基于单片机的智能室内监控仪

摘要:本文首先提出了论文研究的目的和意义，人们对室内环保的研究已进行了很长的时间，对室内环保有一个初步的了解，知道了特定污染物与疾病的关系，但是没有对室内环保进行全方位的研究。当今，随着建筑结构的封闭化和室内办公人员的增加，室内环保也就显得越来越重要。国内外对室内环保监测研究已经有30多年了，对各种空气污染指标以及综合指标都有一套规定，但便携快捷的监测方法还没普及，本课题就是基于便携快捷的基础上提出来的室内空气环保监测。设计一种基于AT89S52超低功耗单片机的便携式智能室内环保监控仪,详细阐明了监控仪及传感器的工作原理,实现可自动在线监测与控制的功能。该监控仪充分利用AT89S52单片机的特点，具有电路设计新颖、参数测量准确、操作方便等特点,可广泛应用于室内空气质量的监测与控制处理。文中以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景，介绍一种通用性很强的便携式智能室内环保监控仪。它的核心是AT89S52超低功耗单片机，实现对室内空气中有毒有害气体苯、甲醛、氨气浓度参数的采集处理、存储、显示、通信、报警和排气扇的控制等功能。文中详细阐述了监控仪及传感器的工作原理、硬件结构、软件流程等相关技术，并指出该仪器的特点和优势。关键词:AT89S52单片机;监控仪;电路设计;室内空气目录摘要错误！未定义书签。ABSTRACT错误！未定义书签。目录第1章XXXX...XXXXXXXXXXXXXXXXXXX.XXXXXX第2章XXXXXX错误！未定义书签。...错误！未定义书签...错误！未定义书签...错误！未定义书签...错误！未定义书签错误！未定义书签。2.1XXXXXX错误！未定义书签。2.1.1XXXXXX错误！未定义书签。结论错误！未定义书签。参考文献参考文献错误！未定义书签。致谢错误！未定义书签。附录错误！未定义书签。第1章绪论1第一章绪论课题的目的及意义室内环保的重要性人们对室内环保的研究已进行了很长的时间，对室内环保有一个初步的了解，知道了特定污染物与疾病的关系，但是没有对室内环保进行全方位的研究。当今，随着建筑结构的封闭化和室内办公人员的增加，室内环保也就显得越来越重要。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。现己查明，受污染的室内空气中除了一些我们所熟知的有毒有害物质外，还存在着其它30余种致癌物质，其中主要有多环芳烃及其衍生物、重金属、石棉和放射性氛及其子体等。美国环保署(EPA)调查表明:在美国，室内环保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］。从我国“室内环境监测中心”对室内环保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。特别是2003年SARS(ServerAcuteRespiratorySyndrome)非典型肺炎病毒的出现，对暖通空调及相应专业提出新的挑战。室内环保在健康方面的影响：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;台湾成功大学郭育良教授的研究表明:由于环境因素，1940年男性每毫升精液平均精子量为1.2亿只，到1990年己下降至0.66亿只，近年还在下降。郭教授预言，如无良好改善，至2040年，人类可能丧失生育能力;据统计，我国每年有11万人因IAQ不好而导致死亡；据《健康时报》报道，由中华预防医学会组织召开的首届“全国室内空气质量与健康学术研讨会”透露：目前发展中国家有近200万例超额死亡可能由IAQ不好所致，全球约4%的疾病与此相关［2］。室内环保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室内环保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室内环保不佳，造成医疗费、生产力和机电费的损失，每年高达176亿元。鉴于此，人们己经认识到解决室内环保问题的重要性与迫切性，室内环保问题已成为当前建筑环境领域内的一个研究热点。课题研究目的及意义随着人们生活水平的提高，人们对环境的要求也日益提高，所以空调的应用也越来越广泛，然而为了节能，室内封闭性也越来越高，从而导致了一些负面作用:20世纪80年代以来，国内外报刊杂志上频繁报道SBS(SickBuildingSyndrom)建筑物综合症、BRI(BuildingRolatedIlliness)建筑物关联症和MCS(MultipleChemicalSensitivity)化学物资过敏症等相关消息;进入信息年代以后，人们居住在室内的时间大大的延长了，据估计，一个人平均90%的时间在室内度过。特别2003年SARS非典型肺炎病毒的出现，我们更要加快对IAQ研究的步伐［3］。在参考阅读了大量有关室内环保的学术文献后,了解到目前对IAQ的研究局限在以下几个层次:(1)发现问题，但没有解决问题;(2)提供了某一时刻的静态结果，没有给出长期的发展趋势。随着人们对室内环保认识程度的加深，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?在当前具备一定经济实力的情况下，人们愿意投入一定的资金，以换取一个良好的室内环境。目前，室内环境监测具有费用低，速度快等优点，但单纯的监测不能满足高端用户监测和控制同时进行的需求，不能提供经济可行的控制措施，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。另一方面，采用量化监测和主观调查结合的手段进行评价室内环保，量化监测是指直接测量室内污染物浓度来客观了解、评价室内环保,而主观评价则是指利用人的感觉器官进行描述与评判工作。本文基于量化监测，提出“室内多功能空气品质监测仪”系统，此系统集监测，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。国内外的研究状况1.2.1国内研究状况人们最初认识室内环保问题，以人体排出的二氧化碳、体臭以及烟雾作为研究对象，并根据研究，提出了最小通风换气率。70年代，由于世界性范围的节能，建筑物加强了气密性，减少了新风量，同时由于有机合成材料和新设备的广泛使用，使得挥发性有机化合物大量散发，因此IAQ大大降低，出现了病态建筑综合症(SBS)等与此有关的病状。自1986年开始，同济大学的沈晋明教授一直从事IAQ方面的研究,他对上海许多办公楼进行了主观与客观的研究，了解了IAQ的现状，同时提出了IAQ评价的方法及标准，也提出了改善IAQ的策略；重庆建筑大学及其它相关单位的学者也提出IAQ对新风量的确定及新风处理的重要性［4］。我国对室内环保的研究已有30多年，尤其是近十年我国投入大量的人力与物力，开展了大量实测工作与调查研究，主要有以下几个方面:各种室内环保标准的制订:我国近几年才强烈意识到IAQ的重要性，但是国家没有健全的相关法律、法规，这就为IAQ的评价及控制带来了难度。近年来，许多政府部门开始进入原来主要是由卫生部门主管的室内环境领域。国家质监总局和建设部、环保总局、卫生部等颁布了多部有关室内空气质量、室内装饰装修材料、监测方法的标准，如《室内环境质量评价标准》、《民用建筑工程室内环境污染控制规范》和《室内建筑装饰装修材料有害物质限量》等。各地成立了许多“室内环境监测中心”并开展监测业务:如上海成立的经上海市技监局认证的室内环境监测实验室。全国各地召开多次与此相关的专业性会议:如2001年10月在长沙召开了由湖南大学、香港城市大学及国际能源组织、世界卫生组织、国际建筑联盟、ASHRAE等国内外十几个组织举办的“第四届室内空气品质、通风与建筑节能国际学术会议”;1999年11月在番禺召开了由中国建筑学会暖通空调委员会通风学组举办的“99，室内空气品质改善措施研讨会”；上海环境科学学会于1998年12月在上海召开了“上海室内环境空气污染防治和对策研讨会”;中国科协工程学会联合会成立了室内环境质量专业委员会，于2001年5月在昆明召开了“全国首届室内环境质量研讨会”，并在2002年11月在广州召开了“全国第二届室内环境质量研讨会”，其间还在上海、北京等地举办了多次专家论坛等。室内各种污染物的监测方法:一些常见的污染物的监测方法比较成熟。但对于某些污染物，如可挥发性的有机物，还存在着一些问题。尤其各种材料中有机物的挥发过程不同，这就为准确监测某一些污染物带来了困难。目前国内对挥发性有机物的定性、定量主要采用仪器法，如色谱仪或色谱一质谱联用仪，还有以传感器技术为基础的各种测定仪。室内空气质量的评价:对室内空气品质的评价主要采用主观和客观评价相结合的方法。客观评价可采用纳米材料光触媒分解VOC进行实测，但目前国内产品的功能均不能达到要求。客观评价也可在具有强扰动的条件下，有组织通风进行CFD和模拟试验的比较，但CFD的计算分析结果要用实验来验证，该方法还在进一步研究中。室内污染源的控制:我国目前对此方面研究较热门。因为大量文献表明室内污染的主要来源是装修材料，所以现有许多关于室内装饰装修材料的标准相续出台。我国的限量标准见附表。最可喜的是在污染源的控制过程中对IAQ提出了过程动态控制理念。空调净化技术研究:此项技术很必要，由于许多室内环境处于严重的污染状态，目前的净化技术有机械过滤、静电除尘和吸附剂等。研究主要在两方面展开，一是发展高效吸附剂，二是开发新技术。室内污染物对健康的影响:生物标识物的研究:人们对IAQ的感知与许多因素有关。协同效应研究:随着分析手段的进步，可以监测的污染物已有数百种，浓度不同，对人体的毒性各异。研究工作主要有两方面:其一是对于引起明显病症的空间，确定主要的污染物;其二是监测出污染物和种类后建立起对人体危害的预测模式。将各类污染物的毒性简单相加是常用的处理方式，但各类污染物之间的协同效应也时有发生，还要对此现象做深入的探讨。建筑物综合症：目前关于这方面的研究较少，大多数只是对综合症产生的原因及症状进行介绍。主要原因是新风量及质没达到要求。暖通界目前正在致力解决此问题。但是与国外相比，我国实测与调查研究的规模还较小，深度还不够。在理论研究上缺少多学科的综合研究，难以进一步的突破［5］。国外研究状况1978年，丹麦哥本哈根召开了关于室内空气品质的国际会议(InternationalConferenceonIndoorAirQualityClimate),并决定以后每三年举行一次。80年代中期，美国EPA的工作重点由室外大气转向室内空气。西方各国，包括欧共体和北大西洋公约组织成员国也开展了室内环保的研究。1991年，ASHRAE与国际建筑研究学会(CIB)联合举办了健康建筑与IAQ的国际会议(HealthyBuilding/IAQ'91),1997年，该会议在华盛顿召开，目的是为了获取信息，使会员对室内环保和SBS在各类非工业建筑中的状况了解。从1992年开始，己有34场以室内环保为主题的国际性会议在美国召开。此外与此相关的国际组织、国际会议、刊物及网站也很多。90年代早期，美国开始采用ASHRAE标准62-1981规定，提高2-4倍的新风量，而且按照ASHRAE62-1989标准规定，相对湿度控制在30%-60%,并首次提出了可接受的室内空气品质(acceptableindoorairquality)和感受到的可接受的室内空气品质(acceptableperceivedindoorairquality)等概念.此外，在美国能源部的推动下，美国燃气研究所(IGT)、

国家太阳能研究所、伊里诺理工学院、佛罗里达太阳能研究中心、乔治亚理工学院和密苏里大学都投入了大量人力、物力进行广泛除湿技术研究，来提高IAQ。其它经济发达国家也十分重视IAQ的研究。如英、日、欧洲诸国都投入了较大的力量，甚至由政府出面，联合有关管理部门组成由暖通空调工程设计人员、建筑物业主和安全卫生人员构成的研究班子，对IAQ问题进行理论研究、实际分析和大量的实验，并且开展了对IAQ的主观评价和有关参数的测定。综观70年代末以来召开的IAQ的国际学术会议的论文集可以了解到，国际学者研究方向主要是：IAQ对人体的健康、舒适、行为功能、效率的影响；IAQ的特征、建筑物与空调系统对IAQ的影响等；同时也进行了多方面、多学科、全方位的深入研究[6]。便携式室内环保监控仪的工作原理便携式室内环保监控仪的工作原理如图1所示。室内空气中有害气体甲醛、苯、氨分别通过传感器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,该信号通过多路转换器分时间段进行I/V转换,最经过A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送入CPU[1]。CPU对采样值进行数字处理后驱动显示器分别显示出被测室内空气中的甲醛、苯、氨的浓度值。若被测室内空气中甲醛、苯、氨的浓度超过国家标准或设定的危险值时报警电路发出声光报警信号,同时启动排风设备或接通光触媒灯管。当计算机控制系统需要改变A/D转换的采样时间时,只要发出相应信息,便携式室内环保监控仪即可将测量时间经串行口及通信电路进行更改。可编程看门狗监控电路＜CPU可编程看门狗监控电路＜CPU图1便携式室内环保监控仪工作原理硬件电路设计为了满足用户的需要,能够进行简单便捷的操作,同时还要兼顾体积小、耗电少、精度高的要求,使系统具有抗干扰能力强的特点。硬件电路设计中尽可能选用功耗小、性能稳定的集成电路。2.1微控制器AT89S52微控制器是便携式室内环保监控仪的核心,它完成监控仪的功能设定、测量对象的选择、信号处理存储、状态信息的显示、数据通信、输出、显示、报警等功能。相对于AT89系列单片机，选择通用性强、功耗小、性能良好的8位AT89S52微处理器芯片。它与MCS-51兼容，具有8kB的FLASH存储空间、2kB的E2PR0M、256字节的片内RAM、两个16位的定时器/计数器、可编程串口通讯、可编程看门狗定时器WDT、6个中断源等特点,大大简化了电路的设计［2］。传感器传感器工作原理传感器元件是准确检测甲醛、苯、氨气气体浓度的关键。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(活性电极、参考电极、计数电极)，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，目标气体通过活性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［3］。活性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。在活性电极和计数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，其中参考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压差⑷。最后与前置放大器匹配使用转换为4〜20mA的标准电流信号。传感器的基本性能传感器的基本性能指的是传感器的基本考核指标，它反映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。其指标主要有:输出信号、电极电位、响应时间、响应线形度、测量重复性、抗干扰性、传感器期待寿命。可将上述特性指标分为静态和动态两大类［5］。静态特性是指传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系，包括温度漂移、线性相关度、零点漂移、数据重现性、准确性、选择性等。动态特性是传感器对时间变化的输入量的响应特性、通常指响应时间。为了减小定电位电解传感器存在的交叉反应，提高抗干扰能力，可以采用主动和被动的方法。1)主动方法:合理的电极电位可以使其减小到最低程度;利用传感器矩阵;用计算机软件。2)被动方法:在传感器上安装过滤膜，或针对不同的传感器设计不同的过滤器。2.3多路转换电路采用集成的CD4051芯片实现多选一的功能,即实现CPU对室内空气中有害气体甲醛、苯、氨的检测值进行分时采集数据。其启动地址由AT89S52的P2.6和P2.5来决定。图2是CD4051与AT89S52具体硬件电路图。

图2CD4051与AT89S52硬件图2.4I/V转换电路由于传感器输出是标准的4~20mA的电流信号,为了满足后续电路的需要采用两个运算放大器组成I/V转换电路,采用RCV420集成芯片。同时有效地抑制了输入信号间的共模干扰和串模干扰。图3是RCV420与后继放大电路的原理图。A/D转换电路A/D转换电路采用AD公司生产的AD574芯片，它是快速型12位逐次逼近式A/D转换器，无需外接元器件就可以独立完成A/D转换功能。转换时间15ps~35ps,可以并行输出12位,也可以分8位和4位两次输出。因止匕大大简化了AD574与CPU接口电路，同时转换速度快,而且功耗小。通信电路为了对所采集的数据进行进一步详尽的处理（如分析评估、打印存档、绘制曲线图表、根据外界环境修改报警设定值等），需要将数据从监控仪送到计算机。采用通用的MAX232集成芯片与AT89S52的RXD和TXD构成串行通讯口，它具有远距离、低功耗、高可靠性的调制解调芯片,使用该芯片编程容易、外围电路简单,通信距离可达15米,远远大于其它常用通信芯片的距离，并且小信号传送稳定可靠，克服了模拟传送中小信号失真大的缺点，满足使用要求。图3RCV420的硬件电路图2.7可编程看门狗电压监控电路可编程看门狗电压监控电路选用X25045,该器件将四种功能合为一体，即上电复位控制、看门狗定时器、降压管理以及具有保护功能的串行EEPROM,具有省电特性。在看门狗打开时，电流小于50pA;在看门狗关闭时，电流小于1050pA。它有助于简化应用系统的设计，减少印制板的占用面积,提高可靠性。软件设计监控仪的系统软件采用单片机C语言编制。为了方便程序调试和提高可靠性，软件采用模块化结构程序设计方法,主要包括初始化程序、主程序、定时中断服务程序、串行口中断服务程序、各子程序模块等。主程序完成系统初始化，打开多路转换开关