本發(fā)明涉及PM2.5濃度傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種紅外PM2.5濃度傳感器及檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)及經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，衣食住行等更加便利，但伴隨著人口增長(zhǎng)和工業(yè)化發(fā)展等因素，環(huán)境污染卻越來越嚴(yán)重，各種污染物和懸浮顆粒物大量增加，導(dǎo)致霧霾的產(chǎn)生。其中的PM2.5濃度(直徑小于2. 5um 的微小顆粒物)與人體健康息息相關(guān)，直接導(dǎo)致了各種呼吸道疾病發(fā)病率的大幅上升給人們的生活和身體健康帶來了不良影響，因此，對(duì)于空氣中懸浮顆粒物檢測(cè)技術(shù)的研究刻不容緩。最近幾年，人們關(guān)心的空氣污染指標(biāo)主要是粉塵的濃度，特別是PM2.5濃度的濃度，空氣凈化技術(shù)及空氣凈化類產(chǎn)品得到了迅猛的發(fā)展，同時(shí)人們對(duì)PM2. 5的數(shù)值也越來越關(guān)注，這就需要一款高精度的粉塵檢測(cè)傳感器來直觀地體現(xiàn)空氣中的情況，以確定是否需要對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化，或者評(píng)估自己所處的環(huán)境是否適合進(jìn)行某些活動(dòng)。

目前的出現(xiàn)了很多粉塵傳感器，普遍是基于激光或者紅外的傳感器技術(shù)。其中紅外PM2.5濃度粉塵傳感器相比激光傳感器壽命較長(zhǎng)，價(jià)格較便宜，采用發(fā)熱電阻使內(nèi)部空氣進(jìn)行流動(dòng)、但同時(shí)由于紅外發(fā)射及接收器件自身的原因、在中低濃度的情況下精度普遍較低，另外一方面在粉塵超高濃度的情況下，即使對(duì)精度的要求較低，但由于紅外發(fā)射及接收器件自身的原因，仍存在發(fā)生飽和現(xiàn)象無信號(hào)輸出的異常情況發(fā)生。而激光PM2.5濃度粉塵傳感器價(jià)格高、壽命短、且由于自帶風(fēng)扇以便空氣流通，導(dǎo)致工作電流大。所以市場(chǎng)上的普及并不高，特別是家電及涉及家電的檢測(cè)模塊。在人們?nèi)找孀非蟾咂焚|(zhì)生活的情況下，迫切需要一種價(jià)格低廉、攜帶方便、成本低廉的PM2.5濃度傳感器及檢測(cè)方法，以便大范圍的將PM2.5濃度檢測(cè)普及到各行各業(yè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種紅外PM2.5濃度傳感器，以解決現(xiàn)有的PM2.5濃度傳感器精度較低和在粉塵超高濃度的情況下容易出現(xiàn)飽和而無信號(hào)輸出的問題。為此本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：

一種紅外PM2.5濃度傳感器，包括PCB板、紅外發(fā)射/接收單元、驅(qū)動(dòng)電路單元、包括至少一路電流電壓變換電路的電流電壓變換電路單元、包括具有不同增益的至少兩路放大濾波電路的放大濾波電路單元、開關(guān)控制電路單元、MCU和輸入輸出接口單元，所述的紅外發(fā)射/接收單元、驅(qū)動(dòng)電路單元、電流電壓變換電路單元、放大濾波電路單元、開關(guān)控制電路單元、MCU和輸入輸出接口單元全部或部分集成在所述PCB板上，以形成至少兩個(gè)紅外PM2.5濃度檢測(cè)電路，所述開關(guān)控制電路單元與所述放大濾波電路單元和所述MCU電連接，用于根據(jù)MCU預(yù)設(shè)的程序，將所述放大濾波電路單元中的低增益系數(shù)的放大濾波電路切換至高增益系數(shù)的放大濾波電路，和/或?qū)⒍嗦贩糯鬄V波電路進(jìn)行串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)放大濾波，所述MCU與所述的紅外發(fā)射/接收單元、驅(qū)動(dòng)電路單元、放大濾波電路單元、開關(guān)控制電路單元和輸入輸出接口單電連接，用于對(duì)經(jīng)由所述至少兩路紅外PM2.5濃度檢測(cè)電路檢測(cè)到的PM2.5濃度信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，并將結(jié)果通過所述輸入輸送接口單元傳輸至外部。

進(jìn)一步的，所述紅外PM2.5濃度傳感器還包括脈沖信號(hào)電路單元，所述脈沖信號(hào)電路單元串聯(lián)在所述MCU與所述驅(qū)動(dòng)電路單元之間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述驅(qū)動(dòng)電路單元進(jìn)行間歇式供電。

進(jìn)一步的，所述紅外發(fā)射/接收單元包括紅外發(fā)射組件和至少一個(gè)紅外接收組件，所述紅外發(fā)射組件由所述驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，所述紅外接收組件與所述電流電壓變換電路單元電連接。

進(jìn)一步的，所述輸入輸出接口單元包括有線通信模塊或無線通信模塊。

更進(jìn)一步的，所述無線通信模塊包括紅外通信模塊、藍(lán)牙無線通信模塊、wifi通信模塊或zigbee通信模塊。

本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用如上所述的紅外PM2.5濃度傳感器檢測(cè)PM2.5濃度的方法，所述方法為：所述MCU對(duì)各路紅外PM2.5濃度檢測(cè)電路檢測(cè)到的PM2.5濃度信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果與預(yù)設(shè)PM2.5濃度閾值進(jìn)行比較分析，再根據(jù)比較分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)正，并輸出PM2.5濃度值。

進(jìn)一步的，所述方法具體是，設(shè)置至少兩個(gè)不同的PM2.5濃度閾值β1和β2，其中，β2>β1，當(dāng)MCU計(jì)算出具有不同增益系數(shù)hFE1和hFE2的至少兩路放大濾波電路對(duì)應(yīng)的PM2.5濃度值A(chǔ)1和A2均小于β1時(shí)，補(bǔ)正后的PM2.5濃度值為（A1+A2）/2，當(dāng)A1較小甚至為0，且A2在β1與β2之間時(shí)，補(bǔ)正后的PM2.5濃度值為A2，當(dāng)A1較小甚至為0，且A2在≥β2或者為0時(shí)，所述MCU控制所述開關(guān)電路單元將不同增益系數(shù)hFE1和hFE2的至少兩路放大濾波電路串聯(lián)形成新的放大濾波電路，新的放大濾波電路的增益系數(shù)hFE3≈hFE1* hFE2，MCU根據(jù)hFE3重新計(jì)算出補(bǔ)正后的PM2.5濃度值A(chǔ)3，并進(jìn)行輸出。

更進(jìn)一步的，hFE2是hFE1的50倍至1000倍。

此外，本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用包括脈沖信號(hào)電路單元的如上所述的紅外PM2.5濃度傳感器檢測(cè)PM2.5濃度的方法，所述方法為：所述MCU對(duì)各路紅外PM2.5濃度檢測(cè)電路檢測(cè)到的PM2.5濃度信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果與預(yù)設(shè)PM2.5濃度閾值進(jìn)行比較分析，再根據(jù)比較分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)正，然后將補(bǔ)正后的PM2.5濃度值與預(yù)設(shè)的PM2.5濃度上限閥值進(jìn)行比較，輸出PM2.5濃度值并判斷是否進(jìn)入間歇供電模式。

進(jìn)一步的，所述方法具體是：設(shè)置至少兩個(gè)不同的PM2.5濃度閾值β1和β2，其中，β2>β1，當(dāng)MCU計(jì)算出具有不同增益系數(shù)hFE1和hFE2的至少兩路放大濾波電路對(duì)應(yīng)的PM2.5濃度值A(chǔ)1和A2均小于β1時(shí)，補(bǔ)正后的PM2.5濃度值為（A1+A2）/2，當(dāng)A1較小甚至為0，且A2在β1與β2之間時(shí)，補(bǔ)正后的PM2.5濃度值為A2，當(dāng)A1較小甚至為0，且A2在≥β2或者為0時(shí)，所述MCU控制所述開關(guān)電路單元將不同增益系數(shù)hFE1和hFE2的至少兩路放大濾波電路串聯(lián)形成新的放大濾波電路，新的放大濾波電路的增益系數(shù)hFE3≈hFE1* hFE2，MCU根據(jù)hFE3重新計(jì)算得到補(bǔ)正后的PM2.5濃度值，然后，MCU讀取補(bǔ)正后的PM2.5濃度值，并與預(yù)設(shè)的PM2.5濃度上限閥值α進(jìn)行比較，如果補(bǔ)正后的PM2.5濃度值＞上限閥值α，則脈沖電路信號(hào)單元啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路單元對(duì)紅外發(fā)射/收單元供電進(jìn)行控制，并停止供電，持續(xù)時(shí)間t1，此t1時(shí)間段內(nèi)，PM2.5濃度的輸出值按照上個(gè)時(shí)間段內(nèi)的PM2.5濃度值的斜率進(jìn)行預(yù)測(cè)，MCU輸出此預(yù)測(cè)的PM2.5濃度值，斷電時(shí)間t1完成后，再次供電，持續(xù)時(shí)間t2，此時(shí)間段內(nèi)MCU讀取補(bǔ)正后的PM2.5濃度值并進(jìn)行輸出，同時(shí)并計(jì)算上次斷電前最后的PM2.5濃度值與本次通電時(shí)PM2.5濃度值的變化斜率，然后，將新讀取的補(bǔ)正后的PM2.5濃度值再次和所設(shè)的上限閥值α進(jìn)行比較，并判斷是否進(jìn)入間歇供電模式。

更進(jìn)一步的，hFE2是hFE1的50倍至1000倍。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有的有益效果是：本發(fā)明的紅外PM2.5濃度傳感器制造成本低，檢測(cè)精度高，在超高濃度下也能夠輸出正確的PM2.5濃度值，并且能夠通過間歇式供電，使其功耗降低。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的紅外PM2.5濃度傳感器的系統(tǒng)圖；

圖2是采用圖1所示的紅外PM2.5濃度傳感器檢測(cè)PM2.5濃度的方法的流程示意圖；

圖3是采用圖1所示的紅外PM2.5濃度傳感器檢測(cè)PM2.5濃度的方法的高濃度下功耗削減的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步說明各實(shí)施例，本發(fā)明提供有附圖。這些附圖為本發(fā)明揭露內(nèi)容的一部分，其主要用以說明實(shí)施例，并可配合說明書的相關(guān)描述來解釋實(shí)施例的運(yùn)作原理。配合參考這些內(nèi)容，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)能理解其他可能的實(shí)施方式以及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。圖中的組件并未按比例繪制，而類似的組件符號(hào)通常用來表示類似的組件。

現(xiàn)結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。參照?qǐng)D1，描述紅外PM2.5濃度傳感器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。紅外PM2.5濃度傳感器1包括PCB板10、紅外發(fā)射/接收單元20、驅(qū)動(dòng)電路單元30、電流電壓變換電路單元40、放大濾波電路單元50、開關(guān)控制電路單元60、微控制器單元（MCU）70和輸入輸出接口單元80，所述的紅外發(fā)射/接收單元20、驅(qū)動(dòng)電路單元30、電流電壓變換電路單元40、放大濾波電路單元50、開關(guān)控制電路單元60、MCU和輸入輸出接口單元80全部（如圖1所示）或部分集成在PCB板10上，以形成至少兩路紅外PM2.5濃度檢測(cè)電路。

紅外發(fā)射/接收單元20可包括紅外發(fā)射組件21、至少一個(gè)紅外接收組件22、使內(nèi)部氣體流動(dòng)的組件23、外殼腔體和透鏡（未示出）等。紅外發(fā)射組件21與紅外接收組件22相對(duì)，即紅外發(fā)射組件21發(fā)出的紅外線穿過待檢測(cè)PM2.5濃度的空氣后直接被紅外接收組件22接收。紅外發(fā)射組件21可由紅外發(fā)射二極管或三極管等紅外發(fā)射元件，及其周邊電路組成。紅外發(fā)射組件21由驅(qū)動(dòng)電路30驅(qū)動(dòng)，以發(fā)射紅外線。紅外接收組件22可由紅外接收元件及其周邊電路組成。使內(nèi)部氣體流動(dòng)的組件23通常是發(fā)熱電阻。空氣在發(fā)射組件和接收組件之間流過、由于光的折射等使接收組件產(chǎn)生不同的電流信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)電路30與MCU和輸入輸出接口單元80電連接，以得到驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射組件21所需的功率。

電流電壓變換電路單元40可包括至少有一組電流電壓變換電路41，即可以有n多組電流電壓變換電路、此處n≥1。電流電壓變換電路41用于將接收組件產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

放大濾波電路單元50可包括至少兩組放大濾波電路51、即可以有m組放大濾波電路濾波電路、此處m≥2。不同的放大濾波電路51具有不同的增益系數(shù)。放大濾波電路51可以與電流電壓變換電路41一一對(duì)應(yīng)，或者一路電流電壓變換電路41可以對(duì)應(yīng)多路放大濾波電路51。放大濾波電路51將電流電壓變換電路41輸入的電壓進(jìn)行放大濾波后再輸入到MCU中進(jìn)行處理。

開關(guān)控制電路單元60與放大濾波電路單元50和MCU電連接，用于根據(jù)MCU預(yù)設(shè)的程序，將放大濾波電路單元50中的低增益系數(shù)的放大濾波電路51切換至高增益系數(shù)的放大濾波電路51，和/或?qū)⒍嗦贩糯鬄V波電路51進(jìn)行串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)放大濾波。優(yōu)選地，具有高增益系數(shù)的放大濾波電路51的增益系數(shù)是具有低增益系數(shù)的放大濾波電路51的增益系數(shù)的50倍至1000倍。

輸入輸出接口單元80包括數(shù)據(jù)通信接口模塊和供電接口模塊等。數(shù)據(jù)通信接口模塊可以包括有線通信模塊或無線通信模塊。無線通信模塊例如是紅外通信模塊、藍(lán)牙無線通信模塊、wifi通信模塊或zigbee通信模塊等。外部設(shè)備可以通過該供電接口模塊向紅外PM2.5濃度供電。MCU將經(jīng)由所述至少兩個(gè)紅外PM2.5濃度檢測(cè)電路檢測(cè)到的PM2.5濃度信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析并將結(jié)果通過輸入輸送接口單元80的數(shù)據(jù)通信接口模塊傳輸至外部進(jìn)行顯示。

此外，紅外PM2.5濃度傳感器1還可包括脈沖信號(hào)電路單元90，脈沖信號(hào)電路單元90串聯(lián)在MCU與驅(qū)動(dòng)電路單元30之間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路單元30進(jìn)行間歇式供電，進(jìn)而使紅外PM2.5濃度傳感器1間歇式工作。當(dāng)MCU檢測(cè)到的PM2.5濃度值處于超高濃度下時(shí)，脈沖信號(hào)電路單元90啟動(dòng)，紅外PM2.5濃度傳感器1間歇式工作，從而減少紅外PM2.5濃度傳感器1的功耗。

此外，紅外PM2.5濃度傳感器1可選擇是否用外殼進(jìn)行包封。外殼材料可以是樹脂、金屬或樹脂金屬兩者配合使用，并可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成多種形狀。

下面參照?qǐng)D2和3，說明應(yīng)用如上所述的紅外PM2.5濃度傳感器1檢測(cè)PM2.5濃度的方法。所述方法為：所述MCU對(duì)各路紅外PM2.5濃度檢測(cè)電路檢測(cè)到的PM2.5濃度信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果與預(yù)設(shè)PM2.5濃度閾值進(jìn)行比較分析，再根據(jù)比較分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)正，并輸出PM2.5濃度值。優(yōu)選地，補(bǔ)正的方法可以是下述方法的一種，但不局限于下述方法：對(duì)同一時(shí)間或時(shí)間段內(nèi)各路信號(hào)所代表的PM2.5濃度進(jìn)行平均、取中間值、累積平均、加權(quán)平滑或抽取突變等的運(yùn)算。

如圖2所示，本實(shí)施例僅舉例說明如何在低PM2.5濃度下提高精度、同時(shí)在高PM2.5濃度下防止數(shù)據(jù)無法輸出或輸出數(shù)據(jù)為0的問題。為了描述方便，本實(shí)施例假設(shè)紅外PM2.5濃度傳感器1具有兩路電流電壓變換電路（第一電流電壓變換電路和第二電流電壓變換電路）和兩路放大濾波電路（第一放大濾波電路和第二放大濾波電路）。該兩路電流電壓變換電路分別與兩路放大濾波電路相連接以形成兩路紅外PM2.5濃度檢測(cè)電路。這里假設(shè)兩路電流電壓變換回路的參數(shù)一致，兩路放大濾波電路的增益系數(shù)分別為hFE1和hFE2,其中hFE2為高增益系數(shù)、并假設(shè)hFE2=100倍hFE1。當(dāng)然，hFE2也可以是其它hFE1的其它倍數(shù)，優(yōu)選地在50倍至1000倍之間。預(yù)先設(shè)定的PM2.5濃度的高濃度閥值為β1、超高濃度閥值為β2。第一電流電壓變換電路輸出的電壓經(jīng)由第一放大濾波電路放大濾波后進(jìn)入MCU，由內(nèi)部MCU處理計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的PM2.5濃度值A(chǔ)1，第二電流電壓變換電路輸出的電壓經(jīng)由第二放大濾波電路放大濾波后進(jìn)入MCU，由內(nèi)部MCU處理計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的PM2.5濃度值A(chǔ)2。MCU在PM2.5濃度數(shù)據(jù)輸出時(shí)事先進(jìn)行判斷、當(dāng)兩路PM2.5濃度值A(chǔ)1及A2均在高濃度閥值為β1以下時(shí)，MCU輸出的PM2.5濃度值為（A1+A2）/2，即二者的平均值；當(dāng)兩路PM2.5濃度值中，A較小甚至為0，且A1在β1~β2之間時(shí),PM2.5濃度處于高濃度，紅外發(fā)射/接收電路產(chǎn)生的信號(hào)及其微弱，在第一紅外PM2.5濃度檢測(cè)電路的相對(duì)參數(shù)下，第一紅外PM2.5濃度檢測(cè)電路已經(jīng)飽和失效，MCU輸出的PM2.5濃度值為A2；當(dāng)兩路PM2.5濃度值中，A1較小甚至為0，且A2≥β2或者為0時(shí)，PM2.5濃度進(jìn)入超高濃度，第一紅外PM2.5濃度檢測(cè)電路已經(jīng)飽和失效，甚至第二紅外PM2.5濃度檢測(cè)電路也可能已失效，此時(shí)MCU控制開關(guān)電路單元將兩路放大濾波電路組合為新的放大濾波電路，新的放大濾波電路的增益系數(shù)hFE3≈hFE1* hFE2，MCU根據(jù)hFE3重新計(jì)算出新的PM2.5濃度值，并進(jìn)行輸出。

如圖3所示，本實(shí)施例僅舉例說明在PM2.5濃度超高的情況下、如何削減PM2.5濃度傳感器1的功耗。首先MCU讀取內(nèi)部的PM2.5濃度值，并與預(yù)設(shè)的PM2.5濃度上限閥值α進(jìn)行比較。如果內(nèi)部讀取的PM2.5濃度值＞預(yù)設(shè)上限閥值α，則脈沖信號(hào)電路單元啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路單元對(duì)紅外發(fā)射及接收單元的供電進(jìn)行控制，并停止供電，持續(xù)時(shí)間t1，此斷電的t1時(shí)間段內(nèi)，MCU輸出的PM2.5濃度值按照上個(gè)時(shí)間段內(nèi)的PM2.5濃度值的斜率進(jìn)行預(yù)測(cè)，MCU輸出此預(yù)測(cè)的PM2.5濃度值。斷電時(shí)間t1完成后，再次供電，持續(xù)時(shí)間t2。此時(shí)間段內(nèi)MCU讀取實(shí)際PM2.5濃度值并進(jìn)行輸出，同時(shí)計(jì)算上次斷電前最后的PM2.5濃度值與本次通電時(shí)PM2.5濃度的變化斜率，記為新的k1。然后，將新讀取的實(shí)測(cè)PM2.5濃度值再次與所設(shè)的上限閥值α進(jìn)行比較，并判斷是否進(jìn)入間歇供電模式。本實(shí)施例通過間歇性對(duì)紅外發(fā)射及接收單元以及發(fā)熱組件間歇的供電，來提高傳感器發(fā)光源的使用效率，削減超高濃度下的PM2.5濃度傳感器功耗，延長(zhǎng)發(fā)光源的使用壽命，降低應(yīng)用成本。

盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上可以對(duì)本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。