一種紅外PM2.5濃度傳感器及檢測方法與流程
2023-05-19 17:59:02 2
本發明涉及PM2.5濃度傳感器領域，特別是涉及一種紅外PM2.5濃度傳感器及檢測方法。
背景技術：
隨著社會及經濟的不斷發展，人們的生活水平不斷提高，衣食住行等更加便利，但伴隨著人口增長和工業化發展等因素，環境汙染卻越來越嚴重，各種汙染物和懸浮顆粒物大量增加，導致霧霾的產生。其中的PM2.5濃度(直徑小於2. 5um 的微小顆粒物)與人體健康息息相關，直接導致了各種呼吸道疾病發病率的大幅上升給人們的生活和身體健康帶來了不良影響，因此，對於空氣中懸浮顆粒物檢測技術的研究刻不容緩。最近幾年，人們關心的空氣汙染指標主要是粉塵的濃度，特別是PM2.5濃度的濃度，空氣淨化技術及空氣淨化類產品得到了迅猛的發展，同時人們對PM2. 5的數值也越來越關注，這就需要一款高精度的粉塵檢測傳感器來直觀地體現空氣中的情況，以確定是否需要對室內空氣進行淨化，或者評估自己所處的環境是否適合進行某些活動。
目前的出現了很多粉塵傳感器，普遍是基於雷射或者紅外的傳感器技術。其中紅外PM2.5濃度粉塵傳感器相比雷射傳感器壽命較長，價格較便宜，採用發熱電阻使內部空氣進行流動、但同時由於紅外發射及接收器件自身的原因、在中低濃度的情況下精度普遍較低，另外一方面在粉塵超高濃度的情況下，即使對精度的要求較低，但由於紅外發射及接收器件自身的原因，仍存在發生飽和現象無信號輸出的異常情況發生。而雷射PM2.5濃度粉塵傳感器價格高、壽命短、且由於自帶風扇以便空氣流通，導致工作電流大。所以市場上的普及並不高，特別是家電及涉及家電的檢測模塊。在人們日益追求高品質生活的情況下，迫切需要一種價格低廉、攜帶方便、成本低廉的PM2.5濃度傳感器及檢測方法，以便大範圍的將PM2.5濃度檢測普及到各行各業。
技術實現要素：
本發明旨在提供一種紅外PM2.5濃度傳感器，以解決現有的PM2.5濃度傳感器精度較低和在粉塵超高濃度的情況下容易出現飽和而無信號輸出的問題。為此本發明採用的具體技術方案如下：
一種紅外PM2.5濃度傳感器，包括PCB板、紅外發射/接收單元、驅動電路單元、包括至少一路電流電壓變換電路的電流電壓變換電路單元、包括具有不同增益的至少兩路放大濾波電路的放大濾波電路單元、開關控制電路單元、MCU和輸入輸出接口單元，所述的紅外發射/接收單元、驅動電路單元、電流電壓變換電路單元、放大濾波電路單元、開關控制電路單元、MCU和輸入輸出接口單元全部或部分集成在所述PCB板上，以形成至少兩個紅外PM2.5濃度檢測電路，所述開關控制電路單元與所述放大濾波電路單元和所述MCU電連接，用於根據MCU預設的程序，將所述放大濾波電路單元中的低增益係數的放大濾波電路切換至高增益係數的放大濾波電路，和/或將多路放大濾波電路進行串聯以實現連續放大濾波，所述MCU與所述的紅外發射/接收單元、驅動電路單元、放大濾波電路單元、開關控制電路單元和輸入輸出接口單電連接，用於對經由所述至少兩路紅外PM2.5濃度檢測電路檢測到的PM2.5濃度信號進行計算分析，並將結果通過所述輸入輸送接口單元傳輸至外部。
進一步的，所述紅外PM2.5濃度傳感器還包括脈衝信號電路單元，所述脈衝信號電路單元串聯在所述MCU與所述驅動電路單元之間，以實現對所述驅動電路單元進行間歇式供電。
進一步的，所述紅外發射/接收單元包括紅外發射組件和至少一個紅外接收組件，所述紅外發射組件由所述驅動電路驅動，所述紅外接收組件與所述電流電壓變換電路單元電連接。
進一步的，所述輸入輸出接口單元包括有線通信模塊或無線通信模塊。
更進一步的，所述無線通信模塊包括紅外通信模塊、藍牙無線通信模塊、wifi通信模塊或zigbee通信模塊。
本發明還提供了一種應用如上所述的紅外PM2.5濃度傳感器檢測PM2.5濃度的方法，所述方法為：所述MCU對各路紅外PM2.5濃度檢測電路檢測到的PM2.5濃度信號進行計算，然後將計算結果與預設PM2.5濃度閾值進行比較分析，再根據比較分析結果進行相應補正，並輸出PM2.5濃度值。
進一步的，所述方法具體是，設置至少兩個不同的PM2.5濃度閾值β1和β2，其中，β2>β1，當MCU計算出具有不同增益係數hFE1和hFE2的至少兩路放大濾波電路對應的PM2.5濃度值A1和A2均小於β1時，補正後的PM2.5濃度值為（A1+A2）/2，當A1較小甚至為0，且A2在β1與β2之間時，補正後的PM2.5濃度值為A2，當A1較小甚至為0，且A2在≥β2或者為0時，所述MCU控制所述開關電路單元將不同增益係數hFE1和hFE2的至少兩路放大濾波電路串聯形成新的放大濾波電路，新的放大濾波電路的增益係數hFE3≈hFE1* hFE2，MCU根據hFE3重新計算出補正後的PM2.5濃度值A3，並進行輸出。
更進一步的，hFE2是hFE1的50倍至1000倍。
此外，本發明還提供了一種應用包括脈衝信號電路單元的如上所述的紅外PM2.5濃度傳感器檢測PM2.5濃度的方法，所述方法為：所述MCU對各路紅外PM2.5濃度檢測電路檢測到的PM2.5濃度信號進行計算，然後將計算結果與預設PM2.5濃度閾值進行比較分析，再根據比較分析結果進行相應補正，然後將補正後的PM2.5濃度值與預設的PM2.5濃度上限閥值進行比較，輸出PM2.5濃度值並判斷是否進入間歇供電模式。
進一步的，所述方法具體是：設置至少兩個不同的PM2.5濃度閾值β1和β2，其中，β2>β1，當MCU計算出具有不同增益係數hFE1和hFE2的至少兩路放大濾波電路對應的PM2.5濃度值A1和A2均小於β1時，補正後的PM2.5濃度值為（A1+A2）/2，當A1較小甚至為0，且A2在β1與β2之間時，補正後的PM2.5濃度值為A2，當A1較小甚至為0，且A2在≥β2或者為0時，所述MCU控制所述開關電路單元將不同增益係數hFE1和hFE2的至少兩路放大濾波電路串聯形成新的放大濾波電路，新的放大濾波電路的增益係數hFE3≈hFE1* hFE2，MCU根據hFE3重新計算得到補正後的PM2.5濃度值，然後，MCU讀取補正後的PM2.5濃度值，並與預設的PM2.5濃度上限閥值α進行比較，如果補正後的PM2.5濃度值＞上限閥值α，則脈衝電路信號單元啟動，驅動電路單元對紅外發射/收單元供電進行控制，並停止供電，持續時間t1，此t1時間段內，PM2.5濃度的輸出值按照上個時間段內的PM2.5濃度值的斜率進行預測，MCU輸出此預測的PM2.5濃度值，斷電時間t1完成後，再次供電，持續時間t2，此時間段內MCU讀取補正後的PM2.5濃度值並進行輸出，同時並計算上次斷電前最後的PM2.5濃度值與本次通電時PM2.5濃度值的變化斜率，然後，將新讀取的補正後的PM2.5濃度值再次和所設的上限閥值α進行比較，並判斷是否進入間歇供電模式。
更進一步的，hFE2是hFE1的50倍至1000倍。
本發明採用上述技術方案，具有的有益效果是：本發明的紅外PM2.5濃度傳感器製造成本低，檢測精度高，在超高濃度下也能夠輸出正確的PM2.5濃度值，並且能夠通過間歇式供電，使其功耗降低。
附圖說明
圖1是根據本發明實施例的紅外PM2.5濃度傳感器的系統圖；
圖2是採用圖1所示的紅外PM2.5濃度傳感器檢測PM2.5濃度的方法的流程示意圖；
圖3是採用圖1所示的紅外PM2.5濃度傳感器檢測PM2.5濃度的方法的高濃度下功耗削減的流程示意圖。
具體實施方式
為進一步說明各實施例，本發明提供有附圖。這些附圖為本發明揭露內容的一部分，其主要用以說明實施例，並可配合說明書的相關描述來解釋實施例的運作原理。配合參考這些內容，本領域普通技術人員應能理解其他可能的實施方式以及本發明的優點。圖中的組件並未按比例繪製，而類似的組件符號通常用來表示類似的組件。
現結合附圖和具體實施方式對本發明進一步說明。參照圖1，描述紅外PM2.5濃度傳感器的一個優選實施例。紅外PM2.5濃度傳感器1包括PCB板10、紅外發射/接收單元20、驅動電路單元30、電流電壓變換電路單元40、放大濾波電路單元50、開關控制電路單元60、微控制器單元（MCU）70和輸入輸出接口單元80，所述的紅外發射/接收單元20、驅動電路單元30、電流電壓變換電路單元40、放大濾波電路單元50、開關控制電路單元60、MCU和輸入輸出接口單元80全部（如圖1所示）或部分集成在PCB板10上，以形成至少兩路紅外PM2.5濃度檢測電路。
紅外發射/接收單元20可包括紅外發射組件21、至少一個紅外接收組件22、使內部氣體流動的組件23、外殼腔體和透鏡（未示出）等。紅外發射組件21與紅外接收組件22相對，即紅外發射組件21發出的紅外線穿過待檢測PM2.5濃度的空氣後直接被紅外接收組件22接收。紅外發射組件21可由紅外發射二極體或三極體等紅外發射元件，及其周邊電路組成。紅外發射組件21由驅動電路30驅動，以發射紅外線。紅外接收組件22可由紅外接收元件及其周邊電路組成。使內部氣體流動的組件23通常是發熱電阻。空氣在發射組件和接收組件之間流過、由於光的折射等使接收組件產生不同的電流信號。
驅動電路30與MCU和輸入輸出接口單元80電連接，以得到驅動紅外發射組件21所需的功率。
電流電壓變換電路單元40可包括至少有一組電流電壓變換電路41，即可以有n多組電流電壓變換電路、此處n≥1。電流電壓變換電路41用於將接收組件產生的電流信號轉換成電壓信號。
放大濾波電路單元50可包括至少兩組放大濾波電路51、即可以有m組放大濾波電路濾波電路、此處m≥2。不同的放大濾波電路51具有不同的增益係數。放大濾波電路51可以與電流電壓變換電路41一一對應，或者一路電流電壓變換電路41可以對應多路放大濾波電路51。放大濾波電路51將電流電壓變換電路41輸入的電壓進行放大濾波後再輸入到MCU中進行處理。
開關控制電路單元60與放大濾波電路單元50和MCU電連接，用於根據MCU預設的程序，將放大濾波電路單元50中的低增益係數的放大濾波電路51切換至高增益係數的放大濾波電路51，和/或將多路放大濾波電路51進行串聯以實現連續放大濾波。優選地，具有高增益係數的放大濾波電路51的增益係數是具有低增益係數的放大濾波電路51的增益係數的50倍至1000倍。
輸入輸出接口單元80包括數據通信接口模塊和供電接口模塊等。數據通信接口模塊可以包括有線通信模塊或無線通信模塊。無線通信模塊例如是紅外通信模塊、藍牙無線通信模塊、wifi通信模塊或zigbee通信模塊等。外部設備可以通過該供電接口模塊向紅外PM2.5濃度供電。MCU將經由所述至少兩個紅外PM2.5濃度檢測電路檢測到的PM2.5濃度信號進行計算分析並將結果通過輸入輸送接口單元80的數據通信接口模塊傳輸至外部進行顯示。
此外，紅外PM2.5濃度傳感器1還可包括脈衝信號電路單元90，脈衝信號電路單元90串聯在MCU與驅動電路單元30之間，以實現對驅動電路單元30進行間歇式供電，進而使紅外PM2.5濃度傳感器1間歇式工作。當MCU檢測到的PM2.5濃度值處於超高濃度下時，脈衝信號電路單元90啟動，紅外PM2.5濃度傳感器1間歇式工作，從而減少紅外PM2.5濃度傳感器1的功耗。
此外，紅外PM2.5濃度傳感器1可選擇是否用外殼進行包封。外殼材料可以是樹脂、金屬或樹脂金屬兩者配合使用，並可以根據需要設計成多種形狀。
下面參照圖2和3，說明應用如上所述的紅外PM2.5濃度傳感器1檢測PM2.5濃度的方法。所述方法為：所述MCU對各路紅外PM2.5濃度檢測電路檢測到的PM2.5濃度信號進行計算，然後將計算結果與預設PM2.5濃度閾值進行比較分析，再根據比較分析結果進行相應補正，並輸出PM2.5濃度值。優選地，補正的方法可以是下述方法的一種，但不局限於下述方法：對同一時間或時間段內各路信號所代表的PM2.5濃度進行平均、取中間值、累積平均、加權平滑或抽取突變等的運算。
如圖2所示，本實施例僅舉例說明如何在低PM2.5濃度下提高精度、同時在高PM2.5濃度下防止數據無法輸出或輸出數據為0的問題。為了描述方便，本實施例假設紅外PM2.5濃度傳感器1具有兩路電流電壓變換電路（第一電流電壓變換電路和第二電流電壓變換電路）和兩路放大濾波電路（第一放大濾波電路和第二放大濾波電路）。該兩路電流電壓變換電路分別與兩路放大濾波電路相連接以形成兩路紅外PM2.5濃度檢測電路。這裡假設兩路電流電壓變換迴路的參數一致，兩路放大濾波電路的增益係數分別為hFE1和hFE2,其中hFE2為高增益係數、並假設hFE2=100倍hFE1。當然，hFE2也可以是其它hFE1的其它倍數，優選地在50倍至1000倍之間。預先設定的PM2.5濃度的高濃度閥值為β1、超高濃度閥值為β2。第一電流電壓變換電路輸出的電壓經由第一放大濾波電路放大濾波後進入MCU，由內部MCU處理計算得到對應的PM2.5濃度值A1，第二電流電壓變換電路輸出的電壓經由第二放大濾波電路放大濾波後進入MCU，由內部MCU處理計算得到對應的PM2.5濃度值A2。MCU在PM2.5濃度數據輸出時事先進行判斷、當兩路PM2.5濃度值A1及A2均在高濃度閥值為β1以下時，MCU輸出的PM2.5濃度值為（A1+A2）/2，即二者的平均值；當兩路PM2.5濃度值中，A較小甚至為0，且A1在β1~β2之間時,PM2.5濃度處於高濃度，紅外發射/接收電路產生的信號及其微弱，在第一紅外PM2.5濃度檢測電路的相對參數下，第一紅外PM2.5濃度檢測電路已經飽和失效，MCU輸出的PM2.5濃度值為A2；當兩路PM2.5濃度值中，A1較小甚至為0，且A2≥β2或者為0時，PM2.5濃度進入超高濃度，第一紅外PM2.5濃度檢測電路已經飽和失效，甚至第二紅外PM2.5濃度檢測電路也可能已失效，此時MCU控制開關電路單元將兩路放大濾波電路組合為新的放大濾波電路，新的放大濾波電路的增益係數hFE3≈hFE1* hFE2，MCU根據hFE3重新計算出新的PM2.5濃度值，並進行輸出。
如圖3所示，本實施例僅舉例說明在PM2.5濃度超高的情況下、如何削減PM2.5濃度傳感器1的功耗。首先MCU讀取內部的PM2.5濃度值，並與預設的PM2.5濃度上限閥值α進行比較。如果內部讀取的PM2.5濃度值＞預設上限閥值α，則脈衝信號電路單元啟動，驅動電路單元對紅外發射及接收單元的供電進行控制，並停止供電，持續時間t1，此斷電的t1時間段內，MCU輸出的PM2.5濃度值按照上個時間段內的PM2.5濃度值的斜率進行預測，MCU輸出此預測的PM2.5濃度值。斷電時間t1完成後，再次供電，持續時間t2。此時間段內MCU讀取實際PM2.5濃度值並進行輸出，同時計算上次斷電前最後的PM2.5濃度值與本次通電時PM2.5濃度的變化斜率，記為新的k1。然後，將新讀取的實測PM2.5濃度值再次與所設的上限閥值α進行比較，並判斷是否進入間歇供電模式。本實施例通過間歇性對紅外發射及接收單元以及發熱組件間歇的供電，來提高傳感器發光源的使用效率，削減超高濃度下的PM2.5濃度傳感器功耗，延長發光源的使用壽命，降低應用成本。
儘管結合優選實施方案具體展示和介紹了本發明，但所屬領域的技術人員應該明白，在不脫離所附權利要求書所限定的本發明的精神和範圍內，在形式上和細節上可以對本發明做出各種變化，均為本發明的保護範圍。