一种多功能空气质量检测装置的制作方法

本实用新型涉及空气质量参数检测技术领域，具体涉及一种多功能空气质量检测装置。

背景技术：

在社会经济快速发展和人民生活水平的日益提高的同时，日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中所产生的残留物也被大量的排放到空气中，这些残留物大多为含有重金属等有毒物质的颗粒物，这些颗粒物所引起的雾霾严重影响了空气的质量。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，由于PM2.5可以无阻碍的进入人体的肺并引起一系列的呼吸系统疾病，因此PM2.5浓度成为了判断空气质量的重要指标之一。

目前常用的检测空气中PM2.5浓度的装置主要是基于β射线法PM2.5检测装置。任环、尤逢尧等人提出了一种PM2.5检测装置（CN201420117903），该装置包括光散射粉尘传感器，用于测量大气中的粉尘颗粒的参数；β射线传感器，用于测量大气中的β粒子记数值；计算机与光散射粉尘传感器和β射线粉尘传感器连接，获取所述粉尘颗粒的参数和β粒子记数值并进行分析和计算，从而得出大气中PM2.5的浓度值。这种检测方法在潮湿高温区域所得检测浓度会产生很大偏差，并且该种装置具有结构复杂、功能单一、不利于携带等缺点。因此设计出一套结构简单，便于携带，人性化的PM2.5检测装置将会有很大市场前景。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供了多功能空气质量检测装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种多功能空气质量检测装置，包括PM2.5传感器模块、温湿度传感器模块、一氧化碳传感器模块、氨气硫化物传感器模块、AD转换模块、主控制器、GPS定位模块、数据缓存器、数据存储模块、报警模块、照明模块以及指令输入模块和结果显示模块；

PM2.5传感器模块及温湿度传感器模块的输出端分别连接主控制器；

一氧化碳传感器模块及氨气硫化物传感器模块的输出端分别经AD转换模块连接主控制器；

GPS定位模块及数据存储模块分别连接主控制器；

报警模块及照明模块的输入端分别连接主控制器；

指令输入模块和结果显示模块与主控制器连接。

进一步的，主控制器为FPGA，FPGA包括内部存储单元搭建的单时钟FIFO数据缓存器。

进一步的，PM2.5传感器模块采用DSL-03数字式PM2.5传感器，其VCC管脚接+5V，GND管脚接地，RXD管脚、TXD管脚与FPGA的相应串行通讯接口相连。

进一步的，一氧化碳传感器模块采用MQ-7传感器进行一氧化碳检测，氨气硫化物传感器模块采用MQ-135传感器，AD转换模块采用ADS1115芯片；MO-7、MQ-135的模拟输出管脚AO与ADS1115芯片的模拟输入管脚AIN0和AIN1相连，ADS1115芯片SCL、SDA引脚与FPGA的IO口相连，通过I2C通信方式与FPGA通信。

进一步的，数据存储模块采用SD卡，SD卡采用SPI方式与FPGA进行通信。

进一步的，照明模块采用LED，LED串联限流电阻R1后连接至FPGA的IO口。

进一步的，报警模块电路包含一个蜂鸣器BEEP和PNP型三极管Q1，三极管Q1的基极连接FPGA的IO口，发射极串联蜂鸣器后连接+5V电源，集电极接地。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：采集空气中PM2.5、温湿度、一氧化碳以及氨气硫化物的浓度，并获取当前的位置信息，当采集到的空气指标超出设定的阈值范围报警模块便会产生报警，同时为了以后的进一步处理，将这些数据送入数据存储器中进行保存；当用户进行夜间工作的时候可根据需要打开相应的照明功能。这种带照明功能的多功能空气质量检测装置具有检测精度高、结构简单、便于携带、功能丰富优点。

附图说明

图1是本实用新型空气质量检测装置的原理框图；

图2是实施例中温湿度传感器及PM2.5传感器与FPGA的连接电路图；

图3是实施例中一氧化碳传感器及氨气硫化物传感器与FPGA的电路图；

图4是实施例中GPS定位模块与FPGA的电路图；

图5是实施例中SD存储模块与FPGA的连接电路图；

图6是实施例中报警及照明模块的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型的一种多功能空气质量检测装置，如图1所示，包括PM2.5传感器模块、温湿度传感器模块、一氧化碳传感器模块、氨气硫化物气体传感器模块、AD转换模块、主控制器、GPS定位模块、数据存储模块、报警模块、照明模块以及指令输入模块和结果显示模块；

PM2.5传感器模块及温湿度传感器模块的输出端分别连接主控制器；

一氧化碳传感器模块及氨气硫化物气体传感器模块的输出端分别经AD转换模块连接主控制器；

GPS定位模块及数据存储模块分别连接主控制器；

报警模块及照明模块的输入端连接主控制器；

指令输入模块和结果显示模块与主控制器连接。

本实用新型空气质量检测装置，主控制器采用现有技术中的FPGA内部的NIOS II嵌入式处理器，并在FPGA内部存储单元搭建单时钟数据缓存器FIFO。本实用新型工作原理为：首先通过PM2.5传感器模块、温湿度传感器模块将采集到的数字信号直接送入FPGA的数据缓存器中进行缓存，一氧化碳传感器模块以及氨气硫化物气体传感器模块将采集到的模拟信号经过AD转换模块转换后也送入数据缓存器中；主控制器控制GPS定位模块获取当前的位置信息，接着将数据缓存器中的数据连同当前位置信息送到显示模块上显示，同时也将其送入数据存储模块中进行实时的保存，便于后期的分析与处理；当检测到所采集到的空气指标超出设定的阈值范围，主控制器便驱动报警模块进行报警提示；当用户进行夜间检测工作的时候可根据需要打开相应的照明功能；照明功能和空气不同成分采样功能以及位置信息获取功能都可以由用户通过指令输入模块进行相应的输入设置。这种带照明功能的多功能空气质量检测装置具有检测精度高、结构简单、便于携带、功能丰富等优点。

实施例

本实施例中，结合图1至图6，以下分模块具体介绍：

主控制器：采用现有技术中的FPGA，该片内处理器是ALTERA公司推出的采用哈佛结构、具有32位指令集的第二代片上可编程的软核处理器NIOS II。数据缓存器为FPGA内部存储单元搭建FIFO，该FIFO缓存器为单时钟FIFO；FPGA采集PM2.5传感器模块、温湿度传感器模块，将采集到的数字信号直接送入FIFO数据缓存器中进行缓存，一氧化碳传感器模块以及氨气硫化物气体传感器模块将采集到的模拟信号经过AD转换模块转换后也送入数据缓存器中。

PM2.5传感器模块：采用DSL-03数字式PM2.5传感器，该传感器采用+5V电源供电，其VCC管脚接+5V，GND管脚接地，通过串口通讯接口与外部进行通讯，RXD管脚为串行通讯的接收引脚，用来接受主控制器发送给DSL-03的命令，TXD管脚为串行通讯的发送管脚，用来将检测得到的PM2.5浓度数据发送给主控制器；该传感器具有检测数值稳定，抗干扰能力强的特点。PM2.5传感器DSL-03与FPGA的连接电路图如图2所示，RXD管脚、TXD管脚与FPGA的相应串行通讯接口相连，PM2.5传感器采集外界环境中PM2.5浓度数据发送给FPGA。

温湿度传感器模块：采用DTH11芯片，这是一款复合型数字式温湿度传感器模块，其测量范围：湿度20%-90%RH，温度0-50℃，精度湿度±5%RH，温度±2℃，具有体积小，功耗低，使用简单快捷等特点。采用+5V电源供电，其VCC管脚接+5V，GND管脚接地，DO管脚为数字输出管脚。温湿度传感器DTH11与FPGA的连接电路图如图2所示，DO管脚与FPGA的IO引脚相连，FPGA可按照一定的时序从这个DO管脚采集相应的温湿度数据。

一氧化碳传感器模块：采用MQ-7传感器进行一氧化碳检测，MQ-7传感器采用+5V电源供电，其VCC管脚接+5V，GND管脚接地，DO为数字输出管脚(低电平有效)，AO为模拟输出管脚。当MQ-7传感器正常工作时，DO输出一个低电平，AO输出的电压随着被检测到的一氧化碳的浓度升高而升高，当无一氧化碳时，AO输出的电压为0.1V-0.3V，当有一氧化碳时，AO输出的电压随浓度升高，最高为4V。

氨气硫化物传感器模块：采用MQ-135传感器进行检测，MQ-135传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增大。在将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-135传感器也采用+5V电源供电，其VCC管脚接+5V，GND管脚接地，DO为数字输出管脚(低电平有效)，AO为模拟输出管脚。当MQ-135传感器正常工作时，DO输出一个低电平，AO输出的电压随着被检测到的氨气、硫化物气体的浓度升高而升高，当无氨气、硫化物气体时，AO输出的电压为0.1V-0.3V，当有氨气、硫化物气体时，AO输出的电压随浓度升高，最高为4V。由于MQ-7传感器及MQ-135传感器的AO引脚输出的是模拟信号，需要将其转换为相应的数字信号后发送至FPGA。

AD转换模块：采用使用美国德州仪器生产的ADS1115 16位ADC芯片进行模数信号转换，该芯片是一款16位高精度ADC，支持多通道，测量结果准，测量速度快。ADS1115同时与MQ-7、MQ-135以及FPGA相连，参见图3所示，MO-7、MQ-135的模拟输出管脚AO与ADS1115芯片的模拟输入管脚AIN0和AIN1相连，ADS1115芯片SCL、SDA引脚与FPGA的IO口相连，通过I2C通信方式将MO-7、MQ-135采集的信号上传至FPGA中。

GPS定位模块：采用NS-1613元件，该传感器采用+5V电源供电，其VCC管脚接+5V，GND管脚接地，其通过串口通讯接口与外部设备进行通讯，RXD管脚为串行通讯的接收引脚，用来接收外部设备发送给NS-1613元件的命令，TXD管脚为串行通讯的发送管脚，用来将当前的经纬度等位置信息发送出去，PPS为时钟脉冲输出引脚。NS-1613元件与FPGA的连接关系参见图4，GPS定位模块的RXD引脚、TXD引脚均与FPGA的IO口相连。

数据存储模块采用现有技术中的SD卡进行数据存储，SD卡采用SPI方式与FPGA进行通信，参见图5，SD芯片的MISO，MOSI引脚分别为SPI接口的输出和输入；SCK端用于SPI时钟，SD_CS为片选信号，高电平有效，它们均与FPGA的IO口相连。照明模块采用LED进行照明，LED串联限流电阻R1后连接至FPGA的IO口，参见图6，LED灯的开关通过FPGA的IO口控制，IO口输出高电平，则LED灯亮。报警模块采用蜂鸣器实现，该模块电路包含一个蜂鸣器BEEP和PNP型三极管Q1，三极管Q1的基极连接FPGA的IO口，发射极串联蜂鸣器后连接+5V电源，集电极接地。通过FPGA的IO口控制报警模块的工作，当IO为高电平时，三极管Q1断开，蜂鸣器不工作，当IO为低电平时，三极管Q1连通，蜂鸣器报警。

指令输入模块和结果显示模块采用TFT触摸屏。照明功能和空气不同成分采样功能以及位置信息获取功能都可以由触摸屏进行相应的输入设置。例如是否进行照明、PM2.5、一氧化碳或氨气硫化物浓度报警阈值的设置、是否进行GPS定位的设置。同时触摸屏中还显示采集的PM2.5、温湿度、一氧化碳、氨气硫化物的浓度以及GPS定位位置信息。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。