【正文】 多種有害物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)， 并向公眾通報(bào)檢測(cè)結(jié)果；我國(guó)的香港特別行政區(qū)也于 1998 年在其環(huán)境署內(nèi)設(shè)立了室內(nèi)環(huán)境主管部門，并在 1999 年公布了樓宇的 IAQ 指南及標(biāo)準(zhǔn)；在室內(nèi)環(huán)境管理機(jī)構(gòu)的指導(dǎo)下，室內(nèi)環(huán)境立法同時(shí)也開始進(jìn)行，到目前為止，歐美各發(fā)達(dá)國(guó)家，亞洲的日本、韓國(guó)和我國(guó)香港地區(qū)，以及世界衛(wèi)生組織已建立比較完善的室內(nèi)環(huán)境法規(guī)[3]。 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) Multifunctional Microcontrollerbased indoordetection system design Abstract With the development of our national economy and improvement of people39。 關(guān)鍵詞 :室內(nèi)環(huán)空 氣質(zhì)量 。 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) 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境問題及健康問題日益重視，室內(nèi)空氣品質(zhì)（ IAQ）狀況受到越來越多的關(guān)；人的一生中有三分之二的時(shí)間是在居室內(nèi)度過的。室內(nèi)智能空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀體積小，功耗低，操作簡(jiǎn)單，適合應(yīng)用于家庭和社區(qū)的醫(yī)療健康保健，能夠?qū)崟r(shí)知道室內(nèi)空氣的質(zhì)量；本設(shè)計(jì)選用數(shù)字化溫濕度傳感器 DTH11對(duì)室內(nèi)溫濕度測(cè)量 ,CO和甲烷傳感器采用定電位電解式氣體傳感器所需要的氣體進(jìn)行測(cè)量；用單片機(jī)控制模擬開關(guān)達(dá)到對(duì) CO、甲烷及甲醛的交替測(cè)量與報(bào)警。 安全 。 隨著人們對(duì)于室內(nèi)空氣污染問題的不斷深化認(rèn)識(shí)，室內(nèi)環(huán)境作為衛(wèi)生和環(huán)境科學(xué)的重要組成部分越來越受到重視；與此同時(shí)，一些專門從事室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)、宣傳教育、學(xué)術(shù)研究 和學(xué)術(shù)交流、咨詢和評(píng)估的機(jī)構(gòu)開始形成；如美國(guó)工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(huì)（ AIHA）專門設(shè)立了室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量 (IEQ)委員會(huì)；“國(guó)際室內(nèi)空氣質(zhì)量與氣候協(xié)會(huì) (ISIAQ)”、“美國(guó)綠色建筑委員會(huì) (USGBC)”和“室內(nèi)空氣質(zhì)量協(xié)會(huì) (IAQA)”也分別于 1992 年、 1993 年和 1995 年相繼創(chuàng)立；就連北大西洋公約組織 (NATO)這樣的軍事合作組織也在她的科學(xué)與環(huán)境事務(wù)局所屬的高級(jí)研究中心開展“室內(nèi)空氣質(zhì)量 (IAQ)科學(xué)”的研究和教育培訓(xùn)計(jì)劃，每年都要在締約國(guó)開展室內(nèi)環(huán)境方面的培訓(xùn)工作。本文設(shè)計(jì)的是家用集環(huán)境污染 (甲醛 ) 、安全（報(bào)警功能）、溫度和濕度為一體的便攜式多功能室內(nèi)空氣質(zhì)量測(cè)試儀。 在測(cè)試甲醛、苯等害氣體方面，國(guó)外比較出名的有 :美國(guó) ESC 公司生產(chǎn)的 Z一 300甲醛檢測(cè)儀、英國(guó) PPM公司生產(chǎn)的 PPM400甲醛檢測(cè)儀 。 就我國(guó)現(xiàn)在的國(guó)情來看，設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)，實(shí)惠，方便的檢測(cè)儀式很有必要的，這樣更能讓室內(nèi)空氣檢測(cè)儀普及到普通生活群眾的平常生活中，進(jìn)一步提高人們的生活質(zhì)量。(5)濃度值與健康的關(guān)系不明顯 [10]。 (3)我國(guó)己經(jīng)建立了有關(guān) IAQ 方面的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于新修訂的節(jié)能暖通規(guī)范條文中，但較為籠統(tǒng)，難以 解決具體工程問題，建議全國(guó)學(xué)會(huì)應(yīng)象美國(guó) ASHRAE 學(xué)會(huì)一樣，單獨(dú)建立室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)估 [7]。經(jīng)常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出現(xiàn)粘膜充血、皮膚刺激癥、過敏性皮炎、指甲角化和脆弱等；全身癥狀有頭痛、乏力、心悸、失眠、體重減輕以及植物神經(jīng)紊亂等 [4]。 用合成板材制造的家具，廠家為了追求利潤(rùn)使用不合格的板材，再粘貼面材料時(shí)使用不合格的膠水，造成家具中甲醛含量超標(biāo)。 改善空氣品質(zhì)方法 (1)開窗通風(fēng)換氣 開窗通風(fēng)可以始終保持室內(nèi)具有良好的空氣品質(zhì) ,是改善住宅室內(nèi)空氣品質(zhì)的關(guān)鍵。 (3)選用一些室內(nèi)空氣處理設(shè)備配合空調(diào)一起使用如去濕機(jī)、加濕機(jī)、過濾器、負(fù)離子發(fā)生器等；去濕機(jī)、加濕機(jī)能保持室內(nèi)適當(dāng)?shù)臐穸龋换钚蕴几咝н^濾器 ,能有效過濾室內(nèi)的 CO CO、 VOC、顆粒物等污染物 ,保持室內(nèi)具有較好的空氣品質(zhì)；負(fù)離子對(duì)人體的健康有益。標(biāo)準(zhǔn)除了對(duì)溫度、相對(duì)濕度等物理性指標(biāo)做出規(guī)定外，還對(duì)室內(nèi)空氣中的化學(xué)性、放射性、生物性污染物做出具體限值規(guī)定。 (4)生物性污染 指由植物、垃圾、濕霉墻體產(chǎn)生細(xì)菌、真菌類孢子花粉，以及人為活動(dòng)引起的代謝產(chǎn)物等；細(xì)菌傳播會(huì)帶來各種傳染疾病，新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定菌落總數(shù)小于2500cft/m3[7]。單片機(jī)外接兩片 74HC595接口芯片來驅(qū)動(dòng)接報(bào)警燈和 LCD1602，鍵盤、顯示、甲醛測(cè)量電路直接接到單片機(jī)引腳。 甲醛傳感器 I/V 轉(zhuǎn)換 數(shù)字 CO、甲烷傳感器 報(bào)警輸出 數(shù)字溫濕度傳感器 功能鍵盤 LCD 顯示 單片機(jī) 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 共 55 頁 11 (1)半導(dǎo)體型 氣體傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) 半導(dǎo)體氣體傳感器具有成本低廉、制造簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、對(duì)濕度敏感低和電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。它介于半導(dǎo)體和電化學(xué)之間；選擇性，靈敏度高于半導(dǎo)體而壽命又長(zhǎng)于電化學(xué)，所以也得到了很多的應(yīng)用，不足之處就是響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)； (6)接觸燃燒式氣體傳感器 接觸燃燒式氣體傳感器只能測(cè)量可燃?xì)怏w；又分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，原理是氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃?xì)怏w在表面或者在催化劑作用下燃燒，由于燃燒使氣敏材料溫度升高從而電阻發(fā)生變化；后者因?yàn)榇呋瘎┑年P(guān)系具有廣普特性應(yīng)用更廣。簡(jiǎn)單擴(kuò)散是利用氣體自然向四處傳播的特性。 MQ 系列氣體傳感器的工作原理 MQ 系列氣體傳感器的敏 感材料是活性很高的金屬氧化物半導(dǎo)體 ,最常用的如 SnO2。在工作條件下當(dāng)傳感器遇到還原性氣體時(shí)，氧負(fù)離子因與還 原性氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而導(dǎo)致其表面濃度降低，勢(shì)壘隨之降低（圖 和圖 ）。如圖 所示。這個(gè)過程中傳感器典型的動(dòng)作如圖 所示。通電后傳感器的初始動(dòng)作會(huì)引起報(bào)警，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)要予以充分考慮。如圖 所示。 圖 典型的長(zhǎng)期穩(wěn)定性 (7)加熱器電壓的影響： 在設(shè)計(jì)傳感 器的加熱器時(shí)，充分考慮了在給定的恒定加熱電壓下，氣體傳感器表現(xiàn)出最佳的敏感特性。 MQ2 模塊實(shí)物圖 及電路連接圖分別 如圖 、 所示 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 共 55 頁 18 圖 MQ2 模塊實(shí)物圖 圖 MQ2 模塊接口電路 甲醛常識(shí)及 甲醛傳感器接口模塊的設(shè)計(jì) 甲醛傳感器接口模塊 本課題的甲醛傳感器接口模塊由 CH20/S10 甲醛傳感器、 I/V 轉(zhuǎn)換器 RCV420等組成。 量程 : 0 10PPM。 靈敏度 :1200177。單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和處理，將處理結(jié)果及范圍進(jìn)行查表和分段線性化，完成傳感器信號(hào)與濃度高低對(duì)應(yīng)。其總轉(zhuǎn)換精度為 ％，共模抑制比 CMR 達(dá) 86dB，共模輸入范圍達(dá) 177。 RCV420 無需其它外圍器件輔助，就能實(shí) 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 共 55 頁 20 現(xiàn)諸多功能。當(dāng) 4－ 20mA 電流輸入對(duì)應(yīng) 0－ 5V 電壓輸出時(shí)，要求電路的傳輸阻抗為： VOUT/IIN=5V/16mA=期望的輸出（ 4mA 時(shí) 0V， 20mA 時(shí) 5V），放大器的輸出必須有一個(gè)偏置 : VOS=－ 4mA（ ） =－ 輸入電流信號(hào)接至 +IN 端還是接至－ IN 端取決與信號(hào)的極性，并經(jīng)過中心抽頭 CT 返回地端。輸入電 阻網(wǎng)絡(luò)提供了很高的輸入阻抗，并將共模輸入電壓衰減至運(yùn)算放大器的共模信號(hào)容限內(nèi)。輸入信號(hào)視其極性或接至 +IN 腳，或接至－ IN 腳，經(jīng)中心抽頭 CT 腳返回地端。在運(yùn)放的反饋通道插入一個(gè)小電阻 R1，可以增大增益。增益值由下式表示： VOUT/IIN=（ RX+RS） 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 共 55 頁 22 并聯(lián) 1%。一是用片內(nèi)10V 基準(zhǔn)作電平移動(dòng)，對(duì)電壓基準(zhǔn)的輸出進(jìn)行調(diào)整。 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 共 55 頁 24 REF－：負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端， ≤REF≤。 /CS：芯片選擇輸入端，要 求輸入高電平 VIN≥2V，輸入低電平 VIN≤。 圖 是 TLC549 的引腳圖： 圖 TLC549的引腳圖 TLC549 工作時(shí)序 ： 當(dāng) /CS 變?yōu)榈碗娖胶螅? TLC549 芯片被選中， 同時(shí)前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高有效位 MSB （ A7）自 DATA OUT 端輸出，接著要求自 I/O CLOCK 端輸入 8 個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)，前 7 個(gè) I/O CLOCK 信號(hào)的作用，是配合 TLC549 輸出前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的 A6A0 位，并為本次轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備：在第 4 個(gè) I/O CLOCK 信號(hào)由高至低的跳變之后，片內(nèi)采樣 /保持電路對(duì)輸入模擬量采樣開始，第 8 個(gè) I/O CLOCK 信號(hào)的下降沿使片內(nèi)采樣 /保持電路進(jìn)入保持狀態(tài)并 啟動(dòng) A/D 開始轉(zhuǎn)換。 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 共 55 頁 25 圖 TLC549的工作時(shí)序圖 圖 TLC549的工作時(shí)序圖 溫濕傳感 器 溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測(cè)量處理的電信號(hào)的設(shè)備或裝置。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè) NTC 測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能 8 位單片機(jī)相連接。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。 (2)DHT11 的接口電路及通訊過程 建議連接線長(zhǎng)度短于 20 米時(shí)用 5K 上拉電阻 ,大于 20 米時(shí)根據(jù)實(shí)際情況使 用合適的上拉電阻。 通訊過程如圖 所示 圖 DHT11 的通訊時(shí)序圖 總線空閑狀態(tài)為高電平 ,主機(jī)把總線拉低等待 DHT11 響應(yīng) ,主機(jī)把總線拉低必須大于 18 毫秒 ,保證 DHT11 能檢測(cè)到起始信號(hào)。由于一般室內(nèi)電子電器產(chǎn)品比較多，這對(duì)單片機(jī)的干擾較大，所以應(yīng)采用抗干擾性能較好的單片機(jī)機(jī) 型。因此它具有 89C52 的全部功能： AT89S52 新增加的功能由特殊功能寄存器完成。其次， AT89S52內(nèi)部增加了片內(nèi)看門狗定時(shí)器，這將有利于堅(jiān)固用戶應(yīng)用系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。而且，從經(jīng)濟(jì)性的角度來看， AT89S52不但硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且價(jià)格低、功能好、性價(jià)比高，符合我國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)制造的要求。用 lm78/lm79系列三端穩(wěn)壓 IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。 鍵盤電路 鍵盤接口電路 鍵盤接口采用中斷處理，這樣的處理方式實(shí)時(shí)性高，并且不會(huì)占用太多的CPU 時(shí)間，提高了 CPU 的使用效率，通過一片 74HC08， 74HC08 是 CMOS 的四 2 輸入與門，其接口如圖 所示；并將輸出接到外部 中斷接口引腳 INT0 出，當(dāng)有鍵按下時(shí)立刻進(jìn)入中斷處理程序處理相關(guān)的數(shù)據(jù)。 本設(shè)計(jì)選用的事 RTX51 Tiny； 一般地，下面三步是使用 RTX51 Tiny 要實(shí)現(xiàn)的： (1) 編寫 RTX51 程序 (2) 編譯并連接程序 (3)測(cè)試和調(diào)試程序 軟件系統(tǒng)的流程圖 Y N 圖 主程序流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 采樣子程序 獲取參數(shù) flag LCD 顯示與 flag 對(duì)應(yīng)狀態(tài) 74Hc08是 CMOS 的 四 2輸入與門 參數(shù)是否超標(biāo) 報(bào)警 結(jié)束 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 共 55 頁 35 圖 中斷處理 開 始設(shè) 置 相 應(yīng) 引 腳 電 平獲 取 鍵 盤 鍵 值是 否 是 該 鍵 按 下YN根 據(jù) 鍵 值 設(shè) 置 f l a g的 狀 態(tài)返 回鍵 值 是 否 是 數(shù) 字 0 ~ 9根 據(jù) f l a g 的 狀 態(tài) 處理 參 數(shù)NY 圖 鍵盤處理程序 主程序運(yùn)行流程圖如圖 所示。 在中斷程序中，本設(shè)計(jì)使用到了單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷（ INT0 和 INT1）； INT0被用于鍵盤檢測(cè)，當(dāng) 4*4 鍵盤有鍵被按下時(shí)，程序馬上進(jìn)入鍵盤處理程序；鍵盤掃描使用了中斷，這樣節(jié)省了寶貴的單片機(jī)時(shí)間，讓 CPU 在只有鍵被按下時(shí)再進(jìn)行鍵盤掃描與相應(yīng)的參數(shù)處