基于单片机的室内空气质量检测.doc

天津工业大学天津工业大学 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题目 室内便携式智能空气监测仪的设计题目 室内便携式智能空气监测仪的设计 姓姓 名名 上官金霞上官金霞 学学 院院 机械工程学院机械工程学院 专专 业业 测控技术与仪器测控技术与仪器 指导教师指导教师 张宏杰张宏杰 职职 称称 讲师讲师 2011 年年 06 月月 06 日日 天津工业大学毕业设计 论文 任务书 题目题目室内便携式智能空气监测仪的设计 学生姓名学生姓名上官金霞学院名称学院名称机械工程学院专业班级专业班级测控 072 课题类型课题类型设计类 课题意义课题意义 由于建筑材料品质不一 劣质燃料 通风不良等原因 室内的空气状况往往 不如室外 尽管空调系统被应用到室 但为了节能 减少了自然通风 使室内空 气品质进一步恶化 目前 对于室内环境监测仪表有很多种 成本不是很高 监 测速度较快 但大数产品只是用来监测 不具备自动调节室内空气质量的能力 实际上 单纯的监测不能提供经济可行的空气质量调节措施 只有以控制作为监 测的后备支持 监测工作才可以深入持久地开展下去 才能达到监测和控制的有 机结合 因此 本系统旨在实现室内空气温度 湿度 有害气体的监测及自适应 智能调节 为人类营造一个健康的室内生存空间 任务与进任务与进 度要求度要求 任务任务 1 选择合适的单片机 进行单片机主电路设计 2 完成传感器 信号调理 键盘 显示 声光报警 智能控制等接口电路设计 3 编写各模块子程序 proteus 软件仿真 和实物调试 进度要求进度要求 第 1 3 周 实习 查询相关资料及总体方案设计 第 4 周 开题报告 第 5 6 周 气体 温湿度传感器选型 绘制原理电路图和 PCB 图 第 7 10 周 编写气体 温湿度采集等程序并通过 proteus 调试仿真 第 11 13 周 购买元器件 动手焊接电路板并下载程序实物调试 第 14 周 写论文及外文翻译 第 15 周 修改论文 第 16 周 准备答辩 主要参考主要参考 文献文献 1 彭军 传感器与监测技术 M 西安 西安电子科技大学出版社 2003 74 95 2 张齐 杜群贵 单片机应用系统设计技术 M 电子工业出版社 2004 117 128 3 张道德 单片机接口技术 C51 版 M 中国水利水电出版社 2007 230 247 4 戴仙金 51 单片机及其 C 语言程序开发实例 M 清华大学出版社 2008 379 403 起止日期起止日期2 月 21 日 6 月 6 日 备注备注 院长院长 教研室主任教研室主任 指导教师指导教师 毕业设计 论文 开题报告表毕业设计 论文 开题报告表 20112011 年年 3 3 月月 1212 日日 姓名姓名上官金霞学院学院机械工程学院专业专业测控班级班级 072 题目题目室内便携式智能空气监测仪的设计指导教师指导教师张宏杰 一 一 与本课题有关的国内外研究情况 课题研究的主要内容 目的和意义 与本课题有关的国内外研究情况 课题研究的主要内容 目的和意义 随着人们生活水平的改善和提高 建筑结构的封闭化室内办公人员的增加 Indoor Air Quality IAQ 室内空气品质的研究吸引了越来越多人的关注 目前 对于室内环境监测具仪表已经 有很多种 虽然此类仪表成本不是很高 监测速度较快 但是绝大数产品只是用来监测 不具备自动 控制调节室内空气质量的能力 实际上 单纯的监测不能提供经济可行的空气质量调节措施 因此只 有以控制作为监测的后备支持 监测工作才可以更深入持久地开展下去 才能达到监测和控制的有机 结合 尽快为人们创造良好的室内环境 因此 本文基于量化监测 提出 室内便携式智能空气品质 监测仪 系统 此系统旨在实现室内空气温度 湿度 有害气体的预警监测及自适应智能调节 利用 MCU 进行数据采集保证了前台数据的及时 准确 有利于进行全方位的评价 为人类营造一个健康的 室内生存空间 本课题主要内容如下 1 IAQ 以及温湿传感器选择 2 信号采集模块设计 3 单片机主控电路的设计 4 系统程序设计 二 进度及预期结果 二 进度及预期结果 起止日期起止日期主要内容主要内容预期结果预期结果 第 1 3 周 第 4 周 第 5 6 周 第 7 10 周 第 11 13 周 第 14 周 第 15 周 第 16 周 实习 查询相关资料及总体方案设计 开题报告 气体 温湿度传感器选型 绘制原理电路图和 PCB 图 编写气体 温湿度采集等程序并通过 proteus 调试仿真 购买元器件 动手焊接电路板并下载程序实物调试 写论文及外文翻译 修改论文 准备答辩 确定总体方案 完成 完成电路图 仿真成功 做出实物 完成论文 完成 答辩顺利 完成课题的完成课题的 现有条件现有条件 计算机 图书馆 网络论坛以及一些相关材料 审查意见审查意见 指导教师 指导教师 年年 月月 日日 学院意见学院意见 主管领导 主管领导 年年 月月 日日 天津工业大学本科毕业设计 论文 评阅表 设计类 设计类 毕业设计 题目 室内便携式智能空气监测仪的设计 学生姓名上官金霞学生班级测控 072指导教师姓名张宏杰 评审项目指标满分评分 能体现本专业培养目标 题目大小 难度适中 学生工 作量饱满 能得到较全面训练 10 选题 题目与生产 科研等实际问题结合紧密 10 课题调研 文献检索 能独立查阅文献以及从事其它形式的调研 能较好地理 解课题任务并提出实施方案 有分析整理各类信息从中 获取新知识的能力 15 外文应用能正确引用外文文献 翻译准确 文字流畅 5 设计图纸 插图 简洁 规范 无差错 设计栏目齐全 合理 能正确使用国家标准单位 15 设计说明书 论文 结构严谨 表达清楚 文字通顺 用语正确 基本无错别字和病句 书写格式符合规范 15 能根据毕业设计目标进行实验设计 对数据的运算及处 理正确无差错 对实验结果的分析准确 20 设计说明 书 论文 设计具有创新性或实用价值 10 合计100 意见及建议 评阅人签名 评阅人签名 年年 月月 日日 天津工业大学毕业设计 论文 成绩考核表 学生姓名学生姓名上官金霞学院名称学院名称机械工程学院专业班级专业班级测控 072 题目题目室内便携式智能空气监测仪的设计 1 毕业设计 论文 指导教师评语及成绩 毕业设计 论文 指导教师评语及成绩 指导教师签字 指导教师签字 年年 月月 日日 2 毕业设计 论文 答辩委员会评语及成绩 毕业设计 论文 答辩委员会评语及成绩 答辩主席 或组长 签字 答辩主席 或组长 签字 年年 月月 日日 3 毕业设计 论文 总成绩 毕业设计 论文 总成绩 a 指导教师 给定成绩 b 评阅教师 给定成绩 c 毕业答辩成绩 总成绩 a 0 5 b 0 2 c 0 3 成绩 成绩 成绩 成绩 摘 要 随着我国经济的发展 人民生活水平的提高 人们对环境问题及健康问题 日益重视 室内空气品质 IAQ 状况受到越来越多的关注 人的一生中有三分 之二的时间是在居室内度过的 本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是 以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景 是以 ATMEL 工公司的一款 8 位超低功耗单片机 AT89S52 为控制核心 能够实现对室内温度 湿度 甲醛 苯和氨的实时采集处理 显示 报警等功能 仪器采用锂电池供电 具有良好 的便携性和通用性 并且使用 LCD1602 点阵式液晶屏显示菜单 有良好的人机 对话界面 同时设计了声光报警系统 实现在参数超标时及时的报警 室内智 能空气品质监测仪体积小 功耗低 操作简单 适合应用于家庭和社区的医疗 健康保健 能够实时知道室内空气的质量 关键词 AT89S52 室内空气品质 LCD 显示 温湿度 甲醛 ABSTRACT With the development of our national economy and improvement of people s 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 people s life time is spent in the living room In this paper Indoor Air Quality Portable Intelligent 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 Equipment 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 Indoor 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 I 目 录 绪 论 1 1 1 课题的目的及意义 1 1 1 1 室内空气品质 IAQ 的重要性 1 1 1 2 课题研究目的及意义 2 1 2 国内外的研究状况 2 1 3 本文的主要研究内容及总体方案设计 3 1 3 1 本文的主要研究内容 3 1 3 2 总体方案设计 3 第二章 室内空气品质基本介绍 4 2 1 室内空气品质及认识 4 2 1 1 室内空气研究的背景 4 2 1 2 室内污染物种类及来源分析 4 2 1 3 室内空气品质的几点认识 5 2 2 室内空气品质的监测方法及改善空气品质的方法 5 2 2 1 室内空气品质监测方法 5 2 2 2 改善空气品质方法 6 2 3 室内空气品质测试指标的选定 6 第三章室内空气品质监测仪的硬件设计 8 3 1 室内空气品质监测仪系统简介 8 3 1 1 系统硬件结构及原理 8 3 1 2 AT89S52 单片机简介 9 3 1 3AT89S52 单片机与其扩展 10 3 2 传感器的选用 10 3 2 1 气体传感器 10 3 2 2 温湿传感器 14 3 3 前置放大滤波电路的设计 17 3 4 模数转换电路的设计 20 3 5 声光报警电路的设计 21 3 6 液晶显示电路设计 21 3 7 复位电路设计 22 3 8 电源电路设计 23 3 9 本章小结 23 第四章 室内空气品质监测仪的软件设计 24 4 1 系统软件设计思路 24 4 1 1 编程语言的选择 24 4 1 2 软件功能需求 24 4 2 软件模块设计 26 4 2 1 主程序模块 26 4 2 2 AD 转换模块 26 4 2 3 液晶显示模块 27 4 2 4 声光报警模块 28 4 3 本章小结 28 第五章 仿真调试 29 5 1 PROTEUS 软件仿真调试 29 5 1 1 显示电路调试 29 5 1 2 键盘电路以及气体测量电路调试 29 5 1 3 温湿度测量电路调试 30 5 1 4 声光报警电路调试 32 5 2 实物调试 33 5 3 本章小结 36 第六章 结论与展望 37 6 1 主要结论 37 6 2 展望 37 参考文献 38 附 录 39 附录一 原理电路图 39 附录二 PCB 板 40 附录三 程序清单 41 附录四 外文翻译 50 致 谢 65 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 1 绪 论 1 1 课题的目的及意义 1 1 1 室内空气品质 IAQ 的重要性 随着科学技术 生产条件 生活水平的改善和提高 建筑结构的封闭化室内 办公人员的增加 Indoor Air Quality IAQ 室内空气品质的研究吸引了越来 越多人的关注 美国科学家在 80 年代末的一项调查中发现 室内有害污染物浓 度比室外高 有的甚至高达 100 倍 我国有关部门在 1994 年的一次调查中也发 现 城市室内空气的污染程度比室外严重 有的超过室外 56 倍 据估计 人的 一生平均 90 的时间在室内度过 室内作为现代人类最主要的活动场所之一 其 环境品质与人类健康息息相关 由此造成的病态建筑综合症 SBS Sick Building Syndrome 现代都市病 包括头痛 恶心 疲乏 失眠 记忆力衰退 皮肤 粘 膜有刺激感 眼红 流泪 咽干 呼吸紊乱等也越来越突出 IAQ 在健康方面的影响 美国环保署 EPA 调查表明 在美国 IAQ 问题是有 关全民健康的首要问题之一 受其影响的美国人口多达 3000 万 造成的经济损 失超过了 400 亿美元 年 这些数字令人触目惊心 1 加拿大卫生组织调查表明 68 的疾病与室内环境污染有关 其中 80 90 的癌症与居住环境和生活习惯有 关 英国科学家汉密尔顿测验了 220 名英国人血液中 60 种化学元素的平均含量 发现其与地壳中这些元素的含量分布相当 湖南省相关部门对空气污染区及清洁区 9 10 岁儿童为调查对象 研究空气污染对儿童免疫力的影响 结果显示 污染区儿 童的免疫能力仅为清洁区儿童免疫能力的 1 3 据统计 我国每年有 11 万人因 IAQ 不好而导致死亡 从我国 室内环境监测中心 对 IAQ 监测力度越来越大的趋势 也可以看出 此问题在我国也是越来越严重 IAQ 在工作效率及社会经济方面的影响 美国 职业安全及健康管理局 估 计因室内环境质量恶劣而导致每个员工每天损失 14 15 分钟的工作时间 不仅损 失了生产力 使成本上升 而且也导致医疗费用的增多影响整个社会的经济利益 美国的另一项调查得知由于 IAQ 恶劣而导致总经济成本的损失每年高达 47 54 亿 美元 没有包括对建筑材料及各种器材的损失 香港环保署的首份 IAQ 调查表明香 港办公室和公共场所的 IAQ 不佳 造成医疗费 生产力和机电费的损失每年高达 176 亿元 2 3 鉴于此 人们认识到解决 IAQ 问题的重要性与迫切性 同时 IAQ 问题已经成 为建筑环境 医药卫生 智能监测 自动控制等研究领域所关心的问题 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 2 1 1 2 课题研究目的及意义 目前由于建筑材料品质不一 劣质燃料 抽烟 通风不良等原因 室内的空 气状况往往不如室外 尽管大量的空调系统被应用到室内空间 但往往为了节能 减少自然通风了而利用回风 使 IAQ 进一步恶化 同时出现的舒适性空调仅着眼 于热舒适 忽视了空气净化 从而导致了一些负面作用 SBS Sick Building Syndrom 建筑物综合症 BRI Building Rolated Illiness 建筑物关联症和 MCS Multiple Chemical Sensitivity 化学物资过敏症等 4 随着人们对 IAQ 认识程度的加深 以及健康保健知识的发展 人们不仅希望 知道是什么污染物在作怪 更希望知道污染的浓度水平如何 这种浓度会对健康 造成什么短期和长期危害 对存在的污染应该如何控制治理 在这种情况下 设计开发一套空气质量监测仪表是有现实意义的 目前 对 于室内环境监测具仪表已经有很多种 虽然此类仪表成本不是很高 监测速度较 快 但是绝大数产品只是用来监测 不具备自动控制调节室内空气质量的能力 实际上 单纯的监测不能提供经济可行的空气质量调节措施 因此只有以控制作 为监测的后备支持 监测工作才可以更深入持久地开展下去 才能达到监测和控 制的有机结合 尽快为人们创造良好的室内环境 因此 本文基于量化监测 提 出 室内便携式智能空气品质监测仪 系统 此系统旨在实现室内空气温度 湿 度 有害气体的预警监测及自适应智能调节 利用 MCU 进行数据采集保证了前 台数据的及时 准确 有利于进行全方位的评价 为人类营造一个健康的室内生 存空间 1 2 国内外的研究状况 气体传感器测定甲醛成为近年来甲醛检测研究的新热点 早在 1983 年 压 电类甲醛传感器就已问世 这种传感器可以不需要对样品进行任何处理就可以测 定 但易受水分子的影响而使晶体震动频率发生漂移 故基本无实用性 为适应 室内空气甲醛现场快速检测的要求 目前已开发出不少甲醛快速测定仪 这些仪 器可直接在现场测定甲醛浓度 操作方便 适用于室内和公共场所空气中甲醛浓 度的现场测定 也适用于环境测试舱法测定木质板材中的甲醛释放量 但这些仪 器的工作原理 响应性能 适应范围等都不同 在测试甲醛 苯等害气体方面 国外比较出名的有 美国 ESC 公司生产的 Z 一 300 甲醛检测仪 英国 PPM 公司生产的 PPM 400 甲醛检测仪 国内的有 江苏安 普电子工程有限公司生产的 400 型甲醛分析仪 北京宾达绿创科技有限公司生产 的甲醛测定仪抑一 308 等 5 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 3 这些仪器可实现对有害气体的检测功能 适用于专业检测机构或实验研究机 构 准确测定甲醛 苯 氨等有害气体的设备昂贵 如英国 PPM 公司生产的 PPM400 甲醛仪约两万多元 测定时间较长 每隔一段时间就需进行重新标定 需要专业人员进行操作 很难连续测定 6 目前国内外产品的设计差异主要集 中在监测传感器和控制单片机芯片的选用 操作方面国外的产品操作界面方便 功能加完备 7 1 3 本文的主要研究内容及总体方案设计 1 3 1 本文的主要研究内容 本课题主要集中在 IAQ 的监测 显示 报警三个方面 本文内容安排如下 第一章 室内空气品质监测课题的提出及意义 介绍国内外的研究状况及确定 总体方案 第二章 监测系统的具体方案的选择 1 确定监测对象 选择有代表性的监测对 象是进行下一步研究的关键 2 布置采样点 根据选用的传感器的特点 及待测指 标的精度要求布置传感器 3 数据的显示及报警控制系统 第三章与第四章 室内空气品质监测仪的各个硬件模块的设计 介绍在室内空 气品质实验装置基础上设计的具有实际应用价值的室内空气品质监控系统的硬件 与软件组成 第五章 整个系统的仿真调试 第六章 总结本文研究工作以及在研究方面存在的不足 提出了进一步研究的 展望 1 3 2 总体方案设计 本设计集甲醛 苯 氨气以及温湿度监测 显示与报警于一体 利用 MCU 进行数据采集保证了前台数据的及时 准确 有利于进行全方位的评价 仪器采 用锂电池供电 具有良好的便携性和通用性 并且使用 LCD 点阵式液晶屏显示 菜单 有良好的人机对话界面 图 1 1 系统结构框图 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 4 第二章 室内空气品质基本介绍 2 1 室内空气品质及认识 2 1 1 室内空气研究的背景 随着城市人们生活水平的不断提高 各类装饰装修材料 家具和日用化妆品 大量进入室内 使室内污染物的来源和种类日益增多 造成室内空气污染程度在 室外空气污染的基础上更加重了一层 为了节约能源现代建筑物的密闭性增加 新风量不足 加上建筑的密闭性越来越好 使用的人工合成材料越来越多 使得 室内污染物不能及时排除室外 在室内存储 蓄积 造成室内空气恶化 人们在 人工环境中所处的时间越来越长 结果引发了各种与室内环境相关的病症 所谓 凶宅 鬼屋 或 风水不好 的房屋 不少是积累了大量有毒有害物质的缘故 8 在 20 世纪 70 年代末期 认为 IAQ 代表一系列污染物浓度的指标 采用通风 换气等手段稀释污染物浓度 使危害降低 近几年研究表明 IAQ 还包含其它因素 如空气温度 湿度 及气流速度等 同时注意到 IAQ 是一个变量 涉及到设计 施工 和运行管理等多专业 多学科 污染源控制属于起点控制 而通风换气控 制属于终点控制 每种单一的控制都不能解决目前的 IAQ 问题 因此 IAQ 成为 现代建筑科学 医学卫生 建筑环境工程 建筑设计等诸方面的研究课题 9 2 1 2 室内污染物种类及来源分析 室内的污染源大致有五类如表 2 1 所示 表 2 1 室内五大污染源 种类举例 颗粒物可吸入颗粒物 化学污染物甲醛 苯 甲苯 氨气 二氧化硫等 生物污染物生物过敏源 猫狗等 细菌和病毒 放射性污染氡气及其衰变子体 地板等释放的 射线 物理污染噪音 照明不足或过亮 温湿度过高或过低所引起的相关问题 室内污染物的来源主要有如表 2 2 所示的四种来源 表 2 2 室内污染物主要来源 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 5 来源举例 建筑材料形成石棉 氡 氨等污染物 装饰材料产生化学类污染物 人的活动杀虫剂 清新剂 吸烟 饲养宠物等 室外污染物汽车尾气 工厂废气 烟雾等 虽然影响 IAQ 的原因多 但绝大多数由室内环境自身原因造成的 随室内容 积 通风量 自然清除等而不同 IAQ 对健康的影响有以下的特性 1 影响范围 大 几乎涉及所有人群 2 接触时间长 3 污染物浓度低 短期内反应不明显 4 污染物种类多 5 浓度值与健康的关系不明显 10 2 1 3 室内空气品质的几点认识 1 对 室内空气品质问题 的认识与评价方法 对策措施 解决途径与以往 的 室内污染 完全不同 如果不跳出 室内污染 的老框框 难以使室内空气 品质问题有新进展 2 由于 IAQ 问题是由多因子 多途径诱发的 应将 IAQ 看成一个变量 是 设计 施工 维护管理和运行状态综合形成的一个结果 如果单纯强调建筑装修 材料污染控制 起点控制 或仅依赖通风空调 终点控制 是不可能解决 IAQ 问题 只有从设计 施工维护以及运行管理 全过程控制 才可能真正改善室内空气品 质 目前迫切需要多学科协同研究 做一些综合性的大课题 3 我国己经建立了有关 IAQ 方面的标准 应用于新修订的节能暖通规范条 文中 但较为笼统 难以解决具体工程问题 建议全国学会应象美国 ASHRAE 学会一样 单独建立室内空气品质评估 2 2 室内空气品质的监测方法及改善空气品质的方法 2 2 1 室内空气品质监测方法 1 化学分析方法 主要采用空气取样 通过一定的化学反应方法 测定待测的污染物浓度 2 传感器监测方法 选择适当类型的传感器可直接读取待测物的浓度 传感器按原理分为 电阻型 传感器 电感型传感器 电容型传感器 DNA 生物传感器 电化学传感器 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 6 2 2 2 改善空气品质方法 1 开窗通风换气 开窗通风可以始终保持室内具有良好的空气品质 是改善住宅室内空气品质的 关键 Sundell 教授对瑞典 160 幢建筑进行研究 发现新风量越大 发生建筑病综合 症的风险就越小 即使在较寒冷的冬季 也最好能开一些窗户 使室外的新鲜空气 能进入室内 2 合理使用空调 包括三方面的内容 一是合理控制室内的温度湿度 室内外的温差不宜太大 夏季一般温差维持在 6 7 比较合适 有利于人体进行自我调节 冬天 空气较干燥 最好能配备加湿设备 使空气保持湿润 二是现在住宅多使用分体式空调 空气基 本上在室内循环 因此 最好能适当开一点窗引进些新鲜空气 三是对过滤器要经 常进行清洗 既可保证盘管的风量 又能及时清除过滤器上的脏物 3 选用一些室内空气处理设备配合空调一起使用如去湿机 加湿机 过滤器 负离子发生器等 去湿机 加湿机能保持室内适当的湿度 活性碳高效过滤器 能 有效过滤室内的 CO2 CO VOC 颗粒物等污染物 保持室内具有较好的空气品 质 负离子对人体的健康有益 4 辩证地看待现有空调器的一些附加功能所谓空调器的附加功能 如负离子发 生器 冷触媒 高效过滤等功能 对改善室内空气品质有一定的作用 但所起的作 用很有限 不能完全依赖 更何况某些附加功能随着时间的推移 效果会越来越差 有的甚至不起作用 因此 开窗通风换气还是改善室内空气品的重要手段 5 合理选择装修材料及装修方式 尽量选择释放 VOC 较少的装修材料 胶水 涂料 油漆等 并在装修好后 开 窗换气 等室内 VOC 降低至较低程度后再入住 提倡接近自然的装修方式 尽量 少用各种化学及人工材料 尽量不要过度装修 购置新家具后也应开窗换气 向外 散发家具中释放的 VOC 等 除此之外 居住者应在排气 通风 种植植物 不 在室内抽烟 不使用喷雾剂和杀虫剂 以及经常清洁地毯 环境等方面 注意保护 和造就良好的室内空气品质 11 2 3 室内空气品质测试指标的选定 室内污染物种类繁多 不可能逐一测量 研究的思路是用一个典型的污染物 来代表一类污染物 这种污染物称为评价指标 此外 室内空气品质是一个综合 性的指标 要考虑多方面的因子 借鉴目前国内外常用的 IAQ 监测指标 本课题 的监测指标订为温度 湿度 甲醛 苯 氨气五个参量 各指标标准见表 2 3 表 2 23 室内空气监测指标限度 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 7 检测指标单位 浓度 备注 温度 18 28 平均 相对湿度 100 30 70 甲醛 HCHO Mg m3 0 08 苯 C6H6 Mg m3 0 09 氨气 NH3 Mg m3 0 2 甲醛 苯和氨气是室内空气中常见的三种毒气 1 甲醛 HCHO 是一种无色易溶的刺激性气体 沸点 190C 易挥发 所以在 室内空气品质研究中 将其归为 VOC 即挥发性有机化合 Volatile Organic ompounds 甲醛具有强烈刺激性气味 其毒性主要表现在神经系统及呼吸系统 症状 当室内甲醛含量为 0 1 mg m3 时就有异味和不适感 0 5mg m3 可刺激眼睛 引起流泪 0 6mg m3 时引起咽喉不适或疼痛 浓度再高可引起恶心 呕吐 咳嗽 胸闷 气喘甚至肺气肿 当空气中达到 30 mg m3 时可当即导致死亡 甲醛是室内挥发性有机物中最主要污染源 其广泛存在于室内装修材料如壁 纸 地板 油漆 胶水等 我国于 1996 年颁布了 居室空气中甲醛的卫生标准 明确规定居室空气中甲醛的最高允许浓度为 0 6ppm 即 0 08mg m3 2 苯 C6H6 是一种无色具有特殊芳香气味的液体 沸点为 80 C 目前室内 装饰中多用甲苯 二甲苯代替纯苯作各种胶 油漆 涂料和防水材料的溶剂或稀 释剂 苯具有易挥发 易燃 蒸气有爆炸性的特点 人在短时间内吸入高浓度甲 苯 二甲苯时 可出现中枢神经系统麻醉作用 轻者有头晕 头痛 恶心 意识 模糊 严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来自各种建筑材料 油漆 胶和防水涂料 目前我国 对苯及苯系衍生物的室内空气浓度尚没有标准 一般认为苯含量低于 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 即可认为其对 人体无害 即 0 09mg m3 3 氨 NH3 是一种无色而具有强烈刺激性臭味的气体 比空气轻 比重 0 5 当浓度高于 5 3ppm 时可以被健康成年人感觉到 氨是一种碱性物质 它对接触 的皮肤组织有腐蚀和刺激作用 室内空气中的氨主要来自建筑施工中使用的混凝土添加剂 这些含大量氨类 物质的添加剂在墙体中随着温度等环境因素的变化而还原成氨气 从墙体中缓慢 释放出来 另外 氨也可来自室内装饰材料 目前主要使用国家卫生部门 1995 年制定的公共场所卫生标准中的 理发店 美容店卫生标准 因为理发店操作 中经常使用氨水 所以国家规定每立方米空气中氨气不得超过 0 2 毫克 12 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 8 第三章 室内空气品质监测仪的硬件设计 3 1 室内空气品质监测仪系统简介 基于 AT89S52 的室内便携式智能空气品质监测仪是以室内空气中有毒有害气 体的监测监控为背景 能够实现对室内温度 湿度 甲醛 苯和氨的实时采集处 理 显示 报警等功能 仪器采用锂电池供电 具有良好的便携性和通用性 并 且使用 LCD 点阵式液晶屏显示菜单 有良好的人机对话界面 同时设计了声光 报警系统 实现在参数超标时及时的报警 室内智能空气品质监测仪体积小 功 耗低 操作简单 适合应用于家庭和社区的医疗健康保健 能够实时知道室内空 气的质量 3 1 1 系统硬件结构及原理 本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以 ATMEL 工公司的一款 8 位 超低功耗单片机 AT89S52 为控制核心 系统结构如图 3 1 所示 室内空气中有害 气体甲醛 苯 氨分别通过传感器组中的传感器 1 传感器 2 传感器 3 输出一 个与甲醛 苯 氨浓度相对应的电流信号 该信号经过放大滤波后通过多路转换器 分时间段进行采样保持 最后经过 A D 转换电路按一定得采样频率将模拟信号转 换为数字信号送入单片机进行数据采集以便进行显示处理 温湿传感器直接与单 片机相连 单片机对采样值进行数字处理后驱动液晶显示器分别显示出被测室内 空气中的甲醛 苯 氨的浓度值及温湿度 若被测室内空气中甲醛 苯 氨的浓 度某种有超过国家标准或设定的危险值时报警电路对应的发出声光报警信号 图 3 1 系统结构图 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 9 3 1 2 AT89S52 单片机简介 随着计算机技术的发展 单片机因具有集成度高 体积小 速度快 价格低 等特点而在许多领域如过程控制 数据采集 机电一体化 智能化仪表 家用电 器以及网络技术等方面得到广泛应用 从而使这些领域的技术水平 自动化程度 大大提高 根据上述几方面及本课题的实际情况 单片机型号的选择主要从以下 两点考虑 一是要有较强的抗干扰能力 由于一般室内电子电器产品比较多 这对单片 机的干扰较大 所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型 二是要有较高的性价比 由于 MCS 51 系列在我国使用最广且该系列的资料 和能够兼容的外围芯片也比较多 特别是 ATMEL 公司 2003 年推出的新一代 89S 系列单片机 故本文采用 ATMEL 公司生产的 AT89S52 单片机作为本系统控制单 元的核心部件 AT89S52 单片机是 AT89S 系列单片机中的一种 图 3 2 是一般常用的双列直 插式 它是在现己广泛应用于工业控制等各领域的 AT89C52 系列单片机的换代 产品 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 图 3 2 AT89S52 芯片 AT89S52 单片机有以下特点 兼容 MCS51 微控制器 8K 字节 FLASH 存贮 器支持在系统编程 ISP1000 次擦写周期 256 字节片内 RAM 工作电压 4 0V 到 5 5V 全静态时钟 0Hz 到 33MHz 三级程序加密 32 个可编程 I O 口 3 个 16 位定时 计数器 8 个中断源 完全的双工 UART 串行口 低功耗支持 Idle 和 Power down 模式 Power down 模式支持中断唤醒 看门狗定时器 双数据指针 上电复位标志 此外 AT89S52 和 AT89C 系列单片机相比新增加了许多功能 这将使单片 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 10 机在工作过程中具备更高的稳定性和电磁抗干扰性 首先 AT89S52 支持 ISP 在 线编程 这使生产及维护更为方便 其次 AT89S52 内部增加了片内看门狗定时 器 这将有利于坚固用户应用系统 提高系统可靠性 最后 AT89S52 运行速度 更高 最高晶振可达到 33MHZ 正因为 AT89S52 单片机增加了高可靠性 安全 性的功能 所以能避免因外部芯片扩展过多或传感器输入信号过多而引起的信号 失真 电磁干扰等现象的发生 因此 用它作为室内空气品质监测控制完全可以 满足实时监测 报警等要求 而且 从经济性的角度来看 AT89S52 不但硬件结 构简单 而且价格低 功能好 性价比高 符合我国工业设计制造的要求 13 14 3 1 3 AT89S52 单片机与其扩展 设计中采用 AT89S52 单片机作为本系统控制单元的核心部件并采用 8255A 用 作并行接口 硬件连接图如图 3 3 所示 其中 89S52 的 P0 口做扩展用 P1 口做 通道选择 P2 口控制 LCD1602 显示 8255A 的 PA 作输出口控制灯的亮灭 PB 口做输入接收 AD 转换后的数字量 PC 口做输入循环扫描按键是否按下 图 3 3 8255A 与 AT89S52 的硬件连接图 3 2 传感器的选用 3 2 1 气体传感器 1 气体传感器基础知识 按照气敏特性来分 气体传感器主要分为 半导体型 电化学型 固体电解 质型 接触燃烧型 光化学型等气体传感器 又以前两种最为普遍 1 半导体型气体传感器的优缺点 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 11 半导体气体传感器具有成本低廉 制造简单 灵敏度高 响应速度快 寿命 长 对湿度敏感低和电路简单等优点 不足之处是必须在高温下工作 对气体或 气味的选择性差 元件参数分散 稳定性不理想 功率高等方面 2 半导体传感器需要加热的原因 半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件 其电阻随着气体 含量不同而变化 气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化 为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应 传感器内的加热器可 以加速氧化过程 这也是为什么有些低端传感器总是不稳定 其原因就是没有加 热或加热电压过低导致温度太低反应不充分 3 电化学气体传感器的工作原理 电化学气体传感器是通过监测电流来监测气体的浓度 分为不需供电的原电 池式以及需要供电的可控电位电解式 目前可以监测许多有毒气体和氧气 后者 还能监测血液中的氧浓度 电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好 的选择性 不足之处是有寿命的限制一般为两年 4 半导体传感器和电化学传感器的区别 半导体传感器因其简单低价已经得到广泛应用 但是又因为它的选择性差和 稳定性不理想目前还只是在民用级别使用 而电化学传感器因其良好的选择性和 高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合 5 固态电解质气体传感器 顾名思义 固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池 它介于半 导体和电化学之间 选择性 灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学 所以也得 到了很多的应用 不足之处就是响应时间过长 6 接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体 又分为直接接触燃烧式和催化接 触燃烧式 原理是气敏材料在通电状态下 可燃气体在表面或者在催化剂作用下 燃烧 由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化 后者因为催化剂的关系 具有广普特性应用更广 7 光学式气体传感器 光学式气体传感器主要包括红外吸收型 光谱吸收型 荧光型等等 主要以 红外吸收型为主 由于不同气体对红外波吸收程度不同 通过测量红外吸收波长 来监测气体 目前因为它的结构关系一般造价颇高 15 基于本文的实时要求和 性价比等方面的原因 本系统选用电化学传感器中的定电位电解式气体传感器 2 定电位电解式气体传感器 传感器元件是准确监测甲醛 苯 氨气气体浓度的关键 在有毒有害气体监 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 12 测技术中 由于定电位电解传感器具有准确快速 简洁直观的特点 在国外得到比 较普遍的应用 运用定电位电解传感器进行气体监测在国内已经开始普及 定电位电解气体传感器通常是由浸没在液体电解液中的三个电极构成 其结构 图如图 3 4 所示 图 3 4 定电位电解式气体传感器结构图 定电位电解式传感器是一种湿式电化学气体传感器 它通过测定气体在某个确 定电位电解时所产生的电流来测量气体浓度 传感器共有三个电极 对电极 参比 电极 工作电极 浸在液体电解液中 整体密封在一个防化学腐蚀的塑料壳体中 目 标气体通过工作电极邻近的一个气体可渗透薄膜向传感器内部扩散 传感器的工 作过程为 被测气体由进气孔扩散到工作电极表面 在工作电极 电解液 对电极 之间进行氧化或还原反应 其反应的性质依据工作电极的热力学电位和被分析气 体的电化学性质而定 传感器在氧化反应中 电化学反应中参加反应的电子流出工 作电极 在还原反应中 电化学反应中参加反应的电子流向工作电极 流出和流向 工作电极的电流与被分析气体的浓度值成正比 对电极材料的选择原则是 该材料应对目标气体具有最优敏感性 而交叉敏感 度则应降至最低 在对电极和工作电极之间的电压要预先调整好 并由一个外部电 压电路保持 其中参比电极作为电路的反馈控制 相对于选择性而言 由于每一种 目标气体都有其各自独特的电解电压 因而传感器的响应可以得到进一步优化 传 感器的输出是一个正比于气体浓度的线性电流差 最后与前置放大器匹配使用转 换为模数转换的标准电压信号 16 本课题选用德国 Drger 公司生产的 miniPac 系列定电位电解式传感器 该系 列传感器被广泛应用于轻便型报警器和监测器 移动式的监测仪 远程控制的监 测仪 单元与多元组合式智能化的监测器 固定式与壁挂式监测仪及精密型智能 化的监测系统等等 MiniPac 系列定电位电解式气体传感器简单内部原理如图 3 5 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 13 所示 其典型接法如图 3 6 所示 图 3 5miniPac 系列传感器内部简单结构原理图 图 3 6 定电位电解式气体传感器接口 定电位电解式传感器基本性能 定电位电解传感器的基本性能 亦即传感器的基本考核指标 它显示了传感器 的质量和性能 但其大多数性能指标要与前置放大器经过较好的匹配才能体现出来 在使用中要对传感器进行考核的基本指标有如下几种 输出信号 电极电位 响应 时间 响应线性度 测量重复性 抗干扰性 传感器期待寿命等 1 输出信号 定电位电解传感器的输出信号指标非常重要 它不仅为前置放大器的设计提供 了基本参数 而且为今后核实传感器的使用寿命提供了标准 一般的输出标准为 0 5 A ppm 但不同公司生产的传感器输出信号是不同的 同一公司生产的不同传 感器其输出信号也不一定相同 故要根据不同的输出标准来分析 传感器的输出 信号随使用时间的增加而降低 一般来说当其输出信号降至标称值的 50 时 这支 传感器就不能再使用了 图 3 7 为定电位电解式传感器输出信号与对应气体浓度 的典型曲线 可见其线性度是比较好的 2 电极电位 定电位电解传感器的电极电位决定了传感器分析被分析气体的种类 传感器 对各种气体交叉反应的大小以及传感器抗交叉反应的能力 不同公司生产的传感 器给出的电极电位方式也不一样 一般为 mv 级 通常取 0mv 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 14 图 3 7 气体浓度与输出信号对应曲线 图 3 8 定电位电解式传感器时间响应曲线 3 响应时间 该指标是指从传感器接受到被分析气体起计到达到响应值的 90 亦即 t90 所 需的时间 一般传感器指标给出的指扩散式的响应时间 如95 RH 环境中 加热传感 器可预防传感器结露 同时缩短响应时间 提高精度 加热后 SHT11 温度升高 相对湿度降低 较加热前 测量值会略有差异 图 3 10 SHT11 内部结构图 微处理器是通过二线串行数字接口与 SHT11 进行通信的 通信协议与通用的 I2C 总线协议是不兼容的 因此需要用通用微处理器 I O 口模拟该通信时序 微 处理器对 SHT11 的控制是通过 5 个 5 位命令代码来实现的 命令代码的含义如表 3 1 所列 表 3 1 SHT 控制命令代码 命令代码含义 00011测量温度 00101测量湿度 00111读内部状态寄存器 11110复位命令 使内部状态寄存器恢复默认值 下一次命令前至少等 11ms 其他保留 SHT11 通过二线数字串行接口来访问 所以硬件接口电路非常简单 需要注 意的地方是 DATA 数据线需要外接上拉电阻 时钟线 SCK 用于微处理器和 SHT11 之间通信同步 由于接口包含了完全静态逻辑 所以对 SCK 最低频率没 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 17 有要求 当工作电压高于 4 5V 时 SCK 频率最高为 10 MHz 而当工作电压低于 4 5 V 时 SCK 最高频率则为 1 MHz 硬件连接如图 3 11 所示 图 3 11SHT11 的硬件连接图 3 3 前置放大滤波电路的设计 因为定电位电解传感器所输出的被测对象的信号非常的微弱 放大容易引起 电流的失调 以及零点漂移 自激干扰等 气体传感器的输出信号范围为 0 5 A 考虑到所测信号的变化速度比较慢 一般为 10 20 秒左右 所以选用可 以单端供电的仪表放大器 AD623 来实现前端信号放大的任务 20 AD623 仪表放大器是美国模拟器件公司 Analog Devices Inc 简称 ADI 推出的 一种低价格 单电源 输出摆幅能达到电源电压 通常称之为电源限输出 即 Rail To Rail Output 的最新仪表放大器 主要特点如下 1 AD623 只使用一个外接电阻来设置增益 G 最高增益可以达到 1000 从而 给用户带来极大的方便 2 AD623 具有优良的直流特性 增益精度 0 1 G 1 增益漂移 25ppm G 1 输入失调电压最大 100 V AD623B 输入失调电压漂移 1 V C AD623B 输 入偏置电流最大 25nA 3 AD623 具有优良的 CMRR 它随增益增加而增加 使误差最小 4 AD623 带宽 800kHz G 1 5 AD623 的输入共模抑制比范围很宽 可以放大比地电位低 150mV 的共模电 天津工业大学 2011 年本科生毕业设计 论文 18 压 AD623 单电源供电能达到最佳性能 6 AD623 的低功率 电源电流最大 574 A 宽电源范围和电源限输出特性非 常适合电池供电应用场合 电源限输出特性使低电源供电条件下 电源输出级使 其动态范围达到最大 7 AD623 可以取代分立器件搭成的仪表放大器 具有优良的线性度 温度稳 定性