室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)

1、研究生課程考試成績單（試卷封面）院系專業(yè)學(xué)生姓名學(xué)號課程名稱嵌入式Linux系統(tǒng)及應(yīng)用課程編號授課時間周學(xué)時學(xué)分簡 要 評 語總評成績 （含平時成績）備注任課教師簽名：日期：注：1.以論文或大作業(yè)為考核方式的課程必須填此表，綜合考試可不填。簡要評語缺填無效。2. 任課教師填寫后與試卷一起送院系研究生教務(wù)員處。3. 學(xué)位課總評成績以百分制計分。摘要目前，人們大約90%的時間在室內(nèi)環(huán)境度過；因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞，直接 關(guān)系到人體健康。但是，現(xiàn)在室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備價格昂貴、測量種類單一、不具 有無線傳輸功能。本課題針對室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)在最為熱門的嵌 入式Linux系統(tǒng)和ARM

2、處理器，設(shè)計了一種集監(jiān)測有害氣體和可燃性氣體為一體的 基于嵌入式Linux的室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)。本文以室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)為對象，首先介紹了室內(nèi)空氣質(zhì)量的現(xiàn)狀及存在的問題； 其次論述了嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)、處理器以及本監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計方案；最后重 點(diǎn)介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。硬件設(shè)計方面，選用三星公司的32位的S3C2440A微處理芯片作為監(jiān)測系統(tǒng)的硬件核心；軟件設(shè)計方面，采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺。在室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分，首先實(shí)現(xiàn)了 LCD、PCF8591、SHT71以及 nRF24L01等硬件模塊的Linux驅(qū)動程序設(shè)計；其次，設(shè)計了 Linux應(yīng)用程序

3、實(shí)現(xiàn)對驅(qū) 動程序的測試和驗(yàn)證；最后，設(shè)計了基于 Qtopia的監(jiān)測系統(tǒng)操作界面。在本監(jiān)測系統(tǒng)中采用嵌入式 Linux系統(tǒng)，方便用戶對系統(tǒng)的升級、移植和裁剪， 而且Linux系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性和可靠性。監(jiān)測系統(tǒng)采用觸摸屏技術(shù)，減少了按鍵方面 的設(shè)計，使監(jiān)測系統(tǒng)更加便攜。監(jiān)測系統(tǒng)具有無線傳輸?shù)墓δ?，方便用戶在遠(yuǎn)離惡劣 環(huán)境的情況下進(jìn)行室內(nèi)空氣質(zhì)量的測試；同時解決了用戶對室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行多點(diǎn)測 試時布線困難的問題。關(guān)鍵詞:嵌入式； S3C2440A； Linux系統(tǒng)； 氣體監(jiān)測目錄摘要2目錄31緒論51.1研究背景與意義 51.2國內(nèi)外研究狀況與發(fā)展方向 61.2.1國內(nèi)外研究狀況 61.2.2發(fā)展方

4、向62嵌入式系統(tǒng)介紹與整體方案設(shè)計 72.1嵌入式系統(tǒng)介紹 72.2常見嵌入式操作系統(tǒng)簡介 82.2.1 VXWORKS 系統(tǒng)簡介 92.2.2WINCE系統(tǒng)簡介 92.2.3嵌入式LINUX系統(tǒng)簡介 102.3嵌入式ARM 微處理器簡介 112.4監(jiān)測系統(tǒng)的整體方案設(shè)計 123室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 143.1主控芯片 S3C2440A模塊設(shè)計 143.2觸摸屏及LCD模塊設(shè)計 153.3氣體采集模塊設(shè)計 183.3.1 MQ-138氣體傳感器 183.3.2 TGS2611 傳感器193.3.3 PCF8591A/D 轉(zhuǎn)換芯片203.4溫濕度采集模塊設(shè)計 213.5無線傳輸模塊設(shè)計

5、 223.6報警模塊設(shè)計 234室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計 254.1監(jiān)測系統(tǒng)的驅(qū)動程序設(shè)計 254.1.1 GPIO驅(qū)動程序設(shè)計 254.1.2氣體采集模塊驅(qū)動程序設(shè)計 284.1.3溫濕度采集模塊驅(qū)動設(shè)計 304.1.4無線傳輸模塊的驅(qū)動程序設(shè)計 324.1.5觸摸屏及LCD模塊驅(qū)動程序設(shè)計 354.2監(jiān)測系統(tǒng)的Linux應(yīng)用程序設(shè)計 374.3監(jiān)測系統(tǒng)的 Qtopia用戶界面程序設(shè)計 394.3.1 Qtopia簡介與 Qtopia開發(fā)平臺的搭建 394.3.2監(jiān)測系統(tǒng)的開機(jī)界面設(shè)計 414.3.3監(jiān)測系統(tǒng)的主界面設(shè)計 425室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)的測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 475.1監(jiān)測系統(tǒng)的測試

6、結(jié)果 475.1.1傳感器 MQ-138和TGS2611的測試結(jié)果 475.1.2溫濕度傳感器 SHT71的測試結(jié)果 495.1.1無線傳輸模塊 NRF24L01的測試結(jié)果 495. 2監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析 506總結(jié)與展望516.1總結(jié)516.2展望511緒論1.1研究背景與意義近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，室內(nèi)裝修已成為人們改善生活條件、提 高生活質(zhì)量的重要組成部分，而由于裝修引發(fā)的室內(nèi)空氣污染問題也相繼產(chǎn)生，并日 益受到人們的關(guān)注和重視。除此之外，我們大部分時間都是生活在室內(nèi)環(huán)境，如辦公 室、學(xué)校以及家庭；因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到人體健康。大量研究表 明，室內(nèi)空氣中已經(jīng)監(jiān)

7、測到的有毒有害物質(zhì)達(dá)數(shù)百種，常見的也有十多種，其中絕大 部分為有機(jī)物。加拿大環(huán)境衛(wèi)生組織的研究發(fā)現(xiàn)，人類約70%的疾病是由于室內(nèi)環(huán)境的空氣污染造成的。目前我國每年由于室內(nèi)空氣污染引起的死亡人數(shù)已經(jīng)達(dá)到100多萬人，由此所造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)200多億美元。目前，世界衛(wèi)生組織已經(jīng)把室內(nèi)的空氣污染列為影響人類健康的十大威脅之一，全球每年因此而導(dǎo)致死亡的 人數(shù)達(dá)1000多萬人。因此對室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)的研究具有重大的實(shí)際意義。2003年3月1日正式實(shí)施的 室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”中是我國第一步關(guān)于室內(nèi)的空氣 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)把室內(nèi)的化學(xué)污染、物理污染和生物污染列為室內(nèi)空氣中的三項(xiàng)主 要控制指標(biāo)。該標(biāo)

8、準(zhǔn)的實(shí)施一方面說明了室內(nèi)空氣污染對人類健康的重要影響，另一 方面也說明了國家對室內(nèi)空氣污染問題的極度重視。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測委員會于2004年從北京地區(qū)抽取一千戶新裝修家庭進(jìn)行室內(nèi)空氣的監(jiān)測，其抽檢結(jié)果顯示甲醛超標(biāo)的占 60%;另外，深圳市的計量質(zhì)量檢測研究院也于 2004年1-7月份，對全市的500多套 房子進(jìn)行了室內(nèi)空氣的監(jiān)測，其結(jié)果表明 90%的房子的甲醛濃度超標(biāo)。上述數(shù)據(jù)和行 動充分說明室內(nèi)空氣的污染開始引起人們的普遍關(guān)注和重視；同時也需要采取相關(guān)措 施來監(jiān)測和減少室內(nèi)空氣的污染，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，為人們提供一個健康的生活環(huán) 境。由以上的論述可以得出，室內(nèi)空氣污染問題已經(jīng)引起全球的廣泛關(guān)注，

9、也給用于 室內(nèi)空氣的監(jiān)測、監(jiān)控的儀器儀表帶來了巨大市場。因此對室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)的研究 具有非常重要的意義。1.2國內(nèi)外研究狀況與發(fā)展方向1.2.1國內(nèi)外研究狀況根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)資源，針對室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測設(shè)備的現(xiàn)狀如下：在檢測甲醛等有害氣體方面，國外比較出名的公司及產(chǎn)品為：美國ESC公司的ES300手持式甲醛檢測儀、英國的 PPM400ST甲醛檢測儀等。國內(nèi)比較出名的公司及 產(chǎn)品為：深圳市吉順安科技有限公司的JSAB-CH20便攜式甲醛測試儀、中國江蘇的興 科儀器XK系列甲醛測試儀、南京鼎頂電子科技有限公司的DDJT-100家用甲醛檢測儀等。在檢測可燃性氣體方面，國外比較出名的公司及產(chǎn)品為

10、：加拿大的MC2-W可燃性氣體檢測儀可燃?xì)怏w檢測儀、美國的霍尼韋爾 X4-FL可燃性氣體檢測器等。國內(nèi)比 較出名的公司及產(chǎn)品為：鄭州迪凱科技有限公司的 GA-10系列可燃性氣體報警器、南 京波騰科技工程有限公司GD-2000W可燃?xì)怏w檢測報警儀等。雖然國內(nèi)外生產(chǎn)室內(nèi)空氣監(jiān)測設(shè)備的公司以及相關(guān)的產(chǎn)品已經(jīng)很多，但是上面的 相關(guān)設(shè)備也存在如下的一些不足之處：（1） 上述儀器設(shè)備昂貴，如TSI公司生產(chǎn)的PPM400TM的價格約為一萬多元人民 幣。另外，儀器測定時間較長，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。一種儀器只能采集一種氣體，如果需要采集室內(nèi)空氣的多個空 氣參數(shù)，需

11、要利用多種儀器進(jìn)行采集，這種做法增加了室內(nèi)空氣監(jiān)測的費(fèi)用；由于儀 器自身的誤差，這種做法還有可能導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果的誤差增大。（2） 上述儀器的操作均是基于按鍵進(jìn)行操作，比如，實(shí)現(xiàn)LCD背光亮度的調(diào)節(jié)、 儀器自身的調(diào)零、校準(zhǔn)等。使用按鍵增加了儀器面板的面積和面板的制作難度，從而 增加了儀器的結(jié)構(gòu)成本；使用按鍵也增加了儀器的硬件成本和組裝整個儀器的難度， 從而增加了儀器的成本，不利于監(jiān)測設(shè)備向著便攜式方面的發(fā)展。（3）上述儀器不具有無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽槐阌谌藗冊谶h(yuǎn)離惡劣環(huán)境的情況下 進(jìn)行室內(nèi)空氣的監(jiān)測等。1.2.2發(fā)展方向隨著微電子技術(shù)和集成電路的發(fā)展，以及嵌入式處理器和嵌入式系統(tǒng)逐步普及的 趨勢，

12、使得室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)開始向著智能化、小型化、便攜性等的方向發(fā)展。使其 具有如下的特點(diǎn)：（1）具有智能處理數(shù)據(jù)的功能，智能儀器由于應(yīng)用了嵌入式微處理器，不僅能進(jìn) 行氣體濃度的測量，而且還具有對該測量結(jié)果進(jìn)行諸如調(diào)零、中值濾波等比較復(fù)雜的 處理功能。（2）具有友好人機(jī)交互的功能，智能儀器使用觸摸屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的按鍵，操 作人員可以根據(jù)需要通過觸摸屏輸入相關(guān)命令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)某種特定的測量功能，同時 也減小了智能儀器所占的空間，便于實(shí)現(xiàn)儀器的便攜式發(fā)展。（3）具有在線可編程的功能，智能監(jiān)測儀器一般都配有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，如USB,UART，RS485等?？梢耘c臺式機(jī)或其他的監(jiān)測設(shè)備一起組成用戶所需要的測量

13、測試系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。（4）具有用戶可擴(kuò)展的功能，智能儀器一般采用微處理器作為主控制器，其內(nèi)部 集成較多的功能，方便用戶在智能儀器的使用過程中，根據(jù)自己的需求對智能儀器相 關(guān)功能的進(jìn)行擴(kuò)展。（5）規(guī)范化、通用性、可靠性和安全性設(shè)計也必將成為未來室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)追 逐的目標(biāo)。2嵌入式系統(tǒng)介紹與整體方案設(shè)計2.1嵌入式系統(tǒng)介紹所謂嵌入式系統(tǒng)是指以實(shí)際應(yīng)用為中心，以嵌入式計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件 均可剪裁的專用計算機(jī)系統(tǒng)。從 20世紀(jì)70年代單片機(jī)的出現(xiàn)到今天，嵌入式系統(tǒng)已 經(jīng)有了近40年的發(fā)展歷史，并且在各個領(lǐng)域都已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。如平常所廣泛使用的手機(jī)、IPAD、網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒等都屬

14、于嵌入式設(shè)備。隨著信息數(shù)字化時代的到來，嵌 入式系統(tǒng)進(jìn)入了一個快速發(fā)展的時期。應(yīng)用軟件C1嵌入式操作系統(tǒng)Af硬件設(shè)備嵌入式處理器外圍設(shè)備圖2.1嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖嵌入式系統(tǒng)作為一類比較特殊的計算機(jī)系統(tǒng)，它一般包括如下的四個方面：嵌入式處理器、外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，其關(guān)系如圖2-1所示。首先，嵌入式處理器和外圍設(shè)備兩個部分共同組成了嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)備部分。其中，嵌入 式處理器是整個嵌入式系統(tǒng)的核心部分；外圍設(shè)備是整個嵌入式系統(tǒng)中輔助嵌入式處 理器完成LCD顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能的其他部件。其次，嵌入式操作系統(tǒng)不僅具有操 作系統(tǒng)一般功能；同時在操作系統(tǒng)的實(shí)時性、應(yīng)用專用性等方面具有非常

15、突出的特點(diǎn)。 最后，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是針對某一特定的應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一特定的硬件設(shè)備 平臺，用來實(shí)現(xiàn)用戶的預(yù)期目標(biāo)的計算機(jī)軟件。嵌入式系統(tǒng)擁有廣闊的發(fā)展前景，嵌入式處理器的自主設(shè)計已經(jīng)成為未來嵌入式 領(lǐng)域的一大趨勢。綜上所述，嵌入式系統(tǒng)是一個具有強(qiáng)大生命力的系統(tǒng)。2.2常見嵌入式操作系統(tǒng)簡介隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，其程序的編寫和設(shè)計也逐漸變的復(fù)雜，因此需要一 個嵌入式操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的程序進(jìn)行控制和管理。嵌入式操作系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。而常見的嵌入式操作系統(tǒng)如下：2.2.1 vxWorks系統(tǒng)簡介vxWorks是一種嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，是本世紀(jì)八十年代由美國的Wind River公司推

16、出的一種為實(shí)時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的 32位操作系統(tǒng)。并且于1996年被引進(jìn)中國。 vxWorks具有可靠性、實(shí)時性、裁剪性的突出特點(diǎn)，以及友好的用戶開發(fā)界面使其在 嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域特別是軍事、航空航天和通信等高精尖技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)了巨大的份 額。在vxWorks實(shí)時操作系統(tǒng)中，用戶可根據(jù)項(xiàng)目需要選擇相關(guān)模塊來裁剪和配置系 統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。其次，vxWorks獨(dú)特的中斷機(jī)制大大提高了操作系統(tǒng)的實(shí)時性，vxWorks采用中斷處理與普通任務(wù)分別在不同的棧中處理的中斷處理 機(jī)制。另外，vxWorks支持多任務(wù)多優(yōu)先級，以及優(yōu)先級搶占式調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào) 度等調(diào)度算法。最后，vxWorks提供

17、了非常豐富的AP工接口，使應(yīng)用程序編寫簡單， 直觀。然而vxWorks操作系統(tǒng)也存在著許多不足，具體表現(xiàn)在 vxWorks操作系統(tǒng)沒有分 開內(nèi)核空間和用戶空間，設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序都運(yùn)行于同一空間，這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn) 定性大打折扣。另外，vxWorks操作系統(tǒng)的費(fèi)用比較昂貴，通常要花費(fèi) 10多萬元人民 幣才能建起一個可用的開發(fā)環(huán)境，并且對每一個應(yīng)用還要另外收取版稅費(fèi)。也不提供 源代碼，只提供二進(jìn)制代碼。由于其代碼并不是開源的，這就造成了其資源十分有限， 加大了開發(fā)者的掌握難度和解決問題的速度。2.2.2 WinCE系統(tǒng)簡介WinCE是微軟公司開發(fā)的嵌入式和移動計算平臺的基礎(chǔ)，它是一個開放的、可進(jìn)

18、行升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)。其系統(tǒng)核心部分由 C語言開發(fā)完成。1996年，微軟 發(fā)布了第一版的WinCE系統(tǒng)WinCE1.0，目前已經(jīng)逐步發(fā)展到WinCE6.0版本。WinCE要更好的發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢， 也離不開外圍硬件的設(shè)備驅(qū)動程序的支 持。例如通用的硬盤驅(qū)動，WinCE已經(jīng)定義了一套I/O操作和對應(yīng)的TOCTL,只需按 照各類設(shè)備已經(jīng)定義的內(nèi)容去實(shí)現(xiàn)所有的IO操作即可。WinCE與PC上的Windows操作系統(tǒng)相通，開發(fā)、調(diào)試工具使用方便，但是其源代碼沒有開源，開發(fā)人員很難根據(jù)自己的需求進(jìn)行細(xì)致的定制。2.2.3嵌入式Linux系統(tǒng)簡介嵌入式Linux系統(tǒng)是對標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)經(jīng)過裁

19、剪處理，能夠固化在容量很小的存 儲器芯片中，針對特定應(yīng)用領(lǐng)域的操作系統(tǒng)。其程序結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2 Linux程序結(jié)構(gòu)圖在所有操作系統(tǒng)中，Linux系統(tǒng)是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的。從 1991年問世到現(xiàn) 在，不僅在PC平臺有著廣泛的應(yīng)用，而且在嵌入式應(yīng)用方面中占據(jù)重要地位。通過 其不斷的發(fā)展，逐漸形成了與其它商業(yè)嵌入式系統(tǒng)相抗衡的局面，Linux系統(tǒng)本身的各種特性使其成為嵌入式開發(fā)的首選。隨著嵌入式Linux系統(tǒng)的逐步成熟，支持更多平臺的應(yīng)用，并成為了嵌入式市場的主流。因此，本監(jiān)測系統(tǒng)也選擇了嵌入式Linux系統(tǒng)作為監(jiān)測系統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺。本監(jiān)測系統(tǒng)選擇嵌入式Linux系統(tǒng)的依據(jù)如下：（

20、1）嵌入式Linux系統(tǒng)是源代碼開放的免費(fèi)操作系統(tǒng)。只要遵守GPL的規(guī)定， 就可以免費(fèi)獲得嵌入式Linux內(nèi)核和及其自由軟件的源代碼，剛好滿足監(jiān)測系統(tǒng)需要 開發(fā)嵌入式Linux系統(tǒng)的驅(qū)動程序的需求。采用嵌入式 Linux操作系統(tǒng)構(gòu)建嵌入式系 統(tǒng)，更加方面監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)。(2) 嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核功能強(qiáng)大、性能高效、穩(wěn)定。嵌入式Linux內(nèi)核具有 對大部分常用設(shè)備的驅(qū)動支持。為監(jiān)測系統(tǒng)的前期的系統(tǒng)平臺的搭建提供了便利條件。(3) 嵌入式Linux系統(tǒng)的內(nèi)核非常穩(wěn)定，同時也支持嵌入式 Linux內(nèi)核的裁剪， 可以根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的需要設(shè)計具有專用屬性的內(nèi)核。(4) 嵌入式Linux系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的

21、網(wǎng)絡(luò)功能，隨著嵌入式Linux系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式Linux系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合變得非常緊密。除此之外，嵌入式Linux系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)方面還有一些特殊的地方，那就是所有的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議和接口都可以在嵌入式Linux系統(tǒng)上找到。而且可以通過對網(wǎng)口實(shí)現(xiàn) PC機(jī)與嵌入式平臺的聯(lián)合開發(fā)，非常方便監(jiān)測 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ??；谏厦鎸η度胧絃inux系統(tǒng)的分析，我們選擇了在嵌入式Linux2 .6內(nèi)核、RedHat 的Fedora9.0平臺上進(jìn)行室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)。2.3嵌入式ARM微處理器簡介嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器，現(xiàn)在全世界嵌入式處理器的品種總量已 經(jīng)超過了 1000種，流行的體系結(jié)

22、構(gòu)約有30多個系列。嵌入式ARM (Advaneed RISC Machi nes)微處理器以其完整的體系結(jié)構(gòu)和低功耗、低成本、高性能等的特性，及時根 據(jù)嵌入的對象的不同進(jìn)行功能上的擴(kuò)展等優(yōu)勢，在眾多種類的嵌入式微處理器中脫穎 而出。此外，ARM還代表一個公司的名字，該公司于 1990年11月在英國劍橋成立。ARM公司是一家專門從事 16/32位的RISC微處理器IP ( Intelleetual Property，知識產(chǎn) 權(quán))設(shè)計的供應(yīng)商。確切地說，嵌入式 ARM微處理器是ARM公司設(shè)計開發(fā)出的基于 RISC架構(gòu)的微處理器IP核，具體的芯片是由各半導(dǎo)體廠商購買了ARM公司的IP核后根據(jù)自己公

23、司不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入不同的外圍電路，圭寸裝后形成自己的ARM微處理器芯片。嵌入式ARM微處理器與傳統(tǒng)微處理器相比具有如下特點(diǎn)：(1) 嵌入式ARM微處理器的體積小、功耗低、成本低、性能高。(2) 嵌入式ARM微處理器的大部分?jǐn)?shù)據(jù)操作都是在寄存器中完成，減少了對外 部數(shù)據(jù)總線的訪問，從而使得微處理器的總體速度加快。(3) 嵌入式ARM微處理器的尋址方式相對簡單，執(zhí)行效率高。(4) 嵌入式ARM微處理器的指令長度固定，提高了代碼的執(zhí)行速度。嵌入式ARM微處理器主要類型有 ARM、Strong-Arm系列、PowerPC、MIP S系 列四。目前市場上具有的嵌入式 ARM微處理器的芯片主要為：AR

24、M7 , ARM9 ,ARM 11, In tel的Stron g-Arm和Xscale等多個系列。除7具有嵌入式ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn) 外，不同系列的嵌入式 ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。如ARM7系列適用于工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動電話等應(yīng)用領(lǐng)域；ARM9系列則適合于無線設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品的設(shè)計等領(lǐng)域；In tel的Stro ng-Arm處理器則適合于便攜通信產(chǎn)品和消費(fèi) 類電子產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域等。鑒于嵌入式ARM微處理器的眾多優(yōu)點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用場合，本室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng) 就是結(jié)合了嵌入式技術(shù)發(fā)展的趨勢，采用了三星公司的S3C2440A微控制器來構(gòu)建室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件平臺。2.4監(jiān)測系

25、統(tǒng)的整體方案設(shè)計室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)的整體方案設(shè)計如圖2-3所示，氣體采集模塊主要選擇了MQ-138和TGS2611兩種氣體傳感器；其輸出量為模擬量，所以需要經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換芯 片PCF8591；PCF8591與S3C2440A之間通過I2C接口進(jìn)行通信。溫濕度采集模塊與S3C2440A之間通過仿I2C進(jìn)行通信。無線傳輸模塊與S3C2440A之間通過SPI接口進(jìn) 行通信。S3C2440A通過相應(yīng)的GPIO對報警模塊進(jìn)行控制。S3C2440A利用自帶的 LCD控制器和觸摸屏控制模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的顯示模塊設(shè)計。電源模塊為監(jiān)測系統(tǒng) 所需要的SV/3.3V/1.8V的電壓值。調(diào)試模塊提供了通過串口、JT

26、AG、USB、網(wǎng)口四種接口對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括：基于嵌入式Linux的底層驅(qū)動程序設(shè)計，主要是系統(tǒng)的各個硬件模塊的 Linux驅(qū)動程序設(shè)計；基于嵌入式 Linux的應(yīng)用層程序設(shè) 計，主要是為了測試了系統(tǒng)的各個硬件模塊的Linux的驅(qū)動程序的功能；在模塊驅(qū)動程序調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于 Qtopia的監(jiān)測系統(tǒng)的界面程序設(shè)計，界面程序設(shè) 計主要包括開機(jī)界面程序設(shè)計，監(jiān)測系統(tǒng)主界面設(shè)計以及監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)置界面的 設(shè)計。圖2-3監(jiān)測系統(tǒng)的整體方案示意圖3室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計3.1主控芯片S3C2440A模塊設(shè)計本監(jiān)測系統(tǒng)的主控芯片采用三星公司推出的 16/

27、32位RISC微處理器S3C2440A。S3C2440A采用ARM920T的內(nèi)核，采用0.13um工藝的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單 元。該處理器具有功耗低、簡單、優(yōu)雅的特點(diǎn)。且全靜態(tài)設(shè)計特別適合于對成本和功 率有一定要求的 應(yīng)用。它采用全新的總線架構(gòu) Adva need Micro co ntroller Bus Architecture(AMBA)。加強(qiáng)的ARM 體系結(jié)構(gòu) MMU由于支持Linux、WinCE等嵌入 式系統(tǒng)。S3C2440A的突出特點(diǎn)是其核心處理器(CPU)，是一個由ARM(Advaneed RISC Machines)有限公司設(shè)計的支持精簡指令16/32位的ARM920T

28、的RISC處理器。ARM920T實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存管理單元，高級微控制總線結(jié)構(gòu)和哈佛高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：圖3-1S3C2440A內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)S3C2440A采用ARM920T內(nèi)核，自身集成了如下片上功能：(1) 1.2 V內(nèi)核工作電壓，1.8 V/2.5 V/3.3 V儲存器工作電壓，3.3 V擴(kuò)展輸入輸出接口，外部16 KB指令緩存/16 KB數(shù)據(jù)緩存/MMU微處理器(2) 集成了外部儲存控制器(SDRAM控制以及片選邏輯)(3) 集成了 LCD專用DMA的LCD控制器，支持4K色STN和256K色TFT顯 示(4) 擁有4路支持外部請求引腳的DMA控制器（5）擁有3路通

29、用異步接收器傳輸總線（DART）（6）擁有兩路串行外設(shè)接口（SPI）（7）擁有雙線同步串行總線（I2C）接口 （支持多主機(jī)模式）（8）擁有兼容1.0版SD主接口和2.11版MMC接口（9）擁有兩路USB主機(jī)控制/1路USB設(shè)備控制（10） 擁有四路脈寬調(diào)值定時器和1路內(nèi)部的定時器（看門狗定時器）（11）集成了 8通道10位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換和觸摸屏接口（12）擁有實(shí)時時鐘控制（RTC）（13）擁有130個通用輸入輸出口， 24個外部中斷源在本監(jiān)測系統(tǒng)中，S3C2440A的主頻時鐘為400MHz，其主頻最高可達(dá)533MHz ； 其封裝格式為289-FBGA ；核心板帶有64M的Nand Flash和2

30、M的Nor Flash，64M的 SDRAM ；支持 Nor Flash 和 Nand Flash啟動。3.2觸摸屏及LCD模塊設(shè)計本監(jiān)測系統(tǒng)中結(jié)合現(xiàn)在比較盛行的觸摸屏技術(shù)，選擇了觸摸屏和720X480的7寸 TFT-LCD作為監(jiān)測系統(tǒng)的顯示部分。采用觸摸屏使得監(jiān)測系統(tǒng)的人機(jī)交互功能更加完 善和人性化。采用TFT-LCD顯示屏不但提高了其顯示的速度，而且提高了LCD的對比度和亮度。除此之外，也提高其分辨率。這對整個監(jiān)測系統(tǒng)的Qtopia操作界面的設(shè)計提供了基礎(chǔ)。在本監(jiān)測系統(tǒng)中，觸摸屏接口采用了S3C2440A內(nèi)部集成的接口如圖3-2所示，其中XP表示X軸正極坐標(biāo)輸入通道，XM表示X軸負(fù)極坐標(biāo)輸

31、入通道；YP表示Y 軸正極坐標(biāo)輸入通道，YM表示Y軸負(fù)極坐標(biāo)輸入通道。該接口是四線制的電阻式觸 摸屏接口，觸點(diǎn)坐標(biāo)的檢測是通過 A/D轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)的。圖3-2S3C2440的觸摸屏控制接口模塊圖S3C2440A 一共有4種觸摸屏接口模式，分別為正常轉(zhuǎn)換模式、分離XY坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 模式、自動（連續(xù)）XY坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式和等待中斷模式，其中，自動（連續(xù)）XY坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 模式和等待中斷模式是應(yīng)用中比較常用的模式。等待中斷模式是在觸筆落下時產(chǎn)生一 個中斷，在這種模式下，A/D觸摸屏控制寄存器ADCTSC的值應(yīng)為OxD3,在系統(tǒng)響應(yīng) 中斷后，XY坐標(biāo)的測量模式必須為無操作模式，即寄存器 ADCTSC的低兩位必須清

32、零。自動（連續(xù)）XY坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式是系統(tǒng)依次轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)的 X軸坐標(biāo)和丫軸坐標(biāo)，其中 X軸坐標(biāo)值寫入寄存器 ADCDAT1的低10位中，丫軸坐標(biāo)寫入寄存器 ADCDATI的低 10位中，在這種模式下，系統(tǒng)同樣會產(chǎn)生中斷信號。在一般情況下，為實(shí)現(xiàn)觸摸屏功 能，先是設(shè)置為等待中斷模式，在產(chǎn)生中斷后，再設(shè)置為自動（連續(xù)）XY坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式， 依次讀取觸點(diǎn)的坐標(biāo)值。在本監(jiān)測系統(tǒng)中，LCD接口采用S3C2440A自帶的控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-3 所示。圖3-3S3C2440的LCD控制器模塊圖為了能夠使LCD正常工作，需要對LCD的時序和顯示緩存區(qū)進(jìn)行正確的設(shè)置。LCD的時序主要包括 VSYNC. HSYN

33、C和VCLK ;其中VSYNC確定了 LCD的場頻， 即每秒屏幕刷新的次數(shù)；HSYNC確定了 LCD的行頻，即每秒屏幕從左到右掃描一行 的次數(shù)。顯示緩存區(qū)是編程時開辟的一段內(nèi)存區(qū)，一般通過定義一個與屏幕尺寸大小 相同的二維數(shù)組來實(shí)現(xiàn)，女口 720X480的7寸TFT-LCD，可以定義 LCD_ BUFFER720480。把要顯示的數(shù)據(jù)寫入顯示緩沖區(qū)就可以在屏幕上顯示。根據(jù)上面觸摸屏和LCD接口的描述，設(shè)計了監(jiān)測系統(tǒng)的觸摸屏和LCD模塊電路如圖3-4所示。在該模塊中通過LCD PWR 2440信號控制LCD的背光。圖3-4觸摸屏和LCD模塊電路3.3氣體采集模塊設(shè)計在本課題中，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的需要

34、，選擇了對有害氣體敏感的傳感器MQ-138和對可燃性氣體敏感的傳感器TGS2611作為氣體采集模塊的采集對象。并且由于二者的 輸出量為模擬量，所以選擇了 PCF8591作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。3.3.1 MQ-138氣體傳感器MQ-138氣體傳感器的敏感材料是活性很高的二氧化錫 （Sn6）。二氧化錫（SnO2）在 空氣中由于加熱而達(dá)到一定的溫度時，二氧化錫中的氧原子就被吸附到帶有負(fù)電荷的 半導(dǎo)體的表面，同時半導(dǎo)體的表面的電子也會被吸附到二氧化錫中的氧原子上，因此 二氧化錫中的氧原子就便成了帶負(fù)電荷的氧負(fù)離子，同時在半導(dǎo)體的表面形成了帶正 電荷的空間電荷層，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體的表面勢壘電壓逐步升高，從而

35、阻止了帶負(fù)電荷 的電子的流動。另外，在二氧化錫內(nèi)部，自由移動的電子必須穿過二氧化錫微晶粒的 晶界才能夠形成電流，但是晶界中還同時存在著由二氧化錫中的氧原子產(chǎn)生的勢壘電 壓來阻礙自由電子的流動，所以 MQ-138的電阻就是有這種勢壘產(chǎn)生的。當(dāng) MQ-138 遇到室內(nèi)空氣中合有的還原性氣體時，由于加熱產(chǎn)生的氧負(fù)離子與空氣中的還原性氣 體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而導(dǎo)致了氧負(fù)離子濃度的降低，其形成的勢壘也隨之降低，進(jìn)而 導(dǎo)致MQ-138的阻值發(fā)生了變化。MQ-138的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形以及測試電路如圖3-5所示，其外部封裝只有6個針狀 管腳，其中4個管腳用于取出信號，2個管腳用于提供加熱電流。圖中 “ 1是氣體敏

36、感 層、2”是電極、3”是量電極引線、4”是加熱器、5”是陶瓷管、“6是防爆網(wǎng)、“7” 卡環(huán)、8”是基座、9”是針狀管腳。MQ-138的加熱電壓和回路電壓一樣均為 5V。MQ-138對不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值，因此在使用MQ-138時,靈敏度的調(diào)整是很重要的。當(dāng)精確測量時，報警點(diǎn)的設(shè)定還應(yīng)考慮實(shí)際環(huán)境中的溫濕 度的影響。圖3-5MQ-138的結(jié)構(gòu)、外形及測試電路圖MQ-138有如下特性：廣泛的探測范圍、快速的響應(yīng)恢復(fù)及較高的靈敏度、長期 的工作穩(wěn)定性、簡單的測試電路。3.3.2 TGS2611 傳感器TGS2611傳感器是費(fèi)加羅(FIGARO)公司生產(chǎn)的可燃性氣體傳感器，由集成的

37、加熱器和金屬氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成TGS2611的測試電路如圖3-6所示，在測試電路中需要給傳感器需加 2個電壓： VH和VC,其中VH為加熱器電壓，VC為回路電壓。其中VH主要用于維持傳感器 的敏感因子處于某一特定溫度而施加在芯片內(nèi)部的加熱器上的電壓。VC主要用于測定測試電路中串聯(lián)的負(fù)載電阻(RL)兩端的電壓(Vout)。由于TGS2611具有極性，所以 VC 一般需要直流電源提供。另外，只要滿足TGS2611的電性要求，VC和VH也可以 有同一個電源提供。為了將傳感器的判定值最佳化，并使傳感器的功耗(PSX氐于15mW 的極限值，需要選擇合適的RL的值。其中Vout的計算公式如下：utVc* R

38、LRs RL(3-1)其中Rs-傳感器電阻圖3-6TGS2611的測試電路3.3.3 PCF8591A/D 轉(zhuǎn)換芯片PCF8591為單電源CMOS低功耗8位A/D和D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，它擁有四個模擬輸 入、一個模擬輸出和一個串行12C總線接口。三個地址引腳 A0. A1、A2用于器件的 硬件地址編程，因此最多允許將8個PCF8591器件連接到相同的I2C總線。對PCF8591 的選擇、控制以及數(shù)據(jù)的傳輸都是通過 12C來實(shí)現(xiàn)的。PCF8591器件內(nèi)部集成了多路 復(fù)用的模擬輸入、8位模數(shù)腳D)、數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換等功能。工作電壓為2.5V-6V。本監(jiān) 測系統(tǒng)中的PCF8591的工作電源為3.3V。

39、根據(jù)PCF8591的控制字可以對其進(jìn)行設(shè)置，其中控制字的 bit45可以設(shè)置AIN 0AIN 3的模式，00 ”表示AIN 0AIN 3為4個單端輸入；01 表示AIN 0AIN2與 AIN3分別構(gòu)成3個差分輸入；“ 10表示AIN 0和AIN1為兩個單端輸入，AIN 2與AIN 3構(gòu)成一個差分輸入；“11表示AIN 0和AIN1構(gòu)成一個差分輸入，AIN 2與AIN 3構(gòu) 成另一個差分輸入。控制字的bit0 1可以進(jìn)行通道的選擇，00” “ 1分別表示通道 03。根據(jù)MQ-138、TGS2611和PCF8591的描述，設(shè)計出了監(jiān)測系統(tǒng)的氣體采集模塊 的原理圖如圖 3-7所示，通過 PCF859

40、1的I2C接口把采集的數(shù)據(jù)傳到主控制器S3C2440A。圖3-7氣體采集模塊的電路圖3.4溫濕度采集模塊設(shè)計在溫濕度采集模塊中，選擇了 SHT71芯片。SHT71是盛世瑞公司生產(chǎn)的采用 CMO Sens技術(shù)、輸出為數(shù)字量的溫濕度傳感器，具有高度的可靠性和長時間的穩(wěn)定性。SHT71傳感器默認(rèn)的測量溫度的分辨率為14位，測量相對濕度的分辨率分別為12位, 通過SHT71的內(nèi)部狀態(tài)寄存器可分別設(shè)置為 12位和8位。其濕度測量的范圍是。0100% RH , 12位測量時的分辨率為0.05% RH，溫度測量范圍為-40123.8C, 14位 測量時的分辨率為0.01 C。本監(jiān)測系統(tǒng)中采用SHT71采集1

41、2位的相對濕度和14位的溫度，所以在本監(jiān)測系 統(tǒng)中，為了將SHT71輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成實(shí)際物理量需進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。 SHT71 的溫度計算公式為：T d1 d2* SOT（ 3-2）其中d1=39.66, d2=0.01，SOt表示SHT71讀出的溫度數(shù)據(jù)。SHT71的相對濕度的計算公式為：2RHlinear & C2 * SORh C3 *SO rh（ 3-3）其中 C1 = -2.0468, C2 =0.0367 , C3=-1.5955E-6, SOrh 表示 SHT71 讀出的濕度數(shù)據(jù)。RHture （T 25）*（ t1 t2 * SORH） RHlinear（ 3-4）其中T表

42、示SHT71測得的實(shí)際溫度，t1 0.01，t2 0.00008。溫濕度采集模塊設(shè)計的電路圖如圖 3-8所示，SHT71與S3C2440A之間通過GPF1 和GPF3模擬I2C通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。并且SHT71的DATA信號線上必須接 10K的上拉電阻。圖3-8 溫濕度采集模塊電路圖3.5無線傳輸模塊設(shè)計考慮到本監(jiān)測系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用時，方便用戶在遠(yuǎn)離惡劣環(huán)境的情況下進(jìn) 行測試；以及在比較寬闊的室內(nèi)時間進(jìn)行應(yīng)用時，方便用戶對室內(nèi)空間進(jìn)行多點(diǎn)測試；所以監(jiān)測系統(tǒng)中考慮了無線傳輸?shù)墓δ?。本監(jiān)測系統(tǒng)中采用瑞典Nordic Semiconducto：公司2005年推出的一款工業(yè)級內(nèi)置 鏈路層的

43、超低成本的集無線收發(fā)于一體的芯片n RF24L01。該芯片內(nèi)部集成了頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurst模式控制器、調(diào)制器以及解調(diào)器等模塊。該芯片工作于 2.4GHz-2.5GHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻段，有效通信距離可達(dá)100m；使用者無 需申請許可證，給開發(fā)者和用戶帶來了很大的方便。另外，n RF24L01的功耗比較低，如在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有 9mA ； 2Mbps接收時，峰值電流12.5mA 0);4.1.2氣體采集模塊驅(qū)動程序設(shè)計本監(jiān)測系統(tǒng)中，氣體采集模塊主要用到了氣體傳感器 MQ-138和TGS2611,由于 二者的輸出都是模擬量，因此選擇了 A/D轉(zhuǎn)換芯片PCF8591。由于PCF8591帶有I2 C 接口，因此