專利名稱：多參數(shù)智能空氣環(huán)境監(jiān)測單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于氣體環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，涉及固體敏感材料智能傳感器的設(shè)計(jì)及多傳感器陣列數(shù)據(jù)融合進(jìn)行空氣環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前空氣組分檢測多采用電化學(xué)、紅外光學(xué)及固體敏感材料傳感器。其中固體敏感材料傳感器由于價格低，應(yīng)用廣泛。但是現(xiàn)有的固體敏感材料傳感器由于交叉敏感特性，單個傳感器進(jìn)行測量容易受干擾，誤差較大。同時由于敏感體有最佳工作溫度，如果不能控制敏感體工作在最佳溫度，也會影響測量誤差，此外控制溫度也可以顯著降低傳感器功耗。為實(shí)現(xiàn)智能傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化，IEEE技術(shù)委員會提出了智能傳感器設(shè)計(jì)的一系列標(biāo)準(zhǔn),其中電子數(shù)據(jù)表格(Transducer Electronic Data Sheet, TEDS)實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)存 儲、處理及即插即用的功能。采用電子數(shù)據(jù)表格TEDS從軟件方面改進(jìn)了智能傳感器的設(shè)計(jì)，擴(kuò)展了智能傳感器的應(yīng)用場景，并可實(shí)現(xiàn)不同廠家傳感器的替換。

實(shí)用新型內(nèi)容針對上述問題，本實(shí)用新型提供了一種多參數(shù)空氣環(huán)境監(jiān)測單元，其特征在于包括二氧化錫敏感體智能傳感器；傳感器陣列；數(shù)據(jù)采集分析模塊；流量可調(diào)氣體通道；其中二氧化錫敏感體智能傳感器用于特定氣體成分的測量，并將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)采集分析模塊；多個感知不同氣體含量的傳感器形成陣列，實(shí)現(xiàn)多傳感器測量的協(xié)同作用；數(shù)據(jù)采集分析模塊實(shí)現(xiàn)電源控制、數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)優(yōu)化；流量可調(diào)氣體通道用于將氣體采樣、過濾通入傳感器陣列，進(jìn)而被氣體敏感體感知，引起信號的變化。所述的智能傳感器以二氧化錫為敏感材料，敏感體有空心圓柱體金屬外殼，外殼上有網(wǎng)狀氣孔。智能傳感器以AVR單片機(jī)和溫度傳感器為反饋、控制、測量、存儲核心；溫度傳感器通過導(dǎo)熱膠與敏感體緊密接觸。采用多個智能傳感器形成陣列，使用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)提高測量精度，傳感器按照2*2，2*3，3*3的方式排列在電路板上。數(shù)據(jù)采集分析模塊采用AVR的單片機(jī)為核心，以總線方式進(jìn)行通訊。包括采樣氣體進(jìn)氣道和出氣道，進(jìn)氣道用可調(diào)速氣體采樣泵通過一個過濾球?qū)怏w送入傳感器陣列。不同二氧化錫含量的敏感體在最佳工作溫度附近測量精度高，空心圓柱散熱外殼用來保持敏感體的熱平衡。外殼上氣孔用來采用進(jìn)入的氣體。AVR單片機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)采集的頻率，采用脈寬調(diào)制的方式控制多個智能傳感器的電源通斷，滿足傳感器預(yù)熱與數(shù)據(jù)采集的要求，并最大程度的降低功耗。溫度傳感器監(jiān)測敏感體表面的溫度，完成敏感體的預(yù)熱及保證敏感體始終工作在最佳溫度。單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM可以存儲傳感器電子數(shù)據(jù)表格TEDS的信息，完成傳感器的識別，測量結(jié)果的校準(zhǔn)，然后傳遞給數(shù)據(jù)采集控制核心；數(shù)據(jù)采集分析模塊，通過識別的傳感器信息，根據(jù)傳感器的預(yù)熱時間，設(shè)定多個傳感器的啟動序列，實(shí)現(xiàn)低功耗。當(dāng)主控單片機(jī)接收到多個傳感器數(shù)據(jù)，通過傳感器的交叉敏感特性，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)多傳感器的數(shù)據(jù)融合，并按照一定的方式將數(shù)據(jù)打包通過CAN總線或者485總線傳給上位機(jī)或顯示單元；控制流量的氣體通道，采用靜音氣泵，由數(shù)據(jù)采集分析模塊控制氣泵的運(yùn)行，氣泵前端的過濾球，將空氣中的粉塵和水蒸氣進(jìn)行簡單的過濾，提高傳感器的使用壽命和測量精度，并保持穩(wěn)定的氣流，出氣道為電路板上的小孔。智能傳感器內(nèi)置的TEDS傳感器電子數(shù)據(jù)表格，基于IEEE1451協(xié)議規(guī)范制定，可實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用，并且采集的數(shù)據(jù)通過校準(zhǔn)矩陣可直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換。多傳感器數(shù)據(jù)融合算法，利用二氧化錫敏感體的交叉敏感特性，實(shí)現(xiàn)多個傳感器結(jié)果的交叉修正，該算法實(shí)現(xiàn)通過數(shù)據(jù)采集分析模塊的單片機(jī)完成。 本實(shí)用新型的有益效果是，可以在降低成本的同時實(shí)現(xiàn)氣體成分的高精度測量，結(jié)構(gòu)緊湊，低功耗。

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中圖I是本實(shí)用新型的電路原理圖。圖2是二氧化錫敏感體智能傳感器電路原理圖。圖中I.氣體過濾球，2.氣泵，3.傳感器陣列，4. 二氧化錫敏感體智能傳感器，5.數(shù)據(jù)采集分析模塊，6.智能傳感器低功耗AVR單片機(jī)，7. 二氧化錫敏感體，8.敏感體溫度傳感器。
具體實(shí)施方式請參閱圖I所示，本實(shí)用新型多參數(shù)智能空氣環(huán)境監(jiān)測單元包括二氧化錫敏感體智能傳感器，傳感器陣列，輸入輸出氣體通道，數(shù)據(jù)采集分析模塊。單個智能傳感器感知某一氣體成分，并通過溫度反饋，單片機(jī)控制維持敏感體在特定的溫度。多個感知不同氣體含量的傳感器形成陣列，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測量和傳輸；數(shù)據(jù)采集分析模塊控制傳感器的電源，獲取多個傳感器的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)融合算法將結(jié)果優(yōu)化；流量可調(diào)氣體通道用于將氣體采樣、過濾通入傳感器陣列，進(jìn)而被氣體敏感體感知，引起信號的變化。如圖2所示，二氧化錫敏感體智能傳感器包括溫度傳感器、二氧化錫敏感體和低功耗測量控制單片機(jī)。二氧化錫敏感體智能傳感器用于感知特定氣體的含量，并將數(shù)據(jù)通過單片機(jī)UART接口傳遞給數(shù)據(jù)采集分析模塊。 優(yōu)選的，所述智能傳感器內(nèi)置AVR單片機(jī)控制器為ATMEGA88或ATMEGA8，數(shù)字溫度傳感器為DS18B20 ；優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集分析模塊AVR單片機(jī)采用ATMEGA128 ；優(yōu)選的，可調(diào)速氣泵采用無刷真空泵。
權(quán)利要求1.一種多參數(shù)智能空氣環(huán)境監(jiān)測單元，其特征在于包括二氧化錫敏感體智能傳感器；傳感器陣列；數(shù)據(jù)采集分析模塊；流量可調(diào)氣體通道；其中二氧化錫敏感體智能傳感器用于特定氣體成分的測量，并將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)采集分析模塊；多個感知不同氣體含量的傳感器形成陣列，實(shí)現(xiàn)多傳感器測量的協(xié)同作用；數(shù)據(jù)采集分析模塊實(shí)現(xiàn)電源控制、數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)優(yōu)化；流量可調(diào)氣體通道用于將氣體采樣、過濾通入傳感器陣列，進(jìn)而被氣體敏感體感知，引起信號的變化。
2.如權(quán)利要求I所述的多參數(shù)空氣環(huán)境監(jiān)測單元，其特征在于所述的智能傳感器以二氧化錫為敏感材料，敏感體有空心圓柱體金屬外殼，外殼上有網(wǎng)狀氣孔。
3.如權(quán)利要求I或2所述的空氣環(huán)境監(jiān)測單元，其特征在于智能傳感器以AVR單片機(jī)和溫度傳感器為反饋、控制、測量、存儲核心；溫度傳感器通過導(dǎo)熱膠與敏感體緊密接觸。
4.如權(quán)利要求I所述的空氣環(huán)境監(jiān)測單元，其特征在于采用多個智能傳感器形成陣列，使用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)提高測量精度，傳感器按照2*2，2*3，3*3的方式排列在電路板上。
5.如權(quán)利要求I所述的空氣環(huán)境監(jiān)測單元，其特征在于數(shù)據(jù)采集分析模塊采用AVR的單片機(jī)為核心，以總線方式進(jìn)行通訊。
6.如權(quán)利要求I所述的空氣環(huán)境監(jiān)測單元，其特征在于包括采樣氣體進(jìn)氣道和出氣道，進(jìn)氣道用可調(diào)速氣體采樣泵通過一個過濾球?qū)怏w送入傳感器陣列。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種多參數(shù)智能空氣環(huán)境監(jiān)測單元，屬于環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。包括二氧化錫敏感體智能傳感器，傳感器陣列，輸入輸出氣體通道，數(shù)據(jù)采集分析模塊。其中智能傳感器作為一個獨(dú)立的單元，可以單獨(dú)進(jìn)行單一組分的測量，以及敏感體最佳工作性能和節(jié)能的控制。智能傳感器基于傳感器電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)進(jìn)行測量、存儲設(shè)計(jì)。傳感器陣列使用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了同種類敏感體傳感器的協(xié)同作用。本實(shí)用新型不僅實(shí)現(xiàn)了傳感器的智能化，降低了測量誤差，而且滿足低功耗的要求，提高了監(jiān)測的可靠性與長時間測量的穩(wěn)定性。在低成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了連續(xù)在線測量分析空氣環(huán)境組分。
文檔編號G01N33/00GK202710527SQ20122021943
公開日2013年1月30日 申請日期2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月15日
發(fā)明者唐勁天, 蔡東陽, 曹欣榮, 卓子寒, 吳祖河 申請人:清華大學(xué)