一種基于紅外線光電轉(zhuǎn)換的pm2.5傳感器及pm2.5探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及嵌入式技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于紅外線光電轉(zhuǎn)換的PM2. 5傳感器 及PM2. 5探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會(huì)的繁榮發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，但是工業(yè)化的不斷深入發(fā)展卻 不可避免地產(chǎn)生了空氣污染等嚴(yán)峻問題。最近幾年，人們關(guān)心的空氣污染指標(biāo)主要是PM2. 5 濃度。如今市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多PM2. 5檢測(cè)設(shè)備，一部分PM2. 5傳感器采用重量法、微量振蕩 天平法等方法測(cè)試空氣中顆粒物、粉塵的濃度。此類監(jiān)測(cè)法對(duì)空氣溫度、濕度、氣流速率等 數(shù)據(jù)的精確度要求十分苛刻，一點(diǎn)點(diǎn)偏差就可使監(jiān)測(cè)結(jié)果大相徑庭，而且所測(cè)量的精度比 較低，成本卻很高。不利于大規(guī)模地普及，另一部分PM2. 5傳感器雖然則采用了光學(xué)法、化 學(xué)法來測(cè)量空氣中的粉塵濃度，測(cè)量精度方面有所提高，但其體積太大，價(jià)格也偏高。在人 們?nèi)找孀非蟾咂焚|(zhì)生活的情況下，人們需要一種攜帶方便、成本低廉的PM2. 5傳感器設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于紅外線光電轉(zhuǎn)換的PM2. 5傳感器及PM2. 5探測(cè)方 法。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0005] -種基于紅外線光電轉(zhuǎn)換的PM2. 5傳感器，包括：
[0006] 根據(jù)主控單元提供的ΙΟΚΗζ載波產(chǎn)生紅外線的發(fā)射電路；
[0007] 分別接收紅外信號(hào)并產(chǎn)生反應(yīng)PM2. 5濃度的電壓信號(hào)的第一接收電路、第二接收 電路；
[0008] 提供ΙΟΚΗζ載波、對(duì)兩路反應(yīng)PM2. 5濃度的電壓信號(hào)的零位電壓和靈敏度進(jìn)行補(bǔ) 償計(jì)算得到PM2. 5濃度的主控單元；
[0009] 發(fā)射電路的輸入端連接主控單元的輸出端口，第一接收電路的輸出端、第二接收 電路的輸出端分別連接主控單元的不同輸入端口。
[0010] 所述發(fā)射電路包括第一光電二極管和三極管；
[0011] 第一光電二極管的正極接電源VCC，第一光電二極管的負(fù)極經(jīng)一個(gè)電阻連接至三 極管的集電極，三極管的發(fā)射極接地，三極管的基極經(jīng)另一電阻連接至主控單元的輸出端 □ 〇
[0012] 所述第一接收電路、第二接收電路均包括：
[0013] 接收發(fā)射電路產(chǎn)生的紅外線、將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換模塊；
[0014] 將光電轉(zhuǎn)換模塊輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的電流電壓轉(zhuǎn)換模塊；
[0015] 對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大的放大模塊；
[0016] 將光電轉(zhuǎn)換模塊感應(yīng)紅外線產(chǎn)生的電信號(hào)過濾掉的濾波模塊；
[0017] 放大模塊包括第一放大器和第二放大器，第一放大器和第二放大器串聯(lián)；
[0018] 電流電壓轉(zhuǎn)換模塊包括第一電流電壓轉(zhuǎn)換模塊和第二電流電壓轉(zhuǎn)換模塊；
[0019] 光電轉(zhuǎn)換模塊的陽極連接供電電壓，第一電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的一端與光電轉(zhuǎn)換模 塊的陰極連接后接入第一放大器的反向輸入端，第二電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的一端接地，第二 電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的另一端連接第一放大器的正向輸入端，第一放大器的輸出端與第二放 大器的正向輸入端之間連接第一電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的另一端，第二放大器的輸出端與第二 放大器的反向輸入端連接后接至濾波模塊的輸入端。
[0020] 所述主控單元與發(fā)射電路、第一接收電路、第二接收電路集成在一塊PCB上。
[0021] 利用所述的基于紅外線光電轉(zhuǎn)換的PM2. 5傳感器進(jìn)行PM2. 5探測(cè)的方法，包括以 下步驟：
[0022] 步驟1、發(fā)射電路根據(jù)主控單元提供的ΙΟΚΗζ載波產(chǎn)生紅外線；
[0023] 步驟2、第一接收電路、第二接收電路分別接收紅外信號(hào)并產(chǎn)生反應(yīng)PM2. 5濃度的 電壓信號(hào)；
[0024] 步驟3、對(duì)兩路反映PM2. 5濃度的電壓信號(hào)的零位電壓和靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算得 到PM2. 5濃度的主控單元。
[0025] 步驟2按如下步驟進(jìn)行：
[0026] 步驟2. 1、接收發(fā)射電路產(chǎn)生的紅外線、將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)；
[0027] 步驟2. 2、將光電轉(zhuǎn)換模塊輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；
[0028] 步驟2. 3、對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大的放大模塊；
[0029] 步驟2. 4、將光電轉(zhuǎn)換模塊感應(yīng)紅外線產(chǎn)生的電信號(hào)過濾掉，即過濾掉噪聲；
[0030] 步驟2. 5、得到兩路反應(yīng)PM2. 5濃度的電壓信號(hào)傳輸至主控單元。
[0031] 步驟3按如下步驟進(jìn)行：
[0032] 步驟3. 1、確定第一接收電路在室溫下的輸出電壓計(jì)算模型、第二接收電路在室溫 下的輸出電壓計(jì)算模型；
[0035] 其中，U。為第一接收電路在室溫下的輸出電壓，U/為第二接收電路在室溫下的輸 出電壓，P為第一接收電路測(cè)出的PM2. 5濃度，p ^為第二接收電路測(cè)出的PM2. 5濃度，a。為 第一接收電路在室溫下的零位電壓，a。'為第二接收電路在室溫下的零位電壓，b。為第一接 收電路在室溫下的靈敏度，b。'為第一接收電路在室溫下的靈敏度；
[0036] 步驟3. 2、確定第一接收電路在溫度為t時(shí)輸出電壓計(jì)算模型、第二接收電路在溫 度為t時(shí)輸出電壓計(jì)算模型；
[0039] 其中，Ut為第一接收電路在溫度為t時(shí)的輸出電壓，U/為第二接收電路在溫度為 t時(shí)的輸出電壓；at為第一接收電路在溫度為t時(shí)的零位電壓，a /為第二接收電路在溫度 為t時(shí)的零位電壓，bt為第一接收電路在溫度為t時(shí)的靈敏度，b /為第一接收電路在溫度 為t時(shí)的靈敏度；

[0044] 其中，t。表示室內(nèi)溫度，α與。分別表示第一接收電路的零位溫度系數(shù)、第二接 收電路的零位溫度系數(shù)，在數(shù)值上等于溫度改變1°C時(shí)零位電壓值的改變量與量程Y (FS) 之比，即：
[0047] A α與Δ α '分別表示在PM2. 5傳感器的工作溫度變化范圍內(nèi)，第一接收電路的 零位電壓值最大改變量、第二接收電路的零位電壓值最大改變量；A Τ表示ΡΜ2. 5傳感器的 工作溫度變化范圍；
[0048] β = Δ β /(ATXY(FS))
[0049] ξ，' = Δ β r /(ATXY(FS)')
[0050] △ β與△ β I分別表示溫度變化后第一接收電路、第二接收電路的靈敏度的變 化量；
[0051] β與β ^分別表示第一接收電路的靈敏度溫度系數(shù)、第二接收電路的靈敏度溫 度系數(shù)，在數(shù)值上等于溫度改變l°c時(shí)，靈敏度的變化量與量程Y(FS)之比；
[0052] 步驟3. 3、確定第一接收電路測(cè)出的PM2. 5濃度p計(jì)算模型、第二接收電路測(cè)出的 PM2. 5濃度V計(jì)算模型；
[0055] 步驟3. 4、根據(jù)第一接收電路在室溫下的零位電壓a。、第一接收電路在室溫下的靈 敏度b。、第一接收電路的零位溫度系數(shù)α、第一接收電路的靈敏度溫度系數(shù)β，第二接收電 路在室溫下的零位電壓a。'、第二接收電路在室溫下的靈敏度b。'、第二接收電路的零位 溫度系數(shù)α '、第二接收電路的靈敏度溫度系數(shù)β '，在溫度上升為t時(shí)測(cè)得的第一接收 電路、第二接收電路的輸出電壓隊(duì)和1]/，計(jì)算溫度補(bǔ)償后的PM2. 5濃度值p和V ;
[0056] 步驟3. 5、采用線性插值算法得到最終的PM2. 5濃度值Pf，即：
[0058] 有益效果：
[0059] 本發(fā)明利用兩個(gè)相同的接收電路檢測(cè)PM2. 5濃度，減小了誤差，提高了檢測(cè)精度， 利用紅外線光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，紅外線設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格低。主控單元具有功 耗低、通用性好的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0060] 圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的基于紅外線光電轉(zhuǎn)換的PM2. 5傳感器結(jié)構(gòu)框圖；
[0061] 圖2是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的MSP430F1611的單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖；
[0062] 圖3是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的發(fā)射電路原理圖；
[0063] 圖4是本發(fā)明【具體實(shí)施方