一种粉尘浓度传感器、测试方法及标定方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种粉尘浓度传感器、测试方法及标定方法。
背景技术
粉尘包括灰尘和颗粒等，是指悬浮在空气中的微小颗粒；环境中的一般粉尘进入人体肺部后，可能引起各种尘肺病；车间中的粉尘对生产的影响主要是降低产品质量和机器工作精度；粉尘还使光照度和能见度降低，影响室内作业的视野。
粉尘浓度传感器又叫做灰尘传感器，用于实时监测处于监测范围内的空气中的粉尘浓度。现有的粉尘浓度传感器存在测试精度低，不能对粉尘浓度传感器进行有效标定的缺点。
发明内容
本发明的目的：提供一种高精度的粉尘浓度传感器的测试方法、标定方法，以及一种结构简单测试精度高的粉尘浓度传感器。
技术方案：本发明提供的粉尘浓度传感器的测试方法，其特征在于，方法包括如下步骤：
步骤1、采集来自待检测空气中粉尘的反射光，并将该反射光转换为电流信号；
步骤2、将步骤1中获取的电流信号转换为电压信号，将该电压信号转换为数字信号adcvalue，结合如下公式：
pm25value＝(m_pm25high-m_pm25low)*((adcvalue-m_adclow))/(m_adchigh-m_adclow)+m_pm25low
计算待检测空气中粉尘的粉尘浓度pm25value；
其中，m_pm25high为预设的高粉尘浓度，m_adchigh为与高粉尘浓度m_pm25high相对应的数字信号；m_pm25low为预设的低粉尘浓度，m_adclow为与m_pm25low相对应的数字信号，m_pm25high大于m_pm25low。
在步骤1之前，方法还包括：按照设定的时间间隔和设定的持续供电时间产生光照，对待检测空气中的粉尘进行照射。
一种粉尘浓度传感器的标定方法，其特征在于，方法包括如下步骤：
步骤A、在密闭环境中产生对应预设高粉尘浓度m_pm25high的粉尘，待经过预设时间T1该粉尘稳定后，粉尘浓度传感器采集来自该粉尘的反射光，并将该发射光转换为电流信号，再将该电流信号转换为电压信号，然后将该电压信号转换为数字信号m_adchigh，并构建数字信号m_adchigh与高粉尘浓度m_pm25high之间的对应关系；将高粉尘浓度m_pm25high及其所对应的数字信号m_adchigh存入粉尘浓度传感器中；
步骤B、在密闭环境中产生对应预设低粉尘浓度m_pm25low的粉尘，m_pm25high＞m_pm25low；待经过预设的时间T2该粉尘稳定后，粉尘浓度传感器采集来自该粉尘的反射光，并将该发射光转换为电流信号，再将该电流信号转换为电压信号，然后将该电压信号转换为数字信号m_pm25low，并构建数字信号m_pm25low与低粉尘浓度m_pm25low之间的对应关系；将低粉尘浓度m_pm25low及其所对应的的数字信号m_adclow存入传感器中。
在步骤A中，通过烟尘发生器在密闭环境中产生对应预设高粉尘浓度m_pm25high的粉尘；
在步骤B中，通过烟尘发生器在密闭环境中产生对应预设低粉尘浓度m_pm25low的粉尘。
基于与粉尘浓度传感器通信连接的上位机执行如下步骤：
所述步骤A中，在获取与高粉尘浓度m_pm25high相对应的数字信号m_adchigh后，所述方法还包括，粉尘浓度传感器将数字信号m_adchigh发送至上位机，通过上位机建立高粉尘浓度m_pm25high和数字信号m_adchigh之间的对应关系，并将高粉尘浓度m_pm25high、及其所对应的数字信号m_adchigh发送至粉尘浓度传感器；
所述步骤B中，在获取与低粉尘浓度m_pm25low相对应的数字信号m_adchigh后，所述方法还包括，粉尘浓度传感器将数字信号m_adchigh发送至上位机，通过上位机建立低粉尘浓度m_pm25low和数字信号m_adclow之间的对应关系，并将低粉尘浓度m_pm25low、及其所对应的数字信号m_adclow发送至粉尘浓度传感器。
一种实现上述方法的粉尘浓度传感器，包括发光模块、光检测模块、信号处理电路、模数转换器、微处理器、存储器、驱动电路；存储器中预存储有一组粉尘浓度，以及和其中各粉尘浓度相对应的数字信号；
发光模块和驱动电路相连，驱动电路和微处理器相连；驱动电路用于在微处理器的控制下，按照设定的时间间隔和设定的持续供电时间为发光模块供电，使发光模块对待检测空气中的粉尘进行照射；
光检测模块和信号处理电路相连，信号处理模块和模数转换器相连，模数转换器和微处理器相连，微处理器和存储器相连；光检测模块用于采集粉尘的反射光，并将反射光转换为电流信号；信号处理模块用于将电流信号转换为电压信号并发送至模数转换器；模数转换器用于将电压信号转换为数字信号并发送至微处理器；微处理器用于根据模数转换器发送的数字信号，以及预存储在存储器中的一组粉尘浓度、和其中各粉尘浓度相对应的数字信号获取粉尘浓度。
粉尘浓度传感器还包括和微处理器相连的通用异步收发器；通用异步收发器用于实现粉尘浓度传感器和其他模块之间的数据传输。
本发明还提供了一种用于实现上述测试方法和标定方法的粉尘浓度传感器，粉尘浓度传感器包括发光模块、光检测模块、信号处理电路、模数转换器、微处理器、存储器、驱动电路；存储器中预存储有一组粉尘浓度、和其中各粉尘浓度相对应的数字信号；
发光模块和驱动电路相连，驱动电路和微处理器相连；驱动电路用于在微处理器的控制下，按照设定的时间间隔和设定的持续供电时间为发光模块供电，使发光模块对待检测空气中的粉尘进行照射；
光检测模块和信号处理电路相连，信号处理模块和模数转换器相连，模数转换器和微处理器相连，微处理器和存储器相连；光检测模块用于采集粉尘的反射光，并将反射光转换为电流信号；信号处理模块用于将电流信号转换为电压信号并发送至模数转换器；模数转换器用于将电压信号转换为数字信号并发送至微处理器；微处理器用于根据模数转换器发送的数字信号，以及预存储在存储器中的一组粉尘浓度、和其中各粉尘浓度相对应的数字信号获取粉尘浓度。
粉尘浓度传感器还包括和微处理器相连通用异步收发器；通用异步收发器用于实现粉尘浓度传感器和其他模块之间的数据传输。
有益效果：相对于现有技术，本发明提供的粉尘浓度传感器的测试方法，能够有效测试检测范围内的空气中的粉尘浓度；根据上述方法对粉尘浓度传感器进行标定，提高了粉尘浓度传感器的精度，保证不同粉尘浓度传感器的数据的一致性；本发明提供的粉尘浓度传感器，结构简单，测试精度高。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的粉尘浓度传感器的测试方法流程图；
图2是根据本发明实施例提供的对粉尘浓度传感器进行标定的装置连接示意图；
图3是根据本发明实施例提供的粉尘浓度传感器的结构示意图；
图4是根据本发明实施例提供的粉尘浓度传感器的电路连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参照图1，本发明实施例提供了一种粉尘浓度传感器的测试方法和标定方法。粉尘浓度传感器的测试方法包括：按照设定的时间间隔和设定的持续供电时间产生光照，对待检测空气中的粉尘进行照射，然后执行如下步骤；在一个实施例中，设定的时间间隔为1s，设定的持续供电时间为100μs：
步骤1、采集来自待检测空气中粉尘的反射光，并将该反射光转换为电流信号；
步骤2、将步骤1中获取的电流信号转换为电压信号，将该电压信号转换为数字信号adcvalue，结合如下公式：
pm25value＝(m_pm25high-m_pm25low)*((adcvalue-m_adclow))/(m_adchigh-m_adclow)+m_pm25low
计算待检测空气中粉尘的粉尘浓度pm25value；
其中，m_pm25high为预设的高粉尘浓度，m_adchigh为与高粉尘浓度m_pm25high相对应的数字信号；m_pm25low为预设的低粉尘浓度，m_adclow为与m_pm25low相对应的数字信号，m_pm25high＞m_pm25low。
在第一次使用粉尘浓度传感器进行粉尘浓度测试之前，需要对制备组装完成的粉尘浓度传感器进行标定；参照图2，本发明实施例基于烟尘发生器，以及和粉尘浓度传感器通信连接的上位机实现对粉尘浓度传感器的标定。
在进行标定时，将待进行标定粉尘浓度传感器放入密闭环境中，在本实施例中的密闭环境为一个密封的烟箱，烟尘发生器和烟箱内部相连通，先对粉尘浓度传感器中的各个硬件进行初始化处理，进行初始化的硬件包括粉尘浓度传感器中的微处理器MCU、UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器)、驱动电路、信号处理电路、模数转换器；然后执行如下步骤：
步骤A、通过烟尘发生器，在密闭环境中产生对应预设高粉尘浓度m_pm25high的粉尘；待经过预设时间T1该粉尘稳定后，粉尘浓度传感器采集来自该粉尘的反射光，并将该发射光转换为电流信号，再将该电流信号转换为电压信号，然后将该电压信号转换为数字信号m_adchigh；粉尘浓度传感器将数字信号m_adchigh发送至上位机，通过上位机建立高粉尘浓度m_pm25high和数字信号m_adchigh之间的对应关系，并将高粉尘浓度m_pm25high，以及与高粉尘浓度m_pm25high相对应的数字信号m_adchigh发送至粉尘浓度传感器；将高粉尘浓度m_pm25high，以及与高粉尘浓度m_pm25high相对应的数字信号m_adchigh存入传感器中；
步骤B、通过烟尘发生器，在密闭环境中产生对应预设低粉尘浓度m_pm25low的粉尘，m_pm25high＞m_pm25low；待经过预设时间T2该粉尘稳定后，粉尘浓度传感器采集来自该粉尘的反射光，并将该发射光转换为电流信号，再将该电流信号转换为电压信号，然后将该电压信号转换为数字信号m_adclow；粉尘浓度传感器将数字信号m_adchigh发送至上位机，通过上位机建立低粉尘浓度m_pm25low和数字信号m_adclow之间的对应关系，并将低粉尘浓度m_pm25low，以及与低粉尘浓度m_pm25low相对应的数字信号m_adclow发送至粉尘浓度传感器；将低粉尘浓度m_pm25low，以及与低粉尘浓度m_pm25low相对应的数字信号m_adclow存入传感器中。
在实际应用中参照上述标定方法，对不同的粉尘浓度传感器进行标定，在进行标定时，使用烟尘发生器分别产生相同的高粉尘浓度的粉尘和相同的低分尘浓度的粉尘对不同的粉尘浓度传感器进行标定。
通过上述方法的标定，可以解决各个粉尘浓度传感器之间的测试差异，提高了粉尘浓度传感器的测试精度，保证了不同粉尘浓度传感器的测试的一致性。
在对粉尘浓度传感器进行标定时，微处理器检测UART是否有校准数据包输入，校准数据包中包含对粉尘浓度传感器进行标定时的低粉尘浓度m_pm25low，与m_pm25low相对应的数字信号m_adclow，以及对粉尘浓度传感器进行标定时的高粉尘浓度m_pm25high，与m_pm25high相对应的数字信号m_adchigh；是则将校准数据包中的m_pm25low、m_adclow、m_pm25high、m_adchigh写入EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-OnlyMemory，带电可擦可编程只读存储器)中。
在实际应用中，需要在PC端安装软件开发环境，进行程序编程，将算法通过程序形式来实现，编写完程序且对程序进行调试后，将调试完的程序下载到电路板上，参照上述方法即可进行粉尘浓度传感器的标定或测试。
本发明实施例还提供了一种用于实现上述方法的粉尘浓度传感器，参照图3、图4，粉尘浓度传感器包括传感器外壳，传感器外壳上开设有开孔，检测区域内的待检测空气通过开设的小孔进入检测区域中。
传感器外壳中放置有粉尘浓度检测电路；粉尘浓度检测电路包括发光模块和光检测模块；发光模块构成红外发射端，光检测模块构成红外接收端，红外发射端和红外接收端的光轴相交。
在检测区域中没有粉尘进入时，发光模块发出的光是直射的；当检测区域中有粉尘进入后，红外发射端发出的光照射在检测区域的粉尘上，红外接收端接收粉尘经光照产生的反射光；检测区域中粉尘浓度越高，反射光越强。
参照图2，粉尘浓度检测电路包括发光模块、光检测模块、信号处理模块、微处理器MCU、存储器、UART；粉尘浓度传感器还包括与发光模块相连的驱动电路，驱动电路与微处理器相连；驱动电路用于在微处理器的控制下为发光模块供电；UART和粉尘浓度传感器外的上位机通信连接。
在本实施例中，发光模块为发光二极管LED，驱动电路为红外驱动电路，存储器为EEPROM；粉尘浓度传感器还包括液晶显示屏LCD，液晶显示屏LCD用于显示粉尘浓度传感器的测试结果；在一个实施例中，UART、MCU、EEPROM、驱动电路、信号处理模块集成在一个芯片里面。
光检测模块的信号输出端和信号处理模块的信号输入端相连，信号处理模块的信号输出端与微处理器相连；发光模块用于对待检测空气中的粉尘进行照射，光检测模块用于接收待检测空气中粉尘的反射光，并将反射光转换为电流信号；信号处理模块用于接收光检测模块发送的电流信号，并将电流信号转换为数字信号，进而将该数字信号发送至微处理器。
存储器用于预存储一组数字信号，以及与其中各数字信号相对应的粉尘浓度值，这一组数字信号包括对粉尘浓度传感器进行标定时的高粉尘浓度值、低粉尘浓度值，以及分别与高粉尘浓度值、低粉尘浓度值对应的数字信号；在进行粉尘浓度测试时，微处理器调用存储器中的数字信号和各数字信号相对应的粉尘浓度值，并根据接收来自信号处理模块的数字信号获取待检测空气中的粉尘浓度值。
具体的，信号处理模块包括信号处理电路、ADC(Analog-to-digital converter，模数转换器)；信号处理电路的电流输入端构成信号处理模块的信号输入端，信号处理电路的电压输出端和模数转换器的电压输入端相连，模数转换器的信号输出端构成信号处理模块的信号输出端。粉尘浓度传感器进行粉尘浓度测试时，MCU控制驱动电路定时使能驱动电路，使驱动电路按照设定的时间间隔和设定的持续供电时间为发光模块供电，发光模块发出光照射在粉尘上，粉尘产生反射光，光检测模块接收反射光并将接收的光信号转换为电流信号，并将电流信号发送至信号处理电路，信号处理电路将电流信号转换为电压信号，并将电压信号发送至ADC，ADC将电压信号转换成数字信号，并将数字信号发送至MCU进行处理，进而获取粉尘浓度。
在使用粉尘浓度传感器测试粉尘浓度时，通过与MCU连接的UART将粉尘浓度和数字信号发送到与粉尘浓度传感器通信连接的上位机中；在对粉尘浓度传感器进行标定时，上位机将高粉尘浓度m_pm25high、与高粉尘浓度m_pm25high相对应的数字信号m_adchigh、低粉尘浓度m_pm25low、与低粉尘浓度m_pm25low相对应的数字信号m_adclow通过UART发送至微处理器；在通过UART进行数据传输的过程中，通过校验和的方式检测数据传输是否出错。
本发明实施例提供的粉尘浓度传感器，结构简单、操作方便；提供的粉尘浓度传感器的测试方法，能够实时检测处于检测区域的空气中的粉尘浓度，粉尘包括灰尘烟尘等，提高了粉尘浓度传感器的测量精度；本发明实施例提供的标定方法，通过使用烟尘发生器产生相同粉尘浓度的粉尘，对第一次进行粉尘浓度测试的粉尘浓度传感器进行标定，消除了不同粉尘浓度传感器之间的测量误差，保证了不同粉尘浓度传感器的测量结果的一致性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
