一种基于红外线光电转换的pm2.5传感器及pm2.5探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及嵌入式技术领域，具体涉及一种基于红外线光电转换的PM2. 5传感器 及PM2. 5探测方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会的繁荣发展，人们的生活水平不断提高，但是工业化的不断深入发展却 不可避免地产生了空气污染等严峻问题。最近几年，人们关心的空气污染指标主要是PM2. 5 浓度。如今市场上出现了很多PM2. 5检测设备，一部分PM2. 5传感器采用重量法、微量振荡 天平法等方法测试空气中颗粒物、粉尘的浓度。此类监测法对空气温度、湿度、气流速率等 数据的精确度要求十分苛刻，一点点偏差就可使监测结果大相径庭，而且所测量的精度比 较低，成本却很高。不利于大规模地普及，另一部分PM2. 5传感器虽然则采用了光学法、化 学法来测量空气中的粉尘浓度，测量精度方面有所提高，但其体积太大，价格也偏高。在人 们日益追求高品质生活的情况下，人们需要一种携带方便、成本低廉的PM2. 5传感器设备。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于红外线光电转换的PM2. 5传感器及PM2. 5探测方 法。
[0004] 本发明的技术方案是：
[0005] -种基于红外线光电转换的PM2. 5传感器，包括：
[0006] 根据主控单元提供的ΙΟΚΗζ载波产生红外线的发射电路；
[0007] 分别接收红外信号并产生反应PM2. 5浓度的电压信号的第一接收电路、第二接收 电路；
[0008] 提供ΙΟΚΗζ载波、对两路反应PM2. 5浓度的电压信号的零位电压和灵敏度进行补 偿计算得到PM2. 5浓度的主控单元；
[0009] 发射电路的输入端连接主控单元的输出端口，第一接收电路的输出端、第二接收 电路的输出端分别连接主控单元的不同输入端口。
[0010] 所述发射电路包括第一光电二极管和三极管；
[0011] 第一光电二极管的正极接电源VCC，第一光电二极管的负极经一个电阻连接至三 极管的集电极，三极管的发射极接地，三极管的基极经另一电阻连接至主控单元的输出端 □ 〇
[0012] 所述第一接收电路、第二接收电路均包括：
[0013] 接收发射电路产生的红外线、将光信号转换成电流信号的光电转换模块；
[0014] 将光电转换模块输出的电流信号转换成电压信号的电流电压转换模块；
[0015] 对电压信号进行放大的放大模块；
[0016] 将光电转换模块感应红外线产生的电信号过滤掉的滤波模块；
[0017] 放大模块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联；
[0018] 电流电压转换模块包括第一电流电压转换模块和第二电流电压转换模块；
[0019] 光电转换模块的阳极连接供电电压，第一电流电压转换模块的一端与光电转换模 块的阴极连接后接入第一放大器的反向输入端，第二电流电压转换模块的一端接地，第二 电流电压转换模块的另一端连接第一放大器的正向输入端，第一放大器的输出端与第二放 大器的正向输入端之间连接第一电流电压转换模块的另一端，第二放大器的输出端与第二 放大器的反向输入端连接后接至滤波模块的输入端。
[0020] 所述主控单元与发射电路、第一接收电路、第二接收电路集成在一块PCB上。
[0021] 利用所述的基于红外线光电转换的PM2. 5传感器进行PM2. 5探测的方法，包括以 下步骤：
[0022] 步骤1、发射电路根据主控单元提供的ΙΟΚΗζ载波产生红外线；
[0023] 步骤2、第一接收电路、第二接收电路分别接收红外信号并产生反应PM2. 5浓度的 电压信号；
[0024] 步骤3、对两路反映PM2. 5浓度的电压信号的零位电压和灵敏度进行补偿计算得 到PM2. 5浓度的主控单元。
[0025] 步骤2按如下步骤进行：
[0026] 步骤2. 1、接收发射电路产生的红外线、将光信号转换成电流信号；
[0027] 步骤2. 2、将光电转换模块输出的电流信号转换成电压信号；
[0028] 步骤2. 3、对电压信号进行放大的放大模块；
[0029] 步骤2. 4、将光电转换模块感应红外线产生的电信号过滤掉，即过滤掉噪声；
[0030] 步骤2. 5、得到两路反应PM2. 5浓度的电压信号传输至主控单元。
[0031] 步骤3按如下步骤进行：
[0032] 步骤3. 1、确定第一接收电路在室温下的输出电压计算模型、第二接收电路在室温 下的输出电压计算模型；
[0035] 其中，U。为第一接收电路在室温下的输出电压，U/为第二接收电路在室温下的输 出电压，P为第一接收电路测出的PM2. 5浓度，p ^为第二接收电路测出的PM2. 5浓度，a。为 第一接收电路在室温下的零位电压，a。'为第二接收电路在室温下的零位电压，b。为第一接 收电路在室温下的灵敏度，b。'为第一接收电路在室温下的灵敏度；
[0036] 步骤3. 2、确定第一接收电路在温度为t时输出电压计算模型、第二接收电路在温 度为t时输出电压计算模型；
[0039] 其中，Ut为第一接收电路在温度为t时的输出电压，U/为第二接收电路在温度为 t时的输出电压；at为第一接收电路在温度为t时的零位电压，a /为第二接收电路在温度 为t时的零位电压，bt为第一接收电路在温度为t时的灵敏度，b /为第一接收电路在温度 为t时的灵敏度；
[0044] 其中，t。表示室内温度，α与。分别表示第一接收电路的零位温度系数、第二接 收电路的零位温度系数，在数值上等于温度改变1°C时零位电压值的改变量与量程Y (FS) 之比，即：
[0047] A α与Δ α '分别表示在PM2. 5传感器的工作温度变化范围内，第一接收电路的 零位电压值最大改变量、第二接收电路的零位电压值最大改变量；A Τ表示ΡΜ2. 5传感器的 工作温度变化范围；
[0048] β = Δ β /(ATXY(FS))
[0049] ξ，' = Δ β r /(ATXY(FS)')
[0050] △ β与△ β I分别表示温度变化后第一接收电路、第二接收电路的灵敏度的变 化量；
[0051] β与β ^分别表示第一接收电路的灵敏度温度系数、第二接收电路的灵敏度温 度系数，在数值上等于温度改变l°c时，灵敏度的变化量与量程Y(FS)之比；
[0052] 步骤3. 3、确定第一接收电路测出的PM2. 5浓度p计算模型、第二接收电路测出的 PM2. 5浓度V计算模型；
[0055] 步骤3. 4、根据第一接收电路在室温下的零位电压a。、第一接收电路在室温下的灵 敏度b。、第一接收电路的零位温度系数α、第一接收电路的灵敏度温度系数β，第二接收电 路在室温下的零位电压a。'、第二接收电路在室温下的灵敏度b。'、第二接收电路的零位 温度系数α '、第二接收电路的灵敏度温度系数β '，在温度上升为t时测得的第一接收 电路、第二接收电路的输出电压队和1]/，计算温度补偿后的PM2. 5浓度值p和V ;
[0056] 步骤3. 5、采用线性插值算法得到最终的PM2. 5浓度值Pf，即：
[0058] 有益效果：
[0059] 本发明利用两个相同的接收电路检测PM2. 5浓度，减小了误差，提高了检测精度， 利用红外线光电转换技术，红外线设备结构简单、体积小、重量轻、价格低。主控单元具有功 耗低、通用性好的特点。
【附图说明】
[0060] 图1是本发明【具体实施方式】的基于红外线光电转换的PM2. 5传感器结构框图；
[0061] 图2是本发明【具体实施方式】的MSP430F1611的单片机最小系统电路原理图；
[0062] 图3是本发明【具体实施方式】的发射电路原理图；
[0063] 图4是本发明【具体实施方