【正文】 據(jù)市場調(diào)查，非常需要一款家居用室內(nèi)安全、溫濕度和室內(nèi)甲醛的方便實用檢測系統(tǒng)。 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 4 第二章 室內(nèi)空氣品質(zhì)基本介紹 室內(nèi)空氣品質(zhì)及認(rèn)識 室內(nèi)空氣研究的背景 用氣體傳感器測定甲醛成為近年來甲醛檢測研究的新熱點；早在 1983 年，壓電類甲醛傳感器就已經(jīng)出現(xiàn)；這種傳感器可以不必對樣品進(jìn)行任何處理就可以測定，但易受水分子的影響而使晶體震動頻率發(fā)生漂移，所以基本無實用性；為適應(yīng)室內(nèi)空氣甲 醛現(xiàn)場快速檢測的要求，目前已開發(fā)出不少甲醛快速測定儀，這些儀器可直接在現(xiàn)場測定甲醛濃度，操作方便，適用于室內(nèi)和公共場所空氣中甲醛濃度的現(xiàn)場測定，同時也適用于環(huán)境測試艙法測定木質(zhì)板材中的甲醛釋放量；但這些儀器的工作原理、響應(yīng)性能、適應(yīng)范圍等都各不相同 [2]。準(zhǔn)確測定甲醛、苯、氨等有害氣體的設(shè)備昂貴 (如英國 PPM 公司生產(chǎn)的PPM400 甲醛儀約兩萬多元 )，測定時間較長，每隔一段時間就需進(jìn)行重新標(biāo)定，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，很難連續(xù)測定 [6]；目前國內(nèi)外產(chǎn)品的設(shè)計差異主要集中在監(jiān)測傳感器和控制單片機(jī)芯片的選用，操作方面國外的產(chǎn)品操作界面方便，功能加完備。(4)污染物種類多 。目前迫切需要多學(xué)科協(xié)同研究，做一些綜合性的大課題。甲醛在常溫下是氣態(tài)，通常以水溶液形式出現(xiàn)；其 37%的水溶液稱為福爾馬林，醫(yī)學(xué)和科研部門常用于標(biāo)本的防腐保存；此溶液沸點為 ℃故在室溫時極易揮發(fā)，隨著溫度的上升甲醛的揮發(fā)速度加快；在我國有毒化學(xué)品優(yōu)先控制名單中甲醛列居第二位；甲醛已被世界衛(wèi)生組織確定為致癌和致畸形物質(zhì)；甲醛是原漿毒物，能與蛋白質(zhì)結(jié)合，吸入高 濃度甲醛后會出現(xiàn)呼吸道的嚴(yán)重刺激和水腫、眼刺痛、頭痛，也可發(fā)生支氣管哮喘皮膚直接接觸甲醛，可引起皮炎、色斑、壞死。板材中殘留的和未參與反應(yīng)的甲醛逐漸向周圍環(huán)境釋放，是 室內(nèi)空氣中甲醛的主要來源。 (2)傳感器監(jiān)測方法 選擇適當(dāng)類型的傳感器可直接讀取待測物的濃度；這些傳感器按原理分為 :電阻型傳感器、電感型傳感器、電容型傳感器、 DNA 生物傳感器、電化學(xué)傳感器等等 。冬天 ,空氣較干燥 ,最好能配備加濕設(shè)備 ,使空氣保持濕潤；二是現(xiàn)在住宅多使用分體 式空調(diào) ,空氣基本上在室內(nèi)循環(huán) ,因此 , 最好能適當(dāng)開一點窗引進(jìn)些新鮮空氣；三是對過濾器要經(jīng)常進(jìn)行清洗 ,既可保證盤管的風(fēng)量 ,又能及時清除過濾器上的臟物。 IAQ 標(biāo)準(zhǔn)及室內(nèi)空氣主要污染物 目前，我國最新的室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T1888320xx，已于 20xx年 3 月正式開始實施。 (3)放射性污染 室內(nèi)環(huán)境中放射性污染主要評價指標(biāo)為氡氣及其子氣體，它是世界衛(wèi)生組 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 9 織確認(rèn)的主要環(huán)境致癌物之一，其誘發(fā)肺癌發(fā)病率危險系數(shù)僅次于香煙；氡氣無色無味，是不可揮發(fā)的放射性惰性氣體，室內(nèi)氡的來源主要是從底層土壤中析出， 或是由于通風(fēng)從戶外空氣中進(jìn)入室內(nèi)，以及從建材中析出；氡的危害是長期累積的，且不易察覺，其誘發(fā)肺癌的潛伏期大多在 15 年以上；新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，室內(nèi)氡濃度小于 400Bq/m3。設(shè)有人工自動復(fù)位和自動上電復(fù)位以及硬件看門狗電路。 傳感器的選用 氣體傳感器 氣體傳感器基礎(chǔ)知識： 按照氣敏特性來分，氣體傳感器主要分為：半導(dǎo)體型、電化學(xué)型、固體電解質(zhì)型、接觸燃燒型、光化學(xué)型等氣體傳感器，又以前兩種最為普遍。為了消除氣體分子達(dá)到初始狀態(tài)就必須發(fā)生一次氧化反應(yīng)；傳感器內(nèi)的加熱器可以加速氧化過程，這也是為什么有些低端傳感器總是不穩(wěn)定， 其原因就是沒有加熱或加熱電壓過低導(dǎo)致溫度太低反應(yīng)不充分； (3)電化學(xué)氣體傳感器的工作原理 電化學(xué)氣體傳感器是通過監(jiān)測電流來監(jiān)測氣體的濃度，分為不需供電的原電池式以及需要供電的可控電位電解式，目前可以監(jiān)測許多有毒氣體和氧氣，后者還能監(jiān)測血液中的氧濃度；電化學(xué)傳感器的主要優(yōu)點是氣體的高靈敏度以及良好的選擇性；不足之處是有壽命的限制一般為兩年； (4)半導(dǎo)體傳感器和電化學(xué)傳感器的區(qū)別 半導(dǎo)體傳感器因其簡單低價已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是又因為它的選擇性差和穩(wěn)定性不理想目前還只是在民用級別使用；而電化學(xué)傳感器因其良好的 選擇性和高靈敏度被廣泛應(yīng)用在幾乎所有工業(yè)場合； (5)固態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器 顧名思義，固態(tài)電解質(zhì)就是以固體離子導(dǎo)電為電解質(zhì)的化學(xué)電池。目前，氣體的采樣方式主要有兩種 :通過簡單擴(kuò)散法，或是將氣體吸入檢測器。 由于本儀器主要目的是測量日常生活中房屋內(nèi)氣體平均濃度，所以采用的第一種簡單擴(kuò)散法，并且這種方法可以節(jié)約成本 CO、甲烷傳感器 本課題的 CO、甲烷傳感器選用匯誠科技的 MQ2 數(shù)字傳感器模塊；下面將對MQ 系列傳感器進(jìn)行介紹。由氧吸附產(chǎn)生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動，傳感器的電阻即緣于這種勢壘。 圖 氧氣分壓的典型影響 (2)氣敏特性： 根據(jù)前述方程，在某一氣體濃度范圍內(nèi)（從幾十 ppm 至幾千 ppm），在工作條件下，傳感器的電阻同氣體濃度呈對數(shù)線性關(guān)系。 (3)傳感器響應(yīng)特性： 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 15 在工作條件下傳感器先被放入還原性氣體中，其電阻急劇下降，待其穩(wěn)定后，再將其置入潔凈空氣中，傳感器的電阻經(jīng)過很短的時間即恢復(fù)到它的初始值。初始動作時間的長短取決于傳感器儲存期間的氣氛條件、儲存時間長短，并因傳感器型號而異，也與通電后傳感器周圍的氛圍有關(guān)。此外，水蒸氣會吸附在傳感器表面，濕度將會引起 Rs 的降低。通常情況下， MQ傳感器表現(xiàn)出穩(wěn)定的經(jīng)時特性，適用于免維護(hù)應(yīng)用的場合 。 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 17 圖 典型的加熱電壓影響 MQ2 傳感器模塊 簡要說明： (1)尺寸： 32mm X22mm X27mm 長 X 寬 X 高 (2)主要芯片： LM39 ZYMQ2 氣體傳感器 (3)工作電壓：直流 5 伏 (3)特點： 具有信號輸出指示； 雙路信號輸出（模擬量輸出及 TTL 電平輸出 TTL 輸出有效信號為低電 平（當(dāng) 輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機(jī)）； 模擬量輸出 0~5V 電壓，濃度越高電壓越高； 對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度； 具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性； 快速的響應(yīng)恢復(fù)特性； (5)應(yīng)用： 適用于家庭或工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等監(jiān)測裝置。 CH20/S 10 的相關(guān)參數(shù)如下 : 電化學(xué)工作原理 。 工作壽命 : 3 年 。 本設(shè)計采用集成 I/V 轉(zhuǎn)換器 RCV420，將電流值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的 0～ 5V電壓，再將轉(zhuǎn)換后的電壓送至 A/D轉(zhuǎn)換芯片 TLC549 轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能處理的數(shù)字信號，實現(xiàn)對濃度信號的檢測。它包含一個高級運算放大器、一個片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和一個精密 10V 電壓基準(zhǔn)。 10V 電壓基準(zhǔn)提供了一個典型溫漂為 5ppm/℃ 的精密 10V 輸出。 表 RCV420 引腳功能 引腳 符號 功能 1 In 負(fù)輸入端 2 CT 輸入中心抽頭 3 +In 正輸入端 4 V 負(fù)電源 5 Ref Com 基準(zhǔn)公共端 6 NC 空端 7 Ref Noise Reduction 基準(zhǔn)降噪端 8 Ref Trim 基準(zhǔn)調(diào)整端 9 NC 空端 10 Ref fB 基準(zhǔn)反饋端 11 Ref OUT 基準(zhǔn)輸出端 12 Ref in 基準(zhǔn)輸入端 13 Rev 接收公共端 14 Rev OUT 接收輸出端 15 Rev fB 接收反饋端 16 V+ 正電源 圖 RCV420 引腳排列 (1)RCV420 工作原理： 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 21 圖 是 RCV420 的功能框圖。位于放大器反饋通道中的 T 型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點用于產(chǎn)生所需要的－ 偏置電壓。為避免由外部電路引入的增益和 CMR 誤差，應(yīng)按圖示方法接地，并確保最小接地電阻。 增益調(diào)節(jié) 圖 所示是 RCV420 的增益調(diào)節(jié)電路。 在檢測電阻上并聯(lián)匹配電阻 RX，可以減小增益。 圖 RCV420 電源和信號的正確接法 圖 RCV420 的增益調(diào)節(jié)電路 偏置調(diào)零 有兩個方法可對 RCV420 的輸出偏置電壓進(jìn)行調(diào)零。它能方便地采用三線串行接口方式與各種微處理器連接，構(gòu)成各種廉價的測控應(yīng)用系統(tǒng)；其電路連接圖如圖 ： 圖 TLC549的電路連接圖 TLC549 引腳圖及各引腳功能 : REF+：正基準(zhǔn)電壓輸入 ≤REF+≤Vcc+。 GND：接地端。 I/O CLOCK：外接輸入 /輸出時鐘輸入端，同于同步芯片的輸入輸出操作，無需與芯片內(nèi)部系統(tǒng)時鐘同步。由此可見，在自 TLC549 的 I/O CLOCK 端輸入8 個外部時鐘信號期間需要完成以下工作：讀入前次 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果；對本次轉(zhuǎn)換的輸入模擬信號采樣并保持；啟動本次 A/D 轉(zhuǎn)換開始。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在 OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。 用戶 MCU 發(fā)送一次開始信號后 ,DHT11 從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式 ,等待主機(jī)開始信號結(jié)束后 ,DHT11 發(fā)送響應(yīng)信號 ,送出 40bit 的數(shù)據(jù) ,并觸發(fā)一次信號采集 ,用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù) .從模式下 ,DHT11 接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集 ,如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號 ,DHT11 不會主動進(jìn)行溫濕度采集 .采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。根據(jù)上述幾方面及本課題的實際情況，單片機(jī)型號的選擇主要從以下兩點考慮 : 一是要有較強(qiáng)的抗干擾能力。 AT89S52 單片機(jī)是 AT89S 系列單片機(jī)中的一種，圖 2 是一般常用的雙列直插式，它是在現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等各領(lǐng)域的 AT89C52 系列單片機(jī)的換代產(chǎn)品。首先， AT89S52支持 ISP在線編程，這使生產(chǎn)及維護(hù)更為方便。因此，用它作為室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測控制完全可以滿足實時監(jiān)測、報警等要求 。 圖 74HC595 與 AT89S52 的硬件連接圖 電源電路設(shè)計 電源電路如圖 ： 圖 系統(tǒng)電源電路 電源電路中采用 LM7805穩(wěn)壓芯片 。 聲光報警模塊 聲光報警電路如圖 所示： 圖 聲光報警模塊 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 32 該模塊使用 74HC573對 8個發(fā)光二極管進(jìn)行驅(qū)動，蜂鳴器只用一個 NPN三極管就可行了；電路比較簡單實用。 有二個不同的 RTX51 版本可以利用： RTX51 Full 使用四個任務(wù)優(yōu)先權(quán)完成同時存在時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度和搶先的任務(wù)切換 RTX51 工作在與中斷功能相似的狀態(tài)下 信號和信息可以通過郵箱系統(tǒng)在任務(wù)之間互相傳遞 你可以從一存儲池中分配和釋放內(nèi)存 你可以強(qiáng)迫一個任務(wù)等待中斷 超時或者是從另一個任務(wù)或中斷發(fā)出的信號或信息； RTX51 Tiny 是一個 RTX51的子集 它可以很容易地 在沒有任何外部存儲器的單片 8051 系統(tǒng)上運轉(zhuǎn) 除了下列例外 RTX51 Tiny 支持許多在 RTX51 中的特系統(tǒng)軟件 溫濕度傳感器采集 AD 轉(zhuǎn)換 人機(jī)接口 聲光報警 循環(huán)采用 轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取 鍵盤檢測 LCD 顯示 蜂鳴器報警 LED 報警 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 34 征； RTX51 Tiny 僅支持時間片輪轉(zhuǎn)任務(wù)切換和使用信號進(jìn)行任務(wù)切換 不支持搶先式的任務(wù)切換不包括消息歷程沒有存儲器池分配程序。完成初始化后，系統(tǒng)開始采集各個傳感器模塊的參數(shù)，并根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)志 flag 的狀態(tài)，在液晶顯示與標(biāo)志狀態(tài)對應(yīng)的參數(shù)，程序會一直判斷 flag 的狀態(tài)從而決定系統(tǒng)要做什么；同時， CPU 會現(xiàn)場保護(hù) 鍵盤處理狀態(tài) 恢復(fù)現(xiàn)場 返回回 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 36 一直檢測該標(biāo)志的狀態(tài)，來確定系統(tǒng)怎樣運行；從而完成當(dāng)前監(jiān)測參數(shù)的正確顯示。由主程序流程圖可以看出，軟件要實