便携式室内空气质量快速检测仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种便携式室内空气质量快速检测仪，包括依次相连接的HCHO传感器模块、第一电流电压转换电路和第一低通滤波放大电路；依次相连接的NH3传感器模块、第二电流电压转换电路和第二低通滤波放大电路；依次相连接的C6H6传感器模块、第三电流电压转换电路和第三低通滤波放大电路；依次相连接的VOC传感器模块和第四低通滤波放大电路；第一低通滤波放大电路、第二低通滤波放大电路、第三低通滤波放大电路和第四低通滤波放大电路分别与A/D转换电路相连接，A/D转换电路与FPGA处理器相连接；该快速检测仪还包括电源模块。该快速检测仪测量速度快、测量精度高和携带方便等优点，为普通大众家庭实时快速准确监测室内空气质量，提供简单可靠的方法与手段。
【专利说明】便携式室内空气质量快速检测仪
【技术领域】
[0001]本发明属于室内环境检测【技术领域】，涉及一种快速检测室内空气质量的检测仪，具体涉及一种便携式室内空气质量快速检测仪。
【背景技术】
[0002]随着生活水平的日益提高，人们对室内空气质量状况也越来越重视，现有的各种建材中都含有一定量的有害物质，人们经常通过嗅觉来判断室内空气质量的状况，这样既危害到了自己的身体，其次也很难准确判断室内空气质量的好坏。由于空气质量不达标导致白血病等事故时有发生，因此迫切需要寻找一种简单、快速、准确检测室内空气质量的设备。目前使用的检测设备中，有些设备的测量误差较大，有些设备达不到检测要求，有些设备对操作人员和专业知识的要求较高，使得现有检测设备都很难普及到众多的普通家庭。因此，发明一种操作简单、携带方便、检测快速准确的空气质量检测仪是适时而必要的。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种操作简单、检测快速准确的便携式室内空气质量快速检测仪，适用于普通家庭室内空气质量检测。
[0004]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:一种便携式室内空气质量快速检测仪，包括依次相连接的HCHO传感器模块、第一电流电压转换电路和第一低通滤波放大电路；依次相连接的NH3传感器模块、第二电流电压转换电路和第二低通滤波放大电路；依次相连接的C6H6传感器模块、第三电流电压转换电路和第三低通滤波放大电路；依次相连接的VOC传感器模块和第四低通滤波放大电路；第一低通滤波放大电路、第二低通滤波放大电路、第三低通滤波放大电路和第四低通滤波放大电路分别与A/D转换电路相连接，A/D转换电路与FPGA处理器相连接；该快速检测仪还包括电源模块。
[0005]本发明室内空气质量快速检测仪主要用于室内甲醛浓度、氨浓度、苯浓度和挥发性有机物浓度的快速检测，并通过对环境温湿度的监测修正检测值，大大提高测量的精确性，是一种较为理想的现场快速简单的检测仪器，为室内空气质量快速检测便携化提供更大的可能。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是本发明快速检测仪的结构示意图。
[0007]图2是本发明快速检测仪的电路结构示意图。
[0008]图3是本发明快速检测仪的功能模块设计图。
[0009]图4是本发明快速检测仪的电源模块设计图。
[0010]图5是本发明快速检测仪的面板设计图。
[0011]图1中:1.HCHO传感器模块，2.NH3传感器模块，3.C6H6传感器模块，4.VOC传感器模块，5.第三电流电压转换电路，6.第四低通滤波放大电路，7.第三低通滤波放大电路，8.A/D转换电路，9.FPGA处理器，10.USB接口，11.功能按键，12.电源模块，13.温湿度检测模块，14.液晶及指示灯显示，15.第二低通滤波放大电路，16.第一低通滤波放大电路，17.第二电流电压转换电路，18.第一电流电压转换电路。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0013]如图1所示，本发明快速检测仪，包括依次相连接的HCHO传感器模块1、第一电流电压转换电路18和第一低通滤波放大电路16 ;依次相连接的NH3传感器模块2、第二电流电压转换电路17和第二低通滤波放大电路15 ;依次相连接的C6H6传感器模块3、第三电流电压转换电路5和第三低通滤波放大电路7 ;依次相连接的VOC传感器模块4和第四低通滤波放大电路6 ;第一低通滤波放大电路16、第二低通滤波放大电路15、第三低通滤波放大电路7和第四低通滤波放大电路6分别与A/D转换电路8相连接，A/D转换电路8与FPGA处理器9相连接；FPGA处理器9还分别与USB接口 10、功能按键11、温湿度检测模块13和液晶及指示灯显示14相连接。该快速检测仪还包括电源模块12，电源模块12给检测仪中的各单元供电。
[0014]HCHO传感器模块I (甲醛传感器模块)由Membrapor公司生产的电化学传感器CH20/S-10-S和甲醛传感器接口电路组成。NH3传感器模块2 (氨传感器模块)由Winsensor公司生产的电化学传感器ME3-NH3和氨传感器接口电路组成；C6H6传感器模块3 (苯传感器模块)由Winsensor公司生产的电化学传感器ME4_C6H6和苯传感器接口电路组成。
[0015]甲醛传感器接口电路、氨传感器接口电路以及苯传感器接口电路的结构完全相同。而且，电化学传感器CH20/S-10-S、电化学传感器ME3-NH3以及电化学传感器ME4-C6H6的电极的名称和表示符号也完全相同。下面以电化学甲醛传感器CH20/S-10-S和传感器接口电路为例，对传感器模块的结构进行说明。
[0016]HCHO传感器模块I包括甲醛传感器和甲醛传感器接口电路，如图2所示，甲醛传感器接口电路包括第一运算放大器ICl和场效应管Q。甲醛传感器采用电化学传感器CH2O/S-10-S,甲醒传感器的对电极CE分别与第一电容Cl的一端、第二电容C2的一端和第一运算放大器ICl的输出端相连接；甲醛传感器的参比电极RE分别与第一电阻Rl的一端和场效应管Q的源极相连接，场效应管Q的漏极接甲醛传感器的工作电极SE，场效应管Q的栅极与第四电阻R4的一端相连接，第四电阻R4的另一端接+5V电压。第一电阻Rl的另一端分别与第二电阻R2的一端和第一电容Cl的另一端相连接，第二电阻R2的另一端分别接第二电容C2的另一端和第一运算放大器ICl的反相输入端；第一运算放大器ICl的正相输入端接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端接地。甲醛传感器的工作电极SE与第一电流电压转换电路5相连接。第一运算放大器ICl选用±5V电压供电。第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容Cl、第二电容C2与第一运算放大器ICl构成了恒电位仪电路，场效应管Q是为了使传感器处于准备工作状态，当电路断电时，场效应管Q的源极和漏极短接，因此传感器的工作电极SE和参比电极RE短接，防止传感器启动时间过长，在系统断电的情况下保证传感器的参比电极RE和工作电极SE短接以保持这两个电极的电势相等。
[0017]第一电流电压转换电路18、第二电流电压转换电路17和第三电流电压转换电路5的结构相同，下面与第三电流电压转换电路5为例:第一电流电压转换电路18包括第二运算放大器IC2和第三运算放大器IC3，见图2，第二运算放大器IC2和第三运算放大器均选用±5V电压供电。第二运算放大器IC2的正相输入端分别与第五电阻R5的一端和第六电阻R6的一端相连接,第五电阻R5的另一端接甲醒传感器的工作电极SE。第六电阻R6的另一端分别与第二电位器R8的一端、第二电位器R8的动触点以及第一电位器R7的一端相连接；第二电位器R8的另一端分别接地和第十五电阻R15的一端，第十五电阻R15的另一端接第三运算放大器IC3的正相输入端；第三运算放大器IC3的反相输入端分别与第十六电阻R16的一端和第十七电阻R17的一端相连接；第十七电阻R17的另一端、第一电位器R7的另一端以及第一电位器R7的动触点分别接第三运算放大器IC3的输出端，第三运算放大器IC3的输出端与第一低通滤波放大电路16相连接；第十六电阻R16的另一端分别与第十四电阻R14的一端和第二运算放大器IC2的输出端相连接，第二运算放大器IC2的反相输入端分别与第十四电阻R14另一端、第十电阻RlO的一端和第九电阻R9的一端相连接；第九电阻R9的另一端接地，第十电阻RlO的另一端接第三电位器Rll的动触点，第三电位器Rll的一端接第十二电阻R12的一端，第十二电阻R12的另一端接+2.5V电压；第三电位器Rll的另一端接第十三电阻R13的一端，第十三电阻Rl3的另一端接-2.5V电压。
[0018]第一低通滤波放大电路16包括第四运算放大器IC4，第四运算放大器IC4选用±5V电压供电。第四运算放大器IC4的正相输入端与第二十电阻R20的一端相连接，第二十电阻R20的另一端接地；第四运算放大器IC4的反相输入端分别与第十九电阻R19的一端和第四电容C4的一端相连接 ,第十九电阻R19的另一端分别与第十八电阻R18的一端、第三电容C3的一端以及第四电位器R21的一端相连接，第三电容C3的另一端接地，第十八电阻R18的另一端与第三运算放大器IC3的输出端相连接；第四电位器R21的另一端、第四电位器R21的动触点、第四电容C4的另一端以及第四运算放大器IC4的输出端分别与第二十二电阻R22的一端相连接，第二十二电阻R22的另一端接A/D转换电路8。
[0019]HCHO传感器模块1、NH3传感器模块2和C6H6传感器模块3的输出均为微弱电流信号，每个传感器模块后面均连接一个电流电压转换电路。传感器模块输入电流电压转换电路的电流信号通过第五电阻R5进入运算放大器的正相输入端；第五电阻R5、第九电阻R9和第十四电阻R14与第二运算放大器IC2构成第一级电路；第十R10、第三电位器R11、第十二电阻R12和第十三电阻R13组成失调电压调节电路连接到第二运算放大器IC2的反相输入端；第十五电阻R15、第十六电阻R16和第十七电阻R17与第三运算放大器IC3构成第二级电路；该第一级电路和第二级电路通过由第六电阻R6、第一电位器R7和第二电位器R8组成的T型反馈电阻网络将输入信号与输出信号连接，其中满足第六电阻R6的阻值远大于第一电位器R7的阻值，第一电位器R7的阻值大于等于第二电位器R8的阻值，该电流电压转换电路的反馈电阻Rf ^ R6X (1+R7/R8)。当R6—定时，通过调节R7与R8的比值可以微调电流电压转换电路的转换增益，该电流电压转换电路的转换关系为I=RfXI15低通滤波放大电路的主要作用是提高电路的信噪比，通过调节第三电位器RU可以改变电流电压转换电路的失调电压，使输出电压处于0V~5V之间，使输入为零时电流电压转换电路的输出也为零；由于HCHO传感器模块UNH3传感器模块2和C6H6传感器模块3输出的电流范围不同，可以通过调节第六电阻R6、第一电位器R7和第二电位器R8的大小关系实现电流电压转换电路的输出电压范围一致。[0020]经电流电压转换电路转换后得到的电压信号进入低通滤波放大电路，第一低通滤波放大电路16、第二低通滤波放大电路15和第三低通滤波放大电路7均采用二阶反相放大有源低通滤波器，通过调节第四电位器R21可以改变放大倍数。
[0021 ] VOC传感器模块4(挥发性有机物模块)选用piD-TECH plus传感器，该传感器的供电电压为+5V,输出0V?2.5V的电压信号。该传感器的输出端OUT与第四低通滤波放大电路7相连接，第四低通滤波放大电路7采用兼备放大和低通滤波功能的二阶正相放大有源低通滤波放大电路。如图2所示，第四低通滤波放大电路7包括第五运算放大器IC5，第五运算放大器IC5选用±5V电压供电。第五运算放大器IC5的正相输入端分别与第七电容C7的一端和第二十四电阻R24的一端相连接，第二十四电阻R24的另一端分别与第六电容C6的一端和第二十三电阻R23的一端相连接，第二十三电阻R23的另一端接piD-TECH plus传感器的输出端OUT ;第七电容C7的另一端分别与第六电容C6的另一端、第五电容C5的一端和地相连接，第五电容C5的另一端接piD-TECH plus传感器的输入端VCC ;piD-TECH plus传感器的GND端接地；第五运算放大器IC5的反相输入端分别与第二十五电阻R25的一端和第二十六电阻R26的一端相连接，第二十五电阻R25的另一端接地，第二十六电阻R26的另一端和第五运算放大器IC5的输出端分别与第二十七电阻R27的一端相连接，第二十七电阻R27的另一端与A/D转换电路8相连接。
[0022]VOC传感器供电电压为+5V，输出为O疒2.5V的电压信号，输出端连接第四低通滤波放大电路6，第四低通滤波放大电路6兼备放大和低通滤波功能，其放大倍数A=l+R26/R25，这里取R25=R26，这样放大倍数为2，二阶正相放大有源低通滤波放大电路输出的电压范围为OV?5V。
[0023]经四路低通滤波放大电路处理得到的四路电压信号输入A/D转换电路8，A/D转换电路8采用四通道模数转换器AD7856-2，该模数转换器由FPGA处理器9控制并通信，模数转换器将数据输送到FPGA处理器9中进行后续处理。
[0024]FPGA处理器采用ALTERA公司的现场可编程门阵列EP2C5T144C8，与它共同构成的功能模块包括控制液晶显示模块LCD240128进行四种物质含量及环境温湿度的显示，控制指示灯模块利用发光二极管显示四种物质含量是否超标，接受按键模块输入的打印键、选择键和确认键功能信息，控制由AM2302构成的温湿度测量模块进行室内环境的温湿度检测，控制由SL811HST构成的USB接口进行打印输出，如图3所示。
[0025]电源模块12采用+9V电池供电，通过稳压器件LM1086-5将+9V电源转化成+5V直流电源；通过稳压器件LM1086-2.5将+5V电源转化成+2.5V直流电源；通过稳压器件LM1086-3.3将+5V电源转化成+3.3V直流电源；通过电源转换器件MAX660将+5V电源转化成-5V直流电源；通过稳压器件LM337将-5V电源转化成_2.5V直流电源；+5V、-5V、+2.5V、-2.5V和+3.3V五种直流电源能够满足系统中各器件的电源要求，如图4所示。
[0026]本发明快速检测仪中的HCHO传感器模块1、NH3传感器模块和C6H6传感器模块输出电流信号，该电流信号经电流电压转换电路转换成电压信号，再经过低通滤波放大电路和模数转换电路得到需检测气体浓度的数字信号。VOC传感器模块4输出的电压信号经第四低通滤波放大电路6和模数转换得到VOC浓度的数字信号；温湿度检测模块13检测出环境温度值和湿值度，FPGA处理器9根据温湿度检测模块13测得的环境温度值和湿度值对这四种物质含量的数值进行修正并显示在液晶屏上；修正后的数值与国家标准含量值进行比较并通过指示灯显示正常或超标情况。本快速检测仪的面板上设置三个按键用于选择被测对象和设置打印，如图5所示，该面板中还包括液晶显示块、四个指示灯、三个功能按键和一个USB接口，USB接口 10用于输出打印结果。
[0027]本发明快速检测仪上电后，在液晶显示屏上询问选择需要测试的对象，可以任意选择不少于一种被测对象，选择好之后按下确认键，仪器开始检测当前环境的温湿度值和被测对象的含量，同时在液晶显示屏上显示当前环境的温度和湿度值，并根据温湿度值对当前环境下的被测物质的含量进行修正并在液晶显示屏中显示，四个指示灯则根据被测对象当前修正后的含量值和程序中预设的室内环境国家标准含量限定值进行比较，如果当前测量并修正后的含量值超出限定值则指示灯变为红色，如果没有超出则为绿色，如果没有选择该物质进行测量，则对应的指示灯不显示。在仪器使用过程中通过USB接口连接微型打印机，当按下打印键后则可以打印当前测量到的各物质含量、当前环境的温湿度值和国家标准的限值。传感器工作时，恒电位仪电路发挥自动调节作用。
[0028]FPGA接受按键模块输入的打印键、选择键和确认键功能信息，选择键用于选择被测对象，确认键用于确认所选择的被测对象信息，打印键用于控制打印传感器测量并修正过的浓度值、国家标准值和当前温湿度值；FPGA控制由AM2302器件构成的温湿度测量模块进行室内环境的温湿度检测，用于修正传感器检测到的浓度值，提高测量精度。FPGA控制由SL811HST构成的USB接口进行打印数据的输出。
[0029]该仪器面板设计如图5所示，包括液晶显示块、四个指示灯、三个功能按键和一个USB 接口。
[0030]本发明快速检测仪能快速准确有效测量室内空气中甲醛(HCH0)、氨气(NH3)、苯(C6H6)和挥发性有机物(VOC)的含量，通过检测室内环境的温湿度值再次修正测量值，使得测量值更加精确，通过液晶屏显示数值并对这四种物质含量超标与否进行指示灯标示，并具备USB接口可与微型打印机连接打印出仪器所测量得到的信息。
【权利要求】
1.一种便携式室内空气质量快速检测仪，其特征在于，包括依次相连接的HCHO传感器模块(I)、第一电流电压转换电路(18)和第一低通滤波放大电路(16);依次相连接的NH3传感器模块(2)、第二电流电压转换电路(17)和第二低通滤波放大电路(15);依次相连接的C6H6传感器模块(3 )、第三电流电压转换电路(5 )和第三低通滤波放大电路(7 );依次相连接的VOC传感器模块(4)和第四低通滤波放大电路(6);第一低通滤波放大电路(16)、第二低通滤波放大电路(15)、第三低通滤波放大电路(7)和第四低通滤波放大电路(6)分别与A/D转换电路(8)相连接，A/D转换电路(8)与FPGA处理器(9)相连接；该快速检测仪还包括电源模块(12)。
2.根据权利要求1所述便携式室内空气质量快速检测仪，其特征在于，所述的HCHO传感器模块(I)由电化学传感器CH20/S-10-S和甲醛传感器接口电路组成；NH3传感器模块(2 )由电化学传感器ME3-NH3和氨传感器接口电路组成；C6H6传感器模块(3 )由电化学传感器ME4-C6H6和苯传感器接口电路组成；该三种电化学传感器均包括对电极(CE)、参比电极(RE)和工作电极(SE);该三种传感器接口电路的结构相同；所述传感器接口电路包括第一运算放大器(ICl)和场效应管(Q);电化学传感器的对电极(CE)分别与第一电容(Cl)的一端、第二电容(C2)的一端和第一运算放大器(ICl)的输出端相连接；电化学传感器的参比电极(RE)分别与第一电阻(Rl)的一端和场效应管(Q)的源极相连接，场效应管(Q)的漏极接电化学传感器的工作电极(SE)，场效应管(Q)的栅极与第四电阻(R4)的一端相连接，第四电阻(R4)的另一端接+5V电压；第一电阻(Rl)的另一端分别与第二电阻(R2)的一端和第一电容(Cl)的另一端相连接，第二电阻(R2)的另一端分别接第二电容(C2)的另一端和第一运算放大器(ICl)的反相输入端；第一运算放大器(ICl)的正相输入端接第三电阻(R3)的一端，第三电阻(R3)的另一端接地；电化学传感器的工作电极(SE)与电流电压转换电路相连接。
3.根据权利要求1所述便携式室内空气质量快速检测仪，其特征在于，所述第一电流电压转换电路(18)、 第二电流电压转换电路(17)和第三电流电压转换电路(5)的结构相同， 所述电流电压转换电路包括第二运算放大器(IC2)和第三运算放大器(IC3)，第二运算放大器(IC2)的正相输入端分别与第五电阻(R5)的一端和第六电阻(R6)的一端相连接，第五电阻(R5)的另一端接电化学传感器的工作电极(SE);第六电阻(R6)的另一端分别与第二电位器(R8)的一端、第二电位器(8)的动触点以及第一电位器(R7)的一端相连接；第二电位器(R8)的另一端分别接地和第十五电阻(R15)的一端，第十五电阻(R15)的另一端接第三运算放大器(IC3)的正相输入端；第三运算放大器(IC3)的反相输入端分别与第十六电阻(R16)的一端和第十七电阻(R17)的一端相连接；第十七电阻(R17)的另一端、第一电位器(R7)的另一端以及第一电位器(R7)的动触点分别接第三运算放大器(IC3)的输出端，第三运算放大器(IC3)的输出端与低通滤波放大电路相连接；第十六电阻(R16)的另一端分别与第十四电阻(R14)的一端和第二运算放大器(IC2)的输出端相连接，第二运算放大器(IC2)的反相输入端分别与第十四电阻(R14)另一端、第十电阻(RlO)的一端和第九电阻(R9)的一端相连接；第九电阻(R9)的另一端接地，第十电阻(RlO)的另一端接第三电位器(Rll)的动触点，第三电位器(Rll)的一端接第十二电阻(R12)的一端，第十二电阻(R12)的另一端接+2.5V电压；第三电位器(Rll)的另一端接第十三电阻(R13)的一端，第十三电阻(R13)的另一端接-2.5V电压。
4.根据权利要求1所述便携式室内空气质量快速检测仪，其特征在于，所述的第一低通滤波放大电路(16 )、第二低通滤波放大电路(15 )和第三低通滤波放大电路(7 )的结构相同； 所述低通滤波放大电路包括第四运算放大器(IC4)，第四运算放大器(IC)的正相输入端与第二十电阻(R20)的一端相连接，第二十电阻(R20)的另一端接地；第四运算放大器(IC4)的反相输入端分别与第十九电阻(R19)的一端和第四电容(C4)的一端相连接，第十九电阻(R19)的另一端分别与第十八电阻(R18)的一端、第三电容(C3)的一端以及第四电位器(R21)的一端相连接，第三电容(C3)的另一端接地，第十八电阻(R18)的另一端与第三运算放大器(IC3)的输出端相连接；第四电位器(R21)的另一端、第四电位器(R21)的动触点、第四电容(C4)的另一端以及第四运算放大器(IC4)的输出端分别与第二十二电阻(R22)的一端相连接，第二十二电阻(R22)的另一端接A/D转换电路(8) 。
5.根据权利要求1所述便携式室内空气质量快速检测仪，其特征在于，所述的VOC传感器模块(4)采用piD-TECH plus传感器；所述的第四低通滤波放大电路(6)包括第五运算放大器(IC5)，第五运算放大器(IC5)的正相输入端分别与第七电容(C7)的一端和第二十四电阻(R24)的一端相连接，第二十四电阻(R24)的另一端分别与第六电容(C6)的一端和第二十三电阻(R23)的一端相连接，第二十三电阻(R23)的另一端接piD-TECH plus传感器的输出端(OUT);第七电容(C7)的另一端分别与第六电容(C6)的另一端、第五电容(C5)的一端和地相连接，第五电容(C5)的另一端接piD-TECH plus传感器的输入端(VCC);piD-TECHplus传感器的(GND)端接地；第五运算放大器(IC5)的反相输入端分别与第二十五电阻(R25)的一端和第二十六电阻(R26)的一端相连接，第二十五电阻(R25)的另一端接地，第二十六电阻(R26)的另一端和第五运算放大器(IC5)的输出端分别与第二十七电阻(R27)的一端相连接，第二十七电阻(R27)的另一端与A/D转换电路(8)相连接。
6.根据权利要求1、4或5所述便携式室内空气质量快速检测仪，其特征在于，所述的A/D转换电路(8 )采用四通道模数转换器AD7856-2。
7.根据权利要求1所述便携式室内空气质量快速检测仪，其特征在于，FPGA处理器(9)还分别与USB接口(10)、功能按键(11)、温湿度检测模块(13)和液晶及指示灯显示(14)相连接。
8.根据权利要求1或7所述便携式室内空气质量快速检测仪，其特征在于，所述的FPGA处理器(9)采用现场可编程门阵列EP2C5T144C8器件。
【文档编号】G01N27/26GK103592348SQ201310587485
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年11月19日
【发明者】郭威彤, 杨鸿武, 甘振业, 裴东, 宋海生 申请人:西北师范大学