CN2472235Y - 室内空气质量监控装置 - Google Patents
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Abstract
室内空气质量监控装置,包括气体传感器、单片微处理器构成的数据采集与控制装置、A/D转换电路、CO2、SO2、CO和氮氧气体传感器组、多路开关、信号放大调理电路,其特征是体传感器组的输出连接多路开关、由多路开关连接运算放大器构成的信号放大调理电路,调理电路输出再连接A/D转换电路,然后再连接单片微处理器。本实用新型利用不同的气体传感器,完成对室内各种气体浓度的实时监测、报警、开启室内空气净化装置。
Description
本实用新型涉及室内空气质量的数据采集与监视控制装置。
当前空气质量监测已经成为环保部门的一项重要任务，国家环保局已制定了标准环境空气质量标准(GB 3095-1996)，并针对几种主要污染源SO2、CO、O3、NOx、TSP、NO2、PM10引入了空气污染指数(API)作为空气质量好坏评定的指标，国内外也相应有了很多对这些气体的监测方法和设备，但这些空气质量的监测主要是针对大气环境的，而且针对不同污染源使用的监测方法和仪器设备也不一样，监测过程和操作也较为复杂。至于针对室内空气质量的监测设备和仪器却未出现，或者至多是一些特殊用途的家用煤气、液化气报警器等。经对室内空气成分中主要有害气体组成的分析得出结论：由于室内人的呼吸和现代房间的密封性，造成影响室内空气质量的主要有害气体是二氧化碳气体，另外受周围大气环境及房间装潢、燃器具使用等因素的影响，还会有少量二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳等有毒气体的存在。而当前能用于对这多种气体同时监测的室内空气质量综合监控仪器设备尚未出现。
本实用新型目的是：提供一种综合监测仪器设备，能够对室内空气质量进行监测的系统装置，提供一种能对室内几种主要有害有毒气体CO2、SO2、NO2、CO等浓度进行实时自动测量、显示与保存，并对监测数据进行综合分析；本实用新型目的还在于根据预定报警标准和系统控制策略随时作出是否开启空气净化装置，确保室内有一个高质量的空气质量环境，并且该实用新型还提供一种能与计算机通信的标准RS-232通信接口，配合相应计算机应用软件可以进行室内空气质量数据库存档，长期数据监测分析，并能提供室内空气质量的日报表、周报表和年度空气质量报表等监控结果数据。
本实用新型目的的实现方案是：室内空气质量监控装置，包括气体传感器、单片微处理器构成的数据采集与控制装置、A/D转换电路、CO2、SO2、CO和氮氧气体传感器组、多路开关、信号放大调理电路，其特征是体传感器组的输出连接多路开关、由多路开关连接运算放大器构成的信号放大调理电路，调理电路输出再连接A/D转换电路，然后再连接单片微处理器。
另还设有看门狗电路，还包括光隔离接口连接单片微处理器的输出端、空气净化器等组成基本的室内空气净化装置，另外，配接通信接口和计算机系统可以进一步组成具有Internet远程查询功能以及完善的数据库功能的扩展系统。
本实用新型利用不同的气体传感器，采用以AT89C51芯片为核心的单片机数据采集与控制系统，完成对室内各种气体浓度的实时监测，同时根据预先设定的报警标准，当检测到某种气体超标时，系统自动开启室内空气净化装置，进行空气净化处理，同时提供报警显示。为增强系统的高稳定性和可靠性，系统使用555芯片和74LS123组成硬件看门狗电路，避免单片机程序跑飞；以ICL7135作为A/D转换芯片，与相应外围电路一起组成数据采集输入通道；以光耦芯片组成光隔离输出控制通道，保证对强电的通断控制不影响单片机系统电路。
本实用新型的特点是：可以同时对室内多种主要有毒有害气体进行浓度实时监测，并且可以根据最优化系统控制方案超标自动报警和自动开启空气净化装置，完成室内空气净化工作，而且本实用新型使用了硬件看门狗电路和光隔离输出控制，具有很高的系统稳定性和可靠性，可以有效的完成室内空气质量的监测和控制任务，为室内生活的人们提供一个高质量的空气环境，具有很高的经济效益、社会效益和环保效益。
以下结合附图对本实用新型进行详细说明：
图1为本实用新型硬件结构框图；
图2为本实用新型传感器温度补偿电路图；
图3为本实用新型多路切换及信号调理电路图；
图4为本实用新型硬件看门狗电路图；
图5为本实用新型光隔离控制电路图；
图6为本实用新型7135A/D转换电路图；
图7为本实用新型RS-232计算机通信接口电路图；
如图1所示，本实用新型主要由AT89C51芯片、ICL7135A/D转换芯片、CO2、SO2、NO2、CO传感器组、多路开关、运算放大器、时钟系统、定时与逻辑控制、光隔离接口、看门狗电路、空气净化器等组成基本的室内空气质量监控装置，另外，配接通信接口和计算机系统可以进一步组成具有Internet远程查询功能以及完善的数据库功能的扩展系统。监控装置基本工作方式为：传感器探头装在被监控室内墙壁或天花板上，单片机89C51根据数据采集顺序控制多路开关，轮流接通多个传感器组的信号输出，其后经过低漂移、高稳定的运算放大器加以信号调理，确保采样信号的线性度和稳定度。调理后的信号由ICL7135进行模数转换，将采集的模拟信号转换成数字信号，单片机89C51读取这些原始数字信号，再进行二次加工处理最终得到被监测的每种有毒有害气体的浓度值。单片机中的软件控制程序判断这些数据是否超标，如果超标输出控制信号，通过光隔离接口打开空气净化器开关，启动室内空气净化工作，同时启动报警显示；当环境气体浓度值又恢复正常情况时，关闭空气净化器。数据采集与处理算法以及系统控制算法均由单片机通过软件编程完成。
图2为传感器温度补偿电路：
由于传感器元件的本身特性决定了其阻值会随着周围环境温度的变化产生明显的漂移，致使测量电路的输出产生零点漂移，漂移过大会造成测量的不灵敏或过灵敏，使整机的可靠性下降。为此，根据器件的特性曲线，我们给测量添加了补偿电路，进行温度补偿，如图2所示，其中RT为温敏电阻，RS为传感器电阻。当温度变化引发传感器电阻RS发生漂移时，温敏电阻RT也会随之产生变化，因此，对整个测量电路来说，由温度引发的漂移被抵消，对外部测量电路不产生影响。
图3为本实用新型多路切换及信号放大和调理电路图
本装置需要采集4路信号，而前端A/D转换只有一路，因此采用多路模拟开关CMOS芯片HCF4051BE(简称4051)完成数据采集通道的切换，分时采集各路传感器输出信号。该芯片为8路选一，本装置只用了4路；通道控制端口A、B、C由单片机扩展资源377中的3个输出口控制；4051的输出端通过电阻R1接至集成运算放大器OP07的正向输入端。由R1、R2、R3、R4和运放OP07组成信号正向输入放大调理电路，根据需要通过调整电阻R1、R2、R3、R4的阻值可以得到不同的放大倍数，经过调理后的电压信号作为A/D转换的输入接至ICL7135的输入端口。
图4为本实用新型硬件看门狗电路图
为进一步提高系统的抗干扰能力，本装置利用片外监视定时器设计了硬件看门狗电路，主要由一片双可再触发单稳触发器74LS123和定时芯片CA555E组成，其中74LS123的一个输入端接单片机89C51的一位输出端口P1.7(第8引脚)，而89C51的RESET输入端通过一5.1K的电阻接至74LS123的输出端第5脚。555定时器构成一个无稳多谐振荡器，当系统软件运行时，定期地去复位监视定时器电路，一旦系统受到干扰出现程序跑飞，则系统软件将不再对监视电路复位，此时多谐振荡器就会输出周期脉冲信号，并促使单稳触发器对89C51单片机的RESET输出周期复位信号，从而使单片机重新从开始执行程序工作，避免了死机现象。
图5为本实用新型光隔离控制电路图
本实用新型装置的一个任务就是对室内空气净化器的控制，它是通过一组光隔离输出电路来控制的，其工作原理为：空气净化器通过继电器的常开开关接到供电电源，平时由于继电器不工作，开关K1处于断开状态，净化器因供电电路不通而不工作；当系统控制需要打开净化器时，由89C51发出控制信号使51-OUTC端口为低电平，使得光耦中的发光二极管正向导通发光，从而使光耦的输出端导通为三极管9013的基极提供电流，这一电流进一步使继电器线包导通，并为其提供较大的工作电流，继电器的导通吸合控制开关K1接通净化器供电电路，启动净化器工作。当不需要净化时，89C51发出控制信号使51-OUTC端口再为高电平，发光二极管由于两端均为高电平而被截止不能发光，后续电路也相继被断开，净化器电源重新被切断停止工作。本装置使用光耦合使得后面净化器的强电交流工作环境与前面的控制系统完全电隔离，避免交流强电系统对单片机弱电系统的干扰，使系统运行更加稳定可靠。
图6为本实用新型7135A/D转换电路图
考虑被监测的室内气体浓度变化比较缓慢，本系统使用了低速高精度的A/D转换芯片ICL7135，它是一种常用的四位半双积分单片集成ADC芯片，分辨率相当于14位二进制数，转换精度高，转换误差为±1LSB；芯片采用了自动校零技术，可保证零点在常温下的长期稳定性。7135工作的外围电路及与单片机的连接如图6所示，其中MC1403组成的电路模块为7135提供标准的1V参考电压，4049组成的振荡电路为7135提供125kHz的工作时钟。7135与微处理器89C51的连接是通过4位2选1数据多路开关74LS157来实现的，74LS157的选通信号由7135的D5输出来控制，这样当A/D转换结束时，D5输出高电平，74LS157选通B类通道，单片机读入D5的数据位B1和状态位POL、OVER、UNDER值；当D5输出完成时变为低电平(这一过程包括D4～D1数据输出周期在内)时，74LS157选通A类通道，单片机将依次读入D4～D1位的8421码值B8、B4、B2、B1。这样最大限度地节约了单片机的口资源，总共只占用了5个数据输入端口。7135的数据输出选通引脚直接接到单片机的中断输入端口INTO，启动单片机的中断服务程序读取A/D转换的数据结果。根据7135的工作时序和系统电路连接特点，单片机采用中断与查询相结合的工作方式，由硬件启动中断服务程序，进入中断服务程序后执行查询数据、状态位的工作。图7为本实用新型RS-232计算机通信接口电路图
该电路提供单片机与计算机全双工串口通信的电平转换接口，由于RS-232通信标准规定的逻辑电平与单片机的TTL和CMOS电路逻辑不同，因此本实用新型装置使用了MAX202芯片来完成此电平逻辑转换。在此接口中单片机实际的通信连线只用了三根，即发送数据线(TXD)、接收数据线(RXD)和信号地(GND)。
Claims (4)
1、室内空气质量监控装置，包括气体传感器、单片微处理器构成的数据采集与控制装置、A/D转换电路、CO2、SO2、CO和氮氧气体传感器组、多路开关、信号放大调理电路，其特征是体传感器组的输出连接多路开关、由多路开关连接运算放大器构成的信号放大调理电路，调理电路输出再连接A/D转换电路，然后再连接单片微处理器。
2、由权利要求1所述的室内空气质量监控装置，其特征是还设有空气净化器、光隔离接口，光隔离接口连接单片微处理器的输出端，光隔离接口的输出连接空气净化器的控制端。
3、由权利要求1所述的室内空气质量监控装置，其特征是另还设有555芯片和双可再触发单稳触发器74LS123组成的硬件看门狗电路，74LS123的一个输入端接单片机89C51的一位输出端口P1.7。
4、由权利要求1所述的室内空气质量监控装置，其特征是多路开关用多路模拟开关CMOS芯片HCF4051BE，分时采集各路传感器输出信号，该芯片输出端通过电阻R1接至集成运算放大器OP07的正向输入端。
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