室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計

1、室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計摘 要：為解決在線監(jiān)測室內(nèi)多種有害氣體存在成本高，不具有實時性，靈活性差等問題，依據(jù) GB/T18883-2002 室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，采用單主機和多分機結(jié)構(gòu)，文章通過電化學(xué)傳感器采集 CH2O、CH4、NH3、CO、可吸入顆粒物和溫濕度等多項參數(shù)，以微控處理器為核心對調(diào)理后的數(shù)據(jù)進行處理，該監(jiān)測儀針對市面上的環(huán)境監(jiān)測裝置參數(shù)單一，不能滿足多點以及實時監(jiān)測等問題而設(shè)計。關(guān)鍵詞：室內(nèi)空氣；實時監(jiān)測； STC12C5A60S2 引言裝修而導(dǎo)致的空氣污染已經(jīng)成為現(xiàn)代危害身體健康的殺手之一，現(xiàn)有的空氣質(zhì)量檢測大部分都是單氣體檢測，對于現(xiàn)在已經(jīng)演變?yōu)樯鐣栴}的空氣質(zhì)量，目前的測量方

2、式還達(dá)不到理想標(biāo)準(zhǔn)。一種儀表只能檢測一種氣體，無法滿足大型建筑物的室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求。文章介紹的監(jiān)測儀，布線簡單，受環(huán)境的干擾小，能夠同時監(jiān)測多種有害氣體，并且顯示速度快，實時性好。可以多點，全面的對居住場所的空氣質(zhì)量監(jiān)測 1 。1 總體設(shè)計方案總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。圖 1 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀整體框架圖文章將介紹系統(tǒng)的硬件電路，這里以氨氣傳感器的調(diào)理電路為例，以及電源電路的設(shè)計和硬件抗干擾技術(shù)。文章以STC12C5A60S2處理器為核心控制器件，系統(tǒng)上電后開機自檢，然后會對甲烷、氨氣、CO、甲醛、溫濕度進行多點實時的檢測并顯示。如果發(fā)現(xiàn)檢測的某項氣體值超標(biāo)，系統(tǒng)會自動啟動報警裝置，通過聲

3、音提示用戶。利用串口發(fā)出控制指令，提醒用戶采取相應(yīng)的措施。該設(shè)計預(yù)留的通訊串口可以與其他高級設(shè)備連接實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。2 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀的硬件設(shè)計2.1 電化學(xué)傳感器的信號調(diào)理電路文章以氨氣傳感器為主進行介紹。由于傳感器輸出的信號非常微弱，電化學(xué)傳感器采集氨氣，并輸出信號，需要對輸出的微弱mV 級的信號放大，文章選擇的運算放大器是OPA333，最終將信號放大到V 級2 。由于傳感器有啟動時間，為了減少預(yù)熱時間，通過J177 進行電路調(diào)整 3 ，信號的調(diào)理電路如圖2 所示。當(dāng)甲醛傳感器感應(yīng)到甲醛氣體時，由電極生成的電流信號得到電壓信號，傳感器輸出電流和電路輸出的電壓關(guān)系為：U=Ix（ R14+R

4、15/RT2）其中 R14 和 R15 的阻值為20k，經(jīng)過 I/V 轉(zhuǎn)換后，傳感器輸出的電流信號從 A 級變?yōu)榉壍碾妷?。由于電化學(xué)型傳感器的特殊性，對應(yīng)的調(diào)理電路的設(shè)計，需要考慮以下幾個方面 4 ：（ 1）傳感器的靈敏度數(shù)量級極低，在一級電路引入電流-電壓轉(zhuǎn)換。（ 2）消除其他氣體的干擾，電化學(xué)型氣體傳感器偏壓是否穩(wěn)定會影響到噪聲和靈敏度，所以提高被測量氣體的選擇性，減少噪聲，保證傳感器工作在最佳點 4 ，采用恒電位控制電路。（ 3）加入調(diào)零電路校正。（4）為了減少傳感器本身導(dǎo)致的噪聲或者 I/V 轉(zhuǎn)換器輸出的噪聲，引入濾波電路。2.2 電源電路設(shè)計文章采用 MCP1700 進行了電壓的轉(zhuǎn)

5、換， 為了實現(xiàn)一氧化碳、甲醛等電化學(xué)型傳感器的3V 供電，需要把 +5V 電源電壓轉(zhuǎn)換成 +3V，選用芯片MAX660，把 +3V 的電源電壓轉(zhuǎn)換成-3V，便得到了 3V 的供電電壓 5 。采用芯片MAX660 將輸入電壓范圍為 +1.5V 到 +5.5V，轉(zhuǎn)換后變成輸出電壓是-1.5V 到-5.5V，而且性能十分穩(wěn)定。2.3 硬件抗干擾技術(shù)系統(tǒng)運行時，會受到內(nèi)部或外部的各種干擾，比如噪聲干擾、放電干擾或者電磁干擾等，所以除了遵守相應(yīng)設(shè)計規(guī)則外，必須采取可行的抗干擾措施，來提高和保證系統(tǒng)的安全性以及可靠性，所以對硬件電路進行布局布線時，還需考慮影響電路電磁兼容性、測量和控制精度和空氣監(jiān)測儀工作

6、穩(wěn)定性的因素 6 。文章采用的硬件抗干擾措施有：（ 1）增大電源線寬度； （ 2）芯片電源端連接去耦電容；（ 3）模擬地與數(shù)字地分開布局； （ 4）用電壓跟隨器隔離進入 A/D 之前的信號；（ 5）在電源和地線之間加入去耦電容，防止抗干擾能力弱的芯片或關(guān)閉電源時變化大的芯片； （ 6）電源輸入端接 100 F 的電解電容；（ 7）設(shè)置專門的硬件復(fù)位電路。3 結(jié)束語該儀器是集環(huán)境污染，安全和溫濕度為一體的多點監(jiān)測的便攜式測量儀。適合居家環(huán)境測量以及安全報警，該設(shè)計的創(chuàng)新在于，把室內(nèi)空氣和安全報警集合為一體，采用多種電化學(xué)傳感器的組合，解決了目前室內(nèi)氣體測量種類單一的問題。參考文獻(xiàn)1 裴志剛，朱立 .室內(nèi)裝修甲醛的危害及測量方法 J.實驗技術(shù)與管理， 2005， 22（6）： 127-128.2 周安 .電化學(xué)氣體傳感器工作電路的設(shè)計 J.首都師范大學(xué)學(xué)報， 1997，18： 134-135.3 張維 .一種高精度信號處理電路 J.自動化儀表， 2001，70（ 12）： 7-8+245-246.4 趙繼文，何玉彬 .傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計 M. 北京：科學(xué)