【正文】 品質(zhì)監(jiān)測課題的提出及意義，介紹國內(nèi)外的研究狀況及確定總體方案。(2)布置采樣點(diǎn):根據(jù)選用的傳感器的特點(diǎn)，及待測指標(biāo)的精度要求布置傳感器。第三章與第四章:室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀的各個(gè)硬件模塊的設(shè)計(jì)，介紹在室內(nèi)空氣品質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件與軟件組成。第六章:總結(jié)本文研究工作以及在研究方面存在的不足，提出了進(jìn)一步研究的展望。儀器采用鋰電池供電，具有良好的便攜性和通用性，并且使用LCD點(diǎn)陣式液晶屏顯示菜單，有良好的人機(jī)對(duì)話界面。為了節(jié)約能源現(xiàn)代建筑物的密閉性增加，新風(fēng)量不足，加上建筑的密閉性越來越好，使用的人工合成材料越來越多，使得室內(nèi)污染物不能及時(shí)排除室外，在室內(nèi)存儲(chǔ)、蓄積，造成室內(nèi)空氣惡化。所謂“兇宅”、“鬼屋”或“風(fēng)水不好”的房屋，不少是積累了大量有毒有害物質(zhì)的緣故[8]。近幾年研究表明，IAQ還包含其它因素，如空氣溫度、濕度、及氣流速度等，同時(shí)注意到IAQ是一個(gè)變量，涉及到設(shè)計(jì)、施工、和運(yùn)行管理等多專業(yè)、多學(xué)科。: 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 ：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(dòng)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。(4)污染物種類多。(1)對(duì)“室內(nèi)空氣品質(zhì)問題”的認(rèn)識(shí)與評(píng)價(jià)方法、對(duì)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。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。(1)化學(xué)分析方法主要采用空氣取樣，通過一定的化學(xué)反應(yīng)方法，測定待測的污染物濃度。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。Sundell教授對(duì)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(xiǎn)就越小。(2)合理使用空調(diào)包括三方面的內(nèi)容:一是合理控制室內(nèi)的溫度濕度。冬天,空氣較干燥,最好能配備加濕設(shè)備,使空氣保持濕潤。三是對(duì)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(shí)清除過濾器上的臟物。去濕機(jī)、加濕機(jī)能保持室內(nèi)適當(dāng)?shù)臐穸?。?fù)離子對(duì)人體的健康有益。更何況某些附加功能隨著時(shí)間的推移,效果會(huì)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。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，盡量不要過度裝修。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)[11]。此外，室內(nèi)空氣品質(zhì)是一個(gè)綜合性的指標(biāo)，要考慮多方面的因子，借鑒目前國內(nèi)外常用的IAQ監(jiān)測指標(biāo)，本課題的監(jiān)測指標(biāo)訂為溫度，濕度，甲醛，苯，氨氣五個(gè)參量。甲醛具有強(qiáng)烈刺激性氣味，其毒性主要表現(xiàn)在神經(jīng)系統(tǒng)及呼吸系統(tǒng)癥狀。濃度再高可引起惡心、嘔吐、咳嗽、胸悶、氣喘甚至肺氣腫。甲醛是室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物中最主要污染源，其廣泛存在于室內(nèi)裝修材料如壁紙、地板、油漆、膠水等。C。苯具有易揮發(fā)、易燃、蒸氣有爆炸性的特點(diǎn)。苯及其同系衍生物主要來自各種建筑材料，油漆、膠和防水涂料。(3)氨(NH3)是一種無色而具有強(qiáng)烈刺激性臭味的氣體，比空氣輕()。室內(nèi)空氣中的氨主要來自建筑施工中使用的混凝土添加劑，這些含大量氨類物質(zhì)的添加劑在墻體中隨著溫度等環(huán)境因素的變化而還原成氨氣，從墻體中緩慢釋放出來。目前主要使用國家衛(wèi)生部門1995年制定的公共場所衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中的《理發(fā)店、美容店衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，因?yàn)槔戆l(fā)店操作中經(jīng)常使用氨水，[12]。儀器采用鋰電池供電，具有良好的便攜性和通用性，并且使用LCD點(diǎn)陣式液晶屏顯示菜單，有良好的人機(jī)對(duì)話界面。室內(nèi)智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀體積小，功耗低，操作簡單，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。室內(nèi)空氣中有害氣體甲醛、苯、氨分別通過傳感器組中的傳感器傳感器傳感器3輸出一個(gè)與甲醛、苯、氨濃度相對(duì)應(yīng)的電流信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過放大濾波后通過多路轉(zhuǎn)換器分時(shí)間段進(jìn)行采樣保持,最后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路按一定得采樣頻率將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以便進(jìn)行顯示處理，溫濕傳感器直接與單片機(jī)相連。若被測室內(nèi)空氣中甲醛、苯、氨的濃度某種有超過國家標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)定的危險(xiǎn)值時(shí)報(bào)警電路對(duì)應(yīng)的發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。根據(jù)上述幾方面及本課題的實(shí)際情況，單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮:一是要有較強(qiáng)的抗干擾能力。二是要有較高的性價(jià)比。AT89S52單片機(jī)是AT89S系列單片機(jī)中的一種，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。 AT89S52芯片AT89S52單片機(jī)有以下特點(diǎn)：兼容MCS51微控制器；8K字節(jié)FLASH存貯器支持在系統(tǒng)編程ISP1000次擦寫周期；256字節(jié)片內(nèi)RAM；；全靜態(tài)時(shí)鐘0Hz到33MHz；三級(jí)程序加密；32個(gè)可編程I/O口；3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；8個(gè)中斷源；完全的雙工UART串行口；低功耗支持Idle和Powerdown模式；Powerdown模式支持中斷喚醒；看門狗定時(shí)器；雙數(shù)據(jù)指針；上電復(fù)位標(biāo)志此外，AT89S52和AT89C系列單片機(jī)相比新增加了許多功能，這將使單片機(jī)在工作過程中具備更高的穩(wěn)定性和電磁抗干擾性。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。正因?yàn)锳T89S52單片機(jī)增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免因外部芯片擴(kuò)展過多或傳感器輸入信號(hào)過多而引起的信號(hào)失真、電磁干擾等現(xiàn)象的發(fā)生。而且，從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，AT89S52不但硬件結(jié)構(gòu)簡單，而且價(jià)格低、功能好、性價(jià)比高，符合我國工業(yè)設(shè)計(jì)制造的要求[13][14]。其中89S52的P0口做擴(kuò)展用，P1口做通道選擇，P2口控制LCD1602顯示。 8255A與AT89S52的硬件連接圖 1．氣體傳感器基礎(chǔ)知識(shí)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。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。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。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。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。(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。(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。選擇性，靈敏度高于半導(dǎo)體而壽命又長于電化學(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。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。(7)光學(xué)式氣體傳感器光學(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。目前因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)關(guān)系一般造價(jià)頗高[15]。傳感器元件是準(zhǔn)確監(jiān)測甲醛、苯、氨氣氣體濃度的關(guān)鍵。定電位電解氣體傳感器通常是由浸沒在液體電解液中的三個(gè)電極構(gòu)成,。傳感器共有三個(gè)電極(對(duì)電極、參比電極、工作電極),浸在液體電解液中,整體密封在一個(gè)防化學(xué)腐蝕的塑料殼體中,目標(biāo)氣體通過工作電極鄰近的一個(gè)氣體可滲透薄膜向傳感器內(nèi)部擴(kuò)散。其反應(yīng)的性質(zhì)依據(jù)工作電極的熱力學(xué)電位和被分析氣體的電化學(xué)性質(zhì)而定。在還原反應(yīng)中,電化學(xué)反應(yīng)中參加反應(yīng)的電子流向工作電極。對(duì)電極材料的選擇原則是:該材料應(yīng)對(duì)目標(biāo)氣體具有最優(yōu)敏感性,而交叉敏感度則應(yīng)降至最低。相對(duì)于選擇性而言,由于每一種目標(biāo)氣體都有其各自獨(dú)特的電解電壓,因而傳感器的響應(yīng)可以得到進(jìn)一步優(yōu)化。最后與前置放大器匹配使用轉(zhuǎn)換為模數(shù)轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)[16]。定電位電解式傳感器基本性能：定電位電解傳感器的基本性能,亦即傳感器的基本考核指標(biāo),它顯示了傳感器的質(zhì)量和性能,但其大多數(shù)性能指標(biāo)要與前置放大器經(jīng)過較好的匹配才能體現(xiàn)出來。(1)輸出信號(hào)定電位電解傳感器的輸出信號(hào)指標(biāo)非常重要,它不僅為前置放大器的設(shè)計(jì)提供了基本參數(shù),而且為今后核實(shí)傳感器的使用壽命提供了標(biāo)準(zhǔn)。傳感器的輸出信號(hào)隨使用時(shí)間的增加而降低,一般來說當(dāng)其輸出信號(hào)降至標(biāo)稱值的50%時(shí),這支傳感器就不能再使用了。(2)電極電位定電位電解傳感器的電極電位決定了傳感器分析被分析氣體的種類、傳感器對(duì)各種氣體交叉反應(yīng)的大小以及傳感器抗交叉反應(yīng)的能力。 (3)響應(yīng)時(shí)間該指標(biāo)是指從傳感器接受到被分析氣體起計(jì)到達(dá)到響應(yīng)值的90%,亦即t90所需的時(shí)間。經(jīng)過良好的氣路、電路設(shè)計(jì),該指標(biāo)可以達(dá)到20秒左右。在與穩(wěn)定的流量、無吸附特性的氣路、設(shè)計(jì)合理的前置放大器達(dá)到最佳匹配后,響應(yīng)時(shí)間、線性度和測量重復(fù)性都等達(dá)到很好的效果。另外,不同公司在生產(chǎn)的傳感器上安裝了過濾膜,或針對(duì)不同的傳感器設(shè)計(jì)了不同的過濾器,這是被動(dòng)的方法。當(dāng)然最主動(dòng)的方法是利用傳感器矩陣或計(jì)算機(jī)軟件來減小交叉反應(yīng),提高抗干擾性。一般生產(chǎn)廠家給出的指標(biāo)是2年,這是一個(gè)比較保守的指標(biāo)。溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測量處理的電信號(hào)的設(shè)備或裝置。本課題選用瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片SHT11。SHT11具有以下特點(diǎn)：，將溫度感測、濕度感測、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；，接口簡單，支持CRC傳輸校驗(yàn)．傳輸可靠性高；，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器(分辨率為8～12位，可以通過對(duì)芯片內(nèi)部寄存器編程來選擇)；，由于同時(shí)集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能；(7．62 mm5．08 mm2．5 mm)，測量和通信結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式；，采用CMOSens工藝，測量時(shí)可將感測頭完全浸于水中[19]。 SHT11管腳圖引腳的功能如下：腳1和4：信號(hào)地和電源，～ V；腳2和3：二線串行數(shù)字接口，DATA數(shù)據(jù)線，SCK為時(shí)鐘線；腳5～8：未連接。該芯片包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件。SHT11在出廠前，都會(huì)在恒濕或恒溫環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在校準(zhǔn)寄存器中；在測量過程中，校準(zhǔn)系數(shù)會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)來自傳感器的信號(hào)，此外，SHT11內(nèi)部還集成了一個(gè)加熱元件，加熱元件接通后可以將SHT11的溫度升高5℃左右，同時(shí)功耗也會(huì)有所增加。在高濕(95％RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時(shí)縮短響應(yīng)時(shí)間，提高精度。 SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖微處理器是通過二線串行數(shù)字接口與SHT11進(jìn)行通信的。微處理器對(duì)SHT11的控制是通過5個(gè)5位命令代碼來實(shí)現(xiàn)的。需要注意的地方是：DATA數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻，時(shí)鐘線SCK用于微處理器和SHT11之間通信同步，由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以對(duì)SCK最低頻率沒有要求；，SCK頻率最高為10 MHz， V時(shí)，SCK最高頻率則為1 MHz。氣體傳感器的輸出信號(hào)范圍為0~5μA，考慮到所測信號(hào)的變化速度比較慢，一般為10~20秒左右。AD623儀表放大器是美國模擬器件公司(Analog Devices Inc,簡稱ADI)推出的一種低價(jià)格、單電源、輸出擺幅能達(dá)到電源電壓(通常稱之為電源限輸出，即RailToRail Output)的最新儀表放大器。(G),最高增益可以達(dá)到1000，從而給用戶帶來極大的方便。%(G=1),增益漂移25ppm(G=1),輸入失調(diào)電壓最大100μV(AD623B)，輸入失調(diào)電壓漂移1μV/176。(它隨增益增加而增加)，使誤差最小。，可以放大比地電位低150mV的共模電壓。(電源電流最大574μA)、寬電源范圍和電源限輸出特性非常適合電池供電應(yīng)用場合。，具有優(yōu)良的線性度、溫度穩(wěn)定性和小體積可靠性。AD623主要用于低功耗醫(yī)用儀表放大器、傳感器接口、熱電偶放大器、工業(yè)過程控制、低功耗數(shù)采系統(tǒng)及差動(dòng)放大器。 AD623引腳排列圖 AD623簡化原理示意圖AD623是在傳統(tǒng)的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種新型儀表放大器。輸入放大器用來將差動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換成單端電壓，它還對(duì)前面兩個(gè)輸入放大器輸出的共模信號(hào)起到抑制作用。AD623的輸出電壓計(jì)算公式如式31所示： （31） AD623中的三個(gè)運(yùn)放都是電壓反饋型運(yùn)放(VFA)，所以當(dāng)增益增加時(shí)，AD623的帶寬減小。應(yīng)該注意，如果需要設(shè)置G=1, Rg不必連接。它提供一種對(duì)輸出引入精密補(bǔ)償?shù)闹苯臃椒ā⒖级嗽试S的電壓變化范圍為如果AD623相對(duì)地輸出，則參考端應(yīng)接地[21]。在AD623的正向輸入端加了一個(gè)高質(zhì)量的濾波電容。由放大電路出來的信號(hào)約為0~5V，滿足A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的0~5V的輸入要求[22]。 ADC0809管腳示意圖： ADC0809各腳功能引腳功能介紹D7D0IN0IN78位數(shù)字量輸出引腳