CN105186625A - 充电式便携无线气体监测终端 - Google Patents

Abstract

充电式便携无线气体监测终端，该电源采用单节锂电池作为电能存储器件，USB充电和太阳能充电两种充电模式，以MCU为控制核心，本发明可以作为便携式设备，放置在室内或者室外以及其他需要监测的地方，在室内可以连接USB充电配合锂电池使用，在室外可以连接太阳能电池板充电配合锂电池使用。本发明不仅可以在设备的LCD上直接显示采集的数据值，而且还可以作为ZigBee终端设备通过ZigBee协议无线发送到ZigBee协调器节点，从而具有远程监控的功能。本发明可作为手持监测终端、远程监测终端使用，具有体积小、重量轻、方便携带、低功耗的特点。

Description

充电式便携无线气体监测终端

技术领域

本发明涉及空气质量监测领域，特别是涉及充电式便携无线气体监测终端。

背景技术

空气质量是环境监测中不可缺少的内容，目前，常用的空气监测系统可以安装在固定位置有效监测空气中主要污染物气体的浓度，性能优良。但此类空气监测系统的最大问题是系统体积很大，需要布线传输数据，占用空间；功耗很大，增加了能源的消耗；重量也很大，不便于可移动监测；而且大部分从国外进口，价格昂贵，增加了使用成本。

为此，本发明完成了一种充电式便携无线气体监测终端。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的空气质量监测系统体积大，重量大，功耗大，布线复杂度高，价格高而造成的使用不便，为此本发明完成了一种充电式便携无线气体监测终端。该终端尺寸仅为手掌大小，重量和手机相当，插上待监测气体的气体传感器可以感应空气中该气体的浓度，可以通过LCD显示屏进行实时显示，与此同时还可以通过无线进行数据的发送。多个终端连接不同种类气体传感器可以组成气体监测网络。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

充电式便携无线气体监测终端是基于相应检测设备实现的，该检测设备包括设备外壳体、电源开关、UART接口、USB充电接口、太阳能充电接口、锂电池、LCD显示屏、气体传感器、温湿度传感器、太阳能电池板、充电选择开关、供电选择开关。两块电路板固定在外壳体内。以上设备各部分均固定安装在电路板上。特征在于，外壳体为一规则长方体；外壳体内部上方的电路板前版面的中间固定LCD显示屏；外壳体内部上方的电路板左侧设有电源开关、UART接口、USB充电接口充电选择开关、供电选择开关；外壳体内部上方的电路板右侧固定气体传感器；外壳体内部下方的电路板设有太阳能充电接口、锂电池固定装置。

一种空气质量无线监测终端，该监测终端包括四大部分：LCD显示部分、电源管理部分、数据采集传输部分、系统控制部分。其中LCD显示部分由TFTLCD和LCD背光驱动电路组成。电源管理部分由充电管理电路、供电管理电路和电池电压监测电路组成。数据采集传输部分由传感器、UART接口和天线组成。系统控制部分由MCU、复位、功能选择开关组成。

本发明采用单节锂电池作为电能的存储和供应核心，以MCU为控制核心，能够通过充电选择开关选择充电方式为USB充电或者太阳能板，通过供电选择开关选择系统供电，系统供电来源于USB配合锂电池或者太阳能配合锂电池。本发明将单节锂电池输出或者外部充电部分的输出与电源管理部分相连，目的是为MCU、LCD显示屏、传感器以及其他各个电路部分提供可用的高品质供电。满足了供电要求，在控制部分MCU的调控下，使得气体传感器感应到的待测气体的信息得到采集、读取、传输和显示。

实现整个系统功能的各单元模块分别为：控制和数据传输单元、系统复位单元、电池电量采集单元、传感器单元、充电控制单元、供电控制单元和LCD显示屏单元。其中控制部分与数据传输单元和LCD显示屏单元相连，使得LCD显示界面能够显示：监测气体浓度、环境温湿度、当前电池电压、电池剩余电量百分比。

下面对各部分模块单元进行具体说明。

系统复位单元包括系统复位按键。

电池电量采集单元包括电量采集使能电路和电池电压分压电路。

传感器单元包括温湿度传感器电路和气体传感器电路。

充电控制单元包括USB充电控制电路、太阳能电池板充电控制电路和充电方式选择电路。

控制和数据传输单元包括MCU控制电路、天线电路、UART接口电路和状态指示LED灯。

供电控制单元包括DC-DC升压电路、3.3V的LDO降压稳压电路、5VLDO降压稳压电路和供电选择电路。

LCD显示屏单元包括TFTLCD和LCD背光驱动电路。

与现有技术相比本发明可以获得以下有益效果。

本发明与目前各类空气质量监测终端系统相比，可设置利用太阳能电池板或者USB接口对内置锂电池进行充电。本发明的电路部分均采用低功耗的芯片设计，整个系统在很低的功耗下运行，节省电池电量的使用，使得设备在单纯电池供电的情况下可以长时间工作。本发明能够实现监测数据的实时显示，空气的温湿度和待监测气体的浓度可以通过LCD屏幕显示出来，方便观测。本发明可以作为便携式设备，放置在室内或者室外以及其他需要监测的地方，在室内可以连接USB充电配合锂电池使用，在室外可以连接太阳能电池板充电配合锂电池使用。本发明不仅可以在设备的LCD上直接显示采集的数据值，而且还可以作为ZigBee终端设备通过ZigBee协议无线发送到ZigBee协调器节点，从而具有远程监控的功能。多个设备连接不同种类的气体传感器可以组成ZigBee无线传感器网络，采集多个气体数据，可以实现空气质量的监测。本发明可作为手持监测终端、远程监测终端使用，具有体积小，重量轻，方便携带，低功耗的特点。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明的上方电路板的电路原理图；

图3为本发明的下方电路板的电路原理图；

图4为本发明的上方电路板结构框图。

图中：1、系统复位电路，2、电池电量采集电路，3、传感器电路，4、USB充电控制电路，5、供电电路，6、气体传感器接口电路，7、LED显示电路，8、其他接口电路。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图1为为本发明的结构原理图，本发明所用的MCU为TI公司的CC2530芯片。本发明按照该MCU数据手册的要求，设计相应电路原理图，然后绘制印刷电路板。考虑到天线数据收发的抗干扰问题，在印刷电路板上把MCU控制部分和天线部分绘制成一个电路模块，其中也包括与MCU关系紧密的其他电子元器件。把MCU的其他引脚与排针相连接从来引出模块。

图2为本发明的上方电路板的电路原理图。上方电路板的电路包括系统复位电路1、电池电量采集电路2、传感器电路3、USB充电控制电路4、供电电路5、气体传感器接口电路6、LED显示电路7，以及其他接口电路8。整个结构的框图如图4所示。

复位电路1与MCU相连，从而使整个电路系统复位。

电池电量采集电路2与MCU和电池正极相连，电池电量采集电路具有使能端，由MCU控制，当MCU的控制端为高电平时，使能电池电量采集电路，使其可以采集电池的电压，通过电阻分压后，输入到MCU的端口。MCU具有内置AD转换器，可以读取电压的数值，经过计算后，得到电池的当前电量。

传感器电路3为温湿度传感器，该温湿度传感器采用低功耗的SHT10，该传感器有两条线与MCU相连，分别是DATA数据线和SCK时钟线。在MCU的控制下，根据该传感器的数据手册，按照相应时序，读取温湿度的值，通过DATA数据线，传输给MCU。

USB充电控制电路4一端与USB接口相连，一端和充电选择开关相连，选用低功耗芯片MCP73831T，参考芯片数据手册，调节可编程端口的电阻，匹配合适的电容，使其可以为单节锂电池充电。

供电电路5由供电选择电路、3.3V稳压电路，DC-DC升压电路、5V稳压电路构成，从而为系统提供稳定的电源；供电电路5能够通过单刀双掷开关选择两种供电模式，模式一：USB充电配合锂电池工作，模式二：太阳能充电配合锂电池工作。

当电路处于模式一时，拨动充电选择开关选择USB输入端并且拨动供电选择开关选择USB充电与锂电池端，如果USB充电可以提供正常工作电压，PMOS管Q5截止，即供电部分与锂电池断开连接，由USB充电电路为系统供电，从而减少电池电量的损耗，如果USB充电电路不能提供正常工作电压，PMOS管Q5导通，即供电部分与锂电池连接，由锂电池为系统供电。

当电路处于模式二时，拨动充电选择开关选择太阳能充电输入端并且拨动供电选择开关选择太阳能充电与锂电池端，如果太阳能充电电路可以提供正常工作电压，PMOS管Q4截止，即供电部分与锂电池断开连接，由太阳能充电电路为系统供电，从而减少电池电量的损耗，如果太阳能充电电路不能提供正常工作电压，PMOS管Q4导通，即供电部分与锂电池连接，由锂电池为系统供电。

供电选择开关是单刀双掷开关，其单刀端连接有供电控制开关，控制3.3V和5V供电。当开关打开时，供电LED指示灯发光，表示3.3V和5V电压能够供电。3.3V稳压电路采用TI公司的低功耗LDO芯片MCP1700T-3302E，稳定的输出3.3V电压，为MCU、温湿度传感器、LCD显示屏供电。5V稳压电路通过DC-DC升压后再用LDO降压的方式来提供稳定的5V电压供应。DC-DC升压芯片采用TI公司低功耗芯片TPS61220，具有低功耗，较大输入范围，可编程输出电压的特点。设计可编程电阻的阻值，使输出电压在5.2V到5.3V左右。DC-DC升压电路输出连接TI公司的低功耗LDO芯片MCP1700T-5002E，稳定精准的输出5V电压，为气体传感器供电。

气体传感器接口电路6根据采用气体传感器的特性而设计，本监测终端采用英国Alphasense公司的B4系列高精度传感器，精度可达到ppb级。本设计为该系列传感器设计接口电路，由于高精度传感器对于系统抗干扰能力要求较高，所以特别设计此接口电路完成滤波、分压功能。

LED显示电路7提供各个不同状态的LED显示功能。两个LED灯的负极连接MCU不同的端口，从而使显示的信息是可以编程扩展的。

其他接口电路8包括USB接口、JTAG接口、MCU接口、UART接口、LCD接口。使得电路的其他元器件方便连接到电路板上，方便以后的调试和系统维护。

图3为本发明的下方电路板的电路原理图。下方电路板的电路原理图是太阳能充电电路。该电路的输入来自太阳能电池板，用接线端子把太阳能电池板的导线接入电路。太阳能充电控制芯片采用CN3722，它是一款可使用太阳能电池供电的PWM降压模式充电管理集成电路，具有太阳能电池最大功率点跟踪功能。具有较大的输入电压变化范围和可编程输出电压，设计可编程分压电阻的阻值，使其输出电压为4.2V，适合于一节锂电池充电。该电路具有恒流和恒压充电模式，非常适合锂电池或磷酸铁锂电池的充电。在恒压充电模式，恒压充电电压由外部电阻分压网络设置；在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置。对于深度放电的电池，当电池电压低于所设置的恒压充电电压的66.7％时，CN3722用所设置的恒流充电电流的15％对电池进行涓流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到外部电阻所设置的值时，充电结束。在充电结束状态，如果电池电压下降到所设置的恒压充电电压的91.1％时，自动开始新的充电周期。当输入电源掉电或者输入电压低于电池电压时，CN3722自动进入低功耗的睡眠模式。该电路的输出连接到充电选择开关的双刀的一端。

Claims (7)

1.充电式便携无线气体监测终端，其特征在于：该监测终端包括四大部分：LCD显示部分、电源管理部分、数据采集传输部分、系统控制部分；其中LCD显示部分由TFTLCD和LCD背光驱动电路组成；电源管理部分由充电管理电路、供电管理电路和电池电压监测电路组成；数据采集传输部分由传感器、UART接口和天线组成；系统控制部分由MCU、复位、功能选择开关组成；

本发明采用单节锂电池作为电能的存储和供应核心，以MCU为控制核心，能够通过充电选择开关选择充电方式为USB充电或者太阳能板，通过供电选择开关选择系统供电，系统供电来源于USB配合锂电池或者太阳能配合锂电池；将单节锂电池输出或者外部充电部分的输出与电源管理部分相连，目的是为MCU、LCD显示屏、传感器以及其他各个电路部分提供可用的高品质供电；满足了供电要求，在控制部分MCU的调控下，使得气体传感器感应到的待测气体的信息得到采集、读取、传输和显示；

实现整个系统功能的各单元模块分别为：控制和数据传输单元、系统复位单元、电池电量采集单元、传感器单元、充电控制单元、供电控制单元和LCD显示屏单元；其中控制部分与数据传输单元和LCD显示屏单元相连，使得LCD显示界面能够显示：监测气体浓度、环境温湿度、当前电池电压、电池剩余电量百分比；

系统复位单元包括系统复位按键；

电池电量采集单元包括电量采集使能电路和电池电压分压电路；

传感器单元包括温湿度传感器电路和气体传感器电路；

充电控制单元包括USB充电控制电路、太阳能电池板充电控制电路和充电方式选择电路；

控制和数据传输单元包括MCU控制电路、天线电路、UART接口电路和状态指示LED灯；

供电控制单元包括DC-DC升压电路、3.3V的LDO降压稳压电路、5VLDO降压稳压电路和供电选择电路；

LCD显示屏单元包括TFTLCD和LCD背光驱动电路。

2.根据权利要求1所述的充电式便携无线气体监测终端，其特征在于：考虑到天线数据收发的抗干扰问题，在印刷电路板上把MCU控制部分和天线部分绘制成一个电路模块，其中也包括与MCU关系紧密的其他电子元器件；把MCU的其他引脚与排针相连接从来引出模块；

上方电路板的电路包括系统复位电路(1)、电池电量采集电路(2)、传感器电路(3)、USB充电控制电路(4)、供电电路(5)、气体传感器接口电路(6)、LED显示电路(7)，以及其他接口电路(8)；

复位电路(1)与MCU相连，从而使整个电路系统复位；

电池电量采集电路(2)与MCU和电池正极相连，电池电量采集电路具有使能端，由MCU控制，当MCU的控制端为高电平时，使能电池电量采集电路，使其可以采集电池的电压，通过电阻分压后，输入到MCU的端口；MCU具有内置AD转换器，可以读取电压的数值，经过计算后，得到电池的当前电量；

传感器电路(3)为温湿度传感器，该温湿度传感器采用低功耗的SHT10，该传感器有两条线与MCU相连，分别是DATA数据线和SCK时钟线；在MCU的控制下，根据该传感器的数据手册，按照相应时序，读取温湿度的值，通过DATA数据线，传输给MCU；

USB充电控制电路(4)一端与USB接口相连，一端和充电选择开关相连，选用低功耗芯片MCP73831T，参考芯片数据手册，调节可编程端口的电阻，匹配合适的电容，使其可以为单节锂电池充电；

供电电路(5)由供电选择电路、3.3V稳压电路，DC-DC升压电路、5V稳压电路构成，从而为系统提供稳定的电源；供电电路(5)能够通过单刀双掷开关选择两种供电模式，模式一：USB充电配合锂电池工作，模式二：太阳能充电配合锂电池工作。

3.根据权利要求2所述的充电式便携无线气体监测终端，其特征在于：当电路处于模式一时，拨动充电选择开关选择USB输入端并且拨动供电选择开关选择USB充电与锂电池端，如果USB充电可以提供正常工作电压，PMOS管Q5截止，即供电部分与锂电池断开连接，由USB充电电路为系统供电，从而减少电池电量的损耗，如果USB充电电路不能提供正常工作电压，PMOS管Q5导通，即供电部分与锂电池连接，由锂电池为系统供电；

当电路处于模式二时，拨动充电选择开关选择太阳能充电输入端并且拨动供电选择开关选择太阳能充电与锂电池端，如果太阳能充电电路可以提供正常工作电压，PMOS管Q4截止，即供电部分与锂电池断开连接，由太阳能充电电路为系统供电，从而减少电池电量的损耗，如果太阳能充电电路不能提供正常工作电压，PMOS管Q4导通，即供电部分与锂电池连接，由锂电池为系统供电；

供电选择开关是单刀双掷开关，其单刀端连接有供电控制开关，控制3.3V和5V供电；当开关打开时，供电LED指示灯发光，表示3.3V和5V电压能够供电。

4.根据权利要求2所述的充电式便携无线气体监测终端，其特征在于：气体传感器接口电路(6)根据采用气体传感器的特性而设计，本设计为该系列传感器设计接口电路，由于高精度传感器对于系统抗干扰能力要求较高，所以特别设计此接口电路完成滤波、分压功能。

5.根据权利要求2所述的充电式便携无线气体监测终端，其特征在于：LED显示电路(7)提供各个不同状态的LED显示功能；两个LED灯的负极连接MCU不同的端口，从而使显示的信息是可以编程扩展。

6.根据权利要求2所述的充电式便携无线气体监测终端，其特征在于：其他接口电路(8)包括USB接口、JTAG接口、MCU接口、UART接口、LCD接口；使得电路的其他元器件方便连接到电路板上，方便以后的调试和系统维护。

7.根据权利要求3所述的充电式便携无线气体监测终端，其特征在于：太阳能充电电路的输入来自太阳能电池板，用接线端子把太阳能电池板的导线接入电路。