基于單片機(jī)的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)

1、天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目：室內(nèi)便攜式智能空氣監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)題目：室內(nèi)便攜式智能空氣監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì) 姓姓 名名 上官金霞上官金霞 學(xué)學(xué) 院院 機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 專專 業(yè)業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器測(cè)控技術(shù)與儀器 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 張宏杰張宏杰 職職 稱稱 講師講師 2011 年年 06 月月 06 日日 天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 題目題目室內(nèi)便攜式智能空氣監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名學(xué)生姓名上官金霞學(xué)院名稱學(xué)院名稱機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)專業(yè)班級(jí)測(cè)控 072 課題類型課題類型設(shè)計(jì)類 課題意義課題意義 由于建筑材料品質(zhì)不一、劣質(zhì)燃料、通風(fēng)不良等原因，室內(nèi)的空氣狀況

2、往往 不如室外，盡管空調(diào)系統(tǒng)被應(yīng)用到室，但為了節(jié)能，減少了自然通風(fēng)，使室內(nèi)空 氣品質(zhì)進(jìn)一步惡化。目前，對(duì)于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀表有很多種，成本不是很高，監(jiān) 測(cè)速度較快，但大數(shù)產(chǎn)品只是用來(lái)監(jiān)測(cè)，不具備自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量的能力。 實(shí)際上，單純的監(jiān)測(cè)不能提供經(jīng)濟(jì)可行的空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)措施，只有以控制作為監(jiān) 測(cè)的后備支持，監(jiān)測(cè)工作才可以深入持久地開(kāi)展下去，才能達(dá)到監(jiān)測(cè)和控制的有 機(jī)結(jié)合。因此，本系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣溫度、濕度、有害氣體的監(jiān)測(cè)及自適應(yīng) 智能調(diào)節(jié)，為人類營(yíng)造一個(gè)健康的室內(nèi)生存空間。 任務(wù)與進(jìn)任務(wù)與進(jìn) 度要求度要求 任務(wù)任務(wù): : 1. 選擇合適的單片機(jī)，進(jìn)行單片機(jī)主電路設(shè)計(jì)； 2. 完成傳感器、信

3、號(hào)調(diào)理、鍵盤(pán)、顯示、聲光報(bào)警、智能控制等接口電路設(shè)計(jì)； 3. 編寫(xiě)各模塊子程序、proteus 軟件仿真 和實(shí)物調(diào)試 進(jìn)度要求進(jìn)度要求: : 第 1-3 周 實(shí)習(xí)，查詢相關(guān)資料及總體方案設(shè)計(jì) 第 4 周 開(kāi)題報(bào)告 第 5-6 周 氣體、溫濕度傳感器選型，繪制原理電路圖和 PCB 圖 第 7-10 周 編寫(xiě)氣體、溫濕度采集等程序并通過(guò) proteus 調(diào)試仿真 第 11-13 周 購(gòu)買元器件，動(dòng)手焊接電路板并下載程序?qū)嵨镎{(diào)試 第 14 周 寫(xiě)論文及外文翻譯 第 15 周 修改論文 第 16 周 準(zhǔn)備答辯 主要參考主要參考 文獻(xiàn)文獻(xiàn) 1彭軍.傳感器與監(jiān)測(cè)技術(shù)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,200

4、3.7495. 2張齊,杜群貴.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)M.電子工業(yè)出版社,2004.117128. 3張道德.單片機(jī)接口技術(shù)(C51 版)M.中國(guó)水利水電出版社,2007.230247. 4戴仙金.51 單片機(jī)及其 C 語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)實(shí)例M.清華大學(xué)出版社,2008.379403. 起止日期起止日期2 月 21 日6 月 6 日 備注備注 院長(zhǎng)院長(zhǎng) 教研室主任教研室主任 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告表畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告表 20112011 年年 3 3 月月 1212 日日 姓名姓名上官金霞學(xué)院學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)專業(yè)測(cè)控班級(jí)班級(jí) 072 題目題目室內(nèi)便攜式智能空氣監(jiān)測(cè)儀的設(shè)

5、計(jì)指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師張宏杰 一、一、與本課題有關(guān)的國(guó)內(nèi)外研究情況、課題研究的主要內(nèi)容、目的和意義：與本課題有關(guān)的國(guó)內(nèi)外研究情況、課題研究的主要內(nèi)容、目的和意義： 隨著人們生活水平的改善和提高，建筑結(jié)構(gòu)的封閉化室內(nèi)辦公人員的增加，Indoor Air Quality（IAQ）室內(nèi)空氣品質(zhì)的研究吸引了越來(lái)越多人的關(guān)注。目前，對(duì)于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)具儀表已經(jīng) 有很多種，雖然此類儀表成本不是很高，監(jiān)測(cè)速度較快，但是絕大數(shù)產(chǎn)品只是用來(lái)監(jiān)測(cè)，不具備自動(dòng) 控制調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量的能力。實(shí)際上，單純的監(jiān)測(cè)不能提供經(jīng)濟(jì)可行的空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)措施，因此只 有以控制作為監(jiān)測(cè)的后備支持，監(jiān)測(cè)工作才可以更深入持久地開(kāi)展下去，才能達(dá)到

6、監(jiān)測(cè)和控制的有機(jī) 結(jié)合，盡快為人們創(chuàng)造良好的室內(nèi)環(huán)境。因此，本文基于量化監(jiān)測(cè)，提出“室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì) 監(jiān)測(cè)儀”系統(tǒng)，此系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣溫度、濕度、有害氣體的預(yù)警監(jiān)測(cè)及自適應(yīng)智能調(diào)節(jié)，利用 MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集保證了前臺(tái)數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確，有利于進(jìn)行全方位的評(píng)價(jià)，為人類營(yíng)造一個(gè)健康的 室內(nèi)生存空間。 本課題主要內(nèi)容如下： 1IAQ 以及溫濕傳感器選擇 2信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì) 3單片機(jī)主控電路的設(shè)計(jì) 4系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 二、進(jìn)度及預(yù)期結(jié)果：二、進(jìn)度及預(yù)期結(jié)果： 起止日期起止日期主要內(nèi)容主要內(nèi)容預(yù)期結(jié)果預(yù)期結(jié)果 第 1-3 周 第 4 周 第 5-6 周 第 7-10 周 第 11-13 周 第 1

7、4 周 第 15 周 第 16 周 實(shí)習(xí)，查詢相關(guān)資料及總體方案設(shè)計(jì) 開(kāi)題報(bào)告 氣體、溫濕度傳感器選型，繪制原理電路圖和 PCB 圖 編寫(xiě)氣體、溫濕度采集等程序并通過(guò) proteus 調(diào)試仿真 購(gòu)買元器件，動(dòng)手焊接電路板并下載程序?qū)嵨镎{(diào)試 寫(xiě)論文及外文翻譯 修改論文 準(zhǔn)備答辯 確定總體方案 完成 完成電路圖 仿真成功 做出實(shí)物 完成論文 完成 答辯順利 完成課題的完成課題的 現(xiàn)有條件現(xiàn)有條件 計(jì)算機(jī)，圖書(shū)館，網(wǎng)絡(luò)論壇以及一些相關(guān)材料 審查意見(jiàn)審查意見(jiàn) 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 年年 月月 日日 學(xué)院意見(jiàn)學(xué)院意見(jiàn) 主管領(lǐng)導(dǎo)：主管領(lǐng)導(dǎo)： 年年 月月 日日 天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱表 （設(shè)計(jì)

8、類）（設(shè)計(jì)類） 畢業(yè)設(shè)計(jì) 題目 室內(nèi)便攜式智能空氣監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名上官金霞學(xué)生班級(jí)測(cè)控 072指導(dǎo)教師姓名張宏杰 評(píng)審項(xiàng)目指標(biāo)滿分評(píng)分 能體現(xiàn)本專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，題目大小、難度適中；學(xué)生工 作量飽滿，能得到較全面訓(xùn)練。 10 選題 題目與生產(chǎn)、科研等實(shí)際問(wèn)題結(jié)合緊密。10 課題調(diào)研 文獻(xiàn)檢索 能獨(dú)立查閱文獻(xiàn)以及從事其它形式的調(diào)研，能較好地理 解課題任務(wù)并提出實(shí)施方案；有分析整理各類信息從中 獲取新知識(shí)的能力。 15 外文應(yīng)用能正確引用外文文獻(xiàn)，翻譯準(zhǔn)確，文字流暢。5 設(shè)計(jì)圖紙（插圖）簡(jiǎn)潔、規(guī)范、無(wú)差錯(cuò)，設(shè)計(jì)欄目齊全 合理，能正確使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)單位。 15 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，表達(dá)清楚，

9、文字通順， 用語(yǔ)正確，基本無(wú)錯(cuò)別字和病句，書(shū)寫(xiě)格式符合規(guī)范。 15 能根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算及處 理正確無(wú)差錯(cuò)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析準(zhǔn)確。 20 設(shè)計(jì)說(shuō)明 書(shū)（論文） 設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性或?qū)嵱脙r(jià)值。10 合計(jì)100 意見(jiàn)及建議 評(píng)閱人簽名：評(píng)閱人簽名：年年 月月 日日 天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)考核表 學(xué)生姓名學(xué)生姓名上官金霞學(xué)院名稱學(xué)院名稱機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)專業(yè)班級(jí)測(cè)控 072 題目題目室內(nèi)便攜式智能空氣監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì) 1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字：指導(dǎo)教師簽字： 年年 月月 日日 2畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)

10、及成績(jī)：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)及成績(jī)： 答辯主席（或組長(zhǎng)）簽字：答辯主席（或組長(zhǎng)）簽字： 年年 月月 日日 3畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）總成績(jī)：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）總成績(jī)： a.指導(dǎo)教師 給定成績(jī) b.評(píng)閱教師 給定成績(jī) c.畢業(yè)答辯成績(jī) 總成績(jī) (a0.5+b0.2+c0. 3) 成績(jī)：成績(jī)： 成績(jī)：成績(jī)： 摘 要 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題及健康問(wèn)題 日益重視，室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ）狀況受到越來(lái)越多的關(guān)注。人的一生中有三分 之二的時(shí)間是在居室內(nèi)度過(guò)的。本文研究的室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀是 以室內(nèi)空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)監(jiān)控為背景，是以 ATMEL 工公司的一款 8

11、 位超低功耗單片機(jī) AT89S52 為控制核心，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。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 LCD1602 點(diǎn)陣式液晶屏顯示菜單，有良好的人機(jī) 對(duì)話界面。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。室內(nèi)智 能空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀體積小，功耗低，操作簡(jiǎn)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。 關(guān)鍵詞：AT89S52；室內(nèi)空氣品質(zhì)；LCD 顯示；溫濕度；甲醛 ABSTRACT With the development of our national economy and imp

12、rovement of peoples living standard, awareness of environmental issues and health problems increasing emphasis on indoor air quality (IAQ) conditions have been paid more attention to. Two-thirds of peoples life time is spent in the living room. In this paper, Indoor Air Quality Portable Intelligent

13、Monitor is on the background of toxic and harmful gases, based on an ATMEL 8-bit working ultra-low power MCU AT89S52 as control core, which can realize real-time acquisition and processing, display ,alarm and other functions of indoor temperature, humidity, formaldehyde, benzene and ammonia. Equipme

14、nt powered by lithium batteries, has a good portability and versatility, and use the LCD1602 dot matrix LCD screen to display menu, and has a good interactive interface. At the same time sound and light alarm system is designed to achieve a timely manner when the parameter level exceeds the limit. I

15、ndoor Air Quality Portable Intelligent Monitor, small size, low power consumption, simple operation, and is suitable for family and community health care in order to know real-time acquisition of indoor air quality. Key words：AT89S52；IAQ；LCD display；humiture；formaldehyde 目 錄 緒 論.1 1.1 課題的目的及意義 .1 1.

16、1.1 室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)的重要性.1 1.1.2 課題研究目的及意義.2 1.2 國(guó)內(nèi)外的研究狀況 .2 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容及總體方案設(shè)計(jì) .3 1.3.1 本文的主要研究?jī)?nèi)容.3 1.3.2 總體方案設(shè)計(jì).3 第二章 室內(nèi)空氣品質(zhì)基本介紹.4 2.1 室內(nèi)空氣品質(zhì)及認(rèn)識(shí) .4 2.1.1 室內(nèi)空氣研究的背景.4 2.1.2 室內(nèi)污染物種類及來(lái)源分析.4 2.1.3 室內(nèi)空氣品質(zhì)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí).5 2.2 室內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)測(cè)方法及改善空氣品質(zhì)的方法 .5 2.2.1 室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)方法.5 2.2.2 改善空氣品質(zhì)方法.6 2.3 室內(nèi)空氣品質(zhì)測(cè)試指標(biāo)的選定 .6 第三章室內(nèi)空氣品

17、質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì).8 3.1 室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)簡(jiǎn)介 .8 3.1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理.8 3.1.2 AT89S52 單片機(jī)簡(jiǎn)介 .9 3.1.3AT89S52 單片機(jī)與其擴(kuò)展 .10 3.2 傳感器的選用 .10 3.2.1 氣體傳感器.10 3.2.2 溫濕傳感器.14 3.3 前置放大濾波電路的設(shè)計(jì) .17 3.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) .20 3.5 聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì) .21 3.6 液晶顯示電路設(shè)計(jì) .21 3.7 復(fù)位電路設(shè)計(jì) .22 3.8 電源電路設(shè)計(jì) .23 3.9 本章小結(jié) .23 第四章 室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì).24 4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路 .24 4

18、.1.1 編程語(yǔ)言的選擇.24 4.1.2 軟件功能需求.24 4.2 軟件模塊設(shè)計(jì) .26 4.2.1 主程序模塊.26 4.2.2 AD 轉(zhuǎn)換模塊 .26 4.2.3 液晶顯示模塊.27 4.2.4 聲光報(bào)警模塊.28 4.3 本章小結(jié) .28 第五章 仿真調(diào)試.29 5.1 PROTEUS 軟件仿真調(diào)試.29 5.1.1 顯示電路調(diào)試.29 5.1.2 鍵盤(pán)電路以及氣體測(cè)量電路調(diào)試.29 5.1.3 溫濕度測(cè)量電路調(diào)試.30 5.1.4 聲光報(bào)警電路調(diào)試.32 5.2 實(shí)物調(diào)試.33 5.3 本章小結(jié). .36 第六章 結(jié)論與展望.37 6.1 主要結(jié)論 .37 6.2 展望 .37 參

19、考文獻(xiàn).38 附 錄.39 附錄一 原理電路圖.39 附錄二 PCB 板 .40 附錄三 程序清單.41 附錄四 外文翻譯.50 致 謝.65 緒 論 1.1 課題的目的及意義 1.1.1 室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)的重要性 隨著科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)條件、生活水平的改善和提高，建筑結(jié)構(gòu)的封閉化室內(nèi) 辦公人員的增加，Indoor Air Quality（IAQ）室內(nèi)空氣品質(zhì)的研究吸引了越來(lái) 越多人的關(guān)注。美國(guó)科學(xué)家在 80 年代末的一項(xiàng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)有害污染物濃 度比室外高，有的甚至高達(dá) 100 倍。我國(guó)有關(guān)部門(mén)在 1994 年的一次調(diào)查中也發(fā) 現(xiàn)，城市室內(nèi)空氣的污染程度比室外嚴(yán)重，有的超過(guò)室外 56

20、倍。據(jù)估計(jì)，人的 一生平均 90%的時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)，室內(nèi)作為現(xiàn)代人類最主要的活動(dòng)場(chǎng)所之一，其 環(huán)境品質(zhì)與人類健康息息相關(guān)。由此造成的病態(tài)建筑綜合癥（SBSSick Building Syndrome）：現(xiàn)代都市病，包括頭痛、惡心 疲乏、失眠、記憶力衰退 皮膚、粘 膜有刺激感（眼紅、流淚、咽干） 呼吸紊亂等也越來(lái)越突出。 IAQ 在健康方面的影響：美國(guó)環(huán)保署(EPA)調(diào)查表明:在美國(guó)，IAQ 問(wèn)題是有 關(guān)全民健康的首要問(wèn)題之一，受其影響的美國(guó)人口多達(dá) 3000 萬(wàn)，造成的經(jīng)濟(jì)損 失超過(guò)了 400 億美元/年，這些數(shù)字令人觸目驚心1；加拿大衛(wèi)生組織調(diào)查表明： 68%的疾病與室內(nèi)環(huán)境污染有關(guān)，其中

21、80%90%的癌癥與居住環(huán)境和生活習(xí)慣有 關(guān);英國(guó)科學(xué)家漢密爾頓測(cè)驗(yàn)了 220 名英國(guó)人血液中 60 種化學(xué)元素的平均含量， 發(fā)現(xiàn)其與地殼中這些元素的含量分布相當(dāng);湖南省相關(guān)部門(mén)對(duì)空氣污染區(qū)及清潔區(qū) 9-10 歲兒童為調(diào)查對(duì)象，研究空氣污染對(duì)兒童免疫力的影響，結(jié)果顯示:污染區(qū)兒 童的免疫能力僅為清潔區(qū)兒童免疫能力的 1/3;據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年有 11 萬(wàn)人因 IAQ 不好而導(dǎo)致死亡; 從我國(guó)“室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心”對(duì) IAQ 監(jiān)測(cè)力度越來(lái)越大的趨勢(shì) 也可以看出，此問(wèn)題在我國(guó)也是越來(lái)越嚴(yán)重。 IAQ 在工作效率及社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的影響：美國(guó)“職業(yè)安全及健康管理局”估 計(jì)因室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量惡劣而導(dǎo)致每個(gè)員工每天

22、損失 14-15 分鐘的工作時(shí)間，不僅損 失了生產(chǎn)力，使成本上升，而且也導(dǎo)致醫(yī)療費(fèi)用的增多影響整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)利益; 美國(guó)的另一項(xiàng)調(diào)查得知由于 IAQ 惡劣而導(dǎo)致總經(jīng)濟(jì)成本的損失每年高達(dá) 47-54 億 美元(沒(méi)有包括對(duì)建筑材料及各種器材的損失);香港環(huán)保署的首份 IAQ 調(diào)查表明香 港辦公室和公共場(chǎng)所的 IAQ 不佳，造成醫(yī)療費(fèi)、生產(chǎn)力和機(jī)電費(fèi)的損失每年高達(dá) 176 億元23。 鑒于此，人們認(rèn)識(shí)到解決 IAQ 問(wèn)題的重要性與迫切性，同時(shí) IAQ 問(wèn)題已經(jīng)成 為建筑環(huán)境、醫(yī)藥衛(wèi)生、智能監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制等研究領(lǐng)域所關(guān)心的問(wèn)題。 1.1.2 課題研究目的及意義 目前由于建筑材料品質(zhì)不一、劣質(zhì)燃料、抽煙

23、、通風(fēng)不良等原因，室內(nèi)的空 氣狀況往往不如室外，盡管大量的空調(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(shí)出現(xiàn)的舒適性空調(diào)僅著眼 于熱舒適，忽視了空氣凈化，從而導(dǎo)致了一些負(fù)面作用: SBS(Sick Building Syndrom)建筑物綜合癥、BRI(Building Rolated Illiness)建筑物關(guān)聯(lián)癥和 MCS(Multiple Chemical Sensitivity)化學(xué)物資過(guò)敏癥等4。 隨著人們對(duì) IAQ 認(rèn)識(shí)程度的加深，以及健康保健知識(shí)的發(fā)展，人們不僅希望 知道是什么污染物在作怪，更希望知道污染的濃度水平如何?這種濃度

24、會(huì)對(duì)健康 造成什么短期和長(zhǎng)期危害?對(duì)存在的污染應(yīng)該如何控制治理? 在這種情況下，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀表是有現(xiàn)實(shí)意義的。目前，對(duì) 于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)具儀表已經(jīng)有很多種，雖然此類儀表成本不是很高，監(jiān)測(cè)速度較 快，但是絕大數(shù)產(chǎn)品只是用來(lái)監(jiān)測(cè)，不具備自動(dòng)控制調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量的能力。 實(shí)際上，單純的監(jiān)測(cè)不能提供經(jīng)濟(jì)可行的空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)措施，因此只有以控制作 為監(jiān)測(cè)的后備支持，監(jiān)測(cè)工作才可以更深入持久地開(kāi)展下去，才能達(dá)到監(jiān)測(cè)和控 制的有機(jī)結(jié)合，盡快為人們創(chuàng)造良好的室內(nèi)環(huán)境。因此，本文基于量化監(jiān)測(cè)，提 出“室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀”系統(tǒng)，此系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣溫度、濕 度、有害氣體的預(yù)警監(jiān)測(cè)及自適應(yīng)智能

25、調(diào)節(jié)，利用 MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集保證了前 臺(tái)數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確，有利于進(jìn)行全方位的評(píng)價(jià)，為人類營(yíng)造一個(gè)健康的室內(nèi)生 存空間。 1.2 國(guó)內(nèi)外的研究狀況 氣體傳感器測(cè)定甲醛成為近年來(lái)甲醛檢測(cè)研究的新熱點(diǎn)。早在 1983 年，壓 電類甲醛傳感器就已問(wèn)世。這種傳感器可以不需要對(duì)樣品進(jìn)行任何處理就可以測(cè) 定，但易受水分子的影響而使晶體震動(dòng)頻率發(fā)生漂移，故基本無(wú)實(shí)用性。為適應(yīng) 室內(nèi)空氣甲醛現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的要求，目前已開(kāi)發(fā)出不少甲醛快速測(cè)定儀，這些儀 器可直接在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定甲醛濃度，操作方便，適用于室內(nèi)和公共場(chǎng)所空氣中甲醛濃 度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，也適用于環(huán)境測(cè)試艙法測(cè)定木質(zhì)板材中的甲醛釋放量。但這些儀 器的工作原理、響

26、應(yīng)性能、適應(yīng)范圍等都不同。 在測(cè)試甲醛、苯等害氣體方面，國(guó)外比較出名的有:美國(guó) ESC 公司生產(chǎn)的 Z 一 300 甲醛檢測(cè)儀、英國(guó) PPM 公司生產(chǎn)的 PPM-400 甲醛檢測(cè)儀;國(guó)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(cè)定儀抑一 308 等5。 這些儀器可實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體的檢測(cè)功能，適用于專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)研究機(jī) 構(gòu)。準(zhǔn)確測(cè)定甲醛、苯、氨等有害氣體的設(shè)備昂貴(如英國(guó) PPM 公司生產(chǎn)的 PPM400 甲醛儀約兩萬(wàn)多元)，測(cè)定時(shí)間較長(zhǎng)，每隔一段時(shí)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(cè)定6；目前國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的設(shè)計(jì)差異主要

27、集 中在監(jiān)測(cè)傳感器和控制單片機(jī)芯片的選用，操作方面國(guó)外的產(chǎn)品操作界面方便， 功能加完備7。 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容及總體方案設(shè)計(jì) 1.3.1 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本課題主要集中在 IAQ 的監(jiān)測(cè)、顯示、報(bào)警三個(gè)方面。本文內(nèi)容安排如下: 第一章:室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)課題的提出及意義，介紹國(guó)內(nèi)外的研究狀況及確定 總體方案。 第二章:監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體方案的選擇 (1)確定監(jiān)測(cè)對(duì)象:選擇有代表性的監(jiān)測(cè)對(duì) 象是進(jìn)行下一步研究的關(guān)鍵;(2)布置采樣點(diǎn):根據(jù)選用的傳感器的特點(diǎn)，及待測(cè)指 標(biāo)的精度要求布置傳感器;(3)數(shù)據(jù)的顯示及報(bào)警控制系統(tǒng)。 第三章與第四章:室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的各個(gè)硬件模塊的設(shè)計(jì)，介紹在室內(nèi)

28、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。 第五章:整個(gè)系統(tǒng)的仿真調(diào)試。 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。 1.3.2 總體方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)集甲醛，苯，氨氣以及溫濕度監(jiān)測(cè)，顯示與報(bào)警于一體，利用 MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集保證了前臺(tái)數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確，有利于進(jìn)行全方位的評(píng)價(jià)。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。 圖 1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 第二章 室內(nèi)空氣品質(zhì)基本介紹 2.1 室內(nèi)空氣品質(zhì)及認(rèn)識(shí) 2.1.1 室內(nèi)空氣研究的背景 隨著城市人們

29、生活水平的不斷提高，各類裝飾裝修材料、家具和日用化妝品 大量進(jìn)入室內(nèi)，使室內(nèi)污染物的來(lái)源和種類日益增多，造成室內(nèi)空氣污染程度在 室外空氣污染的基礎(chǔ)上更加重了一層。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(lái)越好，使用的人工合成材料越來(lái)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。人們?cè)?人工環(huán)境中所處的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，結(jié)果引發(fā)了各種與室內(nèi)環(huán)境相關(guān)的病癥。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。 在 20 世紀(jì) 70 年代末期，認(rèn)為 IAQ 代表一系列污染物濃度的指標(biāo)，采用通風(fēng) 換氣等手段稀釋污染

30、物濃度，使危害降低;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。污染源控制屬于起點(diǎn)控制，而通風(fēng)換氣控 制屬于終點(diǎn)控制，每種單一的控制都不能解決目前的 IAQ 問(wèn)題，因此 IAQ 成為 現(xiàn)代建筑科學(xué)、醫(yī)學(xué)衛(wèi)生、建筑環(huán)境工程、建筑設(shè)計(jì)等諸方面的研究課題9。 2.1.2 室內(nèi)污染物種類及來(lái)源分析 室內(nèi)的污染源大致有五類如表 2.1 所示: 表 2.1 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(guò)敏源（貓狗等） 、細(xì)菌和病毒 放射性

31、污染氡氣及其衰變子體、地板等釋放的 射線 物理污染噪音、照明不足或過(guò)亮、溫濕度過(guò)高或過(guò)低所引起的相關(guān)問(wèn)題 室內(nèi)污染物的來(lái)源主要有如表 2.2 所示的四種來(lái)源： 表 2.2 室內(nèi)污染物主要來(lái)源 來(lái)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(chóng)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。IAQ 對(duì)健康的影響有以下的特性:(1)影響范圍 大，幾乎涉及所有人群；(2)接觸時(shí)間長(zhǎng)；(3)污染物濃度低，短期內(nèi)反應(yīng)不明顯; (4)污染物種類多;(5

32、)濃度值與健康的關(guān)系不明顯10。 2.1.3 室內(nèi)空氣品質(zhì)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí) (1)對(duì)“室內(nèi)空氣品質(zhì)問(wèn)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(wèn)題有新進(jìn)展。 (2)由于 IAQ 問(wèn)題是由多因子、多途徑誘發(fā)的，應(yīng)將 IAQ 看成一個(gè)變量，是 設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)管理和運(yùn)行狀態(tài)綜合形成的一個(gè)結(jié)果，如果單純強(qiáng)調(diào)建筑裝修 材料污染控制(起點(diǎn)控制)或僅依賴通風(fēng)空調(diào)(終點(diǎn)控制)是不可能解決 IAQ 問(wèn)題， 只有從設(shè)計(jì)、施工維護(hù)以及運(yùn)行管理“全過(guò)程控制”才可能真正改善室內(nèi)空氣品 質(zhì)。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。 (

33、3)我國(guó)己經(jīng)建立了有關(guān) IAQ 方面的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于新修訂的節(jié)能暖通規(guī)范條 文中，但較為籠統(tǒng)，難以解決具體工程問(wèn)題，建議全國(guó)學(xué)會(huì)應(yīng)象美國(guó) ASHRAE 學(xué)會(huì)一樣，單獨(dú)建立室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)估。 2.2 室內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)測(cè)方法及改善空氣品質(zhì)的方法 2.2.1 室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)方法 (1)化學(xué)分析方法 主要采用空氣取樣，通過(guò)一定的化學(xué)反應(yīng)方法，測(cè)定待測(cè)的污染物濃度。 (2)傳感器監(jiān)測(cè)方法 選擇適當(dāng)類型的傳感器可直接讀取待測(cè)物的濃度。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。 2.2.2 改善空氣品質(zhì)方法 (1)開(kāi)窗通風(fēng)換氣 開(kāi)窗通風(fēng)可以始終保持室內(nèi)具

34、有良好的空氣品質(zhì),是改善住宅室內(nèi)空氣品質(zhì)的 關(guān)鍵。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。即使在較寒冷的冬季,也最好能開(kāi)一些窗戶,使室外的新鮮空氣 能進(jìn)入室內(nèi)。 (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。室內(nèi)外的溫差不宜太大, 夏季一般溫差維持在 67比較合適,有利于人體進(jìn)行自我調(diào)節(jié);冬天,空氣較干燥, 最好能配備加濕設(shè)備,使空氣保持濕潤(rùn)。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(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(pán)管的風(fēng)量,又能及時(shí)清除過(guò)濾器上的臟物。

35、 (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 CO2、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。 (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

36、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住。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)11。 2.3 室內(nèi)空氣品質(zhì)測(cè)試指標(biāo)的選定 室內(nèi)污染物種類繁多，不可能逐一測(cè)量，研究的思路是用一個(gè)典型的污染物 來(lái)代表一類污染物，這種污染物稱為評(píng)價(jià)指標(biāo)。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

37、子，借鑒目前國(guó)內(nèi)外常用的 IAQ 監(jiān)測(cè)指標(biāo)，本課題 的監(jiān)測(cè)指標(biāo)訂為溫度，濕度，甲醛，苯，氨氣五個(gè)參量。各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 2.3： 表 2.23 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 1828 平均 相對(duì)濕度 100% 30%70% 甲醛（HCHO） Mg/m3 0.08 苯（C6H6） Mg/m3 0.09 氨氣（NH3） Mg/m3 0.2 甲醛，苯和氨氣是室內(nèi)空氣中常見(jiàn)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)，所以在 室內(nèi)空氣品質(zhì)研究中，將其歸為 VOC，即揮發(fā)性有機(jī)化合(Volatile Organic ompounds)。甲醛

38、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。當(dāng)室內(nèi)甲醛含量為 0.1 mg/m3 時(shí)就有異味和不適感，0.5mg/m3 可刺激眼睛 引起流淚，0.6mg/m3 時(shí)引起咽喉不適或疼痛;濃度再高可引起惡心、嘔吐、咳嗽、 胸悶、氣喘甚至肺氣腫;當(dāng)空氣中達(dá)到 30 mg/m3 時(shí)可當(dāng)即導(dǎo)致死亡。 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。我國(guó)于 1996 年頒布了居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) ， 明確規(guī)定居室空氣中甲醛的最高允許濃度為 0.6ppm 即 0.08mg/m3 (2)苯(C6H6)是一種無(wú)色具有特殊芳香氣味的液體，沸點(diǎn)為 80

39、C。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。苯具有易揮發(fā)、易燃、蒸氣有爆炸性的特點(diǎn)。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。 苯及其同系衍生物主要來(lái)自各種建筑材料，油漆、膠和防水涂料。目前我國(guó) 對(duì)苯及苯系衍生物的室內(nèi)空氣濃度尚沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為苯含量低于 1ppm，甲 苯含量低于 2.7ppm，二甲苯含量低于 2.3ppm，乙苯含量低于 2ppm 即可認(rèn)為其對(duì) 人體無(wú)害,即 0.09mg/m3。 (3)氨(NH3)是一種無(wú)色而具有強(qiáng)烈刺激性臭味的氣體

40、，比空氣輕(比重 0.5)， 當(dāng)濃度高于 5.3ppm 時(shí)可以被健康成年人感覺(jué)到。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。 室內(nèi)空氣中的氨主要來(lái)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(lái)。另外，氨也可來(lái)自室內(nèi)裝飾材料。目前主要使用國(guó)家衛(wèi)生部門(mén) 1995 年制定的公共場(chǎng)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，所以國(guó)家規(guī)定每立方米空氣中氨氣不得超過(guò) 0.2 毫克12。 第三章 室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì) 3.1 室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)簡(jiǎn)介 基于 AT89S52 的

41、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。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。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。室內(nèi)智能空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀體積小，功 耗低，操作簡(jiǎn)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。 3.1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理 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，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3

42、.1 所示。室內(nèi)空氣中有害 氣體甲醛、苯、氨分別通過(guò)傳感器組中的傳感器 1、傳感器 2、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(guò)放大濾波后通過(guò)多路轉(zhuǎn)換器 分時(shí)間段進(jìn)行采樣保持,最后經(jīng)過(guò) 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。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。若被測(cè)室內(nèi)空氣中甲醛、苯、氨的濃 度某種有超過(guò)國(guó)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)。 圖 3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.1.2 AT89S52 單

43、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(guò)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。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。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。 二是要有較高的性價(jià)比。由于 MCS-51 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

44、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。 AT89S52 單片機(jī)是 AT89S 系列單片機(jī)中的一種，圖 3.2 是一般常用的雙列直 插式，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。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。 圖 3.2 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(xiě)周期；256 字節(jié)片內(nèi) RAM；工作電壓 4.0V 到 5.5V；全

45、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 Power-down 模式；Power-down 模式支持中斷喚醒；看門(mén)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(guò)程中具備更高的穩(wěn)定性和電磁抗干擾性。首先，AT89S52 支持 ISP 在 線編程，這使生產(chǎn)及維護(hù)更為方便。其次，AT89S52 內(nèi)部增加了片內(nèi)看門(mén)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。最后，AT89S5

46、2 運(yùn)行速度 更高，最高晶振可達(dá)到 33MHZ。正因?yàn)?AT89S52 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(guò)多或傳感器輸入信號(hào)過(guò)多而引起的信號(hào) 失真、電磁干擾等現(xiàn)象的發(fā)生。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。而且，從經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)看，AT89S52 不但硬件結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，而且價(jià)格低、功能好、性價(jià)比高，符合我國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)制造的要求1314。 3.1.3 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。硬件連接圖如圖 3.3 所示，其中 89S52 的 P0

47、口做擴(kuò)展用，P1 口做 通道選擇，P2 口控制 LCD1602 顯示。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。 圖 3.3 8255A 與 AT89S52 的硬件連接圖 3.2 傳感器的選用 3.2.1 氣體傳感器 1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。 (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

48、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

49、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

50、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 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15。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。 2.定電位電解式氣體傳感器 傳感器元件是準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)甲醛、苯、

51、氨氣氣體濃度的關(guān)鍵。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(kāi)始普及。 定電位電解氣體傳感器通常是由浸沒(méi)在液體電解液中的三個(gè)電極構(gòu)成,其結(jié)構(gòu) 圖如圖 3.4 所示。 圖 3.4 定電位電解式氣體傳感器結(jié)構(gòu)圖 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(guò)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。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(guò)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。傳

52、感器的工 作過(guò)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)。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。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;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。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。 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。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。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,

53、因而傳感器的響應(yīng)可以得到進(jìn)一步優(yōu)化。傳 感器的輸出是一個(gè)正比于氣體濃度的線性電流差。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。 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。MiniPac 系列定電位電解式氣體傳感器簡(jiǎn)單內(nèi)部原理如圖 3.5 所示，其典型接法如圖 3.6 所示。 圖 3.5miniPac 系列傳感器內(nèi)部簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)原理圖 圖 3.6 定電位電解式氣體傳感器接口 定電

54、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(guò)較好的匹配才能體現(xiàn)出來(lái)。 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。 (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)。一般的輸出標(biāo)準(zhǔn)為 0.5A/ppm，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

55、。傳感器的輸出 信號(hào)隨使用時(shí)間的增加而降低,一般來(lái)說(shuō)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。圖 3.7 為定電位電解式傳感器輸出信號(hào)與對(duì)應(yīng)氣體濃度 的典型曲線，可見(jiàn)其線性度是比較好的。 (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。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。 圖 3.7 氣體濃度與輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)曲線 圖 3.8 定電位電解式傳感器時(shí)間響應(yīng)曲線 (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

56、t90 所 需的時(shí)間。一般傳感器指標(biāo)給出的指擴(kuò)散式的響應(yīng)時(shí)間,如95RH)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。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。 圖 3.10 SHT11 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 微處理器是通過(guò)二線串行數(shù)字接口與 SHT11 進(jìn)行通信的。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。微 處理器對(duì) SHT11 的控制是通過(guò) 5 個(gè) 5 位命令代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的，命令代碼的含義如表 3.1 所列。 表 3.1 SHT 控制命令代碼 命令代碼含義 00011測(cè)量溫度 00101測(cè)量濕

57、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(guò)二線數(shù)字串行接口來(lái)訪問(wèn)，所以硬件接口電路非常簡(jiǎn)單。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(méi) 有要求；當(dāng)工作電壓高于 4.5V 時(shí)，SCK 頻率最高為 10 MHz，而當(dāng)工作電壓低于 4.5 V 時(shí)，SCK 最高頻率則為 1 MHz。硬件連接如圖 3.11 所示 圖 3.11SHT11 的硬件連接圖 3.3 前置放大濾波電路的設(shè)計(jì) 因?yàn)槎?/p>

58、電位電解傳感器所輸出的被測(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。氣體傳感器的輸出信號(hào)范圍為 05A，考慮到所測(cè)信號(hào)的變化速度比較慢，一般為 1020 秒左右。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。 AD623 儀表放大器是美國(guó)模擬器件公司(Analog Devices Inc,簡(jiǎn)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 Rail-To-Rail Output)的最新儀表放大器。主要特點(diǎn)如下。 1.AD623 只使用一個(gè)外接電阻來(lái)設(shè)置增益(G),最高增益可以達(dá)到 1000，

59、從而 給用戶帶來(lái)極大的方便。 2.AD623 具有優(yōu)良的直流特性。增益精度 0.1%(G=1),增益漂移 25ppm(G=1), 輸入失調(diào)電壓最大 100V(AD623B)，輸入失調(diào)電壓漂移 1V/C(AD623B),輸 入偏置電流最大 25nA。 3.AD623 具有優(yōu)良的 CMRR(它隨增益增加而增加)，使誤差最小。 4.AD623 帶寬 800kHz(G=1)。 5.AD623 的輸入共模抑制比范圍很寬，可以放大比地電位低 150mV 的共模電 壓。AD623 單電源供電能達(dá)到最佳性能。 6.AD623 的低功率(電源電流最大 574A)、寬電源范圍和電源限輸出特性非 常適合電池供電應(yīng)用

60、場(chǎng)合。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。 7.AD623 可以取代分立器件搭成的儀表放大器，具有優(yōu)良的線性度、溫度穩(wěn) 定性和小體積可靠性。 8.AD623 儀表放大器采用 8 腳工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝形式，即 DIP、SOIC 和小型 SOIC 三種形式。 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(guò)程控制、低功耗數(shù)采系統(tǒng)及差動(dòng)放大器。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。圖 3.12 所示為 AD623 引腳排列圖。 圖 3.12 AD623 引腳排列圖 圖 3.13 AD623 簡(jiǎn)化原理示意圖