体7上包含有LCD显示器8、键盘、电量不足指示灯B15、蜂鸣器16、工作指示灯B17和电源开关18。其中键盘包含：CO传感器节点选择按钮9、CO₂传感器节点选择按钮10、 VOC传感器节点选择按钮11、灰尘传感器节点选择按钮12、增加节点按钮13、减少节点按钮14。

8-3编码器选择74LS148优先编码器,74LS148优先编码器的电源电压为5V,用于将编码输入信号转换为二进制输出信号。键盘的6个按钮CO传感器节点选择按钮9、CO₂传感器节点选择按钮10、 VOC传感器节点选择按钮11、灰尘传感器节点选择按钮12、增加节点按钮13、减少节点按钮14分别与74LS148优先编码器的IN0引脚、IN引脚1、IN2引脚、IN3引脚、IN4引脚、IN5引脚相接，8-3编码器的编码输出端A0、编码输出端A1、编码输出端A2分别与显示控制节点的无线单片机模块B的P1.2引脚、P1.3引脚、P1.4引脚脚相接。在需要增加或者减少CO传感器节点时，首先按下增加节点按钮13或者减少节点按钮14，然后按下CO传感器节点选择按钮9。采用外部中断方式，中断采用边沿触发方式，当按键被按下时，自动进入中断程序，判断键值，改变相应标志位，并将标志位发送给CO传感器节点，控制CO传感器和信号调理电路的电源。

工作指示灯B10选用发光二极管，直接与显示控制节点的电源相接，提示检测仪的电源是否处于导通状态。电量不足指示灯B11选用发光二极管，利用无线单片机模块B自带的电池电压检测功能来检测电源电压，当电源电压小于2V时，无线单片机模块B通过P1.1引脚控制电量不足指示灯B11发光。

报警电路主要由蜂鸣器12和三极管组成，蜂鸣器12主要用于声音报警，无线单片机模块B的P1.0引脚与三极管的基极相连接，三极管作为驱动器件驱动蜂鸣器工作。

温湿度传感器选择数字式温湿度传感器SHT10，主要对环境的温湿度进行检测。SHT10采用串行通讯方式，电源电压为3.3V。将温湿度传感器的时钟引脚SCK连接到显示控制节点的无线单片机模块B的P1.7引脚，SHT10的数据引脚DATA连接到无线单片机模块B的P1.6引脚。

显示控制节点的电源模块为键盘、温湿度传感器、报警电路、LCD显示器和无线单片机模块B提供电源，所需的电源电压包括3.3V和5V，分别通过AMS1117-3.3V芯片和L7805模块来实现。

如图5所示，LCD显示器选择LCD12864液晶显示模块，LCD显示器在正常情况下显示温湿度、CO、CO₂、VOC气体和灰尘浓度，当车内某种气体浓度超过设定标准阈值时，针对不同的空气质量问题，LCD显示器会显示不同的提示信息，提示空气中存在的各种污染问题。

如图6、图7所示，显示控制节点和气体传感器节点的程序流程图中，初始化主要包括各引脚功能设置、定时器设置、标志位定义、中断设置等。当键盘引起中断时，外部中断程序中会改变对应标志位。经过初始化后，系统判断键盘引脚标志位的变化，从而确定是否需要改变对气体传感器及其信号调理电路的控制。当有按键被按下时，显示控制节点将标志位发送给气体传感器节点，气体传感器节点接收信息并改变与电源管理模块控制端相连接的引脚的输出。此后，气体传感器节点和显示控制节点通过无线方式进行通信，气体传感器节点采集气体浓度信息，并将检测结果无线发送给显示控制节点，显示控制节点对数据进行运算处理和检测结果修正补偿处理，将得到的气体浓度分析结果与存储的标准气体浓度进行比较判断，当各污染气体浓度正常，LCD显示器显示温湿度、CO、CO₂、VOC气体和灰尘浓度；当环境中某种气体浓度超过阈值时，蜂鸣器声音报警，针对不同的空气质量问题，LCD显示器会显示不同的提示信息，提示空气中存在的各种污染问题。。利用无线单片机模块A和无线单片机模块B自带的电池电压检测功能来检测电源电压，当气体传感器节点的电源电压小于2V时，控制电量不足指示灯A发光；当显示控制节点的电源电压小于2V时，电量不足指示灯B发光。

实施例二，使用本发明装置检测空气中CO₂浓度

CO₂传感器选择MG811电化学气体传感器,其输出为微弱的模拟信号，信号调理电路主要是对CO₂传感器的输出信号进行滤波、阻抗变换和放大处理，信号调理电路的输出连接至CO₂传感器节点的无线单片机模块A的P0.1引脚。用于对CO₂传感器输出信号进行放大处理的集成运放芯片选用LM324，单电源供电，电源电压选用6V。CO₂传感器和信号调理电路所需电源电压为6V，选择可调版本的LM2596为CO₂传感器节点中的MG811气体传感器及其检测电路提供6V电源，将LM2596模块的ON/OFF控制端连接到CO₂传感器节点中无线单片机模块A的P1.1引脚。其余细节与CO传感器节点具体实施方式相同。

实施例三，使用本发明装置检测空气中VOC浓度

VOC传感器选择MS1100半导体气体传感器和TGS2602半导体气体传感器，它们不仅对VOC气体具有很高的灵敏度，同时可以很好的感应氨气和硫化氢等气体。MS1100传感器和TGS2602传感器集成在同一节点，共用电源管理电路，由同一按键控制。VOC传感器的输出为模拟量，经过信号调理电路的滤波处理，分别连接到VOC传感器节点中无线单片机模块A的P0.2引脚和P0.3引脚。VOC传感器和信号调理电路的电源为5V，选择固定版本的LM2596模块为VOC传感器和信号调理电路提供电源，将LM2596模块的ON/OFF控制端连接到VOC传感器节点中无线单片机模块A的P1.2引脚。其余细节与CO传感器节点具体实施方式相同。

实施例四，使用本发明装置检测空气中灰尘浓度

灰尘传感器选择PD4NS灰尘传感器，其输出为PWM形式，低电平有效，浓度信息反应为单位时间内低脉冲占据总时间的比值，单位时间选为30s，脉冲宽度为10ms—90ms。将PD4NS传感器的输出端经过信号调理电路连接到灰尘传感器节点的无线单片机模块A的P0.4引脚，通过定时器中断计算单位时间内低脉冲占据总时间的比值，再经过数据运算得到浓度信息。灰尘传感器的电源电压为5V，选择固定版本的LM2596模块为灰尘传感器提供电源，将LM2596模块的ON/OFF控制端连接到灰尘传感器节点中无线单片机模块A的P1.3引脚。其余细节与CO传感器节点具体实施方式相同。

Claims

1.一种气体质量检测仪，其特征在于：包括气体传感器节点和显示控制节点,气体传感器节点和显示控制节点通过无线方式进行通信；

2. 根据权利要求1所述的一种气体质量检测仪，其特征在于所述的气体传感器节点可以包括以下四种中的任一种或多种：CO传感器节点、CO₂传感器节点、VOC传感器节点和灰尘传感器节点；CO传感器节点、CO₂传感器节点、VOC传感器节点和灰尘传感器节点与待测气体相接触，分别将待测气体中CO、CO₂、VOC气体和灰尘浓度信息转换为电信号，用于检测环境中CO、CO₂、VOC气体和灰尘浓度。