1、 基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 基于单片机的室内多功能检测系统设计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；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，一个 51 单片机的实时操作系统 RTX51tiny将被应用到本系统中，使得本系统实时性更高，性能更可靠；该系统能够实现对室内温湿度、甲醛、CO 和甲烷的实时采集处理、显示及相应的报警等功能。仪
2、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；本设计选用数字化温湿度传感器 DTH11 对室内温湿度测量,CO 和甲烷传感器采用定电位电解式气体传感器所需要的气体进行测量；用单片机控制模拟开关达到对 CO、甲烷及甲醛的交替测量与报警。关键词:室内环空气质量; 温湿度; 数字显示; 安全; 报警基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 Multifunctional M
3、icrocontroller-based indoor-detection system designAbstractWith the development of our national economy and improvement 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-t
4、hirds of peoples 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 and a RTOS called RTXtiny51 which can maintain the reliab
5、ility and the instantaneity of the system will be used into the design.The system 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
6、 versatility, and use the LCD1602 dot matrix LCD screen to display menu, and has a good interactive interface. 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 acquisi
7、tion of indoor air quality.This design uses digital temperature and humidity sensor LTM8901 to measure indoor temperature and humidity , as well as detect gas concentration by using constant potential electrolysis gas sensors, and uses monolithic processor to control analog switch to measure CO,CH4
8、and formaldehyde alternately and give alarm.Key words: IAQ, temperature and humidity,RTOS,digital , safety, alarm基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 目录第一章 绪论 .11.1 室内多功能检测系统的设计背景 .11.2 室内多功能检测系统的设计意义 .2第二章 室内空气品质基本介绍 .42.1 室内空气品质及认识 .42.1.1 室内空气研究的背景 .42.1.2 室内污染物种类及来源分析 .52.1.3 室内空气品质的几点认识 .52.1.4 甲醛的认识 .62.2 室内空气
9、品质的监测方法及 IAQ 标准 .72.2.1 室内空气品质监测方法 .72.2.2 改善空气品质方法 .72.3 IAQ 标准及室内空气主要污染物 .8第三章 硬件系统设计 .103.1 总体设计方案 .103.1.1 系统硬件结构及原理 .103.2 传感器的选用 .103.2.1 气体传感器 .103.2.2 气体传感器采样方法选择 .123.2.3 CO、甲烷传感器 .123.2.3.1 MQ 系列气体传感器的工作原理 .123.2.3.2 MQ 气体传感器的特性 .143.2.3.3 MQ-2 传感器模块 .173.2.4 甲醛常识及甲醛传感器接口模块的设计 .183.2.4.1 甲
10、醛传感器接口模块 .18基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 3.2.4.2 I/V 转换电路的芯片选择 .193.2.4.3 RCV420 的相关参数及工作原理 .203.2.4.4 模数转换电路的设计 .233.2.5 温湿传感器 .253.3 AT89S52 单片机简介 .283.4 电源电路设计 .303.5 声光报警模块 .313.6 键盘电路 .32第四章 软件系统设计 .334.1 软件系统需求框图 .334.2 软件系统的流程图 .34致谢 .37附录 .38附录 A 各个模块的驱动程序 .38附录 B 系统在 Altiumdesigner 中的电路原理图 .54参考文献 .
11、55基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页1 第一章 绪论1.1 室内多功能检测系统的设计背景关于室内空气质量问题，可以追溯到远古时代，以原始人类将火种引入洞穴，引起洞穴烟尘污染为标志；采用科学的办法研究及改善室内空气问题的历史至少可以追溯到 20 世纪上半叶，1939 年美国成立了工业卫生协会（AIHA） ，生产环境对人体健康的影响开始受到社会关注；20 世纪 60 年代的北欧和北美，一些生活场所，如居室、办公室、会议室、医院、旅馆、图书馆、候车（机、船）厅等室的内空气质量开始受到关注，正是在那个时期提出了室内空气质量（IAQ）的概念；当时，促使人们关注室内空气质量问题
12、的原因主要有两个：一是随着环境保护工作的开展和环境科学的发展，人们的环境意识不断加强；二是空调开始普及，为了节省能源，建筑物密闭程度不断提高，门窗开启时间越来越短；同时各种化学制品也开始进入人们的室内生活，导致室内化学污染物浓度提高，如此，长期在室内滞留的人群常常感到不适；正是那时逐渐出现了“病态建筑综合症（SBS） ”和“军团病”等新问题和概念；人们逐渐发现室内空气污染与哮喘和肺癌等疾病的发病率的上升有着比较密切关系，并注意到室内环境质量不一定比室外好，甚至比室外更糟2。随着人们对于室内空气污染问题的不断深化认识，室内环境作为卫生和环境科学的重要组成部分越来越受到重视；与此同时，一些专门从事
13、室内环境检测、宣传教育、学术研究和学术交流、咨询和评估的机构开始形成；如美国工业卫生协会（AIHA）专门设立了室内环境质量(IEQ)委员会；“国际室内空气质量与气候协会(ISIAQ)” 、 “美国绿色建筑委员会(USGBC)”和“室内空气质量协会(IAQA)”也分别于 1992 年、1993 年和 1995 年相继创立；就连北大西洋公约组织(NATO)这样的军事合作组织也在她的科学与环境事务局所属的高级研究中心开展“室内空气质量(IAQ)科学”的研究和教育培训计划，每年都要在缔约国开展室内环境方面的培训工作。同时，室内空气质量的管理机构也开始在发达国家和地区形成，如美国环保局于 1988 年在
14、其空气与辐射司下设立室内空气质量(IAQ)程序办公室，1995基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页2 年又与较早设立的氡分部合并成立了室内环境处，并附设了两个与室内环境相关的国家实验室，在相关部门设立了室内环境的监管、执法机构；如今，美国的学校里都设有室内环境协调员，管理和督导室内环境质量的监测和控制；法国政府也于 1999 年底成立了国家室内空气监测站，并从 2001 年开始，每年在全国选择 1000 个监测点，对典型室内场所的氡、铅、霉菌、过敏源、VOCs、人造矿物纤维、杀虫剂及烟草烟雾等 10 多种有害物质进行检测，并向公众通报检测结果；我国的香港特别行政区也于
15、1998 年在其环境署内设立了室内环境主管部门，并在 1999 年公布了楼宇的 IAQ 指南及标准；在室内环境管理机构的指导下，室内环境立法同时也开始进行，到目前为止，欧美各发达国家，亚洲的日本、韩国和我国香港地区，以及世界卫生组织已建立比较完善的室内环境法规3。随着人们生活水平的提高, 全装修住宅的日益扩展, 其室内环境质量控制越来越引起社会各界的广泛关注；同时人们也需要安全、舒适、可靠的家居环境。现市场也有很多对室内环境的检测仪器, 但存在有体积大、价格贵、功能少、操作不方便等原因；根据市场调查，非常需要一款家居用室内安全、温湿度和室内甲醛的方便实用检测系统。本文设计的是家用集环境污染(甲
16、醛) 、安全（报警功能） 、温度和湿度为一体的便携式多功能室内空气质量测试仪。1.2 室内多功能检测系统的设计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，虽然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，从而给人们的健康带来了一些负面影响4。随着人们对 IAQ 认识程度的逐渐加深，以及健康保健知识的逐步发展，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
17、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，但存在有体积大、价格贵、功能少、基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页3 操作不方便等原因；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，从而让人们及时了解自己的生活环境状况并能及时的做出相应的解决方法，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，让我们更加快乐地享受现代生活的舒适与安全。基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页
18、共 55 页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用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经出现；这种传感器可以不必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，所以基本无实用性；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，同时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、适应范围等都各不相同2。在测试甲醛、苯等害气体
19、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。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
20、方便，功能加完备。就我国现在的国情来看，设计一种经济，实惠，方便的检测仪式很有必要的，这样更能让室内空气检测仪普及到普通生活群众的平常生活中，进一步提高人们的生活质量。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:基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页5 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.
21、2 所示的四种来源：表 2.2 室内污染物主要来源来源 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
22、染”完全不同，如果不跳出“室内污染”的老框框，难以使室内基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页6 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
23、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7。2.1.4 甲醛的认识(1)甲醛的特性及危害甲醛是一种无色，有强烈刺激性气味的气体。易溶于水、醇和醚。甲醛在常温下是气态，通常以水溶液形式出现；其 37%的水溶液称为福尔马林，医学和科研部门常用于标本的防腐保存；此溶液沸点为 19.5故在室温时极易挥发，随着温度的上升甲醛的挥发速度加快；在我国有毒化学品优先控制名单中甲醛列居第二位；甲醛已被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质；甲醛是原浆毒物，能与蛋白质结合，吸入高浓度甲醛后会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，也可发生支气管哮喘皮肤直接接触甲醛，可引起皮炎、色斑、坏死。经常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出现粘膜充血、皮肤刺激症、过敏性皮炎、指甲角化和脆弱等；全身症状有头痛、乏力、心悸、失眠、体重减轻以及植物神经紊乱等4。(2)甲醛的来源室内装修所用的合成板材，如胶合板、细木工板、高密度板、刨花板。这些板材中甲醛起胶合剂、防腐剂的作用，主要用于加强板材的硬度、防虫、防腐。板材中残留的和未参与反应的甲醛逐渐向周围环境释放，是 室内空气中甲醛的主要来源。用合成板材制造的家具，厂家为了追求利润使用不合格的板材，再粘贴面材料时使用不合格的胶水，造成家具中甲醛含量超标。
