CN105738439A - 户外高精度多种气体浓度监测便携设备 - Google Patents

户外高精度多种气体浓度监测便携设备 Download PDF

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Abstract

户外高精度多种气体浓度监测便携设备，该设备采用锂电池输出电压稳定供给MCU、PM2.5气体传感器、PM10气体传感器、CO气体传感器、SO2气体传感器、O3气体传感器、温湿度传感器、WIFI模块供电。MCU控制AD模块完成部分气体浓度采集模块的模拟信号数据转换为数字信号数据的过程，PM2.5气体浓度采集模块和PM10气体浓度采集模块采用SPI的模式将数据传输给MCU。本发明可以感应自然情况下户外空气中多种气体的浓度，得到高精度的数据。通过WIFI的方式将数据传给手机终端上显示实时所有气体浓度、温湿度数据和电源电量，同时具有高精度，体积小，重量轻，方便移动监测，低功耗，可更换传感器，无线传输控制等特点。任意安放在有需要的地方。

Description

户外高精度多种气体浓度监测便携设备
技术领域
本发明涉及气体浓度监测领域，特别是高精度户外多种气体浓度监测的领域。
背景技术
空气质量日益恶劣，污染气体对人们的健康形成威胁。空气质量指标也被人们日益关注。空气质量监测设备成为人们生活中不可缺少的部分，用于指导人们的出行。对于复杂的空气成分，可以针对多种气体浓度测量也变得尤为重要。目前，常用的空气监测系统多数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。但是目前，空气监测设备的测量气体种类单一，而且此类空气监测系统的体积很大，功耗很大，重量也很大。因为占用太大空间，和较高的能量要求导致不便于外出可移动监测。
为此，本发明完成了一种户外高精度多种气体浓度监测便携设备。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的气体浓度监测系统的不方便携带性，不能满足户外情况下的多种气体浓度监测的精度，不能保证空气质量信息的时效性和有效性，不能同时监测多种气体浓度。为此本发明完成了一种高精度户外实时多种气体浓度监测便携设备。该终端尺寸小巧，重量与手机相当，安装有PM2.5气体传感器、PM10气体传感器、CO气体传感器、SO2气体传感器、O3气体传感器、温湿度传感器。此设备可以感应自然情况下户外空气中多种气体的浓度，得到高精度的PM2.5浓度、PM10浓度、CO浓度、SO2浓度、O3浓度以及温湿度。通过WIFI将数据传给手机终端，手机即可查看实时的气体数据。一个气体浓度检测设备可以给以设备为中心，半径为10米的园面积内的任何一个连接到WIFI的手机提供气体浓度数据和空气质量AQI分析结果。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
户外高精度多种气体浓度监测便携设备，该设备包括外壳体、电源开关、系统复位按键、USART接口、USB充电接口、SPI接口、聚合物锂电池、聚合物锂电池过充过放保护模块、WIFI模块、AD模块、PM2.5气体传感器、PM10气体传感器、CO气体传感器、SO2气体传感器、O3气体传感器、温湿度传感器；设备的电路主板固定在外壳体内；各传感器和锂电池固定在电路主板上，外壳体为一规则长方体；外壳体内部的电路主板左侧设有电源开关、USB充电接口和复位按键；外壳体内部上方的电路板右侧固定PM2.5气体浓度采集模块、PM10气体浓度采集模块、CO气体浓度采集模块；外壳体内部上方的电路板上面固定SO2气体浓度采集模块、O3气体浓度采集模块；外壳体内部上方的电路板左侧上方面固定温湿度采集模块；户外高精度多种气体浓度监测便携设备的终端包括四大部分：电源管理部分、MCU系统控制部分、数据采集部分、WIFI数据传送部分；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PM2.5气体传感器、PM10气体传感器、CO气体传感器、SO2气体传感器、O3气体传感器、温湿度传感器、USART接口、AD接口、SPI接口组成；MCU系统控制部分由MCU、复位电路、JLINK调试接口组成；
本设备以MCU为控制核心，聚合物锂电池为系统的电源存储和供给单元；聚合物锂电池经过降压稳压电路通过USB接口和MCU连接，完成给MCU系统供电，通过电源开关控制开启系统供电和关闭系统供电功能；本设备将单节聚合物锂电池输出与电源管理部分相连，目的是同时对锂电池进行过充和过放保护，稳定输出3.3V电压同时监测剩余电量；保障单节聚合物锂电给MCU系统多种气体传感器模块以及其他各个电路部分提供可用的高品质供电，同时有效地保护聚合物锂电池寿命；在满足系统供电要求及MCU系统控制部分的调控下，使得部分气体传感器感应所在空间范围内的待测气体的浓度，并将浓度信息采集、读取、传输到AD模块；MCU控制AD模块完成模拟信号数据转换为数字信号数据，数据通过DMA存储到存储单元；PM2.5气体浓度采集模块和PM10气体浓度采集模块采用SPI的模式将数据传输给MCU；WIFI模块取得数据通过WIFI的通信形式将数据传送给手机；
实现整个系统功能的各单元模块分别为：MCU控制单元、系统复位单元、电池电量采集单元、气体浓度采集模块单元、温湿度传感器单元、充放电管理单元和WIFI传输单元；其中，系统复位单元、电池电量采集单元、气体浓度采集模块单元、温湿度传感器单元、充放电管理单元和WIFI传输单元并联在MCU控制单元上，使得整个设备协调工作，采集数据，并且将数据用WIFI模块传输在手机上应用上显示：监测PM2.5浓度、PM10浓度、CO浓度、SO2浓度、O3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；
MCU控制单元包括MCU芯片、与MCU关系紧密的外接电路、USART接口电路和状态指示LED灯；
系统复位单元包括系统复位按键、复位电阻、复位电容；
电池管理单元包括电量采集使能电路和电池电压分压电路、充放电USB接口和USB充放电管理电路；
传感器单元包括温湿度传感器电路和PM2.5气体浓度采集模块电路、PM10气体浓度采集模块电路、CO气体浓度采集模块电路、SO2气体浓度采集模块电路、O3气体浓度采集模块电路；
供电控制单元包括DC-DC3.7V降压稳压电路、3.3V的LDO降压稳压电路；
WIFI传输单元包括WIFI模块；
考虑到面积问题，在印刷电路板上把MCU控制部分、传感器控制部分、锂电池控制部分和WIFI控制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的其他引脚连接排针，从而使模块有能够与外部电路连接的接口。
本发明可作为便携实时监测设备、户外高精度多种气体浓度监测便携设备，具有高精度，体积小，重量轻，方便移动监测，低功耗，可更换传感器，无线传输控制等特点。
附图说明
图1为本发明的电路的结构连接图；
图中：1、系统复位电路，2、电池电量采集电路，3、USB充电电路，4、3.3V降压稳压电路，5、3.7V降压稳压电路，6、温湿度传感器电路，7、锂电池和其他接口电路，8、CO浓度采集模块电路，9、SO2浓度采集模块电路，10、O3浓度采集模块电路，11、PM2.5浓度采集模块电路，12、PM10浓度采集模块电路，13、WIFI模块控制电路。
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为本发明的电路的结构连接图。电路各个模块包括：系统复位电路1、电池电量采集电路2、USB充电电路3、3.3V降压稳压电路4、3.7V降压稳压电路5、温湿度传感器电路6、以及锂电池和其他接口电路7、CO浓度采集模块电路8、SO2浓度采集模块电路9、O3浓度采集模块电路10、PM2.5浓度采集模块电路11、PM10浓度采集模块电路12、WIFI模块控制电路13。
系统复位电路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，经过算法转换后，得到电池的当前电量。
USB充电控制电路3连接充电选择开关和USB充电接口，选用低功耗充电芯片，参考芯片数据手册，选用合适的电阻，匹配合适的电容，使其可以为聚合物锂电池充电。
3.3V稳压电路4和锂电池连接，通过开关控制着电池和稳压电路的连接。当开关打开时，稳压电路开始工作。持续稳定的输出3.3V电压，为MCU、气体传感器、WIFI模块供电。
3.7V降压稳压电路5通过USB输入5V电压通过稳压电路稳定输出3.7V。稳定精准的3.7V稳定电压，为锂电池供电。
温湿度传感器电路6采用低功耗的DHT11。该传感器有四条线与MCU相连，分别是DATA数据线、SCK时钟线、电源端和接地端。在MCU的控制下，按照相应时序，读取温湿度的值，通过DATA数据线，传输给MCU。
锂电池和其他接口电路7包括锂电池接口、AD接口、USART接口和JLINK。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。
CO浓度采集模块电路8感应到CO气体时，产生化学反应其输出端产生电流输出，起着将化学能转化为电能的作用。当气体浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比变化。电流信号经过放大电路转换放大输出。在经过A/D模块将模拟信号转换成待处理的数字信号等待处理。CO传感器的灵敏度在400ppm的CO中可检测38-40nA/PPM,测量负载1000ppm。
SO2浓度采集模块电路9连接MCU。SO2传感器检测SO2气体时，进行化学反应，其输出端产生电流输出。随着检测气体的浓度变化输出电流也随之正比变化。输出的电流信号经过放大电路放大，之后信号传送给A/D模块将模拟信号转换成数字信号。SO2传感器的精度在2ppm的SO2中可检测275-475nA/PPM，最大量程200ppmO3浓度采集模块电路10连接MCU的AD部分。
O3传感器检测到O3气体时，进行化学反应，其输出端以电流输出。随着检测气体的浓度变化输出电流也随之正比变化。输出的电流信号经过放大电路放大，之后信号传送给A/D模块将模拟信号转换成数字信号。O3传感器的精度在1ppm的O3中可检测-600-1000nA/PPM。最大量程2ppm。
PM2.5浓度采集模块电路11以SPI的方式连接MCU。PM2.5传感器使用光散射原理及粒子计数技术，精确检测周围环境中微颗粒物的数量。球形等积大小微颗粒物范围0.38～17um。MCU以SPI的方式控制PM2.5传感器工作和接收数据。
PM10浓度采集模块电路12以SP1的方式连接MCU。PM10传感器采用激光散射原理。即令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，同时在某一特定角度收集散射光，得到散射光强随时间变化的曲线。进而微处理器利用基于米(MIE)理论的算法，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量。
WIFI控制电路13的功能是将MCU通过USART传送来的数据遵守控制命令遵守IEEE802.11n无线协议将气体浓度的信息、温湿度和电源的信息数据传送给手机终端。

Claims (9)

1.户外高精度多种气体浓度监测便携设备，其特征在于：该设备包括外壳体、电源开关、系统复位按键、USART接口、USB充电接口、SPI接口、聚合物锂电池、聚合物锂电池过充过放保护模块、WIFI模块、AD模块、PM2.5气体传感器、PM10气体传感器、CO气体传感器、SO2气体传感器、O3气体传感器、温湿度传感器；设备的电路主板固定在外壳体内；各传感器和锂电池固定在电路主板上，外壳体为一规则长方体；外壳体内部的电路主板左侧设有电源开关、USB充电接口和复位按键；外壳体内部上方的电路板右侧固定PM2.5气体浓度采集模块、PM10气体浓度采集模块、CO气体浓度采集模块；外壳体内部上方的电路板上面固定SO2气体浓度采集模块、O3气体浓度采集模块；外壳体内部上方的电路板左侧上方面固定温湿度采集模块；户外高精度多种气体浓度监测便携设备的终端包括四大部分：电源管理部分、MCU系统控制部分、数据采集部分、WIFI数据传送部分；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PM2.5气体传感器、PM10气体传感器、CO气体传感器、SO2气体传感器、O3气体传感器、温湿度传感器、USART接口、AD接口、SPI接口组成；MCU系统控制部分由MCU、复位电路、JLINK调试接口组成；
本设备以MCU为控制核心，聚合物锂电池为系统的电源存储和供给单元；聚合物锂电池经过降压稳压电路通过USB接口和MCU连接，完成给MCU系统供电，通过电源开关控制开启系统供电和关闭系统供电功能；本设备将单节聚合物锂电池输出与电源管理部分相连，目的是同时对锂电池进行过充和过放保护，稳定输出3.3V电压同时监测剩余电量；保障单节聚合物锂电池给MCU系统多种气体传感器模块以及其他各个电路部分提供可用的高品质供电，同时有效地保护聚合物锂电池寿命；在满足系统供电要求及MCU系统控制部分的调控下，使得部分气体传感器感应所在空间范围内的待测气体的浓度，并将浓度信息采集、读取、传输到AD模块；MCU控制AD模块完成模拟信号数据转换为数字信号数据，数据通过DMA存储到存储单元；PM2.5气体浓度采集模块和PM10气体浓度采集模块采用SPI的模式将数据传输给MCU；WIFI模块取得数据通过WIFI的通信形式将数据传送给手机；
实现整个系统功能的各单元模块分别为：MCU控制单元、系统复位单元、电池电量采集单元、气体浓度采集模块单元、温湿度传感器单元、充放电管理单元和WIFI传输单元；其中，系统复位单元、电池电量采集单元、气体浓度采集模块单元、温湿度传感器单元、充放电管理单元和WIFI传输单元并联在MCU控制单元上，使得整个设备协调工作，采集数据，并且将数据用WIFI模块传输在手机上应用上显示：监测PM2.5浓度、PM10浓度、CO浓度、SO2浓度、O3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；
MCU控制单元包括MCU芯片、与MCU关系紧密的外接电路、USART接口电路和状态指示LED灯；
系统复位单元包括系统复位按键、复位电阻、复位电容；
电池管理单元包括电量采集使能电路和电池电压分压电路、充放电USB接口和USB充放电管理电路；
传感器单元包括温湿度传感器电路和PM2.5气体浓度采集模块电路、PM10气体浓度采集模块电路、CO气体浓度采集模块电路、SO2气体浓度采集模块电路、O3气体浓度采集模块电路；
供电控制单元包括DC-DC3.7V降压稳压电路、3.3V的LDO降压稳压电路；
WIFI传输单元包括WIFI模块；
考虑到面积问题，在印刷电路板上把MCU控制部分、传感器控制部分、锂电池控制部分和WIFI控制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的其他引脚连接排针，从而使模块有能够与外部电路连接的接口。
2.根据权利要求1所述的高精度户外CO浓度手持监测设备，其特征在于：电路各个模块包括：系统复位电路(1)、电池电量采集电路(2)、USB充电电路(3)、3.3V降压稳压电路(4)、3.7V降压稳压电路(5)、温湿度传感器电路(6)、锂电池和其他接口电路(7)、CO浓度采集模块电路(8)、SO2浓度采集模块电路(9)、O3浓度采集模块电路(10)、PM2.5浓度采集模块电路(11)、PM10浓度采集模块电路(12)、WIFI模块控制电路(13)；系统复位电路(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，使其能够采集电池的电压，通过电阻分压后，输入到MCU的端口；MCU具有内置AD转换器，能够读取电压的数值，经过算法转换后，得到电池的当前电量；
USB充电控制电路(3)连接充电选择开关和USB充电接口，选用低功耗充电芯片，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，使其为聚合物锂电池充电；
3.3V稳压电路(4)和锂电池连接，通过开关控制着电池和稳压电路的连接；当开关打开时，稳压电路开始工作；持续稳定的输出3.3V电压，为MCU、气体传感器、WIFI模块供电；
3.7V降压稳压电路(5)通过USB输入5V电压通过稳压电路稳定输出3.7V；稳定精准的3.7V稳定电压，为聚合物锂电池供电；
温湿度传感器电路(6)采用低功耗的DHT11；该传感器有四条线与MCU相连，分别是DATA数据线、SCK时钟线、电源端和接地端；在MCU的控制下，按照相应时序，读取温湿度的值，通过DATA数据线传输给MCU。
3.根据权利要求2所述的高精度户外CO浓度手持监测设备，其特征在于：锂电池和其他接口电路(7)包括USB接口、JLINK接口、USART接口、AD接口、SPI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。
4.根据权利要求2所述的户外高精度多种气体浓度监测便携设备，其特征在于：CO浓度采集模块电路(8)提供了3.3V的电源给CO浓度采集模块；CO浓度采集模块采用的高精度CO传感器，CO传感器的灵敏度在400ppm的CO中可检测38-40nA/PPM,测量负载1000ppm；本接口电路为该系列浓度采集模块设计有AD接口，CO浓度采集模块采集到的模拟数据传送到到电路主板的MCU控制模块的AD部分。
5.根据权利要求2所述的户外高精度多种气体浓度监测便携设备，其特征在于：SO2浓度采集模块电路(9)提供了3.3V的电源给SO2浓度采集模块；SO2浓度采集模块采用的高精度SO2传感器，SO2传感器的精度在2ppm的SO2中可检测275-475nA/PPM，最大量程200ppm；本接口电路为该系列浓度采集模块设计有AD接口，SO2浓度采集模块采集到的模拟数据传送到到电路主板的MCU控制模块的AD部分。
6.根据权利要求2所述的户外高精度多种气体浓度监测便携设备，其特征在于：O3浓度采集模块接口电路(10)提供了3.3V的电源给O3浓度采集模块；O3浓度采集模块采用的高精度O3传感器，O3传感器的精度在1ppm的O3中可检测-600-1000nA/PPM；最大量程2ppm，本接口电路为该系列浓度采集模块设计有AD接口，O3浓度采集模块采集到的模拟数据传送到电路主板的MCU控制模块的AD部分。
7.根据权利要求2所述的户外高精度多种气体浓度监测便携设备，其特征在于：PM2.5浓度采集模块接口电路(11)提供了3.3V的电源给PM2.5浓度采集模块；PM2.5浓度采集模块采用的高精度PM2.5传感器，检测球形等积大小微颗粒物范围0.38～17um.本接口电路为该系列浓度采集模块设计有SPI接口，PM2.5浓度采集模块采集到数据通过SPI传送到到电路主板的MCU。
8.根据权利要求2所述的户外高精度多种气体浓度监测便携设备，其特征在于：PM10浓度采集模块接口电路(12)提供了3.3V的电源给PM10浓度采集模块；PM10传感器采用激光散射原理；即令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，同时在某一特定角度收集散射光，得到散射光强随时间变化的曲线；进而微处理器利用基于米理论的算法，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量；本接口电路为该系列浓度采集模块设计有SPI接口，PM2.5浓度采集模块采集到数据通过SPI传送到到电路主板的MCU。
9.根据权利要求2所述的户外高精度多种气体浓度监测便携设备，其特征在于：WIFI控制电路(13)的功能是将MCU通过USART传送来的数据遵守控制命令遵守IEEE802.11n无线协议将气体浓度的信息、温湿度和电源的信息数据传送给手机终端。
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