【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 此 , 最好能適當(dāng)開(kāi)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。 (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(guò)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?；活性碳高效過(guò)濾器 ,能有效過(guò)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。 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) 8 (4)辯證地看待現(xiàn)有空調(diào)器的一些附加功能所謂空調(diào)器的附加功能 ,如負(fù)離子發(fā)生器、冷觸媒、高效過(guò)濾等功能 ,對(duì)改善室內(nèi) 空氣品質(zhì)有一定的作用 ,但所起的作用很有限 ,不能完全依賴；更何況某些附加功能隨著時(shí)間的推移 ,效果會(huì)越來(lái)越差 ,有的甚至不起作用，因此，開(kāi)窗通風(fēng)換氣還是改善室內(nèi)空氣品的重要手段。 (5)合理選擇裝修材料及裝修方式 盡量選擇釋放 VOC較少的裝修材料、膠水、涂料、油漆等 ,并在裝修好后 ,開(kāi)窗換氣 , 等室內(nèi) VOC 降低至較低程度后再入??；提倡接近自然的裝修方式 ,盡量少用各種化學(xué)及人工材料，盡量不要過(guò)度裝修；購(gòu)置新家具后也應(yīng)開(kāi)窗換氣 ,向外散發(fā)家具中釋放的 VOC 等；除此之外，居住者應(yīng)在排氣、通風(fēng)、種植植物、不在室內(nèi)抽煙、不使用 噴霧劑和殺蟲(chóng)劑 ,以及經(jīng)常清潔地毯、環(huán)境等方面，注意保護(hù)和造就良好的室內(nèi)空氣品質(zhì) [7]。 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(kāi)始實(shí)施。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。 (1)物理性污染 室內(nèi)環(huán)境中除要有好的空氣質(zhì)量外，還牽涉對(duì)人體舒適性產(chǎn)生重要影響的溫度、濕度、通風(fēng)、光照、清潔度、噪音等； 新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了溫度、相對(duì)濕度、空氣流速以及新風(fēng)量等指 標(biāo)，它們對(duì)人體的熱濕平衡調(diào)節(jié)起著重要作用，對(duì)人體的健康和舒適性影響極大。 (2)化學(xué)性污染 進(jìn)入人類環(huán)境的化學(xué)污染物約有 9萬(wàn) 6千種，化學(xué)污染侵入人體可以通過(guò)呼吸道、皮膚、消化道三種途徑吸收，其危害性一般是低濃度的長(zhǎng)期效應(yīng)，以及多因素協(xié)同綜合作用；室內(nèi)環(huán)境主要的化學(xué)污染物及限定標(biāo)準(zhǔn)如表。 (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。 (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(lái)各種傳染疾病，新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定菌落總數(shù)小于2500cft/m3[7]。 表 主要化學(xué)污染物來(lái)源、危害及標(biāo)準(zhǔn) 主要來(lái)源 對(duì)人體的主要影響 標(biāo)準(zhǔn) 甲醛 建材、粘合劑 刺激眼睛、呼吸道、致癌物 CO2 人群活動(dòng) 胸悶、頭痛、困倦、免疫力下降 20xxmg/m3 CO 不完全燃燒 血紅蛋白降低、缺氧中毒 10mg/m3 NO2 局部空氣 急性呼吸道病癥 NH3 建筑用防凍劑、水泥草強(qiáng)劑 頭痛、疲勞、厭食 O3 汽車尾氣、光化學(xué)反應(yīng) 刺激眼睛、哮喘病 TVOC 建材 大多有毒性部分列為致癌物 mg/m3 PM10 交通運(yùn)輸揚(yáng)塵、大氣沙塵 影響肺間經(jīng)組織、支氣管炎 mg/m3 苯 油性涂料、粘結(jié)劑 引起皮膚癌、肺癌、胃癌 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) 10 第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理 總體結(jié)構(gòu)圖如圖 ： 圖 總體結(jié)構(gòu)圖 該儀器以單片機(jī)為核心，單片機(jī)選用價(jià)格便宜的 AT89S52，具有對(duì) CO 濃度、甲烷濃度測(cè)量與報(bào)警功能 。對(duì)溫濕度和甲醛的含量的測(cè)量及顯示功能 。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。單片機(jī)外接兩片 74HC595接口芯片來(lái)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。通過(guò) 鍵盤可實(shí)現(xiàn)設(shè)定室內(nèi)甲烷、 CO 的報(bào)警值、顯示相應(yīng)參數(shù)等操作。溫濕度測(cè)量采用數(shù)字化溫濕度傳感器 DHT11，用 LCD1602液晶實(shí)時(shí)顯示溫濕度和甲醛值，并根據(jù)相應(yīng)的操作顯示出相應(yīng)的狀態(tài)；如：在甲醛超出預(yù)警值是出現(xiàn)報(bào)警， LCD要顯示出相應(yīng)的甲醛濃度值，并顯示提示符“ JiaQuan Alarm??！”。 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。 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(yè) 共 55 頁(yè) 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)。不足之處是必須在高溫下工作、對(duì)氣體或氣味的選擇性差、元件參數(shù)分散、穩(wěn)定性不理想、功率高等方面。 (2)半導(dǎo)體傳感器需要加熱的原因 半導(dǎo)體傳感器是利用一種金屬氧化物薄膜制成的阻抗器件，其電阻隨著氣體含量不同而變化；氣體分子在薄膜表面進(jìn)行還原反應(yīng)以引起傳感器電導(dǎo)率的變化。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。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(guò)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。 (7)光學(xué)式氣體傳感器 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) 12 光學(xué)式氣體傳感器主要包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型等等，主要以紅外吸收型為主；由于不同氣體對(duì)紅外波吸收程度不同，通過(guò)測(cè)量紅外吸收波長(zhǎng)來(lái)監(jiān)測(cè)氣體；目前因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)關(guān)系一般造價(jià)頗高；基于本文的實(shí)時(shí)要求和性價(jià)比等方面的原因，本系統(tǒng)選用電化學(xué)傳感器中的定電位電解式氣體傳感器 [3]。 氣體傳感器采樣方法選擇 氣體的采樣方法直接影響傳感器的響應(yīng)時(shí)間。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。簡(jiǎn)單擴(kuò)散是利用氣體自然向四處傳播的特性。目標(biāo)氣體穿過(guò)探頭內(nèi)的 傳感器，產(chǎn)生一個(gè)正比于氣體體積分?jǐn)?shù)的信號(hào)。氣體吸入式探頭通常用于采樣位置接近處理儀器或排氣管道；這種技術(shù)可以為傳感器提供一種速度可控的穩(wěn)定氣流，在氣流大小和流速經(jīng)常變化的情況下，這種方法較值得推薦 [9]。 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。 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。金屬氧化物半導(dǎo)體在空氣中被加熱到一定溫度時(shí)，氧原子被吸附在帶負(fù)電荷的半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體表面的電子會(huì)被轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負(fù)離子，同時(shí)在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷層，導(dǎo)致表面勢(shì)壘升高，從而阻礙電子流動(dòng)（見(jiàn)圖 ）。在敏感材料內(nèi)部，自由電子必須穿過(guò)金屬氧化物半導(dǎo)體微晶粒的結(jié)合部位（晶界）才能形成電流。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。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 ）。導(dǎo)致傳感器的阻值 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) 13 減小 [13]。 圖 晶粒間勢(shì)壘模型（潔凈空氣） 圖 CO 和 SnOx2 上吸附氧之間的反應(yīng)圖解 圖 晶粒間勢(shì)壘模型 (還原性氣體出現(xiàn)時(shí)） 在給定的工作條件下和適當(dāng)?shù)臍怏w濃度范圍內(nèi)，傳感器的電阻值和還原性氣度濃度之間的關(guān)系可近似由下式 (321)所表示： ??? ][ARs C (321) 其中： Rs：傳感器電阻 A：常數(shù) [C]:氣體濃度 α :Rs 曲線的斜率 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) 14 MQ 氣體傳感器的特性 (1)氧氣分壓的影響： 圖 所示為大氣中氧分壓（ PO2）和 MQ 氣體傳感器在清潔空氣中阻值之間的典型關(guān)系 。 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。如圖 所示。傳感器對(duì)多種還原氣體具有敏感性，對(duì)指定氣體的相對(duì)靈敏度， 取決于敏感材料的構(gòu)成及其工作溫度。 如圖 典型的敏感特性 實(shí)際上，每個(gè)傳感器的電阻值和相對(duì)靈敏度都不完全相同，圖 5 中描述的敏感特性為傳感器在不同氣體濃度下的阻值 (Rs)與待檢測(cè)氣體的一定濃度下的阻值 (R0)的比值與濃度的對(duì)數(shù)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。這個(gè)過(guò)程中傳感器典型的動(dòng)作如圖 所示。傳感器的響應(yīng)速度和恢復(fù)速度與傳感器型號(hào)、材料種類及所測(cè)氣 體的種類相關(guān)。 圖 典型的傳感器響應(yīng)恢復(fù) (4)初始動(dòng)作 ： 如圖 所示，當(dāng)傳感器不通電存放后，再在空氣中通電，無(wú)論是否存在還原性氣體，傳感器通電后的最初幾秒鐘，其阻值都會(huì)（ Rs）急劇下降，然后逐漸達(dá)到一個(gè)平穩(wěn)的水平，即為傳感器的初始動(dòng)作。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)。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。 圖 典型的初始動(dòng)作 (5)溫、濕度影響： MQ 傳感器的檢測(cè)原理是基于氣體在傳感器表面的化學(xué)吸附、反應(yīng)與脫附。 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) 16 環(huán)境溫度的變化會(huì)改變化學(xué)反應(yīng)速度，從而影響傳感器的敏感特性。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。如圖 所示。精確使用MQ 傳感器時(shí)應(yīng)考慮溫、濕度的影響。 如圖 典型的溫濕度影響 (6)長(zhǎng)期穩(wěn)定性： MQ 系列傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性典型數(shù)據(jù)如圖 所示。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 。 圖