主题：【第八届原创】便携式五合一空气质量检测仪结构剖析

便携式五合一空气质量检测仪结构剖析

      随着传感器技术的科技进步和价格下降，各类便携式空气检测仪近几年开始大量进入家庭。
某科技公司开发的便携式PM2.5、甲醛、TVOC、温湿度五合一空气质量检测仪，属于工程机（或许就是这个范儿），TB上拍的，到手后拆之，对内部结构进行剖析。市售其他类型的空气质量检测仪的原理与之相差不大，可以借鉴。
一、仪器基本情况

主要技术指标：



大小与4.3寸手机相比：

由于是工程机，外壳很简单，仪器使用一只香水电源，5V移动电源都能用：



打开侧面的电源开关，启动：


空气质量优良（PM2.5，0～75），LED表情“笑脸”绿灯闪烁；空气质量轻中度污染（PM2.5，75～150），“烦脸”黄灯闪烁；空气质量重度污染（PM2.5 ≥150），“哭脸”红灯闪烁；液晶屏显示PM2.5实况值及平均值，交替显示甲醛、TVOC、温度、湿度，还可以显示国标AQI（空气质量指数Air Quality Index）值：


二、拆解及分析电路结构原理

卸下面板四颗固定螺丝：

内部结构很简洁：




拆下液晶显示器组件：



显示板背面的两颗“牛屎”芯片是译码器和驱动器：

取下显示器后的主板全貌：

主板上的元件分布：

采用意法半导体MCU作为控制核心，型号STM8S005K6T6C，Valueline, 16 MHz STM8S 8-bit MCU, 32 Kbytes Flash：

主电路板背面：

根据仪器电路，绘出系统结构框图：

三、传感器解析
1、PM2.5空气质量传感器
仪器的PM2.5传感器采用夏普GP2Y1010AU0F光学传感器，能检测0.8um以上颗粒，对烟雾十分敏感，常用于空气净化系统。 红外线发射二极管（IR LED）和光敏二极管对角式地排列在检测腔中，能够检测到空气中微粒的反射光。传感器的模拟输出电压是同灰尘密度成比例的，其灵敏度为0.5V/0.1mg/m3。
GP2Y1010AU0F主要电气光学参数如下（摘自厂家数据）：


拆下传感器金属盖子上的两颗固定螺丝，取下盖子：


看见传感器内部芯板：

该芯板是将电路板与光学组件连在一起的，慢慢取出：

电路板的背面是光学组件，安放在检测腔内：

检测腔的结构：

取下的传感器芯板，这一面是电路PCB板:

将芯板翻到正面，固定有光学组件，左边是墨棕色光敏二极管，右边是浅红色红外发射LED：



夏普GP2Y1010AU0F传感器检测原理：结构及检测原理示意图如下（图A、图B、图C，根据厂家资料绘制），在检测腔内分布了光源（IR LED）和光检测器（光敏二极管），分别用透镜聚光。中心圆气孔是气体通道，位于IR LED光轴和检测器光轴的交汇处。当通过气孔中的气体含有尘埃或烟雾时，发生光反射，这个光的变化被检测器捕捉到转变为电信号，送入仪器的MCU处理后，由液晶显示器显示出来。

GP2Y1010AU0F传感器与MCU之间的连接（根据厂家资料编辑）：

2、甲醛和TVOC（总挥发性有机化合物）传感器
采用韩国MS1100半导体气敏传感器，由于工作时有50多度工作温度，传感器安装在主电路板的一角：

透过钢网，可以大概看到传感器内部的芯片：

MS1100主要技术参数如下：
1、加热电压：5V ±2%（AC或DC）
2、工作电流：100mA（max）
3、检测浓度范围：0-1000ppm（不同气体范围不同）
4、灵敏度：≥3%
5、响应时间：≤5S（预热3-5分钟）
6、回复时间：＞10S
7、工作温度：-10～60℃（标称温度20℃）
8、工作湿度：90%RH（标称湿度65%RH）
9、使用寿命：5年
半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件电阻值变化的原理制成的。MS1100气敏传感器内部结构见下图（根据厂家资料编辑），由加热电阻RH和传感器气敏电阻Rs组成。

MS1100气体传感器工作原理：开始工作的前几分钟，电路给加热电阻RH通电加热，待内部温度高达200～300℃的时，污染源气体和空气中的氧气会在高温中发生氧化反应，这时半导体气敏元件RS中的游离子会捕捉反应中的离子形成电子，并形成电流，相对应的就是RS的电阻值会降低，污染越大，反应中离子越多，捕捉形成电流越大，RS其阻值相对越小；负载电阻RL两端的输出电压Vout变化与污染浓度成正相关关系。
工作时，MS1100传感器发热的情况：


3、温湿度传感器
温湿度传感器卧焊在主电路板上：

将传感器扶正，看见型号，采用奥松（A0SONG）单总线DHT11温湿度传感器：

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在湿度校验室中进行校准,校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口（单总线），使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上。

用小刀拨开DHT11的盖子：

看见内部的电子元件：

这只IC的型号被隐去了,应该是8位单片机：

背面，陶瓷基板上的金色梳状电极是湿敏元件的电极，覆在感湿膜上面，随湿度的变化，两电极之间的电阻值发生变化：

DHT11与MCU的连接非常简单，见下图：

四、仪器拆机全部零件图：


结束语：小小的一只空气质量检测仪，集成了众多高科技技术。以前只能在实验室用大型仪器才能检测的数据，现在人人都可以用它监测自己身边的环境，消除或避开危害，更好地关注环保、人与自然和谐相处。由于数字技术的运用，检测仪的体积做得很小，精度满足普通监测使用，化验分析室备一只，经常监测一下空气指标，超标时及时采取措施，对实验人员是一种关爱呵护。