【正文】 據(jù)市場(chǎng)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(shí)用檢測(cè)系統(tǒng)。 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 共 55 頁(yè) 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(shí) 室內(nèi)空氣研究的背景 用氣體傳感器測(cè)定甲醛成為近年來(lái)甲醛檢測(cè)研究的新熱點(diǎn)；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(duì)樣品進(jìn)行任何處理就可以測(cè)定，但易受水分子的影響而使晶體震動(dòng)頻率發(fā)生漂移，所以基本無(wú)實(shí)用性；為適應(yīng)室內(nèi)空氣甲 醛現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的要求，目前已開發(fā)出不少甲醛快速測(cè)定儀，這些儀器可直接在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定甲醛濃度，操作方便，適用于室內(nèi)和公共場(chǎng)所空氣中甲醛濃度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，同時(shí)也適用于環(huán)境測(cè)試艙法測(cè)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(cè)定甲醛、苯、氨等有害氣體的設(shè)備昂貴 (如英國(guó) PPM 公司生產(chǎn)的PPM400 甲醛儀約兩萬(wàn)多元 )，測(cè)定時(shí)間較長(zhǎng)，每隔一段時(shí)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(cè)定 [6]；目前國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的設(shè)計(jì)差異主要集中在監(jiān)測(cè)傳感器和控制單片機(jī)芯片的選用，操作方面國(guó)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(diǎn)為 ℃故在室溫時(shí)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(guó)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(huì)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(lái)源。 (2)傳感器監(jiān)測(cè)方法 選擇適當(dāng)類型的傳感器可直接讀取待測(cè)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(rùn)；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(diǎn)窗引進(jìn)些新鮮空氣；三是對(duì)過(guò)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(shí)清除過(guò)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(guó)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(shí)施。 (3)放射性污染 室內(nèi)環(huán)境中放射性污染主要評(píng)價(jià)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(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 共 55 頁(yè) 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(xiǎn)系數(shù)僅次于香煙；氡氣無(wú)色無(wú)味，是不可揮發(fā)的放射性惰性氣體，室內(nèi)氡的來(lái)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(zhǎng)期累積的，且不易察覺(jué)，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(dòng)復(fù)位和自動(dòng)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(shí)： 按照氣敏特性來(lái)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(guò)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(méi)有加熱或加熱電壓過(guò)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(guò)監(jiān)測(cè)電流來(lái)監(jiān)測(cè)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(cè)許多有毒氣體和氧氣，后者還能監(jiān)測(cè)血液中的氧濃度；電化學(xué)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)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(jiǎn)單低價(jià)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是又因?yàn)樗倪x擇性差和穩(wěn)定性不理想目前還只是在民用級(jí)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(chǎng)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(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)散法，或是將氣體吸入檢測(cè)器。 由于本儀器主要目的是測(cè)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(jiǎn)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(chéng)科技的 MQ2 數(shù)字傳感器模塊；下面將對(duì)MQ 系列傳感器進(jìn)行介紹。由氧吸附產(chǎn)生的勢(shì)壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動(dòng)，傳感器的電阻即緣于這種勢(shì)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(duì)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(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 共 55 頁(yè) 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(guò)很短的時(shí)間即恢復(fù)到它的初始值。初始動(dòng)作時(shí)間的長(zhǎng)短取決于傳感器儲(chǔ)存期間的氣氛條件、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)短，并因傳感器型號(hào)而異，也與通電后傳感器周圍的氛圍有關(guān)。此外，水蒸氣會(huì)吸附在傳感器表面，濕度將會(huì)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(shí)特性，適用于免維護(hù)應(yīng)用的場(chǎng)合 。 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 共 55 頁(yè) 17 圖 典型的加熱電壓影響 MQ2 傳感器模塊 簡(jiǎn)要說(shuō)明： (1)尺寸： 32mm X22mm X27mm 長(zhǎng) 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(diǎn)： 具有信號(hào)輸出指示； 雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及 TTL 電平輸出 TTL 輸出有效信號(hào)為低電 平（當(dāng) 輸出低電平時(shí)信號(hào)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(duì)液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度； 具有長(zhǎng)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(cè)裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等監(jiān)測(cè)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(jì)采用集成 I/V 轉(zhuǎn)換器 RCV420，將電流值轉(zhuǎn)換為對(duì)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(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)濃度信號(hào)的檢測(cè)。它包含一個(gè)高級(jí)運(yùn)算放大器、一個(gè)片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)精密 10V 電壓基準(zhǔn)。 10V 電壓基準(zhǔn)提供了一個(gè)典型溫漂為 5ppm/℃ 的精密 10V 輸出。 表 RCV420 引腳功能 引腳 符號(hào) 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(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 共 55 頁(yè) 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(diǎn)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(cè)電阻上并聯(lián)匹配電阻 RX，可以減小增益。 圖 RCV420 電源和信號(hào)的正確接法 圖 RCV420 的增益調(diào)節(jié)電路 偏置調(diào)零 有兩個(gè)方法可對(duì) 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(jià)的測(cè)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(shí)鐘輸入端，同于同步芯片的輸入輸出操作，無(wú)需與芯片內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘同步。由此可見(jiàn)，在自 TLC549 的 I/O CLOCK 端輸入8 個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)期間需要完成以下工作：讀入前次 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果；對(duì)本次轉(zhuǎn)換的輸入模擬信號(hào)采樣并保持；啟動(dòng)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(zhǎng)期穩(wěn)定性。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在 OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)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(hào)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(hào)結(jié)束后 ,DHT11 發(fā)送響應(yīng)信號(hào) ,送出 40bit 的數(shù)據(jù) ,并觸發(fā)一次信號(hào)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(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集 ,如果沒(méi)有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào) ,DHT11 不會(huì)主動(dòng)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(shí)際情況，單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩點(diǎn)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(cè)控制完全可以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警等要求 。 圖 74HC595 與 AT89S52 的硬件連接圖 電源電路設(shè)計(jì) 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(bào)警模塊 聲光報(bào)警電路如圖 所示： 圖 聲光報(bào)警模塊 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 共 55 頁(yè) 32 該模塊使用 74HC573對(duì) 8個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，蜂鳴器只用一個(gè) NPN三極管就可行了；電路比較簡(jiǎn)單實(shí)用。 有二個(gè)不同的 RTX51 版本可以利用： RTX51 Full 使用四個(gè)任務(wù)優(yōu)先權(quán)完成同時(shí)存在時(shí)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(hào)和信息可以通過(guò)郵箱系統(tǒng)在任務(wù)之間互相傳遞 你可以從一存儲(chǔ)池中分配和釋放內(nèi)存 你可以強(qiáng)迫一個(gè)任務(wù)等待中斷 超時(shí)或者是從另一個(gè)任務(wù)或中斷發(fā)出的信號(hào)或信息； RTX51 Tiny 是一個(gè) RTX51的子集 它可以很容易地 在沒(méi)有任何外部存儲(chǔ)器的單片 8051 系統(tǒng)上運(yùn)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(bào)警 循環(huán)采用 轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取 鍵盤檢測(cè) LCD 顯示 蜂鳴器報(bào)警 LED 報(bào)警 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 共 55 頁(yè) 34 征； RTX51 Tiny 僅支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)任務(wù)切換和使用信號(hào)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(méi)有存儲(chǔ)器池分配程序。完成初始化后，系統(tǒng)開始采集各個(gè)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(duì)應(yīng)的參數(shù)，程序會(huì)一直判斷 flag 的狀態(tài)從而決定系統(tǒng)要做什么；同時(shí)， CPU 會(huì)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù) 鍵盤處理狀態(tài) 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 返回回 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 共 55 頁(yè) 36 一直檢測(cè)該標(biāo)志的狀態(tài)，來(lái)確定系統(tǒng)怎樣運(yùn)行；從而完成當(dāng)前監(jiān)測(cè)參數(shù)的正確顯示。由主程序流程圖可以看出，軟件要實(shí)