道边呼吸带空气质量在线监测系统的制作方法

本发明涉及环境监测设备领域，特别是涉及一种道边呼吸带空气质量在线监测系统。

背景技术：

随着城市和社会经济高速发展，工业化程度的不断提高以及道路车辆的不断增加导致地面道路两侧的空气中CO、CO₂、SO₂、NO、NO₂、O₃等气体的浓度也大大升高，城市环境污染严重，空气质量堪忧，特别是北方城市，常常有全天候雾霾出现，因而道路两侧的空气污染问题已经成为城市建设及发展过程中不可回避的重要民生问题之一。

目前非分散性红外气体滤波相关法广泛应用于二氧化碳浓度测量中，该方法是一种基于气体吸收理论的方法，红外光源发出的红外辐射经过一定浓度待测的气体吸收后，与气体浓度成正比的光谱强度会发生变化，因为求出光谱光强的变化量就可以反演出待测气体的浓度。其技术原理是红外光源发出红外辐射，经过气体滤波相关信号调制后，进入多次反射吸收池，红外辐射被吸收池里的待测气体充分吸收后，经过一个窄带滤波片的滤波，目的是把待测气体特征吸收峰之外的红外能量滤除，只留下可以反映光谱光强变化的那部分能量，再被红外探测器接收，最后通过相关算法及数据处理，最后得出实时所测的待测气体浓度值。

道路两侧的空气中各种气体浓度都是实时变化的，现有的空气质量监测系统通常实时监测性不强，监测数据量小且精度不高，并且只能对其中一类气体如碳氧化物或氮氧化物的浓度进行测量，如若对多种气体浓度进行测量，其仪器设备庞大复杂，成本高，抗干扰能力差，监测结果差。因此亟需提供一种新型的用于监测道路两边空气质量的在线监测系统来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种道边呼吸带空气质量在线监测系统，可同时测量道路两边空气中CO、CO₂、NO、NO₂等多种气体浓度。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种道边呼吸带空气质量在线监测系统，包括机柜、设置在机柜内的工控机、温湿度传感器、光电耦合器、气体校准装置、电源模块、与电源模块相连的控制模块、激光模块、氘灯模块、红外探测及采集模块、电机驱动模块，温湿度传感器、光电耦合器的输出端与控制模块相连，工控机通过RS485与控制模块相互通信，红外探测及采集模块的输出端与工控机相连，电机驱动模块的输出端与气体校准装置相连；

控制模块包括CPU、与CPU相连的A/D转换器、通讯模块；

电源模块包括滤波器、与滤波器输出端相连的降压模块、制冷控制模块；

激光模块用于监测空气中碳氧化物的浓度，包括激光器、温度控制电路、过流保护电路、信号发生倍频电路、驱动电路，温度控制电路、过流保护电路、驱动电路的输出端均与激光器相连，信号发生倍频电路的输出端与驱动电路相连；

氘灯模块用于监测空气中氮氧化物的浓度，包括氘灯电源、与氘灯电源相连的氘灯；

红外探测及采集模块包括依次连接的红外探测驱动电路、红外探测器、锁相放大电路、采集卡，锁相放大电路的输入端还与信号发生倍频电路相连，红外探测驱动电路包括基准电压电路、触发电压调节电路、前置放大电路、第二级负反馈放大电路。

在本发明一个较佳实施例中，电源模块提供的输入电压为24V，降压模块输出的电压为12V。降压模块将电源模块提供的24V电压转换为电机所需的12V电压。

在本发明一个较佳实施例中，CPU采用AVR系列单片机，内部资源丰富，作为控制模块的控制核心。

在本发明一个较佳实施例中，温湿度传感器通过I²C通讯模式与控制模块相连。

在本发明一个较佳实施例中，温度控制电路用于调节激光器的工作温度恒定，包括监测当前实际温度值电路、设定温度值电路、当前实际温度与可设定温度的差值比较电路、灵敏度调节电路；其包括双路恒流源U8、跟随器U7A、U7B、跟随器U3A、反向比例放大器U6A、U6B、U6C，可调电阻VR2、VR3及外围电阻R10、R12、R16—R19、R25、R26、R30—R31、电容C6、C13、C15、C21、C24，其中监测当前实际温度值电路包括激光器的光敏电阻、跟随器U7A、U3A，电阻R10，电阻R10的一端与U8的1脚相连、另一端与U7A的正向输入端相连；设定温度值电路包括U7B、与U7B的正向输入端相连的可调电阻VR3、与U7B的4脚相连的电容C21、与U7B8脚相连的电容C24，VR3、C21、C24的另一端均接地；差值比较电路包括反向比例放大器U6C、与U6C正向输入端相连的电阻R17、R25、与U6C反向输入端相连的电阻R31、R32，R32的另一端连接U6C的输出端，电阻R17的另一端接地；灵敏度调节电路包括反向比例放大器U6B、与U6B的反向输入端相连的电阻R26、VR2、与VR2另一端相连的电阻R30，R30的另一端与U6B的输出端相连。

在本发明一个较佳实施例中，信号发生倍频电路包括调制信号频率及占空比调节电路、调制信号幅度调节电路、信号倍频电路；其包括单片集成函数信号发生器U11、运算放大器U13A、U13B、U16A、U16B、可调电阻VR4、VR6、VR8、电阻R35—R38、R42、R44—R48、R50、R52、R53、电容C26、C34、C39、C48、C50、二极管D9、D11。

本发明的有益效果是：本发明主要用于对近地面道路两侧空气质量进行实时在线监测，可同时测量空气中CO、CO₂、NO、NO₂等多种气体浓度，采用模块化设计，可根据需要改变监测参数和变更系统功能，实时性强，监测数据量大，监测精确度和自动化程度高，具备良好的抗干扰和环境适应能力，运营成本低，监测结果准确可靠。

附图说明

图1是本发明道边呼吸带空气质量在线监测系统一较佳实施例的结构框图；

图2是所述红外探测器驱动电路的电路原理图；

图3是所述温度控制电路的电路原理图；

图4是所述过流保护电路的电路原理图；

图5是所述信号发生倍频电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种道边呼吸带空气质量在线监测系统，包括机柜、工控机、设置在机柜内的温湿度传感器、光电耦合器、气体校准装置、电源模块、与电源模块相连的控制模块、激光模块、氘灯模块、红外探测及采集模块、电机驱动模块。温湿度传感器、光电耦合器的输出端与控制模块相连，温湿度传感器通过I²C通讯模式与控制模块相连，工控机通过RS485与控制模块相互通信，红外探测及采集模块的输出端与工控机相连，电机驱动模块的输出端与气体校准装置相连。温湿度传感器检测机柜内的温度值和湿度值，对机柜内的环境进行监测，遇到异常情况时进行报警。光电耦合器用于控制电机的转动与停止。

电源模块为所述道边呼吸带空气质量在线监测系统的整个电路提供24V电压，其包括滤波器、与滤波器输出端相连的降压模块、制冷控制模块。滤波器对电源模块做滤波处理以减小纹波、降除噪声。由于红外探测及采集模块中的红外探测器的工作温度是—40℃，因此制冷控制模块对红外探测器进行制冷控制。

控制模块包括CPU、与CPU相连的A/D转换器、通讯模块，其中，CPU采用ATMEL公司的AVR系列单片机，型号为atmega128，内部资源丰富，作为控制模块的控制核心。通讯模块包括RS485、I²C等。

红外探测及采集模块用于接收红外光及采集数据，其包括依次连接的红外探测驱动电路、红外探测器、锁相放大电路、采集卡，锁相放大电路用来提高气体吸收的灵敏度，红外探测驱动电路为红外探测器提供驱动信号，红外探测器的输出信号经过锁相放大电路检测出有用的微小信号，即待测气体特征吸收峰，该信号被采集卡采集并处理，采集卡将数据发送给工控机进行分析处理。红外探测驱动电路包括基准电压电路、触发电压调节电路、前置放大电路、第二级负反馈放大电路。请参阅图2，基准电压电路包括可控精密稳压源U7、电阻R20、R27、R31、可调电阻VR2、电容C20、C21，U7的2脚通过电阻R20与电源V6+相连，1脚与R27、R31的一端连接，R27与V12串联，V12的另一端与U7的2脚相连，R31的另一端与U7的3脚相连，C2、C20并接在U7的2脚与3脚之间、其中一端接地。基准电压电路的基准电压即恒压电源由U7提供，它的输出电压由电阻R27、R31、VR2在一定范围内调节，并经过电容C21、C20滤波。触发电压调节电路包括可调电阻VR3、电阻R28，VR3与R28串联后与电容C20并联，该电路的作用是设置触发电压，由可调电阻VR3和电阻R28分压后实现，分压后的触发电压输出到运放U3的同相输入端。前置放大电路包括运算放大器U5、电阻R15、R19、R22、R29、电容C11、C22，运放U5及其外围电路组成的前级反相比例放大电路，电阻R22连接U5的反相输入端2脚，电阻R29与电容C22并联后连接U5的同相输入端3脚，电容C11与电阻R15串联后再与电阻R19并联，两端分别与U5的反相输入端和输出端6脚相连，运放U5是一款极低噪声、低失真运算放大器，用作前置放大器，U5的第7脚和第4脚分别是正负电源输入端。D1端外接一红外传感器，其产生一个矩形波电压输入U5的反相输入端，经该反相比例放大器进行初级放大，输出信号作为第二级负反馈放大电路的输入。第二级负反馈放大电路包括运算放大器U6、电阻R16、R17、R23、R24、R30、可调电阻VR1、电容C14、C17，运放U6及其外围元器件组成的第二级放大电路。U6是一款低噪声、低漂移的高速运放，V2+和V2—分别提供U6的正负电源，U6的同相端由电阻R30接地。由U5的输出经由电容C17滤波后、经电阻R23输入到U6的反相端。电阻R16与电容C14并联后一端与U6的反相端相连、另一端与可调电阻VR1的可调端相连，使该放大电路的放大倍数可以调节。VR1的一端与U6的输出端6脚相连、另一端与R17相连，R17的另一端接地。U6的输出是第6脚，经由电阻R24输出到T2，得到所需信号。

氘灯模块用于监测空气中NO、NO₂等氮氧化物的浓度，其包括氘灯电源、与氘灯电源相连的氘灯。氘灯用来发射紫外光，被监测气体中的氮氧化物吸收其紫外波段，通过对被吸收的紫外波段的相关算法及数据处理，最后得到实时所测待测气体中氮氧化物的浓度值。

激光模块包括激光器、温度控制电路、过流保护电路、信号发生倍频电路、驱动电路，温度控制电路、过流保护电路、驱动电路的输出端均与激光器相连，信号发生倍频电路的输出端与驱动电路相连。激光器发射红外光，用于监测空气中CO、CO₂等碳氧化物的浓度。激光器工作时由驱动电路提供调制信号、扫描信号。

下面分别具体描述所述激光模块中各电路的结构及原理：

由于激光器的波长受到温度影响，温度的变化会改变波长，因而其工作环境需要恒定的温度，所述温度控制电路即实现了激光器工作温度的恒定调节。其采用纯模拟电路，电路精准、可靠，精度高，包括监测当前实际温度值电路、设定温度值电路、当前实际温度与可设定温度的差值比较电路、灵敏度调节电路。请参阅图3，所述温度控制电路包括双路恒流源U8、跟随器U7A、U7B、跟随器U3A、反向比例放大器U6A、U6B、U6C，可调电阻VR2、VR3及外围电阻R10、R12、R16—R19、R25、R26、R30—R31、电容C6、C13、C15、C21、C24，其中监测当前实际温度值电路包括激光器的光敏电阻、跟随器U7A、U3A，电阻R10，电阻R10的一端与U8的1脚相连、另一端与U7A的正向输入端相连；设定温度值电路包括U7B、与U7B的正向输入端相连的可调电阻VR3、与U7B的4脚相连的电容C21、与U7B8脚相连的电容C24，VR3、C21、C24的另一端均接地；差值比较电路包括反向比例放大器U6C、与U6C正向输入端相连的电阻R17、R25、与U6C反向输入端相连的电阻R31、R32，R32的另一端连接U6C的输出端，电阻R17的另一端接地；灵敏度调节电路包括反向比例放大器U6B、与U6B的反向输入端相连的电阻R26、VR2、与VR2另一端相连的电阻R30，R30的另一端与U6B的输出端相连。

所述温度控制电路通过热敏电阻监测当前实际温度值，并通过计算机设定温度，将实际监测的温度和设置的温度通过差值比较电路得到一电压差，即温度差依此调节，并设有灵敏度调节电路来控制温度，从而控制制冷器模块。U8是双路恒流源，提供恒定的电流输出，RT+是激光器的热敏电阻，产生的电压输出和当前的环境温度成正比例关系，此电压经过运放U7A在1脚输出，运放U7A是一跟随器，再经过运放U3A跟随后得到输出电压TS。所需要设定的温度通过可调电阻VR3来设置，改变VR3的阻值即改变电压得到对应的温度值，此值经过运放U7的另一部分U7B跟随输出。监测的电压和设置的电压通过比例放大器U6C后正好得到二者的差值，也即电压差，对应的温度差依此调节。U6A提供控温电流方向平滑切换的缓冲作用。可调电阻VR2及反相比例放大器U6B的作用是灵敏度调节，防止控温的速度过快或者过慢，最后这个差值电压作为输出T0来控制后续的制冷或加热的电流模式和大小，从而实现激光器的温度调节。

另外激光器在工作中电流不能过大，否则会烧毁激光器，所述过流保护电路将激光器的输入电流控制在合适的范围内。请参阅图4，过流保护电路包括内部集成开关的DC—DC开关电源转换芯片U12、运算放大器U15A、可调电阻VR5、VR7，电感L3、二极管D5—D7、电阻R30—R41、R51、电容C17、C33—C38，电容C35与C36并联后一端连接U12的7脚、另一端接地，电阻R40、二极管D6的负极、D6的正极、电阻R41、二极管D7的正极依次相连，D7的负极与U12的4脚相连，D6的负极还与运算放大器U15A的正向输入端相连，U15A的反向输入端与可调电阻VR7的可调电阻端相连，VR7的一端连接9V电压、另一端接地，U15A的输出端与D7的正极、电阻R51相连，电容C37、C17、C38并联后一端与电感L3、C33串联、另一端接地，C33的另一端与U12的1脚相连，C33与L3之间还连接有二极管D5，D5的另一端接地，L3与C37之间连接有可调电阻V15，V15的另一端连接电阻R39，V15的可调电阻端连接U12的4脚，R39的另一端接地。

U12是内部集成开关的DC—DC开关电源转换芯片，该芯片具有高电流输出，宽的电压输入范围：5.5—36V，所述监测系统的输入电压为24V。U12的4脚VSNS是反馈电压调节器，连接到由VR5及R39串联组成的输出电压分压器。电阻VR5是可调电阻，通过改变VR5和R35的分压改变输出电压。U12的8脚PH脚是输出脚，连接到外部电感器L3和二极管D5。输入电流LD—I是激光器电流经取样转化而来的数值，当该值过大时激光器有可能被损坏，所以输入电流LD—I要限制在一定的范围内。LD—I经过电阻R40接到比较器U15A的同相输入端，可调电阻VR7接到U15A的反相输入端，VR7一端接9V电源，另一端接地，则VR7的电压是个可设值。当LD—I过大时，也即U15A的同相输入电压大于VR7设定值时，则比较器的输出电压增大，则U12的4脚VSNS电压上升，此时U12的PH脚输出电压会减小，则输出到激光器的工作电压V+会减小，则激光器的工作电流会减小，从而达到限流保护激光器的目的。D6和R41是闭锁电路，防止驱动电压振荡。

信号发生倍频电路提供信号源，包括调制信号和倍频信号，该电路包括信号发生电路、信号倍频电路。信号发生电路可产生三角波、方波、正弦波信号输出，且信号的频率、占空比、幅度均可调，其中采用正弦波输出作为激光器工作时的调制输入信号，该电路包括调制信号频率及占空比调节电路、调制信号幅度调节电路；在实际应用中，锁相放大电路通常需要参考信号，在所述道边呼吸带空气质量在线监测系统中采用倍频信号作为锁相放大电路的参考输入信号，而信号倍频电路则输出频率为调制信号频率两倍的倍频信号。调制信号和倍频信号是由同一信号源输出，两个信号的相位完全相同。

请参阅图5，信号发生倍频电路包括单片集成函数信号发生器U11、运算放大器U13A、U13B、U16A、U16B、可调电阻VR4、VR6、VR8、电阻R35—R38、R42、R44—R48、R50、R52、R53、电容C26、C34、C39、C48、C50、二极管D9、D11。调制信号频率及占空比调节电路包括与U11的2脚相连的电容C26、与U11的4脚相连的R35、与U11的5脚相连的电阻R37、R35、R37并联后与VR6的一端相连，VR6的另一端与U11的6脚相连，VR6的可调电阻端与9V电压相连。调制信号幅度调节电路包括运算放大器U13A、R36、R38、VR4，R36与R38并联后与U13A的反向输入端相连，R36的另一端与U13A的输出端相连，R38的另一端接地，VR4的可调电阻端与U13A的正向输入端相连、另一端与电容C26相连。信号倍频电路中，R42的一端、U16A的正向输入端、U16B的反向输入端均与U11的9脚相连，U16A的反向输入端、U16B的正向输入端均接地，R45、R46并联后一端与R42的另一端相连、另一端与U16A的输出端相连，R47、R44并联后一端与R42的另一端相连、另一端与U16B的输出端相连，R45、R46之间连接C48，R47、R44之间连接有C50，D9的负极与C48相连、正极通过R48与9V电压相连，D11的负极与C50相连、正极与R48、R53相连，运算放大器U13B的正向输入端与D9的正极相连、反向输入端与VR8的可调电阻端相连、输出端与R50相连，R50的另一端与R52连接，VR8的一端与R42连接、另一端与R52的另一端相连。

信号发生电路的工作原理是：芯片U11的2脚输出正弦波作为激光器的调制信号，芯片U11的9脚输出方波信号，此信号经处理将来用作参考信号，也即该电路是有两路信号输出。从芯片U11的2脚和9脚输出的两个波形频率和占空比是一样的，该频率及占空比由参数R35、R37、VR6、C39的值配置决定，调节VR6的值可以改变信号的频率及占空比，所以调制信号的频率及占空比的调节比较灵活。U13A是一比例放大器，从2脚出来的正弦波经过可调电阻VR4输入到比较器U13A的同相端，放大器的放大倍数由电阻VR4、R38、R36决定，改变VR4的阻值即改变放大倍数，则改变了正弦波的信号幅度，所以调制信号的幅度调节也比较灵活。

信号倍频电路的工作原理是：芯片U11具有两组比较输入、输出对，U11的9脚输出的方波分别进入U16A的3脚和U16B的6脚。U16A和U16B构成双向比较器，D9、D11均通过上拉电阻R48连接+9V电源。对于U16A，当3脚输入方波的正半周时，则1脚输出高电平，由于二极管D9的隔断，高电平无法通过。而对于U16B，当6脚输入方波的正半周时，则7脚输出低电平，那么通过电容C50后维持低电平，这样由电容C50开始充电，C50的电平逐渐升高。也就是，在9脚输出正半周的这半个周期中，C50的电平完成了由低到高的三角波变化过程。此信号通过D11后输出到比较器U13B的同相端。同样的道理，当U11的9脚输出方波的负半周期时，U16A的输出1脚为低电平，电容C48完成由低到高的充电过程，通过二极管D9输出到比较器U13B的同相输入端。而对于U16B来说，当U11输出方波的负半周时，U16B的7脚输出高电平，因二极管D11的隔断无法通过。综上，在U13B的同相输入端完成了由低到高，再由低到高的两次电压变化，频率(2f)即变成了原来频率(f)的2倍。U13B是一比较器，改变反相输入端VR8的阻值可以调节信号的占空比，U13B的7脚输出是一方波信号，此信号作为参考信号。那么，从T8出来的信号是从T7出来的信号的两倍，即完成了信号的倍频。

所述激光模块监测空气中CO、CO2的气体浓度采用美国EPA认可的非分散红外气体滤波相关法(GB9801—88)，该方法是基于CO、CO2气体在中红外波段的吸收的原理。本发明所述监测系统的工作原理是激光器发出的光经过光学系统准直后进入反射端，光路经多次反射后，红外辐射被待测气体吸收，经过一个窄带滤光片滤波，目的是把待测气体特征吸收峰之外的红外能量滤除，只留下可以反映光谱光强变化的那部分能量，再被红外探测器接收，通过相关算法及数据处理，最后得出实时所测的待测气体浓度值。

所述道边呼吸带空气质量在线监测系统主要用于对近地面道路两侧空气质量进行实时在线监测，了解城市低层面环境空气质量状况，可通过对多套系统进行联网，组建空气质量监测网，建立区域空气质量保障监测预警体系。其可同时测量空气中CO、CO₂、SO₂、NO、NO₂等多种气体浓度，采用模块化设计，可根据需要改变监测参数和变更系统功能，实时性强，监测数据量大，监测精确度和自动化程度高，具备良好的抗干扰和环境适应能力，运营成本低，监测结果准确可靠。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。