一种环境空气质量监测系统

技术领域

本发明属于空气监测技术领域，具体涉及一种环境空气质量监测系统。

背景技术

为了响应生态环境监测网络建设的要求，实现高密度网格化布局的低成本、多参数集成的紧凑型环境空气监测系统，实现高时空分辨率的大气污染监测，通过环境空气微型站智能网格化平台建设，能够实现对区域内空气质量多方面、全方位的掌握与把控，为污染物排查管理的实时化、网络化、自动化和可视化提供技术支撑，为环境空气质量的精准治理和相关决策提供有力的科学支撑。

现有的微型环境空气监测系统采用电化学、半导体红外、PID、光散射等技术手段，测量原理简单，可针对环境空气中的SO

发明内容

基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种环境空气质量监测系统。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种环境空气质量监测系统，包括：

单片机；

传感器检测模块，包括电化学传感器，用于检测气室内的待测气样；

温控模块，与电化学传感器通信连接，用于对电化学传感器进行温度补偿；

调零校准模块，与电化学传感器通信连接，用于对电化学传感器进行调零校准；

内部通讯模块，用于单片机与电化学传感器通讯；

显示模块，与单片机通讯连接，用于输出待测气样的检测结果。

作为优选方案，所述温控模块包括温度传感器、温控器、两芯插座、限流分压电阻，两芯插座用于连接温度传感器与单片机，温度传感器与3.3V供电电源之间设置限流分压电阻；温控器与单片机连接，根据单片机的控制信号对电化学传感器进行温度补偿。

作为优选方案，所述根据单片机的控制信号对电化学传感器进行温度补偿，包括：

根据电化学传感器的温度特性进行温度补偿获取最佳标定温度T

电化学传感器的零点响应有效电压为：V

结合环境的温湿度对电化学传感器的测量值进行拟合，拟合公式为：C＝a*V+b*T

在不同温度下分别测试不同标准浓度的标气时，电化学传感器零点电压与反应电压随温度变化情况，基于最新二乘法拟合出各温度特性V

在任意温度T下电化学传感器输出的电压值V

根据温度补偿修正后的V

作为优选方案，所述调零校准模块包括三极管Q2、导通电阻R18、发光二极管D8、限流电阻R17、继电器U5、三极管Q3、导通电阻R21、发光二极管D14、限流电阻R20、继电器U6；三极管Q2的基极和三极管Q3的基极分别通过导通电阻R18和导通电阻R21与单片机连接，三极管Q2的发射极和三极管Q3的发射极接地，三极管Q2的集电极和三极管Q3的集电极分别与发光二极管D8的负极和发光二极管D14的负极连接，发光二极管D8的正极和发光二极管D14的正极分别通过限流电阻R17和限流电阻R20与24V供电电源连接；继电器U5连接发光二极管D8的负极和三极管Q2的集电极，还连接与气室连通的吹扫管道上安装的电磁阀；继电器U6连接发光二极管D14的负极和三极管Q3的集电极，还连接与气室连通的进气管道上安装的采样泵；

单片机接收到调零校准的信号后，发送控制信号给三极管Q2，三极管Q2接受信号后导通，发光二极管D8亮光，继电器U5开关闭合，电磁阀打开，反吹气进入吹扫管道，反吹完成后，单片机收到完成反吹的信号，发送控制信号给三极管Q2，三极管Q2关闭，发光二极管D8熄灭，继电器U5开关断开，电磁阀关闭，即完成反吹；

反吹完成后，单片机发送控制信号给三极管Q3，三极管Q3接受信号后导通，发光二极管D14亮光，继电器U6开关闭合，采样泵开始工作，抽取标气进行调零标定，标定完成后，单片机收到标定完成的信号，发送控制信号给三极管Q3，三极管Q3关闭，发光二极管D14熄灭，继电器U6开关断开，采样泵停止工作，完成调零校准。

作为优选方案，所述单片机集成有交叉干扰检测模型，假设待测气样中SO

△S

△S

△S

其中，将X气体通入Y传感器产生的电压变化量△S

根据公式(1)～(3)为三组三元一次方程，求解得：

公式(4)～(6)建立的不用浓度干扰下的示值方程，即交叉干扰检测模型。

作为优选方案，环境空气质量监测系统，还包括存储卡座和存储卡，存储卡安装于存储卡座，存储卡座与单片机连接。

作为优选方案，所述存储卡为SD卡，存储卡座的DATA0引脚通过第一阻抗匹配电阻与单片机的MISO引脚连接，存储卡座的CLK引脚通过第二阻抗匹配电阻与单片机的SCK引脚连接，存储卡座的CMD引脚通过第三阻抗匹配电阻与单片机的MOSI引脚连接，存储卡座的CD/DATA3引脚通过第四阻抗匹配电阻与单片机的CS引脚连接；其中，CD/DATA3引脚与第四阻抗匹配电阻之间设有上拉电阻。

作为优选方案，所述传感器检测模块还包括颗粒物传感器，通过内部通讯模块与单片机通讯，颗粒物传感器用于检测待测气样的PM10和PM2.5浓度。

作为优选方案，环境空气质量监测系统还包括与单片机连接的外部通讯模块，采用网卡或GRPS通信；当通过GRPS通信，以实现定位。

作为优选方案，所述显示模块还用于实现人机交互。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明的环境空气质量监测系统，利用温控模块实现对电化学传感器的温度补偿，解决了电化学传感器温度漂移对气体检测的干扰；还利用调零校准模块对电化学传感器进行调零校准，提升气体浓度检测的精度；另外，单片机集成有交叉干扰检测模型，消除SO

附图说明

图1是本发明实施例1的环境空气质量监测系统的构架图；

图2是本发明实施例1的内部通讯模块的电路图；

图3是本发明实施例1的温控模块的电路图；

图4是本发明实施例1的调零校准模块的电路图；

图5是本发明实施例1的外部通讯模块的电路图；

图6是本发明实施例1的存储卡座的电路图；

图7是本发明实施例1的显示模块的电路图；

图8是本发明实施例1的单片机的电路图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例1：

如图1-8所示，本实施例的环境空气质量监测系统，包括单片机、传感器检测模块、调零校准模块、温控模块、内部通讯模块、外部通讯模块、显示模块和存储卡座。

本实施例的单片机U11，其引脚如图8所示，在此不赘述；

其中，传感器检测模块包括电化学传感器和颗粒物传感器，用于检测气室内的待测气样；电化学传感器用于检测待测气样中SO

电化学传感器和颗粒物传感器与单片机之间通过内部通讯模块实现通讯，如图2所示，通过连接器P4实现单片机的相应引脚与电化学传感器、颗粒物传感器的连接，还设置了相应的阻抗匹配电阻R39、R42、R43，实现信号的发送与接收。

本实施例的温控模块与电化学传感器通信连接，用于对电化学传感器进行温度补偿；具体地，如图3所示，温控模块包括温度传感器PT100、温控器TEC、两芯插座P6、限流分压电阻R49，两芯插座P6用于连接温度传感器PT100与单片机的TEMP引脚，温度传感器PT100与3.3V供电电源R3.3V之间设置限流分压电阻R49；温控器TEC与单片机连接，根据单片机的控制信号对电化学传感器进行温度补偿。

其中，温度不同的情况下，温度传感器PT100的阻值会发生改变，TEMP点的电压也会随之发生改变，可以通过单片机采集TEMP的电压来计算温度传感器PT100阻值，通过单片机查表法确定外界环境的温度，再通过温控器TEC来实现控温。具体地，根据单片机的控制信号对电化学传感器进行温度补偿，包括：

为削弱电化学传感器温度对监测气体的干扰，研究了电化学传感器的温度特性，提出了根据传感器所输出零点电流与反应电流的温度特性获取最佳标定温度，并对给予曲线拟合的温度补偿算法做出扣除零点电流的改进，解决现有的电化学传感器长期漂移及掉电漂移问题，具体根据电化学传感器的温度特性进行温度补偿获取最佳标定温度T

电化学传感器的零点响应有效电压为：V

结合环境的温湿度对电化学传感器的测量值进行拟合，拟合公式为：C＝a*V+b*T

在不同温度下分别测试不同标准浓度的标气时，电化学传感器零点电压与反应电压随温度变化情况，基于最新二乘法拟合出各温度特性V

在任意温度T下电化学传感器输出的电压值V

根据温度补偿修正后的V

本实施例的调零校准模块与电化学传感器通信连接，用于对电化学传感器进行调零校准。如图4所示，调零校准模块包括三极管Q2、导通电阻R18、发光二极管D8、限流电阻R17、继电器U5、三极管Q3、导通电阻R21、发光二极管D14、限流电阻R20、继电器U6；三极管Q2的基极和三极管Q3的基极分别通过导通电阻R18和导通电阻R21与单片机的MCU_DO1引脚和MCU_DO2引脚连接，三极管Q2的发射极和三极管Q3的发射极接地，三极管Q2的集电极和三极管Q3的集电极分别与发光二极管D8的负极和发光二极管D14的负极连接，发光二极管D8的正极和发光二极管D14的正极分别通过限流电阻R17和限流电阻R20与24V供电电源连接；继电器U5连接发光二极管D8的负极和三极管Q2的集电极，还通过四芯连接器P2连接与气室连通的吹扫管道上安装的电磁阀；继电器U6连接发光二极管D14的负极和三极管Q3的集电极，还通过四芯连接器P2连接与气室连通的进气管道上安装的采样泵；

具体的调零校准流程如下：监测系统运行一段时间后，单片机U11接收到调零校准的信号后，发送控制信号给三极管Q2，三极管Q2接受信号后导通，发光二极管D8亮光，继电器U5开关闭合，电磁阀打开，反吹气进入吹扫管道，反吹完成后，单片机U11收到完成反吹的信号，发送控制信号给三极管Q2，三极管Q2关闭，发光二极管D8熄灭，继电器U5开关断开，电磁阀关闭，即完成反吹；

反吹完成后，单片机U11发送控制信号给三极管Q3，三极管Q3接受信号后导通，发光二极管D14亮光，继电器U6开关闭合，采样泵开始工作，抽取标气进行调零标定，标定完成后，单片机U11收到标定完成的信号，发送控制信号给三极管Q3，三极管Q3关闭，发光二极管D14熄灭，继电器U6开关断开，采样泵停止工作，完成调零校准。

另外，单片机上可集成自动调零气路和自动调零逻辑控制，实现定时自动调零。

本实施例利用不同气体与某一传感器发生作用产生的信号值(电压或电流)作为数学模型的数据基础，建立单一气体浓度-被检传感器信号值关系到响应系数。在本实施例中，电化学传感器将信号传给单片机，单片机中集成有交叉干扰检测模型，减少漂移和交叉干扰的影响。具体地，本实施例的单片机U11集成有交叉干扰检测模型，假设待测气样中SO

△S

△S

△S

其中，将X气体通入Y传感器产生的电压变化量△S

根据公式(1)～(3)为三组三元一次方程，求解得：

公式(4)～(6)建立的不用浓度干扰下的示值方程，即交叉干扰检测模型。本实施例利用交叉干扰检测模型对数据进行处理，消除SO

如图5所示，本实施例的外部通讯模块采用网卡或GRPS通信；当通过GRPS通信，以实现定位，从而能够发送检测位置信息。

本实施例的存储卡座用于安装存储卡，存储卡座与单片机连接。存储卡为SD卡，如图6所示，存储卡座的DATA0引脚通过第一阻抗匹配电阻与单片机的MISO引脚连接，存储卡座的CLK引脚通过第二阻抗匹配电阻与单片机的SCK引脚连接，存储卡座的CMD引脚通过第三阻抗匹配电阻与单片机的MOSI引脚连接，存储卡座的CD/DATA3引脚通过第四阻抗匹配电阻与单片机的CS引脚连接；其中，CD/DATA3引脚与第四阻抗匹配电阻之间设有上拉电阻。传感器的信号传给单片机，单片机经过运算后传输至SD卡，SD卡保存数据，方便查找历史数据。

如图7所示，本实施例的显示模块为显示控制屏，与单片机通讯连接，用于实时显示待测气样的各项检测结果以及作为整个系统的操作界面，整个系统的操作均在显示控制屏上完成，各项检测数据均可在显示控制屏上找到，实现人机交互。

实施例2：

本实施例的环境空气质量监测系统与实施例1的不同之处在于：

省略存储卡座、外部通讯模块、显示屏中的部分或全部功能设计，简化系统构架，降低成本，满足不同应用场合的需求；

其他结构可以参考实施例1。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。