专利名称：一种基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微环境监测技术领域，特别是涉及一种基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置。
背景技术：
当前，对多组分挥发性有机物的定量分析常采用气相色谱和气相——质谱联用方法、电化学探测法和红外吸收光谱法。电化学方法需要对待测气体进行采样，不适用于现场监测；气相色谱和气相——质谱联用法需要专门的进样装置，其过程复杂、时间较长，无法满足实时自动化连续监测的需要。近年来，近红外光谱分析技术与化学计量学方法相结合提高了定量分析的灵敏度、准确性和可靠性，适用于现场快速检测和实时在线分析。而针对博物馆微环境的监测，还没有十分有针对性的在线监测设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置，可对博物馆的微环境进行现场快速检测和实时在线分析。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置，包括气体检测模块、MCU主电路、通信电路，所述气体检测模块包括基准频率源、传感器和振荡电路，所述传感器的石英晶体的电极上修饰聚苯胺涂层，用于检测气体污染物；所述振荡电路驱动所述石英晶体进行串联谐振，输出频率为谐振频率的电压波形信号，并将该电压波形信号输入被测频率计数电路；所述基准频率源输出的电压波形信号输入至所述基准频率计数电路；所述MCU主电路分别与基准频率计数电路和被测频率计数电路相连，用于检测基准频率和被测石英晶体的频率，通过分析得出最佳匹配频率值；所述通信电路与所述MCU主电路相连，用于传输MCU主电路分析得出的最佳匹配频率值。所述MCU主电路还与温湿度检测模块相连，所述温湿度检测模块用于检测待测环境的温度和湿度；所述MCU主电路根据当前环境的温度值算出温度补偿值。所述振荡电路驱动所述石英晶体进行串联谐振发出的电压波形信号通过反相器，再通过D-S触发器组成的开关控制电路进行晶振的计数控制。所述MCU主电路采用基于ARM9CortexM4内核的STM32F407高速DSP处理器。所述通信电路通过基于GSM和GPRS方式芯片实现。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果:本发明利用石英晶体微天平方法的灵敏度高和检测极限低的特点，开发高选择性、高灵敏度、高稳定性的有机气体传感器。该类传感器可以实施在线监测，同时可以方便地实现网络化应用。其中，聚苯胺修饰的石英晶体传感器对有机酸类、醛类分子具有较好的吸附作用，通过测量传感器表面质量的变化，连续在线监测环境中痕量气态分子复合污染物浓度的变化，建立适用于文物保存微环境监测和净化效果评定的测试装置，并采用无线技术，实现网络化应用。
图1是本发明的原理方框图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明的实施方式涉及一种基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置，如图1所示，包括气体检测模块、MCU主电路、通信电路，所述气体检测模块包括基准频率源、传感器和振荡电路，所述传感器的石英晶体的电极上修饰聚苯胺涂层，用于检测气体污染物；所述振荡电路驱动所述石英晶体进行串联谐振，输出频率为谐振频率的电压波形信号，并将该电压波形信号输入被测频率计数电路；所述基准频率源输出的电压波形信号输入至所述基准频率计数电路；所述MCU主电路分别与基准频率计数电路和被测频率计数电路相连，用于检测基准频率和被测石英晶体的频率，通过分析得出最佳匹配频率值；所述通信电路与所述MCU主电路相连，用于传输MCU主电路分析得出的最佳匹配频率值。所述MCU主电路还与温湿度检测模块相连，所述温湿度检测模块用于检测待测环境的温度和湿度；所述MCU主电路根据当前环境的温度值算出温度补偿值，并根据温度补偿值得出被测石英晶体的频率。本发明由电源模块提供稳定的工作电压。这里采用开关电源的方式，考虑到电源电压的波动对晶振采集的精度带来的影响，这里设计的开关电源采用款范围设计思路，输入的电压可以从60VAC到500VAC之间的任何值，输出提供稳定的5.1lV电压。这样设计的好处是大大减小了系统测量晶振频率的精度对于电源稳定的依赖性，大大增强了系统的抗干扰能力。在石英晶片的电极上修饰聚苯胺涂层来用作压电传感器，对有机酸、醛及苯类气体污染物进行检测。将吸附的质量变化转化石英晶体的谐振频率的变化，通过对频率的计量，可以对污染物进行测算，精度可达到0.5Hz。振荡电路驱动石英晶体进行串联谐振，输出频率为谐振频率的电压波形,并将该信号输入计数电路。为了增强信号的驱动能力，首先将信号通过了反相器，然后通过D-S触发器组成的开关控制电路，进行晶振的计数控制。最后，通过数据选择器，可以采集多路不同的晶振信号。主电路部分采用了基于ARM9CortexM4内核的STM32F407高速DSP处理器，主频高达168MHz，进行高速数据采样。它主要负责3路晶振频率的测量，同时进行组合式数字滤波，提高测量精度。同时，负责人机界面的交互，还可以控制无线模块将数据发送给远程PC。其中主电路MCU内部采用自适应采集算法。由于需要测量的晶振频率有1M、7M、IOM等几个规格。如果设计过程中，采用一种设备对应一种晶振的话，将大大减低所设计产品的应用范围，灵活性差。因此，这里采用自适应算法来动态捕获需要测量的频率值。首先，系统启动后，在系统自检阶段，启动基准频率源通道进行测量，同时测量待测晶振的频率。在对基准频率测量后，然后保存所测量的待测晶振的频率值，进行分析，得出最佳匹配值，然后根据当前温度值，通过查表找到温度补偿值，这样即提高了测量的精度，也自适应计算出了被测晶振的频率。这种方法是其他产品所不具有的方法，突出了自行开发产品的先进性。通信电路主要完成传感检测模块与上位机的通讯，接受来自上位机的命令，并把测得的频率值发送给上位机，主要采用了基于GSM和GPRS方式的通讯，例如简约纳电子推出的SL1300芯片。采用GSM或者GPRS的优势是可以充分利用中国移动公司提供的短消息或者网络通信技术，实现数据的远程采集和实时管理，方便快捷，且售后服务方便，无须维护人员，直接远程操作，传输到指定地点。不难发现，本发明可以读出相应的频率值及温湿度，并可以根据频率进一步得出空气中气体的污染程度。本发明利用石英晶体微天平方法的灵敏度高和检测极限低的特点，开发高选择性、高灵敏度、高稳定性的有机气体传感器。该类传感器可以实施在线监测，同时可以方便地实现网络化应用。其中，聚苯胺修饰的石英晶体传感器对有机酸类、醛类分子具有较好的吸附作用，通过测量传感器表面质量的变化，连续在线监测环境中痕量气态分子复合污染物浓度的变化，建立适用于文物保存微环境监测和净化效果评定的测试装置，并采用无线技术，实现网络化应用。
权利要求
1.一种基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置，包括气体检测模块、MCU主电路、通信电路，其特征在于，所述气体检测模块包括基准频率源、传感器和振荡电路，所述传感器的石英晶体的电极上修饰聚苯胺涂层，用于检测气体污染物；所述振荡电路驱动所述石英晶体进行串联谐振，输出频率为谐振频率的电压波形信号，并将该电压波形信号输入被测频率计数电路；所述基准频率源输出的电压波形信号输入至基准频率计数电路；所述MCU主电路分别与基准频率计数电路和被测频率计数电路相连，用于检测基准频率和被测石英晶体的频率，通过分析得出最佳匹配频率值；所述通信电路与所述MCU主电路相连，用于传输MCU主电路分析得出的最佳匹配频率值。
2.根据权利要求1所述的基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置，其特征在于，所述MCU主电路还与温湿度检测模块相连，所述温湿度检测模块用于检测待测环境的温度和湿度；所述MCU主电路根据当前环境的温度值算出温度补偿值。
3.根据权利要求1所述的基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置，其特征在于，所述振荡电路驱动所述石英晶体进行串联谐振发出的电压波形信号通过反相器，再通过D-S触发器组成的开关控制电路进行晶振的计数控制。
4.根据权利要求1所述的基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置，其特征在于，所述MCU主电路采用基于ARM9CortexM4内核的STM32F407高速DSP处理器。
5.根据权利要求1所述的基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置，其特征在于，所述通信电路通过基于GSM和GPRS方式芯片实现。
全文摘要
本发明涉及一种基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置，包括气体检测模块、MCU主电路、通信电路，气体检测模块包括基准频率源、传感器和振荡电路，传感器的石英晶体的电极上修饰聚苯胺涂层；振荡电路驱动石英晶体进行串联谐振，输出频率为谐振频率的电压波形信号，并将该电压波形信号输入被测频率计数电路；基准频率源输出的电压波形信号输入至基准频率计数电路；MCU主电路分别与基准频率计数电路和被测频率计数电路相连，用于检测基准频率和被测石英晶体的频率，通过分析得出最佳匹配频率值；所述通信电路与所述MCU主电路相连。本发明可对博物馆的微环境进行现场快速检测和实时在线分析。
文档编号G01N5/00GK103196769SQ20131008878
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者周浩, 吴来明, 王慧锋, 蔡兰坤, 颜秉勇, 闫莹 申请人:上海博物馆, 华东理工大学