专利名称：特殊人机环境监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种环境检测系统，特别是一种有害气体和噪声检测的系统。
背景技术：
现代生活中，随着生活节奏越来越快，机器的使用也越来越多，很大程度上对我们生活的环境造成了影响，现在很多小区都设置了噪声感应表，用来测试环境中的噪音，但是这种检测装置功能单一，不能检测一些有害气体。
发明内容本实用新型的目的在于克服上述存在的不足，提供一种功能丰富的有害气体和噪声检测的系统。本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的，一种特殊人机环境监测系统， 它包括有噪声传感器及其信号调理电路，所述的噪声传感器由传声器、前置放大器、ICP 信号调理模块组成；所述的ICP信号调理模块通过连接器连接系统外壳；有害气体和温湿度传感器及其信号调理和数字化电路；微处理器；对至少十路模拟量进行采集，片内带至少两路异步串口控制器，其中一路连接温湿度传感器；电源；温度监测与控制电路；所述的温度检测采用温度开关实现，所述的控制电路在温度超限时启动，包含有一个温度设定点和一个温度传感器；气室和气路；所述的气室连接进气口和气泵，气泵连接气体传感器和测温电路并通过气路连接出气口 ；所述的噪声传感器及其信号调理电、有害气体和温湿度传感器及其信号调理和数字化电路、微处理器、电源、温度监测与控制电路和气室和气路均设置于机箱内。所述的ICP供电设备采用独立模块设计。所述的电源的第一级采用一个5W，24V输入，24V输出的隔离模块，后极电源由此隔离24V产生。所述的连接器分为传感连接器和信号输出连接器。本实用新型具有测量八种有害气体、温湿度和两路噪声的能力；具有数字输出 (气体和温湿度)和模拟输出(噪声)；具有温度控制能力，确保传感器的工作环境，尽量不影响传感器的寿命；系统进行减震设计。

图1是本实用新型的结构原理框图。图2是本实用新型所述的结构示意图。图3是本实用新型所述的输出接点定义表。图4是本实用新型所述的通信协议帧结构。图5是本实用新型所述的本系统的采样和输出的主要技术参数表。图6是本实用新型所述的ICP电源和信号调理模块。[0015]图7是本实用新型所述的ICP电源和信号调理模块技术性能图。[0016]图8是本实用新型所述的气体传感器信号调理电路图。[0017]图9是本实用新型所述的CPU电路图。[0018]图10是本实用新型所述的信号放大和滤波电路图。[0019]图11是本实用新型所述的测量电路对电源的需求图。[0020]图12是本实用新型所述的温度检测原理图。[0021]图13是本实用新型所述温度检测控制电路。[0022]图14是本实用新型所述的温度控制电路。[0023]图15是本实用新型所述的制冷片的参数。[0024]图16是本实用新型所述的气泵性能曲线。[0025]图17是本实用新型所述的结构布局图。[0026]图18是本实用新型所述的系统上电策略图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做详细的说明；如图1所示一种特殊人机环境监测系统，它包括有噪声传感器1及其信号调理电路5，所述的噪声传感器1由传声器、前置放大器、 ICP信号调理模块组成；所述的ICP信号调理模块通过连接器连接系统外壳；有害气体和温湿度传感器2及其信号调理和数字化电路；微处理器；对至少十路模拟量进行采集，片内带至少两路异步串口控制器，其中一路连接温湿度传感器；电源 7;温度监测与控制电路；所述的温度检测采用温度开关实现，所述的控制电路在温度超限时启动，包含有一个温度设定点和一个温度传感器；气室和气路；所述的气室连接进气口和气泵，气泵连接气体传感器和测温电路并通过气路连接出气口；所述的噪声传感器1及其信号调理电、有害气体和温湿度传感器及其信号调理和数字化电路、微处理器、电源、温度监测与控制电路和气室和气路均设置于机箱内。所述的ICP供电设备采用独立模块设计。所述的电源7的第一级采用一个5W，24V输入，24V输出的隔离模块，后极电源由此隔离24V产生。所述的连接器分为传感连接器和信号输出连接器。如图2所示该系统主要由两套噪声传感器和前置放大器、8类有害气体传感器、 温湿度传感器、噪声信号调理电路、综合信号调理电路、AD、微处理器、输出驱动电路、温度检测电路、温度控制电路、温度控制模块、电源、机壳、气泵、风道、嵌入式软件等十六部分组成。本系统的环境适用性工作温度，不进行温度调节时-20°C +50°C ；进行温度调节时-43°C +63°C ；储存温度-10°C +50°C ；湿度，不进行温度调节时75% RH(无冷凝)；进行温度调节时10^-95% RH(无冷凝)；储存75% RH(无冷凝)；抗冲击半正弦波30g，Ilms ；抗振动5 500 5Hz，时间为两个周期，每周期15min，三轴向，W曲线条件下能正常工作(满足国军标的要求)。本系统的功耗；工作电压+MVDC士 10% ；工作电流；不进行温控不大于150mA ； 温控时1. 3A或2. 5A (视试验情况确定)。如图3所示的输出接点定义，本系统输入输出；噪声传感器输入两路，面板上的接插件为TNC/SMA-KFK、温湿度传感器Y4-MKBM ；电源输入Y4_7ZKBM ；噪声信号输出 TNC/SMA-ZK3 ；数字输出:Y4-3ZKBMo本系统的通信协议约定通信协议帧格式如图4所示。本系统的采样和输出的主要技术参数如图5所示。噪声传感器及信号调理电路；噪声传感器设备由传声器、前置放大器、ICP供电设备组成。其中传声器和前置放大器噪声传感器由甲方自购。ICP供电设备自行设计。ICP信号调理模块包括恒流源和信号幅值调整模块。其中恒流源提供前置放大器工作的偏置电压和电流；信号幅值调整模块将前置放大器输出的-8V +8V的信号转换成-5V +5V的电压信号。ICP信号调理模块的组成和电路原理如图6所示。技术性能如图7所示。本模块在系统中功能独立，并且要求结构上也独立，易于拆装。因此将ICP模块电路板设计到一个独立的小外壳中，外壳安装在系统外壳上，既起到屏蔽作用，又避免在拆装时电路板和元器件暴露在外面。连接器分传感器连接器和信号输出连接器，传感器连接器可用Q9连接器，信号输出连接器至少有5芯+15V电源，-15V电源、电源地、信号输出、信号地。应该注意的是，一旦使用Q9连接器，ICP模块的外壳就是信号地线，在安装到大壳体上时应注意绝缘安装。气体信号放大和调理电路如图8所示。本设备中微处理器的功能包括1)对至少10路模拟量进行采集，AD分辨率不少于12bit ；2)片内带异步串口控制器，可以输出采集信号；3)片内最好带2路异步串口控制器，，其中一路用于连接温湿度传感器。选用MC9S08DZ60做CPU，如图9是48脚芯片的管脚配置和应用说明如图10所示；信号放大和滤波从各模块的输出可以看到，信号有如下3类1) RAE气体传感器模块输出的6路0. 5V 2. 5V电压信号；2) VOC和C02模块输出的两路4 20mA电流信号；3)温湿度传感器输出两路OV IV的电压信号。由于模数转换器的输入电压范围是0 5V，对这三类信号按如下电路进行变换。 图10中第一级为同相放大电路，增益各不相同；第二级是二阶低通滤波器，图10中参数的截止频率约为48Hz。信号经信号调理电路后，均变换为与模数转换器输入相匹配的电压信号，由微处理器控制通过模数转换器对信号按照一定的采样频率进行采集并以2Hz的输出频率通过 RS485 口输出。测量电路对电源的需求如图11所示。由于温度控制电路的电源功率波动大，为了避免电源干扰，测量电源的第一级采用一个5W，24V输入，24V输出的隔离模块，后极电源由此隔离24V产生。电源部分的面积约需要50*70mm。温度控制方案温度控制的目的和方法，大部分传感器，由于采用的是电化学和红外的测量原理，所以其温度范围一般在-10 55°C范围内工作，而本系统要求的工作温度为-43°C 63°C，高温时一般不会损坏传感器，只是监测精度急剧下降，但是低温时，传感器不仅不能工作，而且会损坏敏感器件。为了使设备能够在要求的温度环境下工作，必须对传感器安装位置的环境温度进行控制。受设备体积和工作环境的限制，选用半导体制冷材料进行温度控制。如图12所示半导体制冷是一种基于珀尔帖效应的技术，它可把一个P型半导体和一个N型半导体用铜联结片焊接成电偶对。当接通直流电源时，电子由负极(一)出发，首先经过P型半导体，在此吸收热量， 到了 N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模组，就有热量由一边被送到另一边，即在 2、3端的铜联结片上产生吸热现象，此端称为冷端；在1、4端的铜联结片上则产生放热现象，此端称为热端。若将电流方向反过来，则冷热端将互换，这一点对于既需要升温又需要降温的应用场合非常有用。一个电偶对产生的热电效应很小，故在实际中都将上百对热电偶对串联在一起， 所有的冷端集中在一边，热端集中在另一边，这样生产出用于实际的热电制冷器。当制冷器中通过一定的直流电时，冷面会降温，冷面就可以用来制冷，热面的温度会逐渐升高，通过散热器可以将热量向周围环境放热。若将电流方向改变，便可实现相反的功能。如果在应用中需要的制冷或加热功率较大，可以使用多级半导体制冷器。半导体制冷既可实现降温控制，又可实现升温控制，一般多用于环境的恒温调节。 而对于我们的实际应用，只需把温度控制在一个比较宽的范围内即可，并不需要精密控制， 因此采用开关+温度设定点的综合控制策略。即1)当环境温度低于_5°C时，对设备进行加温；2)当环境温度高于+45°C时，对设备进行降温；3)当环境温度在_5°C 45°C之间，关闭温度控制电路。温度范围的检测和控制输出对环境温度范围的检测使用ADT65系列温度开关实现。温度开关的状态变化迟滞输出对于保持电路工作的稳定非常重要。所谓迟滞输出，是指当温度回到温度开关的测量点时开关翻转的延迟输出现象。当环境温度变化时，其输出如图13所示。环境超过45°C时，输出变为高电平，控制温控电路启动；当环境温度降到35°C时输出并不立即翻转，而是有10°C的迟滞，达到35摄氏度时，开关状态才会改变。这样不会造成环境温度在设定点附近时温控电路的频繁启动和停止。高低温度范围检测电路的输出过程为1)降温控制过程当环境温度高于45°C时，输出高电平，控制温控电路启动；当温度降到35°C时输出低电平，温控电路关闭；如果温度又上升到45°C，输出又变为高电平；温控电路启动。[0079]2)升温控制过程当环境温度低于_5°C时，输出高电平，控制温控电路启动；当温度升到25°C时输出低电平，温控电路关闭；如果温度又下降到_5°C，输出又变为高电平；温控电路启动。3)环境温度适宜如果环境温度在-5 45°C之间，输出低电平，温控电路不工作。如图14所示的温度控制电路；升温和降温控制当检测的温度超限，需要进行温度控制时，温度控制电路就会启动。温度控制电路需要一个温度设定点和一个温度传感器，根据使用情况和制冷片的升温效率高，降温效率低的使用特点，我们将温度设定点定为35°C， 温度控制电路就会根据温度传感器的测量值控制半导体制冷片进行升温和降温控制，使温度逼近:35°C。电路面积50mm*60mm。考虑体积和结构，将使用两套温控电路进行温度控制。制冷片的驱动电压为5V，电流最大2. 2A，选用TEC1-12705。其参数如图15所示。气泵的选择，拟选用德国产的SP 200EC-LC。如图16所示的气泵性能曲线。如图17所示机箱内设置两个区域，一个区域为气室，另一区域为电路室。设置三个开关总电源开关；控温电路电路开关；气泵开关。系统加电策略如图18所示；系统的上电与断电由硬件控制完成。
权利要求1.一种特殊人机环境监测系统，其特征在于它包括有噪声传感器及其信号调理电路，所述的噪声传感器由传声器、前置放大器、ICP信号调理模块组成；所述的ICP信号调理模块通过连接器连接系统外壳；有害气体和温湿度传感器及其信号调理和数字化电路；微处理器；对至少十路模拟量进行采集，片内带至少两路异步串口控制器，其中一路连接温湿度传感器；电源；温度监测与控制电路；所述的温度检测采用温度开关实现，所述的控制电路在温度超限时启动，包含有一个温度设定点和一个温度传感器；气室和气路；所述的气室连接进气口和气泵，气泵连接气体传感器和测温电路并通过气路连接出气口；所述的噪声传感器及其信号调理电、有害气体和温湿度传感器及其信号调理和数字化电路、微处理器、电源、温度监测与控制电路和气室和气路均设置于机箱内。
2.根据权利要求1所述的特殊人机环境监测系统，其特征在于所述的ICP信号调理模块采用独立模块设计。
3.根据权利要求1所述的特殊人机环境监测系统，其特征在于所述的电源的第一级采用一个5W，24V输入，24V输出的隔离模块，后极电源由此隔离24V产生。
4.根据权利要求1所述的特殊人机环境监测系统，其特征在于所述的连接器分为传感连接器和信号输出连接器。
专利摘要一种特殊人机环境监测系统，它包括有噪声传感器及其信号调理电路，所述的噪声传感器由传声器、前置放大器、ICP信号调理模块组成；有害气体和温湿度传感器及其信号调理和数字化电路；微处理器电源；温度监测与控制电路；所述的温度检测采用温度开关实现，所述的控制电路在温度超限时启动，包含有一个温度设定点和一个温度传感器；气室和气路；所述的气室连接进气口和气泵，气泵连接气体传感器和测温电路并通过气路连接出气口；本实用新型具有测量八种有害气体、温湿度和两路噪声的能力；具有数字输出和模拟输出；具有温度控制能力，确保传感器的工作环境，尽量不影响传感器的寿命；系统进行减震设计。
文档编号G01D21/02GK202002671SQ201020557350
公开日2011年10月5日 申请日期2010年10月9日 优先权日2010年10月9日
发明者张夕坛, 张建民, 方小明, 杨永江, 黄勇 申请人:浙江讯领科技有限公司