CN209485922U - 一种红外对射的微尘浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种红外对射的微尘浓度检测装置，包括：红外对射传感器，采集微尘经过风道而产生的模拟信号；滤波放大电路，用于对所述模拟信号进行滤波放大后得到第一交流信号和第二交流信号；第一通道滤波放大电路，用于对所述第一交流信号进行滤波和放大，并得到第一通道方波信号段；第二通道放大电路，用于对所述第二交流信号进行放大，得到经放大的第二交流信号；第二通道滤波放大电路，用于对所述经放大的第二交流信号进行滤波和二次放大，得到第二通道方波信号段；单片机，用于接收所述第一通道方波信号段的脉冲个数和所述第二通道方波信号段的脉冲个数，并输出微尘的浓度信息。本实用新型用在吸尘器或者扫地机器人上，可直观检测地面的洁净度。

Description

一种红外对射的微尘浓度检测装置

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，具体涉及一种红外对射的微尘浓度检测装置。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对生活环境的要求也越来越高，吸尘器和扫地机器人随之进入到人们的日常生活中，吸尘器是一种常用的清洁设备，其可以产生非常强的吸力，以将地面上积聚的灰尘或异物吸入其吸尘桶中。目前，吸尘器是否将地面的灰尘或异物清理干净，仅依靠肉眼判断，但由于依附在地面的灰尘粒径太小，无法用肉眼直观的判断，无法直观的感知到是否将地面清理干净。

实用新型内容

为了克服上述技术缺陷，本实用新型提供了一种红外对射的微尘浓度检测装置，应用在吸尘器或者扫地机器人上，即可直观的检测地面的洁净度。

为了解决上述问题，本实用新型按以下技术方案予以实现的：

红外对射传感器，设置在吸尘器的手柄或延长杆的风道、扫地机器人的风道或抽油烟机的风道上，以采集微尘经过所述风道而产生的模拟信号,其中，所述红外对射传感器包括发射端和接收端；

滤波放大电路，与所述红外对射传感器连接，用于对所述模拟信号进行滤波放大后得到第一交流信号和第二交流信号；

第一通道滤波放大电路，与所述滤波放大电路连接，用于对所述第一交流信号进行滤波和放大，并得到第一通道方波信号段；

第二通道放大电路，与所述滤波放大电路连接，用于对所述第二交流信号进行放大，得到经放大的第二交流信号；

第二通道滤波放大电路，与所述第二通道放大电路连接，用于对所述经放大的第二交流信号进行滤波和二次放大，得到第二通道方波信号段；

单片机，与所述第一通道滤波放大电路、所述第二通道滤波放大电路连接，用于接收所述第一通道方波信号段的脉冲个数和所述第二通道方波信号段的脉冲个数，并输出微尘的浓度信息。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：将所述微尘浓度测量传感器设置在吸尘器的手柄或延长杆的风道、扫地机器人的风道或抽油烟机的风道上，吸尘器、扫地机器人或抽油烟机开始工作时，灰尘从所述发射端和所述接收端经过，由所述接收端接收所述红外射线与所述空气形成的模拟信号，对所述模拟信号进行滤波和放大处理后，得到第一通道方波信号段和第二通道方波信号段，通过单片机接收所述第一通道方波信号段的脉冲个数和所述第二通道方波信号段的脉冲个数，并输出微尘的浓度信息，即可测出空气中的微尘浓度。

作为本实用新型的进一步改进，所述滤波放大电路包括：所述滤波放大电路包括：第一电源、第一运算放大器、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻和第三电阻；

所述第二电容与所述红外对射传感器连接，所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第二电容、第一电容与所述第一电源连接，所述第一电阻连接在所述第一运算放大器的反相输入端和所述第一运算放大器的输出端之间，所述第一电阻与所述第三电容并联，所述第一运算放大器的同相输入端通过所述第四电容接地，所述第二电阻与所述第四电容并联，所述第一运算放大器通过所述第三电阻与所述第一电源连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一通道滤波放大电路包括：第二运算放大器、第六电阻、第七电阻、第六电容；

所述第二运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的同相输入端通过所述第七电阻接地，所述第二运算放大器的同相输入端通过所述第六电阻连接所述第一电源，所述第二运算放大器通过所述第六电阻、所述第六电容接地。

作为本实用新型的进一步改进，所述第二通道放大电路包括：第三运算放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第五电容；

所述第三运算放大器的反相输入端通过所述第四电阻、所述第五电容与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第五电阻连接在所述第三运算放大器的反相输入端与所述第三运算放大器的输出端之间，所述第三运算放大器的同相输入端通过所述第四电容接地，所述第二电阻与所述第四电容并联，所述第二运算放大器通过所述第三电阻与所述第一电源连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述第二通道滤波放大电路包括：第四运算放大器、第八电阻、第九电阻、第十电阻；

所述第四运算放大器的同相输入端通所述第九电阻与所述第三运算放大器的输出端连接，所述第四运算放大器的反相输入端通过所述第十电阻与所述第一电源连接，所述第四运算放大器的反相输入端通过所述第八电阻接地。

作为本实用新型的进一步改进，所述发射端与所述接收端之间的夹角为170°-190°。

作为本实用新型的进一步改进，所述发射端与所述接收端之间的夹角为180°，以使所述发射端和所述接收端呈现对射的一条直线。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：采用红外对射，使得红外光路不需要透镜来进行聚焦，在有颗粒物通过检测区域时接收管接收到的信号变弱，无颗粒通过时接收到的信号处于信号最强的状态，而在传统的红外散射方法中，发射管与接收管之间存在一个小于 180°的夹角，需要透镜来对光路进行聚焦，该检测方法在有颗粒物通过检测区域时其接收到的信号强度变强，无颗粒物时接收到的信号处于信号最弱的状态，两者相比，本实用新型的红外对射发放抗干扰能力更好；另外采用红外对射，可以直接测量在吸尘器的手柄、延长杆的风道、扫地机器人的风道或者抽油烟机的风道内的颗粒物，而传统颗粒检测则需要通过电阻加热或安装恒速风扇形成对流检测。由于传统的加热电阻和风扇的器件会严重影响产品的寿命，大大的提高了产品的可靠性，而且节约了成本。

作为本实用新型的进一步改进，本实用新型还包括：

显示屏，与所述单片机连接，用于显示所述微尘的浓度信息。

作为本实用新型的进一步改进，本实用新型还包括：

电源稳压电路，与所述单片机连接，用于为所述单片机提供第二电源。

作为本实用新型的进一步改进，本实用新型还包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第十一电阻、第十二电阻、第六电容、第七电容、三极管；

所述发射端的负端接地，所述第一二极管与所述发射端并联，所述发射端的正端通过正向的所述第二二极管、所述第六电容接地，所述发射端的正端通过正向的所述第二二极管连接所述第一电源，所述发射端的正端通过所述第十一电阻与所述三极管的发射极连接，所述三极管的集电极连接所述第一电源，所述三极管的基极连接所述单片机，所述接收端的正端连接所述第一电源，所述接收端的正端通过所述第七电容接地，所述第三二极管与所述接收端并联，所述接收端的负端通过所述第十二电阻接地，所述第四二极管与所述第十二电阻并联。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为本实用新型所述微尘浓度检测装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型所述微尘浓度检测装置的局部结构示意图；

图3为本实用新型所述微尘浓度检测装置的滤波放大电路示意图；

图4为本实用新型所述微尘浓度检测装置的第一通道滤波放大电路示意图；

图5为本实用新型所述微尘浓度检测装置的第二通道滤波放大电路示意图；

图6为本实用新型所述微尘浓度检测装置的第二通道放大电路示意图；

图7为本实用新型所述微尘浓度检测装置的电源稳压电路示意图；

图8为本实用新型所述微尘浓度检测装置的接收端电路示意图。

标记说明：

1-红外对射传感器；101-发射端；102-接收端；

2-滤波放大电路；21-第一电源；22-第一运算放大器；23-第一电容；24-第二电容；25- 第三电容；26-第四电容；27-第一电阻；28-第二电阻；29-第三电阻；

3-第一通道滤波放大电路；31-第二运算放大器；32-第六电阻；33-第七电阻；34-第六电容；

4-第二通道放大电路；41-第三运算放大器；42-第四电阻；43-第五电阻；44-第五电容；

5-第二通道滤波放大电路；51-第四运算放大器；52-第十电阻；53-第八电阻；54-第九电阻；

6-单片机；7-显示屏；8-电源稳压电路；81-第二电源；9-数据接口；10-第一二极管； 11-第二二极管；12-第三二极管；13-第四二极管；14-第十一电阻；15-第十二电阻；16-第六电容；17-第七电容；18-三极管；100-电压基准点。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型公开了一种微尘浓度测量传感器，如图1和图2所示，包括：红外对射传感器1、滤波放大电路2、第一通道滤波放大电路3、第二通道放大电路4、第二通道滤波放大电路5、单片机6，其中，红外对射传感器1设置在吸尘器的手柄或延长杆的风道、扫地机器人的风道或抽油烟机的风道上，以采集微尘经过风道而产生的模拟信号，其中，红外对射传感器1包括发射端101和接收端102；滤波放大电路2与接收端连接102，用于对模拟信号进行滤波放大后得到第一交流信号和第二交流信号；第一通道滤波放大电路3与滤波放大电路 2连接，用于对第一交流信号进行滤波和放大，并得到经放大的第二交流信号；第二通道放大电路4与滤波放大电路3连接，用于对第二交流信号进行放大，得到经放大的第二交流信号；第二通道滤波放大电路5与第二通道放大电路4连接，用于对所述经放大的第二交流信号进行滤波和二次放大，得到第二通道方波信号段；单片机6与第一通道滤波放大电路3、第二通道滤波放大电路5连接，用于接收第一通道方波信号段的脉冲个数和第二通道方波信号段的脉冲个数，并输出微尘的浓度信息，第一通道方波信号段的脉冲个数为大颗粒粒子的个数，第二通道方波信号段的脉冲个数为小颗粒粒子的个数。

通过上述结构的设置，将微尘浓度检测装置设置在吸尘器的手柄或延长杆的风道、扫地机器人的风道或抽油烟机的风道上，吸尘器、扫地机器人或抽油烟机开始工作时，灰尘从发射端101和接收端102经过，由接收端102接收红外射线与空气形成的模拟信号，对模拟信号进行滤波和放大处理后，得到第一通道方波信号段和第二通道方波信号段，通过单片机6 计算所述第一通道方波信号段的脉冲个数和第二通道方波信号段的脉冲个数，将第一通道方波信号段的脉冲个数与第二通道方波信号段的脉冲个数相加得到微尘的浓度信息，即可测出通过发射端和所述接收端的微尘浓度。

具体的，如图3所示，滤波放大电路2包括：第一电源21、第一运算放大器22、第一电容23、第二电容24、第三电容25、第四电容26、第一电阻27、第二电阻28和第三电阻29；第二电容24与红外对射传感器1连接，第一运算放大器22的反相输入端通过第二电容24、第一电容23与第一电源21连接，第一电阻27连接在第一运算放大器22的反相输入端和第一运算放大器22的输出端之间，第一电阻27与第三电容29并联，第一运算放大器22的同相输入端通过第四电容26接地，第二电阻28与第四电容26并联，第一运算放大器22通过第三电阻29与第一电源21连接，模拟信号经过第二电容24耦合至第一运算放大器22，第三电容25为高通滤波电容，第四电容26用于对电源滤波，第二电阻28和第三电阻29为基准分压电阻。

模拟信号经过滤波放大电路2的处理后得到第一交流信号对应为大颗粒粒子的波形，第二交流信号对应为小颗粒粒子的波形，以电压基准点100为基准电压，模拟信号经过滤波和放大后，得到交流信号，以电压基准点100为基准电压，交流信号的电压若大于电压基准点 100，则为第一交流信号，并流向第一通道滤波放大电路3，若小于电压基准点100，则为第二交流信号，并流向第二通道放大电路4。

具体的，如图4所示，第一通道滤波放大电路3包括：第二运算放大器31、第六电阻32、第七电阻33、第六电容34；第二运算放大器31的反相输入端与第一运算放大器31的输出端连接，第二运算放大器31的同相输入端通过第七电阻33接地，第二运算放大器31的同相输入端通过第六34电容连接第一电源21，第二运算放大器31通过第六电阻32、第六电容34接地，对第一交流信号进行滤波和放大后得到第一通道方波信号段，并且，第七电阻33和第六电阻32均为基准分压电阻。

具体的，如图5所示，第二通道放大电路4包括：第三运算放大器41、第二电阻28、第三电阻29、第四电阻42、第五电阻43、第五电容44；第三运算放大器41的反相输入端通过第四电阻42、第五电容44与第一运算放大器41的输出端连接，第五电阻43连接在第三运算放大器41的反相输入端与第三运算放大器41的输出端之间，第三运算放大器41的同相输入端通过第四电容26接地，第二电阻28与第四电容26并联，第二运算放大器31通过第三电阻29与第一电源21连接，对第二交流信号进行放大后得到经放大的第二交流信号，第五电容44为耦合电容。

具体的，如图6所示，第二通道滤波放大电路5包括：第四运算放大器51、第八电阻53、第九电阻54、第十电阻52；第四运算放大器51的同相输入端通过第九电阻54与第三运算放大器51的输出端连接，第四运算放大器51的反相输入端通过第十电阻52与第一电源21连接，第四运算放大器51的反相输入端通过第八电阻53接地，由于经放大的第二交流信号仍为为小功率波形，所以经由第二通道滤波放大电路滤波和再次放大后得到第二通道方波信号段，第八电容53和第十电容均为基准分压电容。

优选的，发射端101与接收端102之间的夹角为170°-190°。

最优选的，发射端101与接收端102之间的夹角为180°。即红外对射传感器采用红外对射，使得红外光路不需要透镜来进行聚焦，在有颗粒物通过检测区域时接收管接收到的信号变弱，无颗粒通过时接收到的信号处于信号最强的状态，而在传统的红外散射方法中，发射管与接收管之间存在一个小于180°的夹角，需要透镜来对光路进行聚焦，该检测方法在有颗粒物通过检测区域时其接收到的信号强度变强，无颗粒物时接收到的信号处于信号最弱的状态，两者相比，本实用新型的红外对射发放抗干扰能力更好；另外采用红外对射，可以直接测量在吸尘器的手柄、延长杆的风道、扫地机器人风道或者抽油烟机风道内的颗粒物，而传统颗粒检测则需要通过电阻加热或安装恒速风扇形成对流检测。由于传统的加热电阻和风扇的器件会严重影响产品的寿命，大大的提高了产品的可靠性，而且节约了成本。

为了直观的看到微尘的浓度信息，本实用新型还包括：显示屏7，与单片机6连接，用于显示微尘的浓度信息。

进一步的，如图7所示，本实用新型还包括：电源稳压电路8，与单片机6连接，用于为单片机6提供第二电源81。

进一步的，本实用新型还包括：第一二极管10、第二二极管11、第三二极管12、第四二极管13、第十一电阻14、第十二电阻15、第六电容16、第七电容17、三极管18；其中，发射端101的负端接地，第一二极管10与发射端101并联，发射端101的正端通过正向的第二二极管11、第六电容16接地，发射端101的正端通过正向的第二二极管11连接第一电源 21，发射端101的正端通过第十一电阻14与三极管18的发射极连接，三极管18的集电极连接第一电源21，三极管18的基极连接单片机6，接收端102的正端连接第一电源21，接收端102的正端通过第七电容17接地，第三二极管12与接收端102并联，接收端102的负端通过第十二电阻15接地，第四二极管13与第十二电阻15并联。

下面结合具体实施过程对本实用新型做进一步解释。

当空气中的微尘从红外对射传感器1的发射端101和接收端102之间经过时，微尘遮挡了部分红外射线，使得接收端102的电阻相应的发生变化，因而引起第十五电阻的电压产生相应变化，最终产生出一个模拟信号。

模拟信号的电压值为U_ir，经过第一运算放大器22进行微分整形放大，由公式(1)可以看出第一运算放大器22提取了U_ir的突变信号，即只有在波形发生突变的瞬间才有输出，而对恒定部分则没有输出。

其中，R₁为第一电阻27的电阻值，C₂为第二电容的电容量，U_o1为第一运算放大器22的输出电压，U_ir为第一运算放大器22反向输入端的输入电压

由公式(2)得出，输出的尖脉冲波形的最低截止频率f₁与R₁C₂有关，即电路的时间常数，R₁C₂越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽。

第一运算放大器22的同相输入端提供了参考电压，在没有信号输入时，确保第一运算放大器22的输出电压U_o1约等于参考电压，保证了的静态工作点稳定,U_o1的静态输出电压按公式(3)计算得到。

其中，U_{o1静态输出}为第一运算放大器22的静态输出电压， VCC1为第一电源21的电压，R₂为第二电阻28的电阻值，R₃为第三电阻29的电阻值。

模拟信号经过第一运算放大器22后，得到第一交流信号和第二交流信号，并且，第一交流信号U_o1输入至第二运算放大器31的反相输入端，根据公式(4)计算，当第一交流信号U_o1大于U_o2阈值的阈值电压时，第二运算放大器31输出低电平脉冲，便得到第一通道方波信号段，即大颗粒粒子对应的波形信号，反之，第二运算放大器31输出约等于第一电源21，即VCC1 的电压。

U_o2阈值为第二运算放大器31的输出阈值电压。

第二交流信号经第四电容42耦合后得到的信号为U_i3，将U_i3输入至第三运算放大器41 的反相输入端，第三运算放大器41的同相端连接有第二电阻28和第三电阻29，其两者为第三运算放大器41提供参考电压，根据公式(5)计算，流经第三运算放大器41反相端的U_i3和流经第三运算放大器41同相端的参考电压信号，进行差分放大后得到U_o3，U_o3输入至第四运算放大器51的同相输入端。

U_o3为第三运算放大器41的输出电压，R₄为第二电阻28的电阻值，R₅为第六电阻32的电阻值，U_i3为第三运算放大器41反向输入端的输入电压。

第四运算放大器51的反相输入端连接有第一电源21、用于分压第十电阻52和用于分压的第八电阻53，由公式(6)计算得到，当U_o3的电压高于参考电压U_o4的阈值时，第四运算放大器输出正脉冲信号，便得到第二通道方波信号段，即小颗粒粒子对应的波形信号。

其中，R₈为第八电阻53的电阻值，R₁₀为第十电阻52的电阻值。

此外，单片机6还连接有一个数据接口9，用于与吸尘器、扫地机器人、抽油烟机的数据接口连接，向吸尘器、扫地机器人、抽油烟机传输微尘的浓度信息。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，故凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种红外对射的微尘浓度检测装置，其特征在于，包括：

红外对射传感器，设置在吸尘器的手柄或延长杆的风道、扫地机器人的风道或抽油烟机的风道上，以采集微尘经过所述风道而产生的模拟信号,其中，所述红外对射传感器包括发射端和接收端；

滤波放大电路，与所述红外对射传感器连接，用于对所述模拟信号进行滤波放大后得到第一交流信号和第二交流信号；

第一通道滤波放大电路，与所述滤波放大电路连接，用于对所述第一交流信号进行滤波和放大，并得到第一通道方波信号段；

第二通道放大电路，与所述滤波放大电路连接，用于对所述第二交流信号进行放大，得到经放大的第二交流信号；

第二通道滤波放大电路，与所述第二通道放大电路连接，用于对所述经放大的第二交流信号进行滤波和二次放大，得到第二通道方波信号段；

单片机，与所述第一通道滤波放大电路、所述第二通道滤波放大电路连接，用于接收所述第一通道方波信号段的脉冲个数和所述第二通道方波信号段的脉冲个数，并输出微尘的浓度信息。

2.根据权利要求1所述的微尘浓度检测装置，其特征在于，所述滤波放大电路包括：第一电源、第一运算放大器、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻和第三电阻；

所述第二电容与所述红外对射传感器连接，所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第二电容、第一电容与所述第一电源连接，所述第一电阻连接在所述第一运算放大器的反相输入端和所述第一运算放大器的输出端之间，所述第一电阻与所述第三电容并联，所述第一运算放大器的同相输入端通过所述第四电容接地，所述第二电阻与所述第四电容并联，所述第一运算放大器通过所述第三电阻与所述第一电源连接。

3.根据权利要求2所述的微尘浓度检测装置，其特征在于，所述第一通道滤波放大电路包括：第二运算放大器、第六电阻、第七电阻、第六电容；

所述第二运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的同相输入端通过所述第七电阻接地，所述第二运算放大器的同相输入端通过所述第六电阻连接所述第一电源，所述第二运算放大器通过所述第六电阻、所述第六电容接地。

4.根据权利要求3所述的微尘浓度检测装置，其特征在于，所述第二通道放大电路包括：第三运算放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第五电容；

所述第三运算放大器的反相输入端通过所述第四电阻、所述第五电容与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第五电阻连接在所述第三运算放大器的反相输入端与所述第三运算放大器的输出端之间，所述第三运算放大器的同相输入端通过所述第四电容接地，所述第二电阻与所述第四电容并联，所述第二运算放大器通过所述第三电阻与所述第一电源连接。

5.根据权利要求4所述的微尘浓度检测装置，其特征在于，所述第二通道滤波放大电路包括：第四运算放大器、第八电阻、第九电阻、第十电阻；

所述第四运算放大器的同相输入端通所述第九电阻与所述第三运算放大器的输出端连接，所述第四运算放大器的反相输入端通过所述第十电阻与所述第一电源连接，所述第四运算放大器的反相输入端通过所述第八电阻接地。

6.根据权利要求1所述的微尘浓度检测装置，其特征在于，所述发射端与所述接收端之间的夹角为170°-190°。

7.根据权利要求1所述的微尘浓度检测装置，其特征在于，所述发射端与所述接收端之间的夹角为180°，以使所述发射端和所述接收端呈现对射的一条直线。

8.根据权利要求1所述的微尘浓度检测装置，其特征在于，还包括：

显示屏，与所述单片机连接，用于显示所述微尘的浓度信息。

9.根据权利要求1所述的微尘浓度检测装置，其特征在于，还包括：

电源稳压电路，与所述单片机连接，用于为所述单片机提供第二电源。

10.根据权利要求2所述的微尘浓度检测装置，其特征在于，还包括：

第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第十一电阻、第十二电阻、第六电容、第七电容、三极管；

所述发射端的负端接地，所述第一二极管与所述发射端并联，所述发射端的正端通过正向的所述第二二极管、所述第六电容接地，所述发射端的正端通过正向的所述第二二极管连接所述第一电源，所述发射端的正端通过所述第十一电阻与所述三极管的发射极连接，所述三极管的集电极连接所述第一电源，所述三极管的基极连接所述单片机，所述接收端的正端连接所述第一电源，所述接收端的正端通过所述第七电容接地，所述第三二极管与所述接收端并联，所述接收端的负端通过所述第十二电阻接地，所述第四二极管与所述第十二电阻并联。