一种空气质量检测系统的制作方法

1.本实用新型涉及气体检测领域，更具体地，涉及一种空气质量检测系统。


背景技术：

2.气体传感器中的气敏材料在高温下，其电阻值是随混合气体中的voc含量(浓度)变化而变化，通过测量气敏材料阻值(气敏电阻)从而间接获得voc含量(浓度)，但实际应用中，气敏电阻也会受到混合气体中的水分含量影响。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种空气质量检测系统，使单片机获得更精确的气体voc浓度。
4.本实用新型采取的技术方案是，
5.一种空气质量检测系统，包括单片机、温湿度传感器、气体传感器，所述单片机连接所述温湿度传感器、气体传感器，所述温湿度传感器用于获取温湿度信息，所述气体传感器用于获取空气的voc浓度，所述单片机获取所述温湿度信息和voc浓度后，根据所述温湿度信息补偿校准空气的voc浓度，所述气体传感器包括加热电阻r
heat
、气敏电阻rs，所述气体传感器的加热电阻r
heat
还连接有电阻r4，所述电阻r4的一端接地。
6.本实用新型在单片机获取温湿度信息和气体voc浓度的基础上，进一步根据现有的缺陷：水分含量影响voc浓度的测量上，使得单片机进一步基于温湿度信息给所述气体voc浓度做出补偿运算，使得单片机在运算后获得更加精确的气体voc浓度值，提高了系统结果的精准度。
7.作为一种可选的实施方式，所述单片机包括io接口，所述io接口连接所述加热电阻r
heat
，用于对所述加热电阻r
heat
的电流调节；所述单片机包括adc接口，所述adc接口连接所述气敏电阻rs，所述单片机通过所述adc接口获取所述所述气敏电阻rs的阻值变化。
8.作为一种可选的实施方式，还包括电阻r3，所述电阻r3一端连接所述io接口，且另一端串联所述加热电阻r
heat
，所述单片机通过控制所述io接口控制所述加热电阻r
heat
的电流；或，所述电阻r3的阻值为200～500ω，优选的，电阻r3的阻值为300ω。
9.本实用新型通过设置单片机的io口，通过控制io口的高低电平改变加热电阻r
heat
rh的电流，让传感器的加速预热，为气敏电阻rs的运行环境提供合适的高温的环境，同时，通过控制io接口端的电平也实现了快速预热的效果，提高系统运行的效率；同时，受限于所述单片机的器件运行要求，电路中的电流有一定的限制，因此，增加了电阻r3，通过r3调节加热电阻r
heat
的电流，加快预热进程。
10.作为一种可选的实施方式，所述气体传感器具有接地的一端；或，所述电阻r4的阻值为50～100ω，优选的，r4的阻值为68ω，r4作为加热电阻r
heat
主固定电流。
11.本实用新型中的电阻r4与电阻r3均与所述加热电阻r
heat
串联，其中电阻r4为所述加热电路的一部分，适配所述加热电阻r
heat
。
12.作为一种可选的实施方式，气敏电阻rs气敏电阻rs气敏电阻rs所述气敏电阻rs串联有分压电阻r1。
13.作为一种可选的实施方式，所述分压电阻r1的阻值为，为50kω～150kω，优选的，r1的阻值选用100kω。
14.本实用新型中，所述分压电阻r1与所述气敏电阻rs构成分压电路，adc接口通过连接到所述分压电路进行adc采样气敏电阻rs分压，获取得出气敏电阻rs的电压信号与阻值变化，通过气敏电阻rs与voc浓度关系可以测出voc浓度。
15.作为一种可选的实施方式，设有供电数据接口，所述供电数据接口用于输入5v电源给所述单片机。
16.作为一种可选的实施方式，所述供电数据接口并联有电阻r5和电阻r6，所述电阻r5和所述电阻r6的阻值范围在5kω～15kω；优选的，选用阻值为10kω的电阻r5和电阻r6。
17.本实用新型中这两个电阻的存在是为了让iic通讯的时候有确定的高低电平，让通讯更加的稳定，匹配iic协议总线要求。
18.作为一种可选的实施方式，所述供电数据接口连接有iic总线，所述iic总线使用标准iic协议通讯，所述iic总线用于连接外部设备，所述外部设备通过所述iic总线和标准iic协议读取所述单片机数据。
19.作为一种可选的实施方式，所述供电数据接口包括ldo线性稳压器，通过所述ldo线性稳压器后的电源电压大小为3.0v，所述电源输入到所述温湿度传感器和所述气体传感器。
20.作为一种可选的实施方式，所述ldo线性稳压器并联有滤波电容，用于提供一个更平滑的电压。
21.作为一种可选的实施方式，所述滤波电容一端并联所述ldo线性稳压器，一端接地。
22.作为一种可选的实施方式，所述滤波电容包括第一电容、第二电容、第三电容。
23.作为一种可选的实施方式，所述单片机包括iic接口，所述iic接口连接所述温湿度传感器，所述单片机通过iic接口获取温湿度传感器的测量到的温湿度数据。
24.作为一种可选的实施方式，所述温湿度传感器与所述单片机之间使用iic通讯协议通信，或，所述温湿度传感器与所述iic接口之间设有上拉电阻r8与r9。
25.作为一种可选的实施方式，所述上拉电阻r8和r9的阻值为1kω～15kω；优选的，r8、r9的阻值选用10kω。
26.本实用新型中，上拉电阻的加入使得iic总线通讯时有一个确定的电平状态，单片机与温湿度传感器连接或者读取数据时iic通讯的稳定。
27.作为一种可选的实施方式，包括pcb板，所述气体传感器、所述温湿度传感器、所述单片机集成于所述pcb板，所述pcb包括至少一隔离岛，所述隔离岛周围设有通孔，所述气体传感器或所述温湿度传感器设于所述隔离岛。
28.作为一种可选的实施方式，所述通孔为c型结构，所述通孔的开口处设置连通所述pcb板，用于形成所述隔离岛。
29.作为一种可选的实施方式，所述pcb板设有两个隔离岛，两个隔离岛的开口方向相反设于所述pcb板的两端。
30.一种测量方法，用于所述的检测系统中所述气敏电阻rs的测量，基于所述气敏电阻rs的特性曲线：
31.r
x
＝r0*exp(
‑
k*c
x
)，式中，k为灵敏度系数，c
x
为气体浓度，r0为清洁空气气敏电阻rs，r
x
为voc为c
x
浓度下的气敏电阻rs值；
32.得出如下测量公式，用于获取所述气敏电阻rs的阻值：
33.c
x
在1ppm以内采用y＝1/(a
x
*k
x
)拟合，其中k
x
＝r
x
/r1，当0.1ppm＝1/10,即a
0.1
*(r
0.1
/r1)＝10；则a
0.1
＝10/k
0.1
；
34.当r
x
>r
0.1
即气体浓度在0.1ppm以下的量程计算如下：
35.y＝1/(a
0.1
*k
x
)；
36.当r1<r
x
<r
0.1
即气体浓度在0.1ppm～1ppm的量程计算如下：
37.y＝1/(a
x
*k
x
)；其中a
x
＝1+(a
0.1
‑
1)*(r
x
‑
r1)/(r
0.1
‑
r1)。
38.当r
x
<r1即气体浓度在1ppm～10ppm的量程计算如下：
39.y＝1+9*(r1‑
r
x
)/(r1‑
r
10
)；
40.其中，r
0.1
为浓度c
0.1
＝0.1ppm下的阻值，r1为浓度c1＝1ppm下的阻值，r
10
为浓度c
10
＝10ppm下的阻值，a为调整因子系数。
41.本实用新型中通过气敏电阻rs的特性曲线进行简化，仅需对r1、r
10
标定(即1ppm和10ppm)即可推算r
0.1
，从而可计算0～10ppm范围内的voc浓度；采用这一算法，可大大提高传感器生产效率，同时为用户零点自校准提供良好的支撑。
42.一种温湿度补偿方法，用于所述的检测系统中所述气敏电阻rs的补偿测量，所述单片机采用如下算法实现温湿度补偿，
[0043][0044]
式中，tvoc为未对其温湿度补偿的原始数据voc浓度，tvocx为经过温湿度补偿后的voc浓度，rh为相对湿度，t为温度。
[0045]
一种检测装置，运用所述的测量方法，和/或，所述的温度补偿方法进行空气质量检测。
[0046]
本实用新型中由于voc气体传感器需要加热，会产生热量，对温湿度传感器的测量有严重影响，故pcb布局设计需要考虑，此pcb布局通过隔离岛方式，改变热源传导路径；从而在有限尺寸内，极大降低了发热源对温湿度传感器的影响，优选的，一个尽可能减少影响的方式是将设置两个隔离岛结构，这种结构具有一个环形的c型通孔结构，可以最大程度地减少与pcb板的接触面积，使得气体传感器中加热电阻r
heat
传出的热量对板的影响最小；同时一个较优的方案是设置两个隔离岛结构，分别放置气体传感器和温湿度传感器，进一步减少传感器测量时对pcb板的影响，并且不互相影响彼此的测量；还可以是一种较劣的方案，只设置一隔离岛，用于放置气体传感器。
附图说明
[0047]
图1为本实用新型的整体结构图。
[0048]
图2为本实用新型的pcb板示意图。
[0049]
图中，温湿度传感器100，气体传感器200，供电数据接口300。
具体实施方式
[0050]
本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0051]
实施例1
[0052]
如图1所示，一种空气质量检测系统，包括单片机、温湿度传感器100、气体传感器200，所述单片机连接所述温湿度传感器100、气体传感器200，所述温湿度传感器100用于获取温湿度信息，所述气体传感器200用于获取空气的voc浓度，所述单片机获取所述温湿度信息和voc浓度后，根据所述温湿度信息补偿校准空气的voc浓度，所述气体传感器包括加热电阻r
heat
、气敏电阻rs，所述气体传感器的加热电阻r
heat
还连接有电阻r4，所述电阻r4的一端接地。
[0053]
本实用新型在单片机获取温湿度信息和气体voc浓度的基础上，进一步根据现有的缺陷：水分含量影响voc浓度的测量上，使得单片机进一步基于温湿度信息给所述气体voc浓度做出补偿运算，使得单片机在运算后获得更加精确的气体voc浓度值，提高了系统结果的精准度。
[0054]
作为一种可选的实施方式，所述单片机包括io接口，所述io接口连接所述加热电阻r
heat
，用于对所述加热电阻r
heat
的电流调节；所述单片机包括adc接口，所述adc接口连接所述气敏电阻rs，所述单片机通过所述adc接口获取所述所述气敏电阻rs的阻值变化。
[0055]
作为一种可选的实施方式，还包括电阻r3，所述电阻r3一端连接所述io接口，且另一端串联所述加热电阻r
heat
，所述单片机通过控制所述io接口控制所述加热电阻r
heat
的电流；或，所述电阻r3的阻值为200～500ω，优选的，电阻r3的阻值为300ω。
[0056]
本实用新型通过设置单片机的io口，通过控制io口的高低电平改变加热电阻r
heat
rh的电流，让传感器的加速预热，为气敏电阻rs的运行环境提供合适的高温的环境，同时，通过控制io接口端的电平也实现了快速预热的效果，提高系统运行的效率；同时，受限于所述单片机的器件运行要求，电路中的电流有一定的限制，因此，增加了电阻r3，通过r3调节加热电阻r
heat
的电流，加快预热进程。
[0057]
作为一种可选的实施方式，所述电阻r4的一端接地；或，所述气体传感器200具有接地的一端；或，所述电阻r4的阻值为50～100ω，优选的，r4的阻值为68ω，r4作为加热电阻r
heat
主固定电流。
[0058]
本实用新型中的电阻r4与电阻r3均与所述加热电阻r
heat
串联，其中电阻r4为所述加热电路的一部分，适配所述加热电阻r
heat
。
[0059]
作为一种可选的实施方式，所述气敏电阻rs并联有分压电阻r1。
[0060]
作为一种可选的实施方式，所述分压电阻r1的阻值为，为50kω～150kω，优选的，r1的阻值选用100kω。
[0061]
本实用新型中，所述分压电阻r1与所述气敏电阻rs构成分压电路，adc接口通过连接到所述分压电路进行adc采样气敏电阻rs分压，获取得出气敏电阻rs的电压信号与阻值变化，通过气敏电阻rs与voc浓度关系可以测出voc浓度。
[0062]
作为一种可选的实施方式，设有供电数据接口300，所述供电数据接口300用于输入5v电源给所述单片机。
[0063]
作为一种可选的实施方式，所述供电数据接口300并联有电阻r5和电阻r6，所述电阻r5和所述电阻r6的阻值范围在5kω～15kω；优选的，选用阻值为10kω的电阻r5和电阻r6。
[0064]
本实用新型中这两个电阻的存在是为了让iic通讯的时候有确定的高低电平，让通讯更加的稳定，匹配iic协议总线要求。
[0065]
作为一种可选的实施方式，所述供电数据接口300连接有iic总线，所述iic总线使用标准iic协议通讯，所述iic总线用于连接外部设备，所述外部设备通过所述iic总线和标准iic协议读取所述单片机数据。
[0066]
作为一种可选的实施方式，所述供电数据接口300并联有ldo线性稳压器，通过所述ldo线性稳压器后的电源电压大小为3.0v，所述电源输入到所述温湿度传感器100和所述气体传感器200。
[0067]
作为一种可选的实施方式，所述ldo线性稳压器并联有滤波电容，用于提供一个更平滑的电压。
[0068]
作为一种可选的实施方式，所述滤波电容一端并联所述ldo线性稳压器，一端接地。
[0069]
作为一种可选的实施方式，所述滤波电容包括第一电容、第二电容、第三电容。
[0070]
作为一种可选的实施方式，所述单片机包括iic接口，所述iic接口连接所述温湿度传感器100，所述单片机通过iic接口获取温湿度传感器100的测量到的温湿度数据。
[0071]
作为一种可选的实施方式，所述温湿度传感器100与所述单片机之间使用iic通讯协议通信，或，所述温湿度传感器100与所述iic接口之间设有上拉电阻r8与r9。
[0072]
作为一种可选的实施方式，所述上拉电阻r8和r9的阻值为1kω～15kω；优选的，r8、r9的阻值选用10kω。
[0073]
本实用新型中，上拉电阻的加入使得iic总线通讯时有一个确定的电平状态，单片机与温湿度传感器100连接或者读取数据时iic通讯的稳定。
[0074]
作为一种可选的实施方式，如图2所示，包括pcb板，所述气体传感器200、所述温湿度传感器100、所述单片机集成于所述pcb板，所述pcb包括至少一隔离岛，所述隔离岛周围设有通孔，所述气体传感器200或所述温湿度传感器100设于所述隔离岛。
[0075]
作为一种可选的实施方式，所述通孔为c型结构，所述通孔的开口处设置连通所述pcb板，用于形成所述隔离岛。
[0076]
作为一种可选的实施方式，所述pcb板设有两个隔离岛，两个隔离岛的开口方向相反设于所述pcb板的两端。
[0077]
一种测量方法，用于所述的检测系统中所述气敏电阻rs的测量，基于所述气敏电阻rs的特性曲线：
[0078]
r
x
＝r0*exp(
‑
k*c
x
)，式中，k为灵敏度系数，c
x
为气体浓度，r0为清洁空气气敏电阻rs，r
x
为voc为c
x
浓度下的气敏电阻rs值；
[0079]
得出如下测量公式，用于获取所述气敏电阻rs的阻值：
[0080]
c
x
在1ppm以内采用y＝1/(a
x
*k
x
)拟合，其中k
x
＝r
x
/r1，当0.1ppm＝1/10,即a
0.1
*
(r
0.1
/r1)＝10；则a
0.1
＝10/k
0.1
；
[0081]
当r
x
>r
0.1
即气体浓度在0.1ppm以下的量程计算如下：
[0082]
y＝1/(a
0.1
*k
x
)；
[0083]
当r1<r
x
<r
0.1
即气体浓度在0.1ppm～1ppm的量程计算如下：
[0084]
y＝1/(a
x
*k
x
)；其中a
x
＝1+(a
0.1
‑
1)*(r
x
‑
r1)/(r
0.1
‑
r1)。
[0085]
当r
x
<r1即气体浓度在1ppm～10ppm的量程计算如下：
[0086]
y＝1+9*(r1‑
r
x
)/(r1‑
r
10
)；
[0087]
其中，r
0.1
为浓度c
0.1
＝0.1ppm下的阻值，r1为浓度c1＝1ppm下的阻值，r
10
为浓度c
10
＝10ppm下的阻值，a为调整因子系数。
[0088]
本实用新型中通过气敏电阻rs的特性曲线进行简化，仅需对r1、r
10
标定(即1ppm和10ppm)即可推算r
0.1
，从而可计算0～10ppm范围内的voc浓度；采用这一算法，可大大提高传感器生产效率，同时为用户零点自校准提供良好的支撑。
[0089]
一种温湿度补偿方法，用于所述的检测系统中所述气敏电阻rs的补偿测量，所述单片机采用如下算法实现温湿度补偿，
[0090][0091]
式中，tvoc为未对其温湿度补偿的原始数据voc浓度，tvocx为经过温湿度补偿后的voc浓度，rh为相对湿度，t为温度。
[0092]
一种检测装置，运用所述的测量方法，和/或，所述的温度补偿方法进行空气质量检测。
[0093]
具体的，
[0094]
根据实验及相关理论，气敏电阻rs特性模型符合指数关系，可以应用ntc特性进行拟合。
[0095]
r
x
＝r0*exp(
‑
k*c
x
)
[0096]
其中k为灵敏度系数，c
x
为气体浓度，r0为清洁空气气敏电阻rs，r
x
为voc的c
x
浓度下的气敏电阻rs。
[0097]
r
0.1
＝r0*exp(
‑
k*c
0.1
)
[0098]
r1＝r0*exp(
‑
k*c1)
[0099]
r
10
＝r0*exp(
‑
k*c
10
)
[0100]
式中r
0.1
为浓度c
0.1
＝0.1ppm下的阻值，r1为浓度c1＝1ppm下的阻值，r
10
为浓度c
10
＝10ppm下的阻值
[0101]
可得
[0102]
log(r
0.1
/r0)/log(r1/r0)＝c
0.1
/c1＝log(r1/r0)/log(r
10
/r0)＝c1/c
10
[0103]
故有
[0104]
(log(r1/r0))2＝log(r
0.1
/r0)*log(r
10
/r0)
[0105]
在精度要求不高的情况下，可简化为
[0106]
(r1/r
0.1
)2＝(r
10
/r
0.1
)
[0107]
令k＝r
10
/r1，再简化令r1/r
0.1
＝k，此为关键点，
[0108]
cx在1ppm以内采用y＝1/(ax*kx)拟合，其中kx＝r
x
/r1，当0.1ppm＝1/10,即a
0.1
*(r
0.1
/r1)＝10；则a
0.1
＝10/k
0.1
；
[0109]
当r
x
>r
0.1
即气体浓度在0.1ppm以下的量程计算如下：
[0110]
y＝1/(a
0.1
*kx)；
[0111]
当r1<r
x
<r
0.1
即气体浓度在0.1ppm～1ppm的量程计算如下：
[0112]
y＝1/(ax*kx)；其中a
x
＝1+(a
0.1
‑
1)*(r
x
‑
r1)/(r
0.1
‑
r1)。
[0113]
当r
x
<r1即气体浓度在1ppm～10ppm的量程计算如下：
[0114]
y＝1+9*(r1‑
r
x
)/(r1‑
r
10
)；
[0115]
其中，r
0.1
为浓度c
0.1
＝0.1ppm下的阻值，r1为浓度c1＝1ppm下的阻值，r
10
为浓度c
10
＝10ppm下的阻值，a为调整因子系数。
[0116]
本实用新型中由于voc气体传感器200需要加热，会产生热量，对温湿度传感器100的测量有严重影响，故pcb布局设计需要考虑，此pcb布局通过隔离岛方式，改变热源传导路径；从而在有限尺寸内，极大降低了发热源对温湿度传感器100的影响，优选的，一个尽可能减少影响的方式是将设置两个隔离岛结构，这种结构具有一个环形的c型通孔结构，可以最大程度地减少与pcb板的接触面积，使得气体传感器200中加热电阻r
heat
传出的热量对板的影响最小；同时一个较优的方案是设置两个隔离岛结构，分别放置气体传感器200和温湿度传感器100，进一步减少传感器测量时对pcb板的影响，并且不互相影响彼此的测量；还可以是一种较劣的方案，只设置一隔离岛，用于放置气体传感器200。
[0117]
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。