【正文】 (5)應(yīng)用： 適用于家庭或工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等監(jiān)測裝置。靈敏度隨加熱電壓的變化如圖 所示。通常情況下， MQ傳感器表現(xiàn)出穩(wěn)定的經(jīng)時特性，適用于免維護(hù)應(yīng)用的場合 。精確使用MQ 傳感器時應(yīng)考慮溫、濕度的影響。此外，水蒸氣會吸附在傳感器表面，濕度將會引起 Rs 的降低。 圖 典型的初始動作 (5)溫、濕度影響： MQ 傳感器的檢測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。初始動作時間的長短取決于傳感器儲存期間的氣氛條件、儲存時間長短，并因傳感器型號而異，也與通電后傳感器周圍的氛圍有關(guān)。傳感器的響應(yīng)速度和恢復(fù)速度與傳感器型號、材料種類及所測氣 體的種類相關(guān)。 (3)傳感器響應(yīng)特性： 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 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)過很短的時間即恢復(fù)到它的初始值。傳感器對多種還原氣體具有敏感性，對指定氣體的相對靈敏度， 取決于敏感材料的構(gòu)成及其工作溫度。 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數(shù)線性關(guān)系。導(dǎo)致傳感器的阻值 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 13 減小 [13]。由氧吸附產(chǎn)生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動，傳感器的電阻即緣于這種勢壘。金屬氧化物半導(dǎo)體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負(fù)電荷的半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體表面的電子會被轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負(fù)離子，同時在半導(dǎo)體表面形成一個正的空間電荷層，導(dǎo)致表面勢壘升高，從而阻礙電子流動（見圖 ）。 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MQ 系列傳感器進(jìn)行介紹。目標(biāo)氣體穿過探頭內(nèi)的 傳感器，產(chǎn)生一個正比于氣體體積分?jǐn)?shù)的信號。目前，氣體的采樣方式主要有兩種 :通過簡單擴(kuò)散法，或是將氣體吸入檢測器。 (7)光學(xué)式氣體傳感器 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 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；由于不同氣體對紅外波吸收程度不同，通過測量紅外吸收波長來監(jiān)測氣體；目前因為它的結(jié)構(gòu)關(guān)系一般造價頗高；基于本文的實時要求和性價比等方面的原因，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]。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已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是又因為它的選擇性差和穩(wěn)定性不理想目前還只是在民用級別使用；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。不足之處是必須在高溫下工作、對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。 傳感器的選用 氣體傳感器 氣體傳感器基礎(chǔ)知識： 按照氣敏特性來分，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。通過 鍵盤可實現(xiàn)設(shè)定室內(nèi)甲烷、 CO 的報警值、顯示相應(yīng)參數(shù)等操作。設(shè)有人工自動復(fù)位和自動上電復(fù)位以及硬件看門狗電路。 表 主要化學(xué)污染物來源、危害及標(biāo)準(zhǔn) 主要來源 對人體的主要影響 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 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)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 10 第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計 總體設(shè)計方案 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)選用價格便宜的 AT89S52，具有對 CO 濃度、甲烷濃度測量與報警功能 。 (3)放射性污染 室內(nèi)環(huán)境中放射性污染主要評價指標(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)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 9 織確認(rèn)的主要環(huán)境致癌物之一，其誘發(fā)肺癌發(fā)病率危險系數(shù)僅次于香煙；氡氣無色無味，是不可揮發(fā)的放射性惰性氣體，室內(nèi)氡的來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；氡的危害是長期累積的，且不易察覺，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。 (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、相對濕度、空氣流速以及新風(fēng)量等指 標(biāo)，它們對人體的熱濕平衡調(diào)節(jié)起著重要作用，對人體的健康和舒適性影響極大。 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 月正式開始實施。 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 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、高效過濾等功能 ,對改善室內(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間的推移 ,效果會越來越差 ,有的甚至不起作用，因此，開窗通風(fēng)換氣還是改善室內(nèi)空氣品的重要手段。冬天 ,空氣較干燥 ,最好能配備加濕設(shè)備 ,使空氣保持濕潤；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；三是對過濾器要經(jīng)常進(jìn)行清洗 ,既可保證盤管的風(fēng)量 ,又能及時清除過濾器上的臟物。 Sundell教授對瑞典 160幢建筑進(jìn)行研究 ,發(fā)現(xiàn)新風(fēng)量越大 ,發(fā)生建筑病綜合癥的風(fēng)險就越??；即使在較寒冷的冬季 ,也最好能開一些窗戶 ,使室外的新鮮空氣能進(jìn)入室內(nèi)。 (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 。 含有甲醛成分并有可能向外界散發(fā)的各類裝飾材料，如壁紙、地毯、油 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 7 漆。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源。 (2)甲醛的來源 室內(nèi)裝修所用的合成板材，如膠合板、細(xì)木工板、高密度板、刨花板。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。 甲醛的認(rèn)識 (1)甲醛的特性及危害 甲醛是一種無色，有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體。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。 室內(nèi)空氣品質(zhì)的幾點(diǎn)認(rèn)識 (1)對“室內(nèi)空氣品質(zhì)問題”的認(rèn)識與評價方法、對策措施、解決途徑與以往的“室內(nèi)污染” 完全不同，如果不跳出“室內(nèi)污染”的老框框，難以使室內(nèi)空氣品質(zhì)問題有新進(jìn)展。(4)污染物種類多 。 室內(nèi)污染物種類及來源分析 室內(nèi)的污染源大致有五類如表 所示 : 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 5 表 室內(nèi)五大污染源 種類 舉例 顆粒物 可吸入顆粒物 化學(xué)污染物 甲醛、苯、甲苯、氨氣、二氧化硫等 生物污染物 生物過敏源（貓狗等）、細(xì)菌和病毒 放射性污染 氡氣及其衰變子體、地板等釋放的γ射線 物理污染 噪音、照明不足或過亮、溫濕度過高或過低所引起的相關(guān)問題 室內(nèi)污染物的來源主要有如表 所示的四種來源： 表 室內(nèi)污染物主要來源 來源 舉例 建筑材料 形成石棉、氡、氨等污染物 裝飾材料 產(chǎn) 生化學(xué)類污染物 人的活動 殺蟲劑，清新劑，吸煙，飼養(yǎng)寵物等 室外污染物 汽車尾氣，工廠廢氣，煙霧等 雖然影響 IAQ的原因多，但絕大多數(shù)由室內(nèi)環(huán)境自身原因造成的，隨室內(nèi)容積、通風(fēng)量、自然清除等而不同。準(zhǔn)確測定甲醛、苯、氨等有害氣體的設(shè)備昂貴 (如英國 PPM 公司生產(chǎn)的PPM400 甲醛儀約兩萬多元 )，測定時間較長，每隔一段時間就需進(jìn)行重新標(biāo)定，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，很難連續(xù)測定 [6]；目前國內(nèi)外產(chǎn)品的設(shè)計差異主要集中在監(jiān)測傳感器和控制單片機(jī)芯片的選用，操作方面國外的產(chǎn)品操作界面方便，功能加完備。國內(nèi)的有 :江蘇安普電子工程有限公司生產(chǎn)的 400 型甲醛分析儀、北京賓達(dá)綠創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的甲醛測定儀抑一 308 等。 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 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 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頻率發(fā)生漂移，所以基本無實用性；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]。 室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)的設(shè)計意義 目前由于建筑材料品質(zhì)不一、劣質(zhì)燃料、抽煙、通風(fēng)不良等原因，室內(nèi)的空氣狀況往往不如室外，雖然大量的空調(diào)系統(tǒng)被應(yīng)用到室內(nèi)空間，但往往為了節(jié)能，減少自然通風(fēng)了而利用回風(fēng)，使 IAQ 進(jìn)一步惡化，同時出現(xiàn)的舒適性空調(diào)僅著眼于熱舒適，忽視了空氣凈化，從而給人們的健康帶來了一些負(fù)面 影響[4]?，F(xiàn)市場也有很多對室內(nèi)環(huán)境的檢測儀器 , 但存在有體積大、價格貴、功能少、操作不方便等原因；根據(jù)市場調(diào)查，非常需要一款家居用室內(nèi)安全、溫濕度和室內(nèi)甲醛的方便實用檢測系統(tǒng)。 同時，室內(nèi)空氣質(zhì)量的管理機(jī)構(gòu)也開始在發(fā)達(dá)國 家和地區(qū)形成，如美國環(huán)保局于 1988 年在其空氣與輻射司下設(shè)立室內(nèi)空氣質(zhì)量 (IAQ)程序辦公室， 1995 基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 第 頁 共 55 頁 2 年又與較早設(shè)立的氡分部合并成立了室內(nèi)環(huán)境處，并附設(shè)了兩個與室內(nèi)環(huán)境相關(guān)的國家實驗室，在相關(guān)部門設(shè)立了室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)管、執(zhí)法機(jī)構(gòu)；如今，美國的學(xué)校里都設(shè)有室內(nèi)環(huán)境協(xié)調(diào)員，管理和督導(dǎo)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測和控制；法國政府也于 1999年底成立了國家室內(nèi)空氣監(jiān)測站，并從 20xx年開始，每年在全國選擇 1000 個監(jiān)測點(diǎn)