一种红外PM2.5浓度传感器及检测方法与流程

本发明涉及PM2.5浓度传感器领域，特别是涉及一种红外PM2.5浓度传感器及检测方法。

背景技术：

随着社会及经济的不断发展，人们的生活水平不断提高，衣食住行等更加便利，但伴随着人口增长和工业化发展等因素，环境污染却越来越严重，各种污染物和悬浮颗粒物大量增加，导致雾霾的产生。其中的PM2.5浓度(直径小于2. 5um 的微小颗粒物)与人体健康息息相关，直接导致了各种呼吸道疾病发病率的大幅上升给人们的生活和身体健康带来了不良影响，因此，对于空气中悬浮颗粒物检测技术的研究刻不容缓。最近几年，人们关心的空气污染指标主要是粉尘的浓度，特别是PM2.5浓度的浓度，空气净化技术及空气净化类产品得到了迅猛的发展，同时人们对PM2. 5的数值也越来越关注，这就需要一款高精度的粉尘检测传感器来直观地体现空气中的情况，以确定是否需要对室内空气进行净化，或者评估自己所处的环境是否适合进行某些活动。

目前的出现了很多粉尘传感器，普遍是基于激光或者红外的传感器技术。其中红外PM2.5浓度粉尘传感器相比激光传感器寿命较长，价格较便宜，采用发热电阻使内部空气进行流动、但同时由于红外发射及接收器件自身的原因、在中低浓度的情况下精度普遍较低，另外一方面在粉尘超高浓度的情况下，即使对精度的要求较低，但由于红外发射及接收器件自身的原因，仍存在发生饱和现象无信号输出的异常情况发生。而激光PM2.5浓度粉尘传感器价格高、寿命短、且由于自带风扇以便空气流通，导致工作电流大。所以市场上的普及并不高，特别是家电及涉及家电的检测模块。在人们日益追求高品质生活的情况下，迫切需要一种价格低廉、携带方便、成本低廉的PM2.5浓度传感器及检测方法，以便大范围的将PM2.5浓度检测普及到各行各业。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种红外PM2.5浓度传感器，以解决现有的PM2.5浓度传感器精度较低和在粉尘超高浓度的情况下容易出现饱和而无信号输出的问题。为此本发明采用的具体技术方案如下：

一种红外PM2.5浓度传感器，包括PCB板、红外发射/接收单元、驱动电路单元、包括至少一路电流电压变换电路的电流电压变换电路单元、包括具有不同增益的至少两路放大滤波电路的放大滤波电路单元、开关控制电路单元、MCU和输入输出接口单元，所述的红外发射/接收单元、驱动电路单元、电流电压变换电路单元、放大滤波电路单元、开关控制电路单元、MCU和输入输出接口单元全部或部分集成在所述PCB板上，以形成至少两个红外PM2.5浓度检测电路，所述开关控制电路单元与所述放大滤波电路单元和所述MCU电连接，用于根据MCU预设的程序，将所述放大滤波电路单元中的低增益系数的放大滤波电路切换至高增益系数的放大滤波电路，和/或将多路放大滤波电路进行串联以实现连续放大滤波，所述MCU与所述的红外发射/接收单元、驱动电路单元、放大滤波电路单元、开关控制电路单元和输入输出接口单电连接，用于对经由所述至少两路红外PM2.5浓度检测电路检测到的PM2.5浓度信号进行计算分析，并将结果通过所述输入输送接口单元传输至外部。

进一步的，所述红外PM2.5浓度传感器还包括脉冲信号电路单元，所述脉冲信号电路单元串联在所述MCU与所述驱动电路单元之间，以实现对所述驱动电路单元进行间歇式供电。

进一步的，所述红外发射/接收单元包括红外发射组件和至少一个红外接收组件，所述红外发射组件由所述驱动电路驱动，所述红外接收组件与所述电流电压变换电路单元电连接。

进一步的，所述输入输出接口单元包括有线通信模块或无线通信模块。

更进一步的，所述无线通信模块包括红外通信模块、蓝牙无线通信模块、wifi通信模块或zigbee通信模块。

本发明还提供了一种应用如上所述的红外PM2.5浓度传感器检测PM2.5浓度的方法，所述方法为：所述MCU对各路红外PM2.5浓度检测电路检测到的PM2.5浓度信号进行计算，然后将计算结果与预设PM2.5浓度阈值进行比较分析，再根据比较分析结果进行相应补正，并输出PM2.5浓度值。

进一步的，所述方法具体是，设置至少两个不同的PM2.5浓度阈值β1和β2，其中，β2>β1，当MCU计算出具有不同增益系数hFE1和hFE2的至少两路放大滤波电路对应的PM2.5浓度值A1和A2均小于β1时，补正后的PM2.5浓度值为（A1+A2）/2，当A1较小甚至为0，且A2在β1与β2之间时，补正后的PM2.5浓度值为A2，当A1较小甚至为0，且A2在≥β2或者为0时，所述MCU控制所述开关电路单元将不同增益系数hFE1和hFE2的至少两路放大滤波电路串联形成新的放大滤波电路，新的放大滤波电路的增益系数hFE3≈hFE1* hFE2，MCU根据hFE3重新计算出补正后的PM2.5浓度值A3，并进行输出。

更进一步的，hFE2是hFE1的50倍至1000倍。

此外，本发明还提供了一种应用包括脉冲信号电路单元的如上所述的红外PM2.5浓度传感器检测PM2.5浓度的方法，所述方法为：所述MCU对各路红外PM2.5浓度检测电路检测到的PM2.5浓度信号进行计算，然后将计算结果与预设PM2.5浓度阈值进行比较分析，再根据比较分析结果进行相应补正，然后将补正后的PM2.5浓度值与预设的PM2.5浓度上限阀值进行比较，输出PM2.5浓度值并判断是否进入间歇供电模式。

进一步的，所述方法具体是：设置至少两个不同的PM2.5浓度阈值β1和β2，其中，β2>β1，当MCU计算出具有不同增益系数hFE1和hFE2的至少两路放大滤波电路对应的PM2.5浓度值A1和A2均小于β1时，补正后的PM2.5浓度值为（A1+A2）/2，当A1较小甚至为0，且A2在β1与β2之间时，补正后的PM2.5浓度值为A2，当A1较小甚至为0，且A2在≥β2或者为0时，所述MCU控制所述开关电路单元将不同增益系数hFE1和hFE2的至少两路放大滤波电路串联形成新的放大滤波电路，新的放大滤波电路的增益系数hFE3≈hFE1* hFE2，MCU根据hFE3重新计算得到补正后的PM2.5浓度值，然后，MCU读取补正后的PM2.5浓度值，并与预设的PM2.5浓度上限阀值α进行比较，如果补正后的PM2.5浓度值＞上限阀值α，则脉冲电路信号单元启动，驱动电路单元对红外发射/收单元供电进行控制，并停止供电，持续时间t1，此t1时间段内，PM2.5浓度的输出值按照上个时间段内的PM2.5浓度值的斜率进行预测，MCU输出此预测的PM2.5浓度值，断电时间t1完成后，再次供电，持续时间t2，此时间段内MCU读取补正后的PM2.5浓度值并进行输出，同时并计算上次断电前最后的PM2.5浓度值与本次通电时PM2.5浓度值的变化斜率，然后，将新读取的补正后的PM2.5浓度值再次和所设的上限阀值α进行比较，并判断是否进入间歇供电模式。

更进一步的，hFE2是hFE1的50倍至1000倍。

本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是：本发明的红外PM2.5浓度传感器制造成本低，检测精度高，在超高浓度下也能够输出正确的PM2.5浓度值，并且能够通过间歇式供电，使其功耗降低。

附图说明

图1是根据本发明实施例的红外PM2.5浓度传感器的系统图；

图2是采用图1所示的红外PM2.5浓度传感器检测PM2.5浓度的方法的流程示意图；

图3是采用图1所示的红外PM2.5浓度传感器检测PM2.5浓度的方法的高浓度下功耗削减的流程示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。参照图1，描述红外PM2.5浓度传感器的一个优选实施例。红外PM2.5浓度传感器1包括PCB板10、红外发射/接收单元20、驱动电路单元30、电流电压变换电路单元40、放大滤波电路单元50、开关控制电路单元60、微控制器单元（MCU）70和输入输出接口单元80，所述的红外发射/接收单元20、驱动电路单元30、电流电压变换电路单元40、放大滤波电路单元50、开关控制电路单元60、MCU和输入输出接口单元80全部（如图1所示）或部分集成在PCB板10上，以形成至少两路红外PM2.5浓度检测电路。

红外发射/接收单元20可包括红外发射组件21、至少一个红外接收组件22、使内部气体流动的组件23、外壳腔体和透镜（未示出）等。红外发射组件21与红外接收组件22相对，即红外发射组件21发出的红外线穿过待检测PM2.5浓度的空气后直接被红外接收组件22接收。红外发射组件21可由红外发射二极管或三极管等红外发射元件，及其周边电路组成。红外发射组件21由驱动电路30驱动，以发射红外线。红外接收组件22可由红外接收元件及其周边电路组成。使内部气体流动的组件23通常是发热电阻。空气在发射组件和接收组件之间流过、由于光的折射等使接收组件产生不同的电流信号。

驱动电路30与MCU和输入输出接口单元80电连接，以得到驱动红外发射组件21所需的功率。

电流电压变换电路单元40可包括至少有一组电流电压变换电路41，即可以有n多组电流电压变换电路、此处n≥1。电流电压变换电路41用于将接收组件产生的电流信号转换成电压信号。

放大滤波电路单元50可包括至少两组放大滤波电路51、即可以有m组放大滤波电路滤波电路、此处m≥2。不同的放大滤波电路51具有不同的增益系数。放大滤波电路51可以与电流电压变换电路41一一对应，或者一路电流电压变换电路41可以对应多路放大滤波电路51。放大滤波电路51将电流电压变换电路41输入的电压进行放大滤波后再输入到MCU中进行处理。

开关控制电路单元60与放大滤波电路单元50和MCU电连接，用于根据MCU预设的程序，将放大滤波电路单元50中的低增益系数的放大滤波电路51切换至高增益系数的放大滤波电路51，和/或将多路放大滤波电路51进行串联以实现连续放大滤波。优选地，具有高增益系数的放大滤波电路51的增益系数是具有低增益系数的放大滤波电路51的增益系数的50倍至1000倍。

输入输出接口单元80包括数据通信接口模块和供电接口模块等。数据通信接口模块可以包括有线通信模块或无线通信模块。无线通信模块例如是红外通信模块、蓝牙无线通信模块、wifi通信模块或zigbee通信模块等。外部设备可以通过该供电接口模块向红外PM2.5浓度供电。MCU将经由所述至少两个红外PM2.5浓度检测电路检测到的PM2.5浓度信号进行计算分析并将结果通过输入输送接口单元80的数据通信接口模块传输至外部进行显示。

此外，红外PM2.5浓度传感器1还可包括脉冲信号电路单元90，脉冲信号电路单元90串联在MCU与驱动电路单元30之间，以实现对驱动电路单元30进行间歇式供电，进而使红外PM2.5浓度传感器1间歇式工作。当MCU检测到的PM2.5浓度值处于超高浓度下时，脉冲信号电路单元90启动，红外PM2.5浓度传感器1间歇式工作，从而减少红外PM2.5浓度传感器1的功耗。

此外，红外PM2.5浓度传感器1可选择是否用外壳进行包封。外壳材料可以是树脂、金属或树脂金属两者配合使用，并可以根据需要设计成多种形状。

下面参照图2和3，说明应用如上所述的红外PM2.5浓度传感器1检测PM2.5浓度的方法。所述方法为：所述MCU对各路红外PM2.5浓度检测电路检测到的PM2.5浓度信号进行计算，然后将计算结果与预设PM2.5浓度阈值进行比较分析，再根据比较分析结果进行相应补正，并输出PM2.5浓度值。优选地，补正的方法可以是下述方法的一种，但不局限于下述方法：对同一时间或时间段内各路信号所代表的PM2.5浓度进行平均、取中间值、累积平均、加权平滑或抽取突变等的运算。

如图2所示，本实施例仅举例说明如何在低PM2.5浓度下提高精度、同时在高PM2.5浓度下防止数据无法输出或输出数据为0的问题。为了描述方便，本实施例假设红外PM2.5浓度传感器1具有两路电流电压变换电路（第一电流电压变换电路和第二电流电压变换电路）和两路放大滤波电路（第一放大滤波电路和第二放大滤波电路）。该两路电流电压变换电路分别与两路放大滤波电路相连接以形成两路红外PM2.5浓度检测电路。这里假设两路电流电压变换回路的参数一致，两路放大滤波电路的增益系数分别为hFE1和hFE2,其中hFE2为高增益系数、并假设hFE2=100倍hFE1。当然，hFE2也可以是其它hFE1的其它倍数，优选地在50倍至1000倍之间。预先设定的PM2.5浓度的高浓度阀值为β1、超高浓度阀值为β2。第一电流电压变换电路输出的电压经由第一放大滤波电路放大滤波后进入MCU，由内部MCU处理计算得到对应的PM2.5浓度值A1，第二电流电压变换电路输出的电压经由第二放大滤波电路放大滤波后进入MCU，由内部MCU处理计算得到对应的PM2.5浓度值A2。MCU在PM2.5浓度数据输出时事先进行判断、当两路PM2.5浓度值A1及A2均在高浓度阀值为β1以下时，MCU输出的PM2.5浓度值为（A1+A2）/2，即二者的平均值；当两路PM2.5浓度值中，A较小甚至为0，且A1在β1~β2之间时,PM2.5浓度处于高浓度，红外发射/接收电路产生的信号及其微弱，在第一红外PM2.5浓度检测电路的相对参数下，第一红外PM2.5浓度检测电路已经饱和失效，MCU输出的PM2.5浓度值为A2；当两路PM2.5浓度值中，A1较小甚至为0，且A2≥β2或者为0时，PM2.5浓度进入超高浓度，第一红外PM2.5浓度检测电路已经饱和失效，甚至第二红外PM2.5浓度检测电路也可能已失效，此时MCU控制开关电路单元将两路放大滤波电路组合为新的放大滤波电路，新的放大滤波电路的增益系数hFE3≈hFE1* hFE2，MCU根据hFE3重新计算出新的PM2.5浓度值，并进行输出。

如图3所示，本实施例仅举例说明在PM2.5浓度超高的情况下、如何削减PM2.5浓度传感器1的功耗。首先MCU读取内部的PM2.5浓度值，并与预设的PM2.5浓度上限阀值α进行比较。如果内部读取的PM2.5浓度值＞预设上限阀值α，则脉冲信号电路单元启动，驱动电路单元对红外发射及接收单元的供电进行控制，并停止供电，持续时间t1，此断电的t1时间段内，MCU输出的PM2.5浓度值按照上个时间段内的PM2.5浓度值的斜率进行预测，MCU输出此预测的PM2.5浓度值。断电时间t1完成后，再次供电，持续时间t2。此时间段内MCU读取实际PM2.5浓度值并进行输出，同时计算上次断电前最后的PM2.5浓度值与本次通电时PM2.5浓度的变化斜率，记为新的k1。然后，将新读取的实测PM2.5浓度值再次与所设的上限阀值α进行比较，并判断是否进入间歇供电模式。本实施例通过间歇性对红外发射及接收单元以及发热组件间歇的供电，来提高传感器发光源的使用效率，削减超高浓度下的PM2.5浓度传感器功耗，延长发光源的使用寿命，降低应用成本。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。