一種氣體質量檢測儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種氣體質量檢測儀，包括氣體傳感器節點和顯示控制節點。氣體傳感器節點分為CO傳感器節點、CO2傳感器節點、VOC傳感器節點、灰塵傳感器節點，每種節點包括氣體傳感器、電源管理模塊、無線單片機模塊A、信號調理電路、節點序號設置鍵盤、工作指示燈A和電量不足指示燈A，用于氣體濃度信號的采集和處理。顯示控制節點包括電源模塊、LCD顯示器、無線單片機模塊B、溫濕度傳感器、鍵盤和報警電路，用于進行數據運算處理、檢測結果修正補償處理、實時顯示檢測結果和發出報警信號。本發明可有效實時檢測室內、車內空氣的多種參數，功耗小，氣體傳感器節點和顯示控制節點相互獨立，無線連接，檢測位置靈活，操作方便，具有較大應用推廣價值。
【專利說明】一種氣體質量檢測儀
[0001]【技術領域】
本發明涉及一種氣體質量檢測儀，屬于環境監測領域，主要用于檢測氣體環境中的溫濕度、CO、CO2、VOC氣體和灰塵的濃度，適合于普通家庭、工作室、機房、車內等相對封閉環境的空氣質量檢測及超標報警。
【背景技術】
[0002]隨著人民生活水平穩步提高，人們對綜合生活質量的要求也在不斷提高，更希望有一個清潔、舒適和溫馨的生活空間，因而對擁有良好的室內、車內空氣質量和健康的愿望也愈加迫切和認真。室內環境是人類生存和活動的重要場所，關于室內氣體質量對人體健康影響的研究近年來越來越受到國內外學者的重視和關注。室內環境問題主要有:(1)因室內通風不良、空調使用不合理，造成暴露人群出現不良建筑綜合癥；(2 )室內裝修過程使用的產品包括各種建筑、裝飾材料以及粘合劑、涂料、空氣清新劑等，釋放大量甲醛、苯系物等揮發性有機物；(3)室外大氣中亦含有一定量的揮發性有機物和懸浮顆粒物，其經過滲透作用進入室內造成的污染不應忽視；(4)室內外燃燒產生的無機氣體，包括CO，CO2和N0x等。作為必不可少的交通工具，汽車內部污染問題也已成為消費者普遍關心的熱點。車內環境問題主要有:(1)內飾釋放的甲醛、二甲苯等揮發性有機物；(2)燃料不完全燃燒產生的CO和NOx等無機化合物進入車內；(3)人體呼吸產生的CO2等氣體；(4)車外滲入的懸浮顆粒物等。對汽車的性能進行改進，對車內的空氣進行檢測，可以大大減少車內有害空氣對人帶來的一些危害。深入開展對室內、車內環境中氣體污染物的監測具有重要現實意義。
[0003]目前針對于室內、車內的空氣質量檢測已有一些相關的專利和產品，如中國發明專利(CN201765479U)公開了一種便攜式的室內環境監控裝置，由室內空氣監測裝置和室內空氣凈化裝置構成，二者之間采用無線連接，對室內的氨氣、甲醛和苯進行檢測，當氣體濃度超標時，給出報警并自動啟動室內空氣凈化裝置；中國發明專利(CN202562903U)公開了一種室內空氣質量檢測儀，主要包括CPU、傳感器、3G通信模塊、液晶顯示器和電源，傳感器通過AD轉換器與CPU連接，可以進行遠程客戶端操作；中國發明專利(CN202014374U)公開了一種可自由布置實時測量室內空氣質量的自組網節點，包括傳感器模塊、處理器模塊、Zigbee短距離無線通信模塊、內部帶閃存卡的數據存儲模塊和電源模塊，傳感器模塊通過傳感器接口模塊與處理器模塊相接，處理器模塊通過Zigbee短距離無線通信模塊與遠程接收終端進行雙向通信。上述專利中涉及的空氣質量檢測裝置的共性問題是:均將多種傳感器及其信號調理電路集成在一個模塊中，直接或者通過無線通信模塊與處理器相連，沒有考慮到復雜的室內、車內環境中對不同污染氣體濃度檢測要求不同，和溫濕度對污染氣體濃度檢測造成的誤差；以及不能根據需要分開放置氣體傳感器、改變傳感器的數量和種類，功耗較大。
【發明內容】
[0004]基于以上不足，本發明公開一種結構簡單，各種氣體傳感器節點類型、數量和位置配置靈活，功耗小，參考溫濕度的檢測結果對不同污染氣體濃度檢測結果進行修正、補償處理,能夠對室內、車內等場所多種污染氣體進行實時檢測的氣體質量檢測儀。
[0005]一種氣體質量檢測儀，其特征在于:包括氣體傳感器節點和顯示控制節點，氣體傳感器節點和顯示控制節點通過無線方式進行通信；
所述氣體傳感器節點包括氣體傳感器、電源管理模塊、無線單片機模塊A、信號調理電路、節點序號設置鍵盤、工作指示燈A和電量不足指示燈A ;氣體傳感器的輸出端與信號調理電路相連接，信號調理電路的輸出端、節點序號設置鍵盤、工作指示燈A、電量不足指示燈A和電源管理電路的控制端分別與無線單片機模塊A的IO引腳相連接；氣體傳感器、信號調理電路、無線單片機模塊A和節點序號設置鍵盤的電源引腳分別與電源管理電路的輸出端相連接；
所述的信號調理電路包括濾除測量過程中干擾和噪聲信號的濾波電路、用于放大傳感器微弱信號的放大電路、ADC輸入緩沖和用于阻抗匹配的電壓跟隨器電路；
所述顯示控制節點包括電源模塊、IXD顯示器、無線單片機模塊B、溫濕度傳感器、鍵盤和報警電路；所述鍵盤、報警電路、溫濕度傳感器和LCD顯示器的IO引腳分別與無線單片機模塊B的IO引腳相連接；所述鍵盤、溫濕度傳感器、報警電路、LCD顯示器和無線單片機模塊B的電源引腳分別與電源模塊的輸出端相連接；
所述的無線單片機模塊A和無線單片機模塊B，自帶模數轉換功能、電源電壓檢測功能、無線通信功能。
[0006]所述的氣體傳感器節點可以包括以下四種中的任一種或多種:C0傳感器節點、CO2傳感器節點、VOC傳感器節點和灰塵傳感器節點；C0傳感器節點、CO2傳感器節點、VOC傳感器節點和灰塵傳感器節點與待測氣體相接觸，分別將待測氣體中co、co2、voc氣體和灰塵濃度信息轉換為電信號，用于檢測環境中CO、CO2, VOC氣體和灰塵濃度。
[0007]本發明的工作過程如下:
溫濕度傳感器用于采集環境中的溫濕度信息；
氣體傳感器與待測氣體相接觸，將氣體濃度信息轉換為電信號，經過信號調理電路對傳感器輸出的信號進行放大、濾波、阻抗匹配等處理，利用無線單片機模塊A中集成的模數轉換功能，對經過信號調理電路處理的傳感器輸出信號進行模數轉換，并將轉換結果無線發送給顯示控制節點，顯示控制節點中的無線單片機模塊B接收數據并對接收的數據進行數據運算處理、依據溫濕度傳感器的檢測值對氣體濃度檢測結果的影響關系進行修正、補償處理，處理結果通過IXD顯示器實時顯示:IXD顯示器在正常情況下顯示溫濕度、CO、C02、VOC氣體和灰塵濃度，當環境中某種氣體濃度超過設定標準閾值時，針對不同的空氣質量問題，LCD顯示器會顯示不同的提示信息，同時報警電路發出聲音報警，提示空氣中存在的各種污染問題。通過鍵盤改變氣體傳感器節點的電源管理模塊的狀態，從而控制氣體傳感器節點的工作狀態，增加或者減少氣體傳感器節點的數量和種類。
[0008]氣體傳感器節點可以自動監測電源是否充足，當電源電壓低于2V時，電量不足指示燈A發光。對于氣體傳感器節點，無線單片機模塊A用于采集C0、C02、V0C氣體和灰塵濃度信息、控制氣體傳感器和信號調理電路的電源以及實現與顯示控制節點的無線通信；對于顯示控制節點，無線單片機模塊B主要用于采集溫濕度信號、對氣體傳感器節點發送的氣體濃度信息進行數據運算處理、檢測結果修正補償處理、控制LCD顯示器和報警電路的顯示和報警工作。電源管理模塊用于為無線單片機模塊A、節點序號設置鍵盤提供電源和控制氣體傳感器、信號調理電路的電源。
[0009]本發明具有有益效果。本發明通過氣體傳感器節點采集C0、C02、V0C氣體和灰塵濃度信息，經過顯示控制節點對氣體傳感器節點和溫濕度傳感器采集的信息進行運算處理和顯示，實現對室內、車內的溫濕度、CO、CO2, VOC氣體和灰塵濃度進行檢測，能夠全面反映室內、車內的空氣質量問題；將每種氣體傳感器設置為一個無線氣體傳感器節點，可以靈活選擇配置所需檢測的氣體種類、氣體傳感器節點的數量和布置氣體傳感器節點的檢測位置；通過顯示控制節點的鍵盤控制每個氣體傳感器節點的工作狀態，改變氣體傳感器節點的數量和種類，這樣不僅可以減少功耗，延長傳感器的使用壽命，同時增加了氣體質量檢測儀的靈活性，使人與檢測儀之間的交流更加方便。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明的氣體質量檢測儀的總體框圖。
[0011]圖2為氣體傳感器節點的原理框圖。
[0012]圖3為氣體傳感器節點的結構示意圖。
[0013]圖4為顯示控制節點的結構示意圖。
[0014]圖5為IXD顯示器的電路圖。
[0015]圖6為顯示控制節點的程序流程圖。
[0016]圖7為氣體傳感器檢測節點的程序流程圖。
[0017]圖中:I氣體傳感器節點殼體，2電源開關,3工作指示燈A, 4電量不足指示燈A, 5節點序號設置鍵盤，7顯示控制節點殼體，8 IXD顯示器，9 CO傳感器節點選擇按鈕，10 CO2傳感器節點選擇按鈕，11 VOC傳感器節點選擇按鈕，12灰塵傳感器節點選擇按鈕，13增加節點按鈕，14減少節點按鈕，15電量不足指示燈B，16蜂鳴器，17工作指示燈B，18電源開關。
【具體實施方式】
[0018]下面以每種氣體傳感器節點各配置兩個為例，結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步詳細說明。
[0019]實施例一，使用本發明裝置檢測空氣中CO濃度
如圖1所示，本發明所述的一種氣體質量檢測儀，包括氣體傳感器節點和顯示控制節點。對應不同目標氣體，氣體傳感器節點分為CO傳感器節點、CO2傳感器節點、VOC傳感器節點、灰塵傳感器節點，主要是氣體濃度信號的采集和處理。顯示控制節點包括電源模塊、LCD顯示器、無線單片機模塊B、溫濕度傳感器、鍵盤和報警電路，主要是進行數據運算處理、檢測結果修正補償處理、實時顯示檢測結果和發出報警信號。
[0020]無線單片機模塊A和無線單片機模塊B選擇無線模塊CC2430，電源電壓為3.3V,具有21個IO 口，PO 口可用作ADC輸入引腳，自帶電池電壓檢測功能。對于氣體傳感器節點，信號調理電路的輸出端接至無線單片機模塊A的P0.0引腳，用于CO氣體濃度信號的采集；無線單片機模塊A的Pl.0引腳用于控制CO傳感器及其信號調理電路的電源；P1.4引腳用于控制電量不足指示燈A發光；P2 口用于連接節點序號設置鍵盤。對于顯示控制節點，無線單片機模塊B的PO 口和P2 口與IXD顯示器連接，用于顯示控制；P1.0引腳用于控制蜂鳴器；P1.1引腳用于控制電量不足指示燈B發光；鍵盤通過8-3編碼器與無線單片機模塊B的Pl.2、Pl.3、Pl.4引腳連接；P1.6引腳和Pl.7引腳與數字式溫濕度傳感器連接，采集環境中的溫濕度信號。
[0021]如圖2、圖3所示，CO傳感器節點包括CO傳感器、電源管理模塊、無線單片機模塊A、信號調理電路、節點序號設置鍵盤、工作指示燈A和電量不足指示燈A，主要是CO氣體濃度信號的采集。利用無線單片機模塊A中自帶電池電壓檢測功能，自動監測電源電量是否充足，當電源電壓低于2V時，無線單片機模塊A通過Pl.4引腳控制電壓不足指示燈A發光，給予提不。CO傳感器選擇MQ-7半導體氣體傳感器,其輸出為模擬量，CO傳感器與CO氣體相接觸，將CO氣體濃度信息轉換為電信號，信號調理電路對CO傳感器的輸出信號進行濾波等處理，利用無線單片機模塊A中集成的模數轉換功能，對經過調理的傳感器輸出信號進行模數轉換，并將轉換結果無線發送給顯示控制節點。由于CO氣體傳感器節點的數量可以改變，為便于顯示控制節點對各CO傳感器節點進行辯別和控制，可通過節點序號設置鍵盤為CO傳感器節點編號。工作指示燈A用于提示對應CO傳感器節點是否處于工作狀態。
[0022]電源管理電路為CO傳感器節點中的無線單片機模塊A、CO傳感器、信號調理電路和節點序號設置鍵盤提供電源，CO傳感器節點所需的電源電壓包括3.3V和5V，分別通過AMSl117-3.3V芯片和LM2596模塊得到。AMS1117-3.3V芯片用于為無線單片機模塊A和節點序號設置鍵盤提供電源；LM2596模塊分為電壓固定版本和可調版本，選擇固定版本的LM2596模塊為CO傳感器和信號調理電路提供電源。LM2596模塊可以通過0N/0FF控制端控制芯片的打開與關斷，將LM2596模塊的0N/0FF控制端連接到CO傳感器節點中無線單片機模塊A的Pl.0引腳，0N/0FF控制端輸出低電平時，LM2596模塊被打開，為⑶傳感器和信號調理電路提供電源；0N/0FF控制端輸出高電平時，LM2596模塊被關斷，CO傳感器和信號調理電路的電源斷開，從而達到通過鍵盤控制CO傳感器節點工作狀態的目的。
[0023]如圖4所示,顯示控制節點的殼體7上包含有IXD顯示器8、鍵盤、電量不足指示燈B15、蜂鳴器16、工作指示燈B17和電源開關18。其中鍵盤包含:C0傳感器節點選擇按鈕9、CO2傳感器節點選擇按鈕10、VOC傳感器節點選擇按鈕11、灰塵傳感器節點選擇按鈕12、增加節點按鈕13、減少節點按鈕14。
[0024]8-3編碼器選擇74LS148優先編碼器，74LS148優先編碼器的電源電壓為5V，用于將編碼輸入信號轉換為二進制輸出信號。鍵盤的6個按鈕CO傳感器節點選擇按鈕9、C02傳感器節點選擇按鈕10、VOC傳感器節點選擇按鈕11、灰塵傳感器節點選擇按鈕12、增加節點按鈕13、減少節點按鈕14分別與74LS148優先編碼器的INO引腳、IN引腳1、IN2引腳、IN3引腳、IN4引腳、IN5引腳相接，8_3編碼器的編碼輸出端AO、編碼輸出端Al、編碼輸出端A2分別與顯示控制節點的無線單片機模塊B的Pl.2引腳、Pl.3引腳、Pl.4引腳腳相接。在需要增加或者減少CO傳感器節點時，首先按下增加節點按鈕13或者減少節點按鈕14，然后按下CO傳感器節點選擇按鈕9。采用外部中斷方式，中斷采用邊沿觸發方式，當按鍵被按下時，自動進入中斷程序，判斷鍵值，改變相應標志位，并將標志位發送給CO傳感器節點，控制CO傳感器和信號調理電路的電源。
[0025]工作指示燈BlO選用發光二極管，直接與顯示控制節點的電源相接，提示檢測儀的電源是否處于導通狀態。電量不足指示燈Bll選用發光二極管，利用無線單片機模塊B自帶的電池電壓檢測功能來檢測電源電壓，當電源電壓小于2V時，無線單片機模塊B通過Pl.1引腳控制電量不足指示燈Bll發光。
[0026]報警電路主要由蜂鳴器12和三極管組成，蜂鳴器12主要用于聲音報警，無線單片機模塊B的P1.0引腳與三極管的基極相連接，三極管作為驅動器件驅動蜂鳴器工作。
[0027]溫濕度傳感器選擇數字式溫濕度傳感器SHT10，主要對環境的溫濕度進行檢測。SHTlO采用串行通訊方式，電源電壓為3.3V。將溫濕度傳感器的時鐘引腳SCK連接到顯示控制節點的無線單片機模塊B的Pl.7引腳，SHTlO的數據引腳DATA連接到無線單片機模塊B的Pl.6引腳。
[0028]顯示控制節點的電源模塊為鍵盤、溫濕度傳感器、報警電路、IXD顯示器和無線單片機模塊B提供電源，所需的電源電壓包括3.3V和5V，分別通過AMSl 117-3.3V芯片和L7805模塊來實現。
[0029]如圖5所示,IXD顯示器選擇IXD12864液晶顯示模塊,IXD顯示器在正常情況下顯示溫濕度、CO、CO2、VOC氣體和灰塵濃度，當車內某種氣體濃度超過設定標準閾值時，針對不同的空氣質量問題，LCD顯示器會顯示不同的提示信息，提示空氣中存在的各種污染問題。
[0030]如圖6、圖7所示，顯示控制節點和氣體傳感器節點的程序流程圖中，初始化主要包括各引腳功能設置、定時器設置、標志位定義、中斷設置等。當鍵盤引起中斷時，外部中斷程序中會改變對應標志位。經過初始化后，系統判斷鍵盤引腳標志位的變化，從而確定是否需要改變對氣體傳感器及其信號調理電路的控制。當有按鍵被按下時，顯示控制節點將標志位發送給氣體傳感器節點，氣體傳感器節點接收信息并改變與電源管理模塊控制端相連接的引腳的輸出。此后，氣體傳感器節點和顯示控制節點通過無線方式進行通信，氣體傳感器節點采集氣體濃度信息，并將檢測結果無線發送給顯示控制節點，顯示控制節點對數據進行運算處理和檢測結果修正補償處理，將得到的氣體濃度分析結果與存儲的標準氣體濃度進行比較判斷，當各污染氣體濃度正常，LCD顯示器顯示溫濕度、CO、CO2、VOC氣體和灰塵濃度；當環境中某種氣體濃度超過閾值時，蜂鳴器聲音報警，針對不同的空氣質量問題，LCD顯示器會顯示不同的提示信息，提示空氣中存在的各種污染問題。。利用無線單片機模塊A和無線單片機模塊B自帶的電池電壓檢測功能來檢測電源電壓，當氣體傳感器節點的電源電壓小于2V時，控制電量不足指示燈A發光；當顯示控制節點的電源電壓小于2V時，電量不足指示燈B發光。
[0031]實施例二，使用本發明裝置檢測空氣中CO2濃度
CO2傳感器選擇MG811電化學氣體傳感器，其輸出為微弱的模擬信號，信號調理電路主要是對CO2傳感器的輸出信號進行濾波、阻抗變換和放大處理，信號調理電路的輸出連接至CO2傳感器節點的無線單片機模塊A的P0.1引腳。用于對CO2傳感器輸出信號進行放大處理的集成運放芯片選用LM324，單電源供電，電源電壓選用6V。CO2傳感器和信號調理電路所需電源電壓為6V，選擇可調版本的LM2596為CO2傳感器節點中的MG811氣體傳感器及其檢測電路提供6V電源，將LM2596模塊的0N/0FF控制端連接到CO2傳感器節點中無線單片機模塊A的Pl.1引腳。其余細節與CO傳感器節點【具體實施方式】相同。
[0032]實施例三，使用本發明裝置檢測空氣中VOC濃度
VOC傳感器選擇MSllOO半導體氣體傳感器和TGS2602半導體氣體傳感器，它們不僅對VOC氣體具有很高的靈敏度，同時可以很好的感應氨氣和硫化氫等氣體。MSllOO傳感器和TGS2602傳感器集成在同一節點，共用電源管理電路，由同一按鍵控制。VOC傳感器的輸出為模擬量，經過信號調理電路的濾波處理，分別連接到VOC傳感器節點中無線單片機模塊A的P0.2引腳和P0.3引腳。VOC傳感器和信號調理電路的電源為5V，選擇固定版本的LM2596模塊為VOC傳感器和信號調理電路提供電源，將LM2596模塊的0N/0FF控制端連接到VOC傳感器節點中無線單片機模塊A的Pl.2引腳。其余細節與CO傳感器節點【具體實施方式】相同。
[0033]實施例四，使用本發明裝置檢測空氣中灰塵濃度
灰塵傳感器選擇HMNS灰塵傳感器，其輸出為PWM形式，低電平有效，濃度信息反應為單位時間內低脈沖占據總時間的比值，單位時間選為30s，脈沖寬度為IOms — 90ms。將PD4NS傳感器的輸出端經過信號調理電路連接到灰塵傳感器節點的無線單片機模塊A的P0.4引腳，通過定時器中斷計算單位時間內低脈沖占據總時間的比值，再經過數據運算得到濃度信息。灰塵傳感器的電源電壓為5V，選擇固定版本的LM2596模塊為灰塵傳感器提供電源，將LM2596模塊的0N/0FF控制端連接到灰塵傳感器節點中無線單片機模塊A的Pl.3引腳。其余細節與CO傳感器節點【具體實施方式】相同。
【權利要求】
1.一種氣體質量檢測儀，其特征在于:包括氣體傳感器節點和顯示控制節點，氣體傳感器節點和顯示控制節點通過無線方式進行通信； 所述氣體傳感器節點包括氣體傳感器、電源管理模塊、無線單片機模塊A、信號調理電路、節點序號設置鍵盤、工作指示燈A和電量不足指示燈A ;氣體傳感器的輸出端與信號調理電路相連接，信號調理電路的輸出端、節點序號設置鍵盤、工作指示燈A、電量不足指示燈A和電源管理電路的控制端分別與無線單片機模塊A的IO引腳相連接；氣體傳感器、信號調理電路、無線單片機模塊A和節點序號設置鍵盤的電源引腳分別與電源管理電路的輸出端相連接； 所述的信號調理電路包括濾除測量過程中干擾和噪聲信號的濾波電路、用于放大傳感器微弱信號的放大電路、ADC輸入緩沖和用于阻抗匹配的電壓跟隨器電路； 所述顯示控制節點包括電源模塊、IXD顯示器、無線單片機模塊B、溫濕度傳感器、鍵盤和報警電路；所述鍵盤、報警電路、溫濕度傳感器和LCD顯示器的IO引腳分別與無線單片機模塊B的IO引腳相連接；所述鍵盤、溫濕度傳感器、報警電路、LCD顯示器和無線單片機模塊B的電源引腳分別與電源模塊的輸出端相連接； 所述的無線單片機模塊A和無線單片機模塊B，自帶模數轉換功能、電源電壓檢測功能、無線通信功能。
2.根據權利要求1 所述的一種氣體質量檢測儀，其特征在于所述的氣體傳感器節點可以包括以下四種中的任一種或多種:C0傳感器節點、CO2傳感器節點、VOC傳感器節點和灰塵傳感器節點；C0傳感器節點、CO2傳感器節點、VOC傳感器節點和灰塵傳感器節點與待測氣體相接觸，分別將待測氣體中CO、CO2, VOC氣體和灰塵濃度信息轉換為電信號，用于檢測環境中CO、CO2、VOC氣體和灰塵濃度。
【文檔編號】G01N33/00GK103901172SQ201410149204
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月15日 優先權日:2014年4月15日
【發明者】馬昌媛, 張西良, 袁園, 張媛, 林麗丹, 趙麟, 印學浩 申請人:江蘇大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
