一种基于DSP的大气NO2电化学监测装置

本实用新型属于大气环境监测装置技术领域，具体涉及一种基于dsp的大气no2电化学监测装置。

背景技术：

2015年夏季以来，我国多地，尤其在广东省和江苏省，臭氧已取代pm2.5，成为全省空气首要污染物，我国中、南部特别是沿海城市均已面临光化学烟雾威胁。光化学烟雾是由于汽车尾气和工业废气等排放的vocs和no2，在强烈阳光紫外线照射下，形成高浓度的o3和过氧乙酰基硝酸酯(pan)等二次污染物，同时高浓度臭氧会加速二次颗粒物的生成。no2作为重要大气痕量气体，是大气光化学污染和灰霾的重要前体物监测大气no2浓度对评估城市大气污染程度，及推出相关防治举措都有至关重要的指导意义。

传统测量大气no2的方法主要是化学发光法,分光光度法和光谱吸收法。化学发光法采用测量总氮量扣除no量来得到no2浓度，会引入其他含氮元素物质，使所测no2浓度偏高，且气路复杂，维护成本高。分光光度法的局限是溶液的配制繁琐，操作复杂，且时间分辨率低，在测量时若多种相关污染物同时存在，易发生交叉干扰，影响测量精度。光谱吸收法设备成本高昂、体积庞大、监测点灵活性差。

定电位电解法原理是通过定电位电解传感器将气体含量与产生的电信号对应起来，探测电信号的强度实现对气体含量检测。具有成本低、便携灵活的优势。由此制成的便携电化学传感器解决了目前大型检测设备不方便携带的问题，且便于大范围布点，采集大范围内的数据进行数据分析以及科学研究。较适用于大气no2浓度野外探测、分布监测及污染源位置确定的研究。

技术实现要素：

本实用新型针对上述问题，公开了一种基于dsp的大气no2电化学监测装置，其具有小型化轻量化优点，便携易操作，并且能够实现远程监控的功能。

具体的技术方案如下：

一种基于dsp的大气no2电化学监测装置，包括大气采集模块、气体监测处理模块、数据处理模块、显示模块、存储模块、通信模块、labview监控模块；所述大气采集模块对气体进行采集并输送至气体监测处理模块；所述气体监测处理模块包括no2电化学传感器、温湿度传感器、信号调理电路，所述no2电化学传感器与所述信号调理电路电连接，且no2电化学传感器用于检测大气中no2浓度，并将其转换为和no2浓度呈正比的电流信号；所述信号调理电路模块将获得的电流信号放大为合适的电压信号供数据处理模块处理；所述温湿度传感器用于监测气室中气体的温湿度变化；所述数据处理模块包括电路盒和设置在电路盒中的dsp主控芯片，所述dsp主控芯片分别与信号调理电路和温湿度传感器电连接，且dsp主控芯片用于处理获得的电压信号并储存数据；所述显示模块包括液晶显示屏，所述液晶显示屏安装在电路盒上，且液晶显示屏与dsp主控芯片电连接，并用于实时数据的显示；所述存储模块设置于电路盒中并与dsp主控芯片电连接；所述通信模块分别与dsp主控芯片和labview监控模块连接，用于在监控装置和labview监控模块之间建立通信；所述labview监控模块用于实时监控浓度数据、温湿度数据、储存数据和提取数据；其特征在于，所述大气采集模块包括气泵、转子流量计、第一气管和第二气管，所述气泵的出气端通过第一气管与转子流量计的进气端进行连接，转子流量计的出气端通过第二气管与气体监测模块进行连接；所述气体监测处理模块还包括有气室，所述气室为中空的腔体结构，气室一端与第二气管一端固定连接，使第二气管将气体输送至气室内部，且气室内部设置所述温湿度传感器，气室上设置所述no2电化学传感器。

进一步的，还包括有dc电源模块，所述dc电源模块为usb供电电源模块，以为数据处理模块提供3.3v电源。

进一步的，所述气室顶端开设有安装槽，所述安装槽的尺寸与no2电化学传感器的尺寸相适配，且安装中设置所述no2电化学传感器。

进一步的，所述气室两端分别对称设有进气管和出气管，所述进气管与第二气管固定连接。

进一步的，所述信号调理电路固定设置于no2电化学传感器顶部。

进一步的，所述通信模块为lora无线通信模块，lora无线通信模块通过rs485串口与dsp主控芯片通信。

进一步的，所述存储模块为sd卡或tf卡。

本发明的有益效果体现在：

(1)与光学和传统化学试剂的浓度测量方法相比，有抗干扰能力强并且具有小型化轻量化的优点，可实现多点式，移动式测量，便携易操作，低功耗设计，可使用蓄电池供电，且在野外能够连续稳定的运行，可适应更多恶劣的测量环境。

(2)本发明采用lcd屏幕来实现数据的实时显示，并且可存储在dsp开发板的sd卡中，也可以通过lora模块连接labview上位机从而绘制浓度曲线图，可实现远程监控的目的，上位机更直观的gui界面体现所测量点no2浓度的变化趋势。

(3)本发明使用真空泵和转子流量计相互配合，使得通入气体流量稳定，并使数据也相对稳定，从而提高测量精准度。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中气室的立体图。

图3为本实用新型的工作原理图。

附图标记说明

大气采集模块1、气泵11、转子流量计12、第一气管13、第二气管14、气体监测处理模块2、no2电化学传感器21、温湿度模块22、信号调理电路23、气室24、进气管241、出气管242、安装槽243、数据处理模块3、dsp主控芯片31、电路盒32、显示模块4、液晶显示屏41、存储模块5、lora通信模块6、labview监控模块7、dc电源模块8。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本实用新型进行进一步描述，任何对本实用新型技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本实用新型保护范围。本实用新型中所提及的固定连接，固定设置均为机械领域中的通用连接方式，焊接、螺栓螺母连接以及螺钉连接均可。

在本实用新型创造的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

一种基于dsp的大气no2电化学监测装置，包括大气采集模块、气体监测处理模块、数据处理模块、显示模块、存储模块、通信模块、labview监控模块；

大气采集模块对气体进行采集并输送至气体监测处理模块；大气采集模块包括气泵、转子流量计、第一气管和第二气管，所述气泵的出气端通过第一气管与转子流量计的进气端进行连接，转子流量计的出气端通过第二气管与气体监测模块进行连接；

气体监测处理模块包括no2电化学传感器、温湿度传感器、信号调理电路，所述no2电化学传感器与所述信号调理电路电连接，且no2电化学传感器用于检测大气中no2浓度，并将其转换为和no2浓度呈正比的电流信号，电化学传感器采用alphasense公司的no2-b43f四电极传感器，以高灵敏四电极电化学传感器为no2浓度传感载体，依托高信噪比调理电路为信号转换载体，利用差分算法补偿痕量浓度下零点电流漂移对测量的干扰，四电极电化学传感器包括气体渗透膜、隔膜、工作电极、参考电极、对电极、辅助电极与电解液，气体渗透膜用来限制气体的扩散，此举保障适量气体到达工作电极反应，从而维持工作电极长期的电化学活性；隔膜因其多孔、疏水性强的特征，起到渗透气体、防止电解液外泄及抵制外界水汽渗入的作用；电解液提供了电极间的离子电流传输环境；目标气体渗入传感器在工作电极上发生还原反应，产生与气体浓度成正比的电流；对电极上产生与工作电极相反的反应，生成平衡电流同时构成电化学回路。四电极传感器多配备一个辅助电极，辅助电极接触不到气体不产生额外电流，仍保持基线水平，因此检测时即使零点相对校准时产生漂移，只需从工作电极信号中减去当前零点漂移即辅助电极信号，便可得补偿零点漂移后的有效电流信号，它完全是由待测气体产生的，此修正也提升了传感器响应时间与抗干扰特性。信号调理电路主要是用于稳压和调理，稳压是保证供给传感器时的电流是稳定的，波形脉动小的，调理是将传感器输出的电流信号调理为放大后的电压信号传送给dsp数据处理模块。

气体监测处理模块还包括有气室，气室为采用3d打印技术，材质为pcl的空腔，主要和电化学传感器配合，构成密封的环境，气室两端分别对称设有进气管和出气管，所述进气管与第二气管固定连接，使第二气管将气体输送至气室内部，且气室内部设置所述温湿度传感器，所述气室顶端开设有安装槽，安装槽的尺寸与no2电化学传感器的尺寸相适配，且安装中设置所述no2电化学传感器，且所述信号调理电路固定设置于no2电化学传感器顶部。

温湿度模块主要采用dht11模块，用于监测气室气体的温湿度变化

所述数据处理模块包括电路盒和设置在电路盒中的dsp主控芯片，dsp主控芯片分别与信号调理电路和温湿度传感器电连接，且dsp主控芯片用于处理获得的电压信号并储存数据，dsp主控芯为dsp32位浮点运算tms320f28335位主控芯片，采用其内部12位ad采样电压信号，经过反演得到no2浓度，分辨率低于1ppb，经过数据处理显示在lcd屏幕上；

显示模块为lcd1602液晶显示屏，液晶显示屏安装在电路盒上，且液晶显示屏与dsp主控芯片电连接，并用于实时数据的显示；

所述存储模块设置于电路盒中并与dsp主控芯片电连接，所述存储模块为sd卡或tf卡；

dc电源模块为usb供电电源模块，以为数据处理模块提供3.3v电源。

通信模块为lora无线通信模块，lora无线通信模块用于下位机与上位机之间的远距离通信，lora无线通信模块通过rs485串口与dsp主控芯片通信，并通过无线通信与labview监控模块连接，用于在监控装置和labview监控模块之间建立通信；

labview监控模块用于实时监控浓度数据、温湿度数据、储存数据和提取数据。经过测试，整个电路测试情况稳定、设计可行、有效，所得浓度结果准确、抗干扰性好、控制方便，具有广泛的应用适用性。

工作原理：

(1)通过气泵将空气泵向转子流量计并由流量计调节流速后将气体输入气室。

(2)no2在传感器中发生氧化还原反应并且在工作电极上输出和气体浓度成正比的电流。

(3)信号调理电路将传感器输出的电流信号转换为电压信号并且放大，之后将数据传输在dsp中控板上。

(4)处理器将10s内获得的所有数据进行平均，然后通过差分算法vwec＝(vweu-vwet)-nt(vaeu-vaet)，求得vwec最后以vwec比上标定获取的传感器灵敏度s(单位：mv/ppbv)反演得到no2浓度c，即公式其中，vweu是未校正的调理电路工作电极输出电压，vwet是工作电极零点偏移与调理电路零点偏移之和，同理，vaeu是未校正的辅助电极输出电压，vaet是辅助电极零点偏移与调理电路零点偏移之和,vwec是校正后工作电极输出电压。

(5)计算后的结果通过数据线传输后显示在lcd显示屏上。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。