【正文】 第五章 結(jié)論與展望 1．本系統(tǒng)綜合利用傳感器技術(shù)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，和微控制器技術(shù)，開發(fā)了一套對(duì)室內(nèi)的空氣品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控的操作方便，簡(jiǎn)潔實(shí)用的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)的思路，以單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言C51編程。 1602工作流程圖 聲音報(bào)警采用的是蜂鳴器，光報(bào)警是通過6個(gè)發(fā)光二極管來(lái)顯示，3個(gè)綠色和三個(gè)紅色的，當(dāng)毒氣含量沒超標(biāo)時(shí)顯示綠色，超標(biāo)時(shí)顯示紅色并啟動(dòng)蜂鳴器，報(bào)警子程序執(zhí)行之前，設(shè)定的報(bào)警閾值存放在兩個(gè)變量中，傳感器輸入AD轉(zhuǎn)換值后，調(diào)用比較程序，小于閾值則執(zhí)行顯示程序，若大于閾值進(jìn)行聲光報(bào)警。系統(tǒng)上電LCD初始化，液晶顯示首先需要要按照時(shí)序給定顯示地址，然后傳送數(shù)據(jù)。 AD流程圖本設(shè)計(jì)所用的顯示器件為1602液晶面板，該液晶能顯示32個(gè)字符，滿足顯示要求。對(duì)氣體傳感器分段選擇多個(gè)測(cè)試點(diǎn)盡享精確測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制出傳感器的隔斷擬合曲線，為了提高數(shù)據(jù)精度，采用線性插值法。綜合考慮各方面的因素，本研究采用第一種方法：中斷查詢法。AD完成轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，AD應(yīng)用中我們可以有兩種方法來(lái)：，AD完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后會(huì)向中斷輸出端輸出一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，告訴CPU轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，CPU可以讀取數(shù)據(jù)。完成初始化后，液晶顯示各個(gè)參數(shù)為零，CPU等待傳感器傳入信號(hào)及AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，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)現(xiàn)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、送液晶進(jìn)行顯示。以下就對(duì)一些主要模塊進(jìn)行詳細(xì)的闡述。、硬件抗干擾。，C51支持浮點(diǎn)運(yùn)算，可以保證數(shù)據(jù)計(jì)算的精度。 各功能模塊功能描述功能模塊功能描述溫濕傳感器采集模塊對(duì)室內(nèi)溫濕度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)AD轉(zhuǎn)換模塊核心控制器模塊人機(jī)接口模塊無(wú)線通訊模塊、濕度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸上位機(jī)管理模塊根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的基本要求,采取了如下的措施:。基于C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫方法。C語(yǔ)言能直接與存儲(chǔ)器、接口電路打交道，也能申請(qǐng)中斷。C語(yǔ)言主要有以下特點(diǎn)：用C語(yǔ)言編制的程序效率高，占用存儲(chǔ)空間小，運(yùn)行速度快。其中匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言應(yīng)用的較多，匯編語(yǔ)言的機(jī)器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。保證系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)的精度。系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生并能及時(shí)做出處理結(jié)果。編制的軟件要求易閱讀，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充?？煽啃允擒浖O(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。）第四章 室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)硬件電路確定以后，其主要功能的實(shí)現(xiàn)將依賴于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。這一章比較具體的說(shuō)明了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的內(nèi)容，通過模塊化的設(shè)計(jì)思想，把一個(gè)復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)按照功能劃分成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的電路模型，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后在集成到一起。本章重點(diǎn)介紹了信號(hào)采集模擬電路和以主控制器為中心的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與工作原理。 本章首先介紹了便攜式室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能，該儀器以8位單片機(jī)AT89S52作為控制核心，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，完成了有毒氣體濃度信號(hào)的采集放大轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、聲光報(bào)警電路等的設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)采用集成穩(wěn)壓器7805，C2C30分別為輸入端和輸出端濾波電容，D1為續(xù)流二極管。本課題使用傳統(tǒng)的RC復(fù)位電路。RST為復(fù)位輸入引腳，可在上電或芯片工作的任何時(shí)候?qū)T89S52芯片進(jìn)行復(fù)位。顯示容量162字符芯片工作電壓～工作電流(5V)最佳工作電壓5V字符尺寸（WH）mm。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件了。其中DDD5是綠色發(fā)光二極管，分別對(duì)應(yīng)三種有毒氣體；而DDD6是紅色發(fā)光二極管，也分別對(duì)應(yīng)三種有毒氣體[23][24]。為了使本系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)測(cè)更為直觀，采用了由6個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成的聲光報(bào)警電路。ADC0809的時(shí)序接口為51系列單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)總線接口，操作方便，如同對(duì)存儲(chǔ)器或I/O操作一樣，A/D轉(zhuǎn)換精度為8比特，滿足本課題要求。CLK時(shí)鐘信號(hào)輸入端（一般為500KHz）。 氣體傳感器出來(lái)的信號(hào)是模擬信號(hào)，而微處理器AT89S52只能處理數(shù)字信號(hào)，故需要對(duì)模擬信號(hào)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為處理器能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，由于經(jīng)過放大電路出來(lái)的模擬電壓變化范圍在0~5V，故選擇性價(jià)比比較合適的ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。增益電阻選用了一個(gè)的高精度電阻，則放大倍數(shù)約為100。還可以利用參考端提供一個(gè)虛地電壓來(lái)放大雙極性信號(hào)。電阻選擇計(jì)算公式如式32所示： （32） AD623的參考端(REF)電位用來(lái)確定零輸出電壓，這當(dāng)負(fù)載與系統(tǒng)的地不共地時(shí)特別有用。AD623的增益(G)是用一個(gè)精密電阻Rg設(shè)置的，而不論引腳1和8之間的阻抗如何。由于AD623電路結(jié)構(gòu)中的三個(gè)運(yùn)放輸出擺幅都能達(dá)到任一電源限，而且其共模電壓范圍可擴(kuò)展到負(fù)電源限以下，所以提高了AD623的輸出信號(hào)范圍。AD623與傳統(tǒng)三運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器(例如AD620)的不同之處是在兩個(gè)輸入放大器之前分別加兩個(gè)PNP晶體管作為電壓緩沖器，以便向兩個(gè)輸入放大器提供共模信號(hào)，并且符合電源限輸入運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)的要求。本課題中氣體傳感器出來(lái)的信號(hào)是很微弱的小信號(hào)，采用AD623滿足放大要求。，即DIP、SOIC和小型SOIC三種形式。電源限輸出特性使低電源供電條件下，電源輸出級(jí)使其動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大。AD623單電源供電能達(dá)到最佳性能。(G=1)。C(AD623B),輸入偏置電流最大25nA。主要特點(diǎn)如下。所以選用可以單端供電的儀表放大器AD623來(lái)實(shí)現(xiàn)前端信號(hào)放大的任務(wù)[20]。 因?yàn)槎娢浑娊鈧鞲衅魉敵龅谋粶y(cè)對(duì)象的信號(hào)非常的微弱，放大容易引起電流的失調(diào)，以及零點(diǎn)漂移、自激干擾等。 SHT控制命令代碼命令代碼含義00011測(cè)量溫度00101測(cè)量濕度00111讀內(nèi)部狀態(tài)寄存器11110復(fù)位命令，使內(nèi)部狀態(tài)寄存器恢復(fù)默認(rèn)值，下一次命令前至少等11ms其他保留SHT11通過二線數(shù)字串行接口來(lái)訪問，所以硬件接口電路非常簡(jiǎn)單。通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議是不兼容的，因此需要用通用微處理器I/O口模擬該通信時(shí)序。加熱后SHT11溫度升高、相對(duì)濕度降低，較加熱前，測(cè)量值會(huì)略有差異。此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗(yàn)證兩個(gè)傳感器元件的性能。這兩個(gè)敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)首先進(jìn)入微弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大；然后進(jìn)入一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器；最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。SHT11的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理：溫濕度傳感器SHT11將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上。SHT11的引腳功能：SHT11溫濕度傳感器采用SMD(LCC)表面貼片封裝形式，接口非常簡(jiǎn)單。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。溫濕度傳感器一般是測(cè)量溫度量和相對(duì)濕度量[18]。傳感器的使用壽命與使用時(shí)的氣體濃度成反比[17]。(6)傳感器使用壽命象所有的電化學(xué)傳感器一樣,定電位電解傳感器的輸出信號(hào)隨著時(shí)間的推移也會(huì)逐漸衰降或“老化”,這一現(xiàn)象是多種因素的結(jié)合造成的。之所以說(shuō)被動(dòng),是因?yàn)闊o(wú)論過濾膜還是過濾器,經(jīng)過一段時(shí)間或長(zhǎng)時(shí)間使用后,畢竟會(huì)因?yàn)轱柡投А?5)抗干擾性由結(jié)構(gòu)和原理所決定,定電位電解傳感器是存在交叉反應(yīng)的,合理的電極電位可以使其減小到最低程度,這是主動(dòng)的方法。 (4)響應(yīng)線性度與測(cè)量重復(fù)性這兩項(xiàng)指標(biāo)與響應(yīng)時(shí)間一起是考核傳感器與儀器優(yōu)良與否的重要因素。一般傳感器指標(biāo)給出的指擴(kuò)散式的響應(yīng)時(shí)間,如60秒等。不同公司生產(chǎn)的傳感器給出的電極電位方式也不一樣，一般為mv級(jí)，通常取0mv。可見其線性度是比較好的。但不同公司生產(chǎn)的傳感器輸出信號(hào)是不同的,同一公司生產(chǎn)的不同傳感器其輸出信號(hào)也不一定相同，故要根據(jù)不同的輸出標(biāo)準(zhǔn)來(lái)分析。在使用中要對(duì)傳感器進(jìn)行考核的基本指標(biāo)有如下幾種:輸出信號(hào)、電極電位、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)線性度、測(cè)量重復(fù)性、抗干擾性、傳感器期待壽命等。本課題選用德國(guó)Drger公司生產(chǎn)的miniPac系列定電位電解式傳感器，該系列傳感器被廣泛應(yīng)用于輕便型報(bào)警器和監(jiān)測(cè)器、移動(dòng)式的監(jiān)測(cè)儀、遠(yuǎn)程控制的監(jiān)測(cè)儀，單元與多元組合式智能化的監(jiān)測(cè)器、固定式與壁掛式監(jiān)測(cè)儀及精密型智能化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等等。傳感器的輸出是一個(gè)正比于氣體濃度的線性電流差。在對(duì)電極和工作電極之間的電壓要預(yù)先調(diào)整好,并由一個(gè)外部電壓電路保持,其中參比電極作為電路的反饋控制。流出和流向工作電極的電流與被分析氣體的濃度值成正比。傳感器在氧化反應(yīng)中,電化學(xué)反應(yīng)中參加反應(yīng)的電子流出工作電極。傳感器的工作過程為:被測(cè)氣體由進(jìn)氣孔擴(kuò)散到工作電極表面,在工作電極、電解液、對(duì)電極之間進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)。定電位電解式傳感器是一種濕式電化學(xué)氣體傳感器,它通過測(cè)定氣體在某個(gè)確定電位電解時(shí)所產(chǎn)生的電流來(lái)測(cè)量氣體濃度。在有毒有害氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)中,由于定電位電解傳感器具有準(zhǔn)確快速、簡(jiǎn)潔直觀的特點(diǎn),在國(guó)外得到比較普遍的應(yīng)用，運(yùn)用定電位電解傳感器進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始普及?；诒疚牡膶?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。由于不同氣體對(duì)紅外波吸收程度不同，通過測(cè)量紅外吸收波長(zhǎng)來(lái)監(jiān)測(cè)氣體。后者因?yàn)榇呋瘎┑年P(guān)系具有廣普特性應(yīng)用更廣。(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。它介于半導(dǎo)體和電化學(xué)之間。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。不足之處是有壽命的限制一般為兩年。(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(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。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)。(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。 (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)。 8255A的PA作輸出口控制燈的亮滅，PB口做輸入接收AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，PC口做輸入循環(huán)掃描按鍵是否按下。 AT89S52單片機(jī)與其擴(kuò)展設(shè)計(jì)中采用AT89S52單片機(jī)作為本系統(tǒng)控制單元的核心部件并采用8255A用作并行接口。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。最后，AT89S52運(yùn)行速度更高，最高晶振可達(dá)到33MHZ。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。由于MCS51系列在我國(guó)使用最廣且該系列的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，特別是ATMEL公司2003年推出的新一代89S系列單片機(jī)，故本文采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)作為本系統(tǒng)控制單元的核心部件。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。 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用，從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、自動(dòng)化程度大大提高。單片機(jī)對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字處理后驅(qū)動(dòng)液晶顯示器分別顯示出被測(cè)室內(nèi)空氣中的甲醛、苯、氨的濃度值及溫濕度。本文研究的室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀是以ATMEL工公司的一款8位超低功耗單片機(jī)AT89S52為控制核心。同時(shí)設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在參數(shù)超標(biāo)時(shí)及時(shí)的報(bào)警。第三章 室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)基于AT89S52的室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀是以室內(nèi)空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)監(jiān)控為背景，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度，濕度，甲醛，苯和氨的實(shí)時(shí)采集處理、顯示、報(bào)警等功能。另外，氨也可來(lái)自室內(nèi)裝飾材料。氨是一種堿性物質(zhì)，它對(duì)接觸的皮膚組織有腐蝕和刺激作用。目前我國(guó)對(duì)苯及苯系衍生物的室內(nèi)空氣濃度尚沒有標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為苯含量低于1ppm，乙苯含量低于2ppm即可認(rèn)為其對(duì)人體無(wú)害,。人在短時(shí)間內(nèi)吸入高濃度甲苯、二甲苯時(shí)，可出現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)麻醉作用，輕者有頭暈、頭痛、惡心、意識(shí)模糊，嚴(yán)重者可致昏迷以致呼吸衰竭而死亡。目前室內(nèi)裝飾中多用甲苯、二甲苯代替純苯作各種膠、油漆、涂料和防水材料的溶劑或稀釋劑。我國(guó)于1996年頒布了《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，(2)苯(C6H6)是一種無(wú)色具有特殊芳香氣味的液體，沸點(diǎn)為80176。當(dāng)空氣中達(dá)到30 mg/m3時(shí)可當(dāng)即導(dǎo)致死亡。 mg/m3時(shí)就有異味和不適感。： 室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)指標(biāo)限度檢測(cè)指標(biāo)單位 濃度 備注溫度℃ 18～28 平均相對(duì)濕度 100% 30%～70%甲醛（HCHO） Mg/m3 苯（C6H6） Mg/m3 氨氣（NH3） Mg/m3 甲醛，苯和氨氣是室內(nèi)空氣中常見的三種毒氣： (1)甲醛(HCHO)是一種無(wú)色易溶的刺激性氣體，沸點(diǎn)190C，易揮發(fā)，所以