【正文】 總體設(shè)計(jì)方案 ................................................................................................. 10 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理 .......................................................................... 10 傳感器的選用 ................................................................................................ 10 氣體傳感器 .......................................................................................... 10 氣體傳感器采樣方法選擇 .................................................................. 12 CO、甲烷傳感器 .............................................................................. 12 MQ 系列氣體傳感器的工作原理 .......................................... 12 MQ 氣體傳感器的特性 .......................................................... 14 MQ2 傳感器模塊 ................................................................... 17 甲醛常識(shí)及甲醛傳感器接口模塊的設(shè)計(jì) ........................................... 18 甲醛傳感器接口模塊 ................................................................ 18 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) I/V 轉(zhuǎn)換電路的芯片選擇 ....................................................... 19 RCV420 的相關(guān)參數(shù)及工作原理 ......................................... 20 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) ................................................................ 23 溫濕傳感器 .......................................................................................... 25 AT89S52 單片機(jī)簡介 ................................................................................. 28 電源電路設(shè)計(jì) ................................................................................................ 30 聲光報(bào)警模塊 ................................................................................................ 31 鍵盤電路 ........................................................................................................ 32 第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) ................................................................................................ 33 軟件系統(tǒng)需求框圖 ........................................................................................ 33 軟件系統(tǒng)的流程圖 ........................................................................................ 34 致謝 .............................................................................................................................. 37 附錄 .............................................................................................................................. 38 附錄 A 各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序 ............................................................................. 38 附錄 B 系統(tǒng)在 Altiumdesigner 中的電路原理圖 .............................................. 54 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 55 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 頁 共 55 頁 1 第一章 緒論 室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景 關(guān)于室內(nèi)空氣質(zhì)量問題，可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代，以原始人類將火種引入洞穴，引起洞穴煙塵污 染為標(biāo)志；采用科學(xué)的辦法研究及改善室內(nèi)空氣問題的歷史至少可以追溯到 20 世紀(jì)上半葉， 1939 年美國成立了工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(huì)（ AIHA），生產(chǎn)環(huán)境對(duì)人體健康的影響開始受到社會(huì)關(guān)注； 20世紀(jì) 60年代的北歐和北美，一些生活場所，如居室、辦公室、會(huì)議室、醫(yī)院、旅館、圖書館、候車（機(jī)、船）廳等室的內(nèi)空氣質(zhì)量開始受到關(guān)注，正是在那個(gè)時(shí)期提出了室內(nèi)空氣質(zhì)量（ IAQ）的概念；當(dāng)時(shí)，促使人們關(guān)注室內(nèi)空氣質(zhì)量問題的原因主要有兩個(gè)：一是隨著環(huán)境保護(hù)工作的開展和環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，人們的環(huán)境意識(shí)不斷加強(qiáng)；二是空調(diào)開始普及，為了節(jié)省能源，建筑物 密閉程度不斷提高，門窗開啟時(shí)間越來越短；同時(shí)各種化學(xué)制品也開始進(jìn)入人們的室內(nèi)生活，導(dǎo)致室內(nèi)化學(xué)污染物濃度提高，如此，長期在室內(nèi)滯留的人群常常感到不適；正是那時(shí)逐漸出現(xiàn)了“病態(tài)建筑綜合癥（ SBS）”和“軍團(tuán)病”等新問題和概念；人們逐漸發(fā)現(xiàn)室內(nèi)空氣污染與哮喘和肺癌等疾病的發(fā)病率的上升有著比較密切關(guān)系，并注意到室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量不一定比室外好，甚至比室外更糟 [2]。 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(shí) 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(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，所以基本無實(shí)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(shí)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]。(4)污染物種類多 。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。 (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 。 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(shí)施。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。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(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。 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(duì)MQ 系列傳感器進(jìn)行介紹。 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。初始動(dòng)作時(shí)間的長短取決于傳感器儲(chǔ)存期間的氣氛條件、儲(chǔ)存時(shí)間長短，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)。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)用的場合 。 CH20/S 10 的相關(guān)參數(shù)如下 : 電化學(xué)工作原理 。 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。 10V 電壓基準(zhǔn)提供了一個(gè)典型溫漂為 5ppm/℃ 的精密 10V 輸出。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。 增益調(diào)節(jié) 圖 所示是 RCV420 的增益調(diào)節(jié)電路。 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。 GND：接地端。由此可見，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。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)部在檢測信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。 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。 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。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(shí)時(shí)監(jiān)測、報(bào)警等要求 。 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)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 頁 共 55 頁 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；電路比較簡單實(shí)用。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)