CN208383839U - 一种空气质量监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空气质量监测系统，空气质量监测系统包括电源模块、气体采集处理模块、数据处理模块和存储模块；电源模块对输入电压进行直流转换、降压稳压后输出若干个电压进行供电；气体采集处理模块通过内置的气体传感器对若干个不同类型的气体和VOCs气体进行浓度采集并输出对应的浓度信号，对浓度信号进行放大、跟随、滤波后输出对应的电压信号；数据处理模块将电压信号转换成数字信号，并根据采集的环境温湿度对数字信号进行温湿度补偿后获得相应气体的浓度数值，将浓度数值通过RS485通讯输出。将多种气体传感器整合到一起，相对于现有的单一气体检测模块而言，对于多气体检测更方便、更容易，大大方便了多种气体的同时监测。

Description

一种空气质量监测系统

技术领域

本实用新型涉及气体监测技术领域，特别涉及一种空气质量监测系统。

背景技术

随着近现代工业的飞速发展，人类对环境的破坏也日益凸显。近年来我国也颁布了多条法律法规针对环境质量的监测和治理，现如今空气质量已成为人们日常最为关注的社会类话题之一。如何方便、快捷、有效的监测空气质量以成为保证良好空气质量不可或缺的手段之一。

目前常见的空气质量监测装置常采用单一的气体采集模块（气体传感器），输出信号IIC（Inter-Integrated Circuit）信号、4-20mA（最小电流为4mA、最大电流为20mA 的信号）、RS485等气体采集信号；通过普通的ADC（模数转换）数据采集后计算出气体浓度数据，将最终结果以数字信号输出。但是，这种方式的缺点是：若同时监测多种气体，需对应设置多个气体采集模块，在已有的电路板上不方便安装多个气体采集模块，也不利于产品结构设计和模块化设计，延长了研发周期长，增加了设计成本高，提高设计风险的同时还增加了系统功耗。还不能及时排除环境温湿度变化对气体传感器检测数据的影响，气体传感器的标定需要借助外部设备进行，不方便气体数据的修正。

因而现有技术还有待改进和提高。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种空气质量监测系统，以解决现空气质量监测装置进行多种气体同时检测不方便的问题。

为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：

一种空气质量监测系统，其中，包括：电源模块、气体采集处理模块和数据处理模块；所述电源模块连接气体采集处理模块和数据处理模块，气体采集处理模块连接数据处理模块；

所述电源模块对输入电压进行直流转换、降压稳压后输出若干个电压进行供电；气体采集处理模块通过内置的气体传感器对若干个不同类型的气体和VOCs气体进行浓度采集并输出对应的浓度信号，对浓度信号进行放大、跟随、滤波后输出对应的电压信号；数据处理模块将电压信号转换成数字信号，并根据采集的环境温湿度对数字信号进行温湿度补偿后获得相应气体的浓度数值，将浓度数值通过RS485通讯输出。

所述的空气质量监测系统中，所述电源模块包括输入处理电路、供电电路、直流电源电路、传感器电源电路和VOCs传感器电源电路：

所述输入处理电路对输入电压进行EMI滤波后降压为供电电压；

所述供电电路将供电电压降压为第一电压为数据处理模块供电；

所述直流电源电路将供电电压降压为5V的直流电压进行5V供电；

所述传感器电源电路将供电电压降压为6V的第二电压为气体采集处理模块供电，还对第二电压降压稳压为2.5V的参考电压并输出至气体采集处理模块；

所述VOCs传感器电源电路将供电电压降压为PID电压为VOCs传感器供电；

所述输入处理电路连接供电电路、直流电源电路、传感器电源电路和VOCs传感器电源电路；供电电路和直流电源电路均连接数据处理模块；传感器电源电路和 VOCs传感器电源电路均连接气体采集处理模块。

所述的空气质量监测系统中，还包括存储模块，用于存储校准参数和模块出厂信息。

所述的空气质量监测系统中，还包括由交互接口、LCD液晶显示屏和若干个按键组成的人机交互模块；LCD液晶显示屏和若干个按键通过交互接口与数据处理模块连接；

所述交互接口用于LCD液晶显示屏与数据处理模块之间，按键与数据处理模块之间的数据交互传输；LCD液晶显示屏用于显示实时气体浓度，提供操作界面进行模块校准和调试；若干个按键用于输入对应按键值以进行参数的选择或调整。

所述的空气质量监测系统中，所述数据处理模块包括微控制器、第一接口、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容和第三电容；

所述第一接口的第2脚连接微控制器的第1脚、还通过第二电阻接地；第一接口的第3脚连接微控制器的第2脚、还通过第三电阻接地；第一接口的第4脚连接第一电阻的一端、第一电容的一端和微控制器的RST脚，第一接口的第5脚和第一电阻的另一端均连接供电端，第一接口的第1脚和第一电容的另一端均接地，微控制器的P2.5脚连接第一晶振的第1脚、第三电容的一端和第四电阻的一端；微控制器的P2.4脚连接第一晶振的第2脚、第二电容的一端和第四电阻的另一端；第一晶振的第3脚、第二电容的另一端和第三电容的另一端均接地；微控制器的AIO0脚、AIO1脚、AIO2脚、AIO3脚、P3.2脚、P3.3脚、P3.4脚、P3.5脚均连接气体采集处理模块；微控制器的COM0脚、COM1脚、COM2脚、COM3脚、P10.2脚、P10.3脚、P6.0脚、P6.1脚、P6.2脚、P6.3脚、P6.4脚、P6.5脚、P6.6脚、P6.7脚分别与交互接口的第2脚、第1脚、第4脚、第3脚、第6脚、第5脚、第8脚、第7脚、第10脚、第9脚、第12脚、第11脚、第14脚、第13脚一对一连接。

所述的空气质量监测系统中，所述数据处理模块还包括第一指示灯、第二指示灯、第五电阻和第六电阻；

所述微控制器的P10.0脚通过第五电阻连接第一指示灯的正极，微控制器的P10.1脚通过第六电阻连接第二指示灯的正极，第一指示灯的负极连接第二指示灯的负极和地。

所述的空气质量监测系统中，所述存储模块包括存储器、第七电阻、第八电阻、第四电容和磁珠；

所述存储器的VCC脚连接第四电容的一端、还通过磁珠连接电源端；存储器的WP脚连接第四电容的另一端和地，存储器的SCL脚连接微控制器的P2.0脚、还通过第七电阻连接电源端；存储器的SDA脚连接微控制器的P2.1脚、还通过第八电阻连接电源端。

所述的空气质量监测系统中，所述气体传感器包括一氧化碳传感器、二氧化硫传感器、二氧化碳传感器、臭氧传感器和VOCs传感器。

相较于现有技术，本实用新型提供的空气质量监测系统，通过电源模块对输入电压进行直流转换、降压稳压后输出若干个电压进行供电；气体采集处理模块通过内置的气体传感器对若干个不同类型的气体和VOCs气体进行浓度采集并输出对应的浓度信号，对浓度信号进行放大、跟随、滤波后输出对应的电压信号；数据处理模块将电压信号转换成数字信号，并根据采集的环境温湿度对数字信号进行温湿度补偿后获得相应气体的浓度数值，将浓度数值通过RS485通讯输出。通过将多种气体传感器整合到一起，相对于现有的单一气体检测模块而言，对于多气体检测更方便、更容易；大大方便了多种气体的同时监测，还增加了VCOs气体浓度监测，为空气质量监测提供了更加丰富的数据基础。通过温湿度补偿能减小温湿度变化对气体传感器检测数据的影响，使监测结果更加准确。

附图说明

图1为本实用新型提供的空气质量监测系统的结构框图。

图2为本实用新型提供的空气质量监测系统中数据处理模块的电路图。

图3为本实用新型提供的空气质量监测系统中滤波电路的电路图。

图4为本实用新型提供的空气质量监测系统中存储模块的电路图。

具体实施方式

本实用新型提供一种空气质量监测系统，涉及传感器、大气环境检测、多参数气体检测、气体浓度数据采集、物联网传输等技术，主要针对气体检测仪器、环境质量监测系统等具有较好的应用。为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，本实用新型实施例提供的空气质量监测系统包括电源模块10、气体采集处理模块20和数据处理模块30。所述电源模块10连接气体采集处理模块20和数据处理模块30，气体采集处理模块20连接数据处理模块30，数据处理模块30与监控主机或云平台通信连接。

所述电源模块10用于为整个系统供电，将输入电压（范围为直流9V~24V）进行直流转换、降压稳压后输出若干个电压（包括AVCC6V，AVCC2.5V，AVCC-ADJ，DVCC3.3V，DVCC5V，DVCCA3.3V）给相应的模块供电。输出的各供电电压的电源纹波的有效值均小于10mV，电源噪声VRMS<3mV。

所述气体采集处理模块20通过内置的相应气体传感器对若干个不同类型的气体和VOCs（volatile organic compounds，挥发性有机物）气体进行浓度采集并输出对应的浓度信号，对浓度信号进行放大、跟随、滤波后输出适合ADC数据采集的电压信号（一种模拟信号）。该电压信号与气体的浓度值成正比关系，气体浓度越大，该电压信号越大。本实施例中，气体传感器包括但不限于CO（一氧化碳）传感器、SO2（二氧化硫）传感器、CO2（二氧化碳）传感器、O3（臭氧）传感器，这四种气体类型对应的气体传感器类型包括但不限于电化学传感器。VOCs气体通过VOCs传感器（包括但不限于PID（Photo Ionization Detector）传感器）采集。

所述数据处理模块30将电压信号通过高精度的24bit的ADC（Analog-to-DigitalConverter）转换成数字信号，再根据采集的环境温湿度对数字信号进行温湿度补偿后获得相应气体实际的浓度数值，将浓度数值通信上传至监控主机或云平台显示，形成环境空气质量监测站，以实现空气质量的监测。其中，环境温湿度由板载的温湿度传感器采集，可以实时监测各个传感器工作环境的温湿度变化。通信方式包括物联网通信和现有的传统通信。预留有若干个不同类型的物联网接口，可根据实际需求接入物联网模块，包括LoRa（LPWAN通信技术中的一种，一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案）、Zigbee（一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术）、WiFi（允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术）、GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术）、GSM（Global System for Mobile Communication，全球移动通信系统）、3G（第三代移动通信技术）、4G（第四代通讯技术）等模块。传统通信功能包括RS485模式和通信协议符合Modbus RTU模式（对应设置RS485通讯接口和Modbus接口），可以方便用户接入自有系统或PLC（可编程逻辑控制器）、DCS（分布式控制系统）等集成系统。

进一步实施例中，所述空气质量监测系统还包括存储模块40，用于存储产品信息、出厂参数和校准参数、以及其他与产品相关的参数。出厂参数包括厂家生产参数、模块序列号、传感器序列号、模块工作参数、传感器检测零点和跨度、以及厂家对模块设置的其他参数。

进一步实施例中，所述空气质量监测系统还包括由交互接口J0（如图2所示）、LCD液晶显示屏和四个按键组成的人机交互模块50。所述LCD液晶显示屏和四个按键通过交互接口J0与数据处理模块30连接，交互接口J0作为LCD液晶显示屏与数据处理模块30之间，按键与数据处理模块30之间的数据交互通路；采用IIC通信进行数据传输。LCD液晶显示屏用于显示实时气体浓度，提供操作界面方便用户进行模块校准，还方便厂家生产调试。四个按键用于输入对应按键值以直接进行参数的选择或调整。

请一继续参阅图1，本实施例中，所述电源模块10包括输入处理电路110、供电电路120、直流电源电路130、传感器电源电路140和VOCs传感器电源电路150。所述输入处理电路110对输入电压进行EMI滤波后降压为供电电压。供电电路120将供电电压降压为第一电压为数据处理模块30供电。直流电源电路130将供电电压降压为5V的直流电压进行5V供电。所述传感器电源电路140将供电电压降压为6V的第二电压为气体采集处理模块20供电，还对第二电压降压稳压为2.5V的参考电压并输出至气体采集处理模块20。VOCs传感器电源电路150将供电电压降压为PID电压为VOCs传感器供电。

请一并参阅图2，所述数据处理模块30包括微控制器U1、第一接口J1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3；所述第一接口J1的第2脚连接微控制器U1的第1脚、还通过第二电阻R2接地；第一接口J1的第3脚连接微控制器U1的第2脚、还通过第三电阻R3接地；第一接口J1的第4脚连接第一电阻R1的一端、第一电容C1的一端和微控制器U1的RST脚，第一接口J1的第5脚和第一电阻R1的另一端均连接供电端VCC-MCU，第一接口J1的第1脚和第一电容C1的另一端均接地，微控制器U1的P2.5脚连接第一晶振Y1（低速晶振）的第1脚、第三电容C3的一端和第四电阻R4的一端；微控制器U1的P2.4脚连接第一晶振Y1的第2脚、第二电容C2的一端和第四电阻R4的另一端；第一晶振Y1的第3脚、第二电容C2的另一端和第三电容C3的另一端均接地；微控制器U1的AIO0脚、AIO1脚、AIO2脚、AIO3脚、P3.2脚、P3.3脚、P3.4脚、P3.5脚均连接气体采集处理模块20；微控制器U1的COM0脚、COM1脚、COM2脚、COM3脚、P10.2脚、P10.3脚、P6.0脚、P6.1脚、P6.2脚、P6.3脚、P6.4脚、P6.5脚、P6.6脚、P6.7脚分别与交互接口J0的第2脚、第1脚、第4脚、第3脚、第6脚、第5脚、第8脚、第7脚、第10脚、第9脚、第12脚、第11脚、第14脚、第13脚一对一连接。

本实施例中，所述微控制器U1内部集成了8通道 24bitADC。其中，该微控制器的Pin1（第1脚）和Pin2（第2脚）为调试脚，与第一接口J1（调试接口）连接，通过第一接口J1外接调试器以进行生产调试。Pin4（RST脚）为复位引脚，上电时通过第一电阻R1和第二电容C2产生复位信号。 Pin15（P2.7脚）和Pin16（P2.6）为外部晶振引脚，外部的低速晶振Y1的频率范围是4Mhz-16MHz。在具体实施时还可预先将第二晶振Y2（高速晶振）及其外围电路（两个电容和一个电阻，结构与第一晶振Y1相同）设置在电路板上，第二晶振Y2的频率是32768Hz，在设计生产过程中可根据需要将相应的引脚与微控制器U1连接，从而选择高速晶振或者低速晶振。Pin39~Pin42（AIO3脚~AIO0脚）、Pin45~Pin48（P3.5脚~P3.2脚）为ADC输入引脚，该ADC输入引脚是全差动输入，可以通过程序设置ADC的正向输入端和负向输入端；气体采集处理模块20对相应的气体传感器采集的信号进行处理后输出对应的电压信号（AI0~AI7）直接通过该ADC引脚进行ADC数据采集。VOCs传感器输出的电压信号通过P1.6脚和P1.7脚（PID_TX、PID_RX）传输给微控制器U1。微控制器U1通过P1.5脚输出使能信号PID_EN控制VOCs传感器是否工作，使能信号PID_EN为高电平则控制VOCs传感器正常工作，为低电平则禁止VOCs传感器工作。COM0~COM3表示LCD断码液晶屏显示的COM口，SEG0~SEG9表示传输至LCD液晶显示屏的显示信号，其中SEG0—SEG9也可作为通用GPIO引脚，如果选择IIC或者SPI通信方式的LCD液晶的话直接从SEG0—SEG9选择合适的引脚接入也是可以实现数据显示的目的。

进一步实施例中，所述数据处理模块30还包括第一指示灯D1、第二指示灯D2、第五电阻R5和第六电阻R6；所述微控制器U1的P10.0脚通过第五电阻R5连接第一指示灯D1的正极，微控制器U1的P10.1脚通过第六电阻R6连接第二指示灯D2的正极，第一指示灯D1的负极连接第二指示灯D2的负极和地。第一指示灯D1和第二指示灯D2是系统运行指示灯，根据设计研发需要，这两颗LED指示灯也可以接在微控制器的其他引脚。

Pin8（VDD脚）为微控制器U1的电源输入引脚，其电源输入范围是DC2.2V-DC3.6V；在具体实施时可设置一10uF的电容，该电容的一端连接微控制器U1的VDD脚和供电端VCC-MCU，该电容的另一端接地。通过电容滤波使供电更加稳定。还可设置一1uF的电容与该10uF的电容的并联以增加滤波效果。

需要理解的是，本实施例选择的是内部集成24bitADC的微控制器，在具体实施时可将此微控制器进行分离，选择外部24bit或者16bitADC进行重新设计。所述微控制器U1的P9.6脚、P9.7脚外接的电阻和电容作为备用功能选择，可根据实际需要选择焊接或者不焊接。

基于气体采集处理模块20与数据处理模块30是分离设置的，气体采集处理模块20输出的电压信号可能存在外部干扰，为了使输入的电压信号更加稳定平滑，还可设置由电阻和电容组成的滤波电路210对气体采集处理模块20输出的电压信号进行滤波处理，如图2和图3所示，各电压信号（AIO0~AIO7）分别经过一个滤波电路（结构与210相同）滤波后与微控制器U1上对应的引脚连接。

请一并参阅图4，所述存储模块40包括存储器U2（可采用EEPROM或FLASH存储芯片）、第七电阻R7、第八电阻R8、第四电容C4和磁珠FB；所述存储器U2的VCC脚连接第四电容C4的一端、还通过磁珠FB连接电源端D_3.3V；存储器U2的WP脚连接第四电容C4的另一端和地，存储器U2的SCL脚连接微控制器U1的P2.0脚、还通过第七电阻R7连接电源端D_3.3V；存储器U2的SDA脚连接微控制器U1的P2.1脚、还通过第八电阻R8连接电源端D_3.3V。存储器U2与微控制器之间采用IIC通信进行数据的存储和读取。

综上所述，本实用新型提供的空气质量监测系统，将多种气体传感器（此处为四个电化学气体传感器和一个VOCs传感器）整合到一起，除了能进行常规AQI（Air QualityIndex，空气质量指数）气体监测外，还可监测VCOs气体的浓度，增加了可测范围，为空气质量监测提供了更加丰富的数据基础。通过高精度的ADC转换，可监测PPB（10的负6次方，相当于微克级）级别的气体浓度，能够更加精准地测得气体浓度。通过温湿度补偿能减小温湿度变化对气体传感器检测数据的影响。通过通信传输数据使空气质量监测系统能更加方便地使用在各种多参数气体检测仪、或空气环境质量监测站或相关仪器上，以实现气体浓度值的大范围传输。

上述功能模块的划分仅用以举例说明，在实际应用中，可以根据需要将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即划分成不同的功能模块，来完成上述描述的全部或部分功能。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种空气质量监测系统，其特征在于，包括：电源模块、气体采集处理模块和数据处理模块；所述电源模块连接气体采集处理模块和数据处理模块，气体采集处理模块连接数据处理模块；

所述电源模块对输入电压进行直流转换、降压稳压后输出若干个电压进行供电；气体采集处理模块通过内置的气体传感器对若干个不同类型的气体和VOCs气体进行浓度采集并输出对应的浓度信号，对浓度信号进行放大、跟随、滤波后输出对应的电压信号；数据处理模块将电压信号转换成数字信号，并根据采集的环境温湿度对数字信号进行温湿度补偿后获得相应气体的浓度数值，将浓度数值通过RS485通讯输出。

2.根据权利要求1所述的空气质量监测系统，其特征在于，所述电源模块包括输入处理电路、供电电路、直流电源电路、传感器电源电路和VOCs传感器电源电路：

所述输入处理电路对输入电压进行EMI滤波后降压为供电电压；

所述供电电路将供电电压降压为第一电压为数据处理模块供电；

所述直流电源电路将供电电压降压为5V的直流电压进行5V供电；

所述传感器电源电路将供电电压降压为6V的第二电压为气体采集处理模块供电，还对第二电压降压稳压为2.5V的参考电压并输出至气体采集处理模块；

所述VOCs传感器电源电路将供电电压降压为PID电压为VOCs传感器供电；

所述输入处理电路连接供电电路、直流电源电路、传感器电源电路和VOCs传感器电源电路；供电电路和直流电源电路均连接数据处理模块；传感器电源电路和 VOCs传感器电源电路均连接气体采集处理模块。

3.根据权利要求1所述的空气质量监测系统，其特征在于，还包括存储模块，用于存储校准参数和模块出厂信息。

4.根据权利要求3所述的空气质量监测系统，其特征在于，还包括由交互接口、LCD液晶显示屏和若干个按键组成的人机交互模块；LCD液晶显示屏和若干个按键通过交互接口与数据处理模块连接；

所述交互接口用于LCD液晶显示屏与数据处理模块之间，按键与数据处理模块之间的数据交互传输；LCD液晶显示屏用于显示实时气体浓度，提供操作界面进行模块校准和调试；若干个按键用于输入对应按键值以进行参数的选择或调整。

5.根据权利要求4所述的空气质量监测系统，其特征在于，所述数据处理模块包括微控制器、第一接口、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容和第三电容；

所述第一接口的第2脚连接微控制器的第1脚、还通过第二电阻接地；第一接口的第3脚连接微控制器的第2脚、还通过第三电阻接地；第一接口的第4脚连接第一电阻的一端、第一电容的一端和微控制器的RST脚，第一接口的第5脚和第一电阻的另一端均连接供电端，第一接口的第1脚和第一电容的另一端均接地，微控制器的P2.5脚连接第一晶振的第1脚、第三电容的一端和第四电阻的一端；微控制器的P2.4脚连接第一晶振的第2脚、第二电容的一端和第四电阻的另一端；第一晶振的第3脚、第二电容的另一端和第三电容的另一端均接地；微控制器的AIO0脚、AIO1脚、AIO2脚、AIO3脚、P3.2脚、P3.3脚、P3.4脚、P3.5脚均连接气体采集处理模块；微控制器的COM0脚、COM1脚、COM2脚、COM3脚、P10.2脚、P10.3脚、P6.0脚、P6.1脚、P6.2脚、P6.3脚、P6.4脚、P6.5脚、P6.6脚、P6.7脚分别与交互接口的第2脚、第1脚、第4脚、第3脚、第6脚、第5脚、第8脚、第7脚、第10脚、第9脚、第12脚、第11脚、第14脚、第13脚一对一连接。

6.根据权利要求5所述的空气质量监测系统，其特征在于，所述数据处理模块还包括第一指示灯、第二指示灯、第五电阻和第六电阻；

所述微控制器的P10.0脚通过第五电阻连接第一指示灯的正极，微控制器的P10.1脚通过第六电阻连接第二指示灯的正极，第一指示灯的负极连接第二指示灯的负极和地。

7.根据权利要求6所述的空气质量监测系统，其特征在于，所述存储模块包括存储器、第七电阻、第八电阻、第四电容和磁珠；

所述存储器的VCC脚连接第四电容的一端、还通过磁珠连接电源端；存储器的WP脚连接第四电容的另一端和地，存储器的SCL脚连接微控制器的P2.0脚、还通过第七电阻连接电源端；存储器的SDA脚连接微控制器的P2.1脚、还通过第八电阻连接电源端。

8.根据权利要求1所述的空气质量监测系统，其特征在于，所述气体传感器包括一氧化碳传感器、二氧化硫传感器、二氧化碳传感器、臭氧传感器和VOCs传感器。