本發(fā)明涉及空氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，特別是采用電池供電的戶外空氣組份監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近些年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，尤其是空氣質(zhì)量問題，受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。在大氣中，二氧化硫會(huì)氧化而成硫酸霧或硫酸鹽氣溶膠，是環(huán)境酸化的重要前驅(qū)物。大氣中二氧化硫濃度在0.5ppm以上對(duì)人體已有潛在影響；在1～3ppm時(shí)多數(shù)人開始感到刺激；在400～500ppm時(shí)人會(huì)出現(xiàn)潰瘍和肺水腫直至窒息死亡。此外，二氧化硫與大氣中的煙塵協(xié)同作用還會(huì)對(duì)人體造成危害。因此，對(duì)空氣中SO₂含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯得非常重要。

空氣中SO₂含量極低向常規(guī)技術(shù)提出挑戰(zhàn)。高精度的氣體監(jiān)測(cè)儀器多被美國、英國、意大利等國壟斷，價(jià)格昂貴?，F(xiàn)階段國內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)站多使用國外進(jìn)口的空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，價(jià)格十幾萬元至一百元萬不等，英國單種氣體傳感器模塊每個(gè)也達(dá)數(shù)千元。并且以上的空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或傳感器模塊耗電量大，且為有線連接，監(jiān)測(cè)區(qū)域有限，不能廣泛應(yīng)用，而且其輸出接口不統(tǒng)一，不利于戶外空氣監(jiān)測(cè)。為了克服以上缺點(diǎn)，本發(fā)明完成了一種精度高、功耗低、能夠?qū)崿F(xiàn)自組網(wǎng)進(jìn)行無線傳輸?shù)牡凸闹悄躍O₂傳感器模塊。

本模塊采用高精度SO₂氣體傳感器；采用兩級(jí)高精度放大電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，克服了傳感器輸出信號(hào)非常微弱的困難；利用單片機(jī)進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換并儲(chǔ)存；本模塊還集成了常用的標(biāo)準(zhǔn)接口，方便調(diào)試與維護(hù)；此外，本模塊還擴(kuò)展了無線傳輸模塊，有利于組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本模塊全部采用低功耗器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，極大的降低了系統(tǒng)功耗。本設(shè)計(jì)適用于電池供電的戶外SO₂濃度監(jiān)測(cè)應(yīng)用等。

為此，本發(fā)明完成了一種智能低功耗智能SO₂傳感器模塊。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服電化學(xué)SO₂傳感器輸出信號(hào)小、對(duì)外接口不統(tǒng)一、現(xiàn)有空氣監(jiān)測(cè)模塊耗電量大、價(jià)格昂貴的問題，本發(fā)明完成了一種低功耗智能SO₂傳感器模塊設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用電池供電，功耗低，精度高，還集成了無線傳輸模塊，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建。

本發(fā)明可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

低功耗智能SO₂傳感器模塊，該模塊包括單片機(jī)及其外圍電路、無線傳輸電路、電源管理電路、電源電壓監(jiān)測(cè)電路、信號(hào)放大電路、散熱電路、ADC模擬輸入濾波電路和標(biāo)準(zhǔn)接口、風(fēng)扇控制電路。單片機(jī)及其外圍電路、電源管理電路、信號(hào)放大電路、散熱電路、無線傳輸電路、ADC模擬輸入濾波電路和標(biāo)準(zhǔn)接口、風(fēng)扇控制電路均設(shè)置在同一電路板上。

標(biāo)準(zhǔn)接口與電源管理電路、單片機(jī)、無線傳輸模塊連接；電源管理電路分別與傳感器、信號(hào)放大電路、單片機(jī)及其外圍電路、風(fēng)扇控制電路、報(bào)警電路和無線傳輸模塊相連；傳感器、信號(hào)放大電路、ADC模擬輸入濾波電路、單片機(jī)及外圍電路和風(fēng)扇控制電路依次相連；無線傳輸模塊與單片機(jī)、電源管理電路、標(biāo)準(zhǔn)接口相連。

電源管理電路提供電路板上各模塊所需要的電壓；信號(hào)放大電路主要是將SO₂傳感器輸出信號(hào)放大，然后經(jīng)過ADC模擬輸入濾波電路與單片機(jī)的ADC模擬輸入管腳相連，單片機(jī)能夠以一定的時(shí)間間隔采集電壓數(shù)據(jù)，計(jì)算SO₂濃度并儲(chǔ)存；無線傳輸模塊定時(shí)發(fā)送氣體濃度信息，當(dāng)空氣中SO₂濃度超過設(shè)定值時(shí)無線傳輸模塊還會(huì)發(fā)出警示信息。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明可以獲得以下有益效果。

本發(fā)明與目前各類SO₂濃度監(jiān)測(cè)相比，功耗低，大部分時(shí)間工作電流可降至1～2mA；精確度高，可測(cè)量的SO₂濃度精度可達(dá)到5ppb；本發(fā)明還具有成本低，體積小，重量輕，方便攜帶的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2為本發(fā)明電路板結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明系統(tǒng)工作模式框圖；

圖4為本發(fā)明的電源管理電路原理框圖；

圖5為本發(fā)明的信號(hào)放大電路的原理框圖；

圖6為本發(fā)明的單片機(jī)及其相關(guān)外圍電路和風(fēng)扇控制電路原理框圖；

圖7為本發(fā)明的無線傳輸模塊的原理框圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖，本發(fā)明所用的單片機(jī)為德州儀器的低功耗芯片MSP430F149。本發(fā)明按照該MCU數(shù)據(jù)手冊(cè)的要求和傳感器供應(yīng)商提供的傳感器一體板樣板進(jìn)行相應(yīng)電路原理圖設(shè)計(jì)，然后繪制印刷電路板。由于單片機(jī)部分為數(shù)字電路，而傳感器信號(hào)放大電路以及電源電路為模擬電路，因此兩部分在印制電路板上是分開布局的。

整個(gè)結(jié)構(gòu)的框圖如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)接口包括JTAG接口、UART接口，電源接口電路，方便電路板與其他電路通信以及調(diào)試和系統(tǒng)維護(hù)。

圖3為模塊的系統(tǒng)工作模式框圖。系統(tǒng)工作在正常工作模式和低功耗工作模式下。系統(tǒng)上電復(fù)位以后，各個(gè)電路均正常工作，單片機(jī)首先采集電源電壓信號(hào)，判斷電池是否能維持系統(tǒng)正常工作，如果不能，則單片機(jī)控制其他電路關(guān)斷電源，無線傳輸模塊發(fā)送電源報(bào)警信息；再確定電源電壓正常后，系統(tǒng)會(huì)采集SO₂濃度數(shù)據(jù)和溫度，完成對(duì)SO₂濃度分析處理存儲(chǔ)后，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉信號(hào)放大電路的電源，然后判斷電路板溫度，如果溫度過高，則單片機(jī)控制散熱風(fēng)扇工作來降低溫度，之后單片機(jī)會(huì)以更小時(shí)間間隔測(cè)電路板溫度，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時(shí)關(guān)閉風(fēng)扇，無線傳輸模塊收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)工作電流為25mA左右，其他時(shí)間電流大約為1mA，風(fēng)扇工作時(shí)的功耗大約為6mA，需要注意的是，無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間非常短，一般情況下電路板溫度不會(huì)過高，散熱單元不用工作，因此系統(tǒng)絕大部分時(shí)間工作電流大約為2～3mA；如果溫度正常，則單片機(jī)直接進(jìn)入休眠模式，此為低功耗工作模式，此時(shí)功耗最低，系統(tǒng)電流<1mA。

圖4為電源管理電路原理框圖。電路板提供3.3V和5V電源接口，3.3V提數(shù)字電路部分電壓，包括單片機(jī)以及無線傳輸模塊中的CC2530芯片；5V經(jīng)過濾波后為信號(hào)放大電路中的放大器和風(fēng)扇提供電源；5V電壓還經(jīng)過降壓芯片降至2.5V，為傳感器參考電壓引腳以及工作電極提供參考電壓，同時(shí)還經(jīng)過電阻分壓后為放大器的同相輸入端提供參考電壓。

圖5為信號(hào)放大電路原理框圖。信號(hào)放大電路主體為兩級(jí)高精度運(yùn)放電路：第一級(jí)為跨阻放大電路，將傳感器輸出的nA級(jí)電流轉(zhuǎn)換為電壓；第二級(jí)為求和放大器，將前一級(jí)運(yùn)放電路的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換量程的電壓信號(hào)。號(hào)放大電路輸出信號(hào)經(jīng)過ADC模擬輸入濾波電路與傳感器和單片機(jī)相連，將傳感器輸出信號(hào)放大后傳遞給單片機(jī)；此模塊還包括一個(gè)電源控制電路，該電路由一個(gè)NMOS管和電阻組成，連接到電源和兩級(jí)放大電路中，其中MOS管的柵極連接到單片機(jī)，這樣能夠由單片機(jī)I/O口控制MOS管的導(dǎo)通與否從而控制信號(hào)放大電路工作與否，達(dá)到降低功耗的目的。

圖6為本發(fā)明的單片機(jī)外圍電路原理框圖，其中單片機(jī)外圍電路包括電源濾波電路，ADC模擬輸入管腳濾波電路，晶振電路和復(fù)位電路。單片機(jī)還與風(fēng)扇控制電路和無線傳輸模塊相連，能夠控制風(fēng)扇工作和數(shù)據(jù)無線發(fā)送。

電源濾波電路由0.1uF電容組成；ADC模擬輸入濾波電路由兩個(gè)大小分別為0.1uF和10nF的電容組成。

風(fēng)扇控制電路在電源與風(fēng)扇回路中加入了一個(gè)NMOS管，通過單片機(jī)I/O口高低電平來控制MOS管導(dǎo)通與否，從而控制風(fēng)扇工作，風(fēng)扇控制電路提供了風(fēng)扇接口。

圖7為本發(fā)明的無線傳輸模塊的原理框圖。CC2530是TI公司為ZigBee應(yīng)用推出的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案，能夠以非常低的總的材料成本構(gòu)建強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并且不用的運(yùn)行模式使其適應(yīng)于低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。無線傳輸模塊包含CC2530芯片、外圍電路和天線電路。外圍電路包含電源濾波電路、復(fù)位電路和晶振電路，本模塊使用的天線電路傳輸距離約為100m。