CN113267436A - 一种细颗粒物自校准检测系统及其校准方法 - Google Patents

一种细颗粒物自校准检测系统及其校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种细颗粒物自校准检测系统及其校准方法，系统包括校准模块、检测模块、电动阀、微处理器和LCD显示模块；所述检测模块、校准模块通过气路连接电动阀；所述微处理器控制电动阀工作，接收来自检测模块及校准模块的数据，利用校准模块的测量值校准检测模块的细颗粒物检测值，并把处理后检测结果发送到LCD显示模块。本发明利用双传感器结构，可以对传感器进行校准，还可以对传感器进行调零，通过对传感器检测的数据实时滤波处理，减小了由于环境、气象等因素对数据产生的偏差所带来的影响，增加了系统的稳定性以及检测精度。

Description

一种细颗粒物自校准检测系统及其校准方法
技术领域
本发明属于检测仪器技术领域，具体涉及一种细颗粒物自校准检测系统及其校准方法。
背景技术
细颗粒物检测仪是检测空气中细颗粒物含量的检测仪。PM2.5，即细颗粒物是指大气中直径小于等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。虽然只是大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。
细颗粒物富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，对人体健康和大气环境质量的产生巨大影响。因而，对空气中细颗粒物浓度进行准确测量具有深远意义。
细颗粒物检测一般基于光学原理，发射固定频率的红外光线，通过红外接收模块接收散射光信号来检测出大气中细颗粒物的值。随着检测仪使用的时间增加，其光学结构容易被污染，从而影响检测精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种细颗粒物自校准检测系统及其校准方法，解决了光学结构被污染后影响检测精度的问题。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种细颗粒物自校准检测系统，包括校准模块、检测模块、电动阀、微处理器和LCD显示模块；
所述检测模块、校准模块通过气路连接电动阀；
所述微处理器控制电动阀工作，接收来自检测模块及校准模块的数据，利用校准模块的测量值校准检测模块的细颗粒物检测值，并把处理后检测结果发送到LCD显示模块。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的电动阀采用六通结构，外侧为圆管，内侧为扇形体；
通过外侧的圆管及内侧的扇形体之间的转动来切换通气接口。
上述的圆管外侧设有4个进气口，交叉互联成2个进气接口后分别连接洁净气体通道及大气通道；
扇形体上设有2个出气接口，正常工作时，连接校准模块的进气接口连接洁净气体通道，连接检测模块的进气接口连接检测通道，校准时，扇形体转动30°后原来2个进气口被密封，出气接口连接到另外2个进气口，从而互换气体通道。
气体的路径为：由进气接口进入经过过滤帽过滤后，进入气体通道经由圆管、扇形体最终到达出气接口，出气接口通过软管与检测、校准模块连接。
校准时，电机带动扇形体旋转30°，检测模块连接洁净气体通道，校准模块连接检测通道；
所述电机为直流减速电机，通过调节PWM的占空比α来调节其转速，保证其以恒定的转速转动，在带动扇形体旋转过程中，通过微处理器计算出扇形体转动的角度，当即将达到30°时，通过齿轮控制电机减速，使扇形体上的气孔对准圆管上的气孔。
上述的圆管上设置了限位开关，防止扇形体转动超过30°。
上述的校准模块用于对检测模块自动校准，校准模块平时连接到安装有过滤帽的洁净气体通道，仅在校准时连接检测通道而不易受到污染，利用校准模块的检测结果对长期工作后受到污染的检测模块进行校准；
所述过滤帽用于对空气进行过滤，得到洁净的空气，使过滤帽对待测气体进行过滤后得到的洁净气体进入校准模块中进行检测，通过对检测值的修改，最终达到对校准模块进行调零的目的。
上述的检测模块包括光源单元、光接收单元、风扇单元、信号处理单元和供电单元；
所述光源单元为红外发光二极管、驱动电路和光学系统，微处理器通过驱动电路打开红外发光二极管，光线经过光学系统，照射到检测气体通道中，光线经过光接收单元中的滤光片和凸透镜将光线汇聚并被光电传感器接收，转换成电信号传输给信号处理单元，信号处理单元打开模拟信号开关、通过供电单元输出5V电源给稳压芯片MC1403转换成2.5V电源给A/D转换芯片ADS1232供电，将电信号转换成模拟信号传输到微处理器中处理。
上述的供电单元为DC稳压输入，为MT2492芯片，接收4.5V～12V输入，输出5V的电源。
上述的风扇单元用于将检测的气体排出，同时对吸附在检测模块、校准模块内部的灰尘进行清理。
上述的一种细颗粒物自校准检测系统的校准方法，所述方法包括：
步骤1，定时24小时启动一次校准，正常工作时，检测模块连接大气通道，校准模块连接洁净气体通道；
校准定时到后，连续10次读取检测模块的读数P1i，以及校准模块的读数Z0i；
步骤2，微处理器控制电机转动30°，互换大气通道及洁净气体通道，连续10次读取检测模块的读数Z1i，以及校准模块的读数P0i；
步骤3，对P0i、P1i、Z0i、Z1i读数值进行滤波处理，检测模块和校准模块每次读出实时数据时，将数据分别累计到Sumj中，并与Maxj,Minj相比较，若大于Maxj或小于Minj则将数值与Maxj,Minj互换，最终，通过下式得到检测值Pj和零点Zj的值；
Figure BDA0002965885790000031
Figure BDA0002965885790000032
式中j的取值为0或1，其中P0、P1分别为连接大气校准时校准模块的读数及检测模块的读数，Z0、Z1分别为连接洁净气体校准时校准模块的零点读数及检测模块的零点读数；
得到细颗粒物的校准读数：
Figure BDA0002965885790000033
式中，P2为检测模块的读数值；
步骤4，正常工作时，微处理器控制电机反转30°，将Sumj的值清0，检测模块连接大气通道正常检测，取得检测模块读数值P2，输出式(3)取得的细颗粒物的校准读数P。
本发明具有以下有益效果：
本发明校准检测系统不仅包括测量传感器还包括校准传感器、电动阀、微处理器、LCD显示模块，还设计了一种电动阀，利用双传感器结构，不仅可以对传感器进行校准。还可以对传感器进行调零，通过对传感器检测的数据实时滤波处理，减小了由于环境、气象等因素对数据产生的偏差所带来的影响，增加了系统的稳定性以及检测精度。
本发明在气体通道中安装了过滤帽，待测气体经过过滤帽后转换为洁净气体，通过校准模块对洁净气体检测后得到的数值，经过微处理器处理，实现校准模块调零。校准时，检测模块，校准模块互换通道，实现对检测模块调零和校准的功能。
附图说明
图1是本发明的模块连接示意框图。
图2是电动阀的等轴测图。
图3是电动阀的内部结构图。
图4为圆管的前后剖面图。
图5为扇形体的上下剖面图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示，一种细颗粒物自校准检测系统，包括校准模块、检测模块、电动阀、微处理器和LCD显示模块；
所述检测模块、校准模块通过气路连接电动阀；
所述微处理器控制电动阀工作，接收来自检测模块及校准模块的数据，利用校准模块的测量值校准检测模块的细颗粒物检测值，并把处理后检测结果发送到LCD显示模块。
实施例中，电动阀为二位六通阀，采用六通结构，外侧为圆管，内侧为扇形体；
通过外侧的圆管及内侧的扇形体之间的转动来切换通气接口。
实施例中，如图4和5所示，圆管外侧设有4个进气口，交叉互联成2个进气接口后分别连接洁净气体通道及大气通道；
扇形体上设有2个出气接口，正常工作时，连接校准模块的进气接口连接洁净气体通道，连接检测模块的进气接口连接检测通道，校准时，扇形体转动30°后原来2个进气口被密封，出气接口连接到另外2个进气口，从而互换气体通道。
气体的路径为：由进气接口进入经过过滤帽过滤后，进入气体通道经由圆管、扇形体最终到达出气接口，出气接口通过软管与检测、校准模块连接。
通过下图2中的通道连接到电动阀的扇形体，扇形体内部设有通道如图5，气体通过进气口流入气体通道，气体分别从圆管上开设的四个孔流出如图4，其中气孔3、气孔4被扇形体遮住，气孔1、气孔2与扇形体上的两个孔连接，接口间通过密封圈密封。校准时，电机带动扇形体旋转30°，气体从圆管上气孔3、气孔4流入扇形体，接口间通过密封圈密封，通过扇形体内部通道连接出气口。
校准时，电机带动扇形体旋转30°，检测模块连接洁净气体通道，校准模块连接检测通道；
如图2所示，所述电机为直流减速电机，通过调节PWM的占空比α来调节其转速，保证其以恒定的转速转动，在带动扇形体旋转过程中，通过微处理器计算出扇形体转动的角度，当即将达到30°时，通过齿轮控制电机减速，使扇形体上的气孔对准圆管上的气孔。
实施例中，圆管上设置了限位开关，防止扇形体转动超过30°。
如图2所示，图中所画的管道均是软管，图中所展现的状态为：
日常检测细颗粒物，电动阀未通电，电机未转动时，校准模块连接洁净气体通道，检测模块连接大气通道，待测气体通过电动阀的进气口进入气体通道分别流入检测模块和校准模块。
同时开启检测模块和校准模块的电源对待测气体进行检测以及对校准模块进行调零。将检测到的数值输出到LCD显示模块。
如图3所示，所示的装置为电动阀内部结构。扇形体与圆管的接触处加入了密封圈进行密封，扇形体为对称结构，当扇形体在圆管内转动时，起到了相互支撑的作用。当微处理器每24小时定时接通一次电机。
开启电动阀，使得检测模块连接至具有过滤帽的洁净气体通道中，因此，检测模块流入的气体是经过过滤的洁净气体，校准模块连接的是大气通道，是未经过过滤的气体，同时开启检测、校准模块的电源，根据步骤1-4分别对检测模块及校准模块进行读数，并利用校准模块对检测模块进行校准，将从校准模块得到的数值与检测模块经过调零后检测到的数值输出到处理器中运算，最终，将处理后的数值输出到LCD显示模块。
实施例中，校准模块用于对检测模块自动校准，校准模块平时连接到安装有过滤帽的洁净气体通道，仅在校准时连接检测通道而不易受到污染，利用校准模块的检测结果对长期工作后受到污染的检测模块进行校准；
所述过滤帽用于对空气进行过滤，得到洁净的空气，使过滤帽对待测气体进行过滤后得到的洁净气体进入校准模块中进行检测，通过对检测值的修改，最终达到对校准模块进行调零的目的。
实施例中，检测模块包括光源单元、光接收单元、风扇单元、信号处理单元和供电单元；
所述光源单元为红外发光二极管、驱动电路和光学系统，微处理器通过驱动电路打开红外发光二极管，光线经过光学系统，照射到检测气体通道中，光线经过光接收单元中的滤光片和凸透镜将光线汇聚并被光电传感器接收，转换成电信号传输给信号处理单元，信号处理单元打开模拟信号开关、通过供电单元输出5V电源给稳压芯片MC1403转换成2.5V电源给A/D转换芯片ADS1232供电，将电信号转换成模拟信号传输到微处理器中处理。
实施例中，供电单元为DC稳压输入，为MT2492芯片，接收4.5V～12V输入，输出5V的电源。
实施例中，风扇单元用于将检测的气体排出，同时对吸附在检测模块、校准模块内部的灰尘进行清理。
实施例中，正常工作时，检测模块连接大气通道，校准模块连接洁净的气体通道，将检测的数值输出到LCD显示模块，根据微处理器系统内部的时钟，每24小时对检测模块进行校准，微处理器发出控制指令开启电动阀，然后开启校准模块电源，得到校准模块检测值，再次开启电动阀后，开启检测模块电源，得到检测模块检测值；
一种细颗粒物自校准检测系统的校准方法，所述方法包括：
每隔24小时启动一次校准，校准前检测模块连接大气通道，校准模块连接洁净气体通道，连续10次读取检测模块的读数P10，P11，P12,…，P19，以及校准模块的读数Z00，Z01，Z02，。。。，Z09。
在读取10次读数过程中，将第一次读取的检测模块读数赋值给Max1，Min1，读数累加到Sum1中，Sum1的初始值为0，若下次读取的读数大于Max1或者小于Min1，则将读数值与Max1或者Min1互换，在对检测模块进行校准时，将第一次读取的校准模块读数赋值给Max0，Min0，读数累加到Sum0中，Sum0的初始值为0，若下次读取的读数大于Max0或者小于Min0，则将读数值与Max0或者Min0互换。从而通过下述公式计算得到P1，Z0的值。并将P1的值输出到LCD显示模块。
Figure BDA0002965885790000061
校准时，微处理器控制电机转动30°，将Sum0，Sum1的值清0，互换大气通道及洁净气体通道，读取10次检测模块的读数Z10，Z11，Z12，。。。，Z19，以及校准模块的读数P00，P01，P02，。。。，P09。在读取10次读数过程中，将第一次读取的检测模块读数赋值给Max1，Min1，读数累加到Sum1中，Sum1的初始值为0，若下次读取的读数大于Max1，则将读数值与Max1互换，若下次读取的读数小于Min1，则将读数值与Min1互换，将第一次读取的校准模块读数赋值给Max0，Min0，读数累加到Sum0中，Sum0的初始值为0，若下次读取的读数大于Max0，则将读数值与Max0互换，若下次读取的读数小于Min0，则将读数值与Min0互换。从而得到P0，Z1的值。
Figure BDA0002965885790000062
正常工作时，微处理器控制电机反转30°，将Sum0，Sum1的值清0，恢复到测量通道正常检测，取得检测模块读数值P2。从而得到校准后的细颗粒物读数，并将求得的P的值输出给LCD显示模块。
Figure BDA0002965885790000071
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种细颗粒物自校准检测系统，其特征在于，包括校准模块、检测模块、电动阀、微处理器和LCD显示模块；
所述检测模块、校准模块通过气路连接电动阀；
所述微处理器控制电动阀工作，接收来自检测模块及校准模块的数据，利用校准模块的测量值校准检测模块的细颗粒物检测值，并把处理后检测结果发送到LCD显示模块。
2.根据权利要求1所述的一种细颗粒物自校准检测系统，其特征在于，所述电动阀采用六通结构，外侧为圆管，内侧为扇形体；
通过外侧的圆管及内侧的扇形体之间的转动来切换通气接口。
3.根据权利要求2所述的一种细颗粒物自校准检测系统，其特征在于，所述圆管外侧设有4个进气口，交叉互联成2个进气接口后分别连接洁净气体通道及大气通道；
扇形体上设有2个出气接口，正常工作时，连接校准模块的进气接口连接洁净气体通道，连接检测模块的进气接口连接检测通道，即大气通道，校准时，扇形体转动30°后原来2个进气口被密封，出气接口连接到另外2个进气口，从而互换气体通道。
气体的路径为：由进气接口进入经过过滤帽过滤后，进入气体通道经由圆管、扇形体最终到达出气接口，出气接口通过软管与检测、校准模块连接。
4.根据权利要求3所述的一种细颗粒物自校准检测系统，其特征在于，校准时，电机带动扇形体旋转30°，检测模块连接洁净气体通道，校准模块连接检测通道；
所述电机为直流减速电机，通过调节PWM的占空比α来调节其转速，保证其以恒定的转速转动，在带动扇形体旋转过程中，通过微处理器计算出扇形体转动的角度，当即将达到30°时，通过齿轮控制电机减速，使扇形体上的气孔对准圆管上的气孔。
5.根据权利要求3所述的一种细颗粒物自校准检测系统，其特征在于，所述圆管上设置了限位开关，防止扇形体转动超过30°。
6.根据权利要求1所述的一种细颗粒物自校准检测系统，其特征在于，所述校准模块用于对检测模块自动校准，校准模块平时连接到安装有过滤帽的洁净气体通道，仅在校准时连接检测通道而不易受到污染，利用校准模块的检测结果对长期工作后受到污染的检测模块进行校准；
所述过滤帽用于对空气进行过滤，得到洁净的空气，使过滤帽对待测气体进行过滤后得到的洁净气体进入校准模块中进行检测，通过对检测值的修改，最终达到对校准模块进行调零的目的。
7.根据权利要求1所述的一种细颗粒物自校准检测系统，其特征在于，所述检测模块包括光源单元、光接收单元、风扇单元、信号处理单元和供电单元；
所述光源单元为红外发光二极管、驱动电路和光学系统，微处理器通过驱动电路打开红外发光二极管，光线经过光学系统，照射到检测气体通道中，光线经过光接收单元中的滤光片和凸透镜将光线汇聚并被光电传感器接收，转换成电信号传输给信号处理单元，信号处理单元打开模拟信号开关、通过供电单元输出5V电源给稳压芯片MC1403转换成2.5V电源给A/D转换芯片ADS1232供电，将电信号转换成模拟信号传输到微处理器中处理。
8.根据权利要求1所述的一种细颗粒物自校准检测系统，其特征在于，所述供电单元为DC稳压输入，为MT2492芯片，接收4.5V～12V输入，输出5V的电源。
9.根据权利要求1所述的一种细颗粒物自校准检测系统，其特征在于，所述风扇单元用于将检测的气体排出，同时对吸附在检测模块、校准模块内部的灰尘进行清理。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种细颗粒物自校准检测系统的校准方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，定时24小时启动一次校准，正常工作时，检测模块连接大气通道，校准模块连接洁净气体通道；
校准定时到后，连续10次读取检测模块的读数P1i，以及校准模块的读数Z0i；
步骤2，微处理器控制电机转动30°，互换大气通道及洁净气体通道，再连续10次读取检测模块的读数Z1i，以及校准模块的读数P0i；
步骤3，通过微处理器对P0i、P1i、Z0i、Z1i读数值进行滤波处理，检测模块和校准模块每次读出实时数据时，将数据分别累计到Sumj中，并与Maxj,Minj相比较，若大于Maxj或小于Minj则将数值与Maxj,Minj互换，最终，通过下式得到检测值Pj和零点Zj的值；
Figure FDA0002965885780000021
Figure FDA0002965885780000022
式中j的取值为0或1，其中P0、P1分别为连接大气校准时校准模块的读数及检测模块的读数，Z0、Z1分别为连接洁净气体校准时校准模块的零点读数及检测模块的零点读数；
得到细颗粒物的校准读数：
Figure FDA0002965885780000023
式中，P2为检测模块的读数值；
步骤4，正常工作时，微处理器控制电机反转30°，将Sumj的值清0，检测模块连接大气通道正常检测，取得检测模块读数值P2，输出式(3)取得的细颗粒物的校准读数P。
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