室內(nèi)環(huán)境測量嵌入式課程設(shè)計(含外文翻譯)

1、<p><b>　　嵌入式課程設(shè)計論文</b></p><p>　　題 目： 室內(nèi)環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　院（系）： 計算機(jī)與通信學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)年級： </p><p>　　姓 名 ： <

2、;/p><p>　　學(xué) 號 ： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　日期： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水

3、平的提高，人們對環(huán)境問題及健康問題日益重視，室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ）狀況受到越來越多的關(guān)注。人的一生中有三分之二的時間是在居室內(nèi)度過的。本文研究的室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀是以室內(nèi)空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測監(jiān)控為背景，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，能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)溫度，濕度，甲醛，苯和氨的實時采集處理、顯示、報警等功能。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

4、示菜單，有良好的人機(jī)對話界面。同時設(shè)計了聲光報警系統(tǒng)，實現(xiàn)在參數(shù)超標(biāo)時及時的報警。室內(nèi)智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀體積小，功耗低，操作簡單，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知道室內(nèi)空氣的質(zhì)量。</p><p>　　關(guān)鍵詞：AT89S52；室內(nèi)空氣品質(zhì)；LCD顯示；溫濕度；甲醛</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p&g

5、t;　　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

6、 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,</p><p

7、>　　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,

8、 benzene and ammonia. </p><p>　　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

9、. 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, simpl

10、e operation, and is suitable for family and community health care in order to know real-time acquisition </p><p>　　Key words：AT89S52；IAQ；LCD display；humiture；formaldehyde</p><p><b>　　目 錄&

11、lt;/b></p><p><b>　　目 錄I</b></p><p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1課題的目的及意義1</p><p>　　1.1.1室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)的重要性1</p><p>　　1.1.2課題研究目的及意義2</p>

12、<p>　　1.2國內(nèi)外的研究狀況2</p><p>　　1.3本文的主要研究內(nèi)容及總體方案設(shè)計3</p><p>　　1.3.1本文的主要研究內(nèi)容3</p><p>　　1.3.2總體方案設(shè)計3</p><p>　　圖1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3</p><p>　　第二章 室內(nèi)空氣品質(zhì)基本介紹4

13、</p><p>　　2.1室內(nèi)空氣品質(zhì)及認(rèn)識4</p><p>　　2.1.1室內(nèi)空氣研究的背景4</p><p>　　2.1.2室內(nèi)污染物種類及來源分析4</p><p>　　2.1.3室內(nèi)空氣品質(zhì)的幾點(diǎn)認(rèn)識5</p><p>　　2.2室內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)測方法及改善空氣品質(zhì)的方法5</p>

14、<p>　　2.2.1室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測方法5</p><p>　　2.2.2改善空氣品質(zhì)方法6</p><p>　　2.3室內(nèi)空氣品質(zhì)測試指標(biāo)的選定6</p><p>　　第三章 室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀的硬件設(shè)計8</p><p>　　3.1室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀系統(tǒng)簡介8</p><p>　　3.1.1系

15、統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理8</p><p>　　3.1.2 AT89S52單片機(jī)簡介9</p><p>　　3.1.3AT89S52單片機(jī)與其擴(kuò)展10</p><p>　　3.2傳感器的選用10</p><p>　　3.2.1氣體傳感器10</p><p>　　3.2.2溫濕傳感器14</p>&l

16、t;p>　　3.3前置放大濾波電路的設(shè)計17</p><p>　　3.4模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計20</p><p>　　3.5聲光報警電路的設(shè)計21</p><p>　　3.6液晶顯示電路設(shè)計21</p><p>　　3.7復(fù)位電路設(shè)計22</p><p>　　3.8電源電路設(shè)計23</p>

17、<p>　　3.9本章小結(jié)23</p><p>　　第四章 室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀的軟件設(shè)計24</p><p>　　4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計思路24</p><p>　　4.1.1編程語言的選擇24</p><p>　　4.1.2軟件功能需求24</p><p>　　4.2軟件模塊設(shè)計26</p&

18、gt;<p>　　4.2.1主程序模塊26</p><p>　　4.2.2 AD轉(zhuǎn)換模塊26</p><p>　　4.2.3液晶顯示模塊27</p><p>　　4.2.4聲光報警模塊28</p><p>　　4.3本章小結(jié)28</p><p>　　第五章 結(jié)論與展望29</p>

19、<p>　　5.1主要結(jié)論29</p><p><b>　　5.2展望29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　附 錄31</b></p><p>　　附錄一 原理電路圖31</p>

20、<p>　　附錄二 程序清單32</p><p>　　附錄三 外文翻譯50</p><p><b>　　外文資料50</b></p><p><b>　　致 謝65</b></p><p><b>　　第一章 緒 論</b><

21、/p><p>　　1.1課題的目的及意義</p><p>　　1.1.1室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)的重要性</p><p>　　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)的研究吸引了越來越多人的關(guān)注。美國科學(xué)家在80年代末的一項調(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

22、高達(dá)100倍。我國有關(guān)部門在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，有的超過室外56倍。據(jù)估計，人的一生平均90%的時間在室內(nèi)度過，室內(nèi)作為現(xiàn)代人類最主要的活動場所之一，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（SBS－Sick 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） 呼吸紊亂等也越來越突出。</p>

23、;<p>　　IAQ在健康方面的影響：美國環(huán)保署(EPA)調(diào)查表明:在美國，IAQ問題是有關(guān)全民健康的首要問題之一，受其影響的美國人口多達(dá)3000萬，造成的經(jīng)濟(jì)損失超過了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80%~90%的癌癥與居住環(huán)境和生活習(xí)慣有關(guān);英國科學(xué)家漢密爾頓測驗了220名英國人血液中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

24、當(dāng);湖南省相關(guān)部門對空氣污染區(qū)及清潔區(qū)9-10歲兒童為調(diào)查對象，研究空氣污染對兒童免疫力的影響，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，我國每年有11萬人因IAQ不好而導(dǎo)致死亡; 從我國“室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測中心”對IAQ監(jiān)測力度越來越大的趨勢也可以看出，此問題在我國也是越來越嚴(yán)重。</p><p>　　IAQ在工作效率及社會經(jīng)濟(jì)方面的影響：美國“職業(yè)安全及健康管理局”估計因室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量惡劣

25、而導(dǎo)致每個員工每天損失14-15分鐘的工作時間，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)用的增多影響整個社會的經(jīng)濟(jì)利益;美國的另一項調(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(沒有包括對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[2][3]。</p><p>　　鑒于此，人們認(rèn)識到解

26、決IAQ問題的重要性與迫切性，同時IAQ問題已經(jīng)成為建筑環(huán)境、醫(yī)藥衛(wèi)生、智能監(jiān)測、自動控制等研究領(lǐng)域所關(guān)心的問題。</p><p>　　1.1.2課題研究目的及意義 </p><p>　　目前由于建筑材料品質(zhì)不一、劣質(zhì)燃料、抽煙、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，同時出現(xiàn)的舒適性空調(diào)

27、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)物資過敏癥等[4]。</p><p>　　隨著人們對IAQ認(rèn)識程度的加深，以及健康保健知識的發(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

28、染的濃度水平如何?這種濃度會對健康造成什么短期和長期危害?對存在的污染應(yīng)該如何控制治理? </p><p>　　在這種情況下，設(shè)計開發(fā)一套空氣質(zhì)量監(jiān)測儀表是有現(xiàn)實意義的。目前，對于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測具儀表已經(jīng)有很多種，雖然此類儀表成本不是很高，監(jiān)測速度較快，但是絕大數(shù)產(chǎn)品只是用來監(jiān)測，不具備自動控制調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量的能力。實際上，單純的監(jiān)測不能提供經(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)測的后備支持，監(jiān)測工作才

29、可以更深入持久地開展下去，才能達(dá)到監(jiān)測和控制的有機(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，提出“室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀”系統(tǒng)，此系統(tǒng)旨在實現(xiàn)室內(nèi)空氣溫度、濕度、有害氣體的預(yù)警監(jiān)測及自適應(yīng)智能調(diào)節(jié)，利用MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集保證了前臺數(shù)據(jù)的及時、準(zhǔn)確，有利于進(jìn)行全方位的評價，為人類營造一個健康的室內(nèi)生存空間。</p><p>　　1.2國內(nèi)外的研究狀況</p><p>

30、　　氣體傳感器測定甲醛成為近年來甲醛檢測研究的新熱點(diǎn)。早在1983年，壓電類甲醛傳感器就已問世。這種傳感器可以不需要對樣品進(jìn)行任何處理就可以測定，但易受水分子的影響而使晶體震動頻率發(fā)生漂移，故基本無實用性。為適應(yīng)室內(nèi)空氣甲醛現(xiàn)場快速檢測的要求，目前已開發(fā)出不少甲醛快速測定儀，這些儀器可直接在現(xiàn)場測定甲醛濃度，操作方便，適用于室內(nèi)和公共場所空氣中甲醛濃度的現(xiàn)場測定，也適用于環(huán)境測試艙法測定木質(zhì)板材中的甲醛釋放量。但這些儀器的工作原理、響應(yīng)

31、性能、適應(yīng)范圍等都不同。</p><p>　　在測試甲醛、苯等害氣體方面，國外比較出名的有:美國ESC公司生產(chǎn)的Z一300甲醛檢測儀、英國PPM公司生產(chǎn)的PPM-400甲醛檢測儀;國內(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)的甲醛測定儀抑一308等[5]。</p><p>　　這些儀器可實現(xiàn)對有害氣體的檢測功能，適用于專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)或?qū)嶒炑芯繖C(jī)構(gòu)。

32、準(zhǔn)確測定甲醛、苯、氨等有害氣體的設(shè)備昂貴(如英國PPM公司生產(chǎn)的PPM400甲醛儀約兩萬多元)，測定時間較長，每隔一段時間就需進(jìn)行重新標(biāo)定，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，很難連續(xù)測定[6]；目前國內(nèi)外產(chǎn)品的設(shè)計差異主要集中在監(jiān)測傳感器和控制單片機(jī)芯片的選用，操作方面國外的產(chǎn)品操作界面方便，功能加完備[7]。</p><p>　　1.3本文的主要研究內(nèi)容及總體方案設(shè)計</p><p>　　1.3.1

33、本文的主要研究內(nèi)容</p><p>　　本課題主要集中在IAQ的監(jiān)測、顯示、報警三個方面。本文內(nèi)容安排如下:</p><p>　　第一章:室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測課題的提出及意義，介紹國內(nèi)外的研究狀況及確定總體方案。</p><p>　　第二章:監(jiān)測系統(tǒng)的具體方案的選擇 (1)確定監(jiān)測對象:選擇有代表性的監(jiān)測對象是進(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

34、點(diǎn)，及待測指標(biāo)的精度要求布置傳感器;(3)數(shù)據(jù)的顯示及報警控制系統(tǒng)。</p><p>　　第三章與第四章:室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀的各個硬件模塊的設(shè)計，介紹在室內(nèi)空氣品質(zhì)實驗裝置基礎(chǔ)上設(shè)計的具有實際應(yīng)用價值的室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件與軟件組成。</p><p>　　第五章:整個系統(tǒng)的仿真調(diào)試。</p><p>　　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

35、進(jìn)一步研究的展望。</p><p>　　1.3.2總體方案設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計集甲醛，苯，氨氣以及溫濕度監(jiān)測，顯示與報警于一體，利用MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集保證了前臺數(shù)據(jù)的及時、準(zhǔn)確，有利于進(jìn)行全方位的評價。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)對話界面。</p><p>　　圖1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖<

36、;/p><p>　　第二章 室內(nèi)空氣品質(zhì)基本介紹</p><p>　　2.1室內(nèi)空氣品質(zhì)及認(rèn)識</p><p>　　2.1.1室內(nèi)空氣研究的背景</p><p>　　隨著城市人們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

37、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越好，使用的人工合成材料越來越多，使得室內(nèi)污染物不能及時排除室外，在室內(nèi)存儲、蓄積，造成室內(nèi)空氣惡化。人們在人工環(huán)境中所處的時間越來越長，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]。 </p><p>　　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

38、手段稀釋污染物濃度，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，同時注意到IAQ是一個變量，涉及到設(shè)計、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)計等諸方面的研究課題[9]。</p><p>　　2.1.2室內(nèi)污染物種類及來源分析&l

39、t;/p><p>　　室內(nèi)的污染源大致有五類如表2.1所示:</p><p>　　表2.1 室內(nèi)五大污染源</p><p>　　室內(nèi)污染物的來源主要有如表2.2所示的四種來源：</p><p>　　表2.2室內(nèi)污染物主要來源</p><p>　　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

40、、自然清除等而不同。IAQ對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)接觸時間長；(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)濃度值與健康的關(guān)系不明顯[10]。</p><p>　　2.1.3室內(nèi)空氣品質(zhì)的幾點(diǎn)認(rèn)識</p><p>　　(1)對“室內(nèi)空氣品質(zhì)問題”的認(rèn)識與評價方法、對策措施、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

41、染”的老框框，難以使室內(nèi)空氣品質(zhì)問題有新進(jìn)展。</p><p>　　(2)由于IAQ問題是由多因子、多途徑誘發(fā)的，應(yīng)將IAQ看成一個變量，是設(shè)計、施工、維護(hù)管理和運(yùn)行狀態(tài)綜合形成的一個結(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問題，只有從設(shè)計、施工維護(hù)以及運(yùn)行管理“全過程控制”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。<

42、;/p><p>　　(3)我國己經(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題，建議全國學(xué)會應(yīng)象美國ASHRAE學(xué)會一樣，單獨(dú)建立室內(nèi)空氣品質(zhì)評估。</p><p>　　2.2室內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)測方法及改善空氣品質(zhì)的方法</p><p>　　2.2.1室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測方法</p><p><b

43、>　　(1)化學(xué)分析方法</b></p><p>　　主要采用空氣取樣，通過一定的化學(xué)反應(yīng)方法，測定待測的污染物濃度。</p><p>　　(2)傳感器監(jiān)測方法</p><p>　　選擇適當(dāng)類型的傳感器可直接讀取待測物的濃度。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。</p><

44、p>　　2.2.2改善空氣品質(zhì)方法</p><p><b>　　(1)開窗通風(fēng)換氣</b></p><p>　　開窗通風(fēng)可以始終保持室內(nèi)具有良好的空氣品質(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)險就越小。即使在較寒冷的冬季,也最好能開一些窗戶,使室外的新鮮空氣能進(jìn)入室內(nèi)。</p>

45、;<p><b>　　(2)合理使用空調(diào)</b></p><p>　　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6~7℃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。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)開一點(diǎn)窗引進(jìn)些新鮮空氣。三是對過濾器要經(jīng)常進(jìn)行清洗,既可保

46、證盤管的風(fēng)量,又能及時清除過濾器上的臟物。</p><p>　　(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??；钚蕴几咝н^濾器,能有效過濾室內(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)離子對人體的健康有益。</p><p>　　(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

47、能,如負(fù)離子發(fā)生器、冷觸媒、高效過濾等功能,對改善室內(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間的推移,效果會越來越差,有的甚至不起作用,因此,開窗通風(fēng)換氣還是改善室內(nèi)空氣品的重要手段。</p><p>　　(5)合理選擇裝修材料及裝修方式</p><p>　　盡量選擇釋放VOC較少的裝修材料、膠水、涂料、油漆等,并在裝修好后,開窗換氣, 等室內(nèi)VO

48、C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，盡量不要過度裝修。購置新家具后也應(yīng)開窗換氣,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]。</p><p>　　2.3室內(nèi)空氣品質(zhì)測試指標(biāo)的選定</p><p>　　室內(nèi)污染物種類

49、繁多，不可能逐一測量，研究的思路是用一個典型的污染物來代表一類污染物，這種污染物稱為評價指標(biāo)。此外，室內(nèi)空氣品質(zhì)是一個綜合性的指標(biāo)，要考慮多方面的因子，借鑒目前國內(nèi)外常用的IAQ監(jiān)測指標(biāo)，本課題的監(jiān)測指標(biāo)訂為溫度，濕度，甲醛，苯，氨氣五個參量。各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)見表2.3：</p><p>　　表2.23 室內(nèi)空氣監(jiān)測指標(biāo)限度</p><p>　　甲醛，苯和氨氣是室內(nèi)空氣中常見的三種毒氣：<

50、/p><p>　　(1)甲醛(HCHO)是一種無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時就有異味和不適感，0.5mg/m3可刺激眼睛引起流淚，0.6mg/m3時引起咽喉不適或疼痛;濃度再高可引起惡心、嘔吐

51、、咳嗽、胸悶、氣喘甚至肺氣腫;當(dāng)空氣中達(dá)到30 mg/m3時可當(dāng)即導(dǎo)致死亡。</p><p>　　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</p><p>　　(2)苯(C6H6)是一種無色具有特殊芳香氣味的液體，沸點(diǎn)為

52、80°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)。人在短時間內(nèi)吸入高濃度甲苯、二甲苯時，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、意識模糊，嚴(yán)重者可致昏迷以致呼吸衰竭而死亡。</p><p>　　苯及其同系衍生物主要來自各種建筑材料，油漆、膠和防水涂料。目前我國對苯及苯系衍生物的室內(nèi)空氣濃度尚沒有標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為

53、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)為其對人體無害,即0.09mg/m3。</p><p>　　(3)氨(NH3)是一種無色而具有強(qiáng)烈刺激性臭味的氣體，比空氣輕(比重0.5)，當(dāng)濃度高于5.3ppm時可以被健康成年人感覺到。氨是一種堿性物質(zhì)，它對接觸的皮膚組織有腐蝕和刺激作用。</p><p>　　室內(nèi)空氣中的氨主要來自建筑施

54、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。另外，氨也可來自室內(nèi)裝飾材料。目前主要使用國家衛(wèi)生部門1995年制定的公共場所衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中的《理發(fā)店、美容店衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，因為理發(fā)店操作中經(jīng)常使用氨水，所以國家規(guī)定每立方米空氣中氨氣不得超過0.2毫克[12]。</p><p>　　第三章 室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀的硬件設(shè)計</p><p

55、>　　3.1室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀系統(tǒng)簡介</p><p>　　基于AT89S52的室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀是以室內(nèi)空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測監(jiān)控為背景，能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)溫度，濕度，甲醛，苯和氨的實時采集處理、顯示、報警等功能。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)對話界面。同時設(shè)計了聲光報警系統(tǒng)，實現(xiàn)在參數(shù)超標(biāo)時及時的報警。室內(nèi)智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀體積小，

56、功耗低，操作簡單，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知道室內(nèi)空氣的質(zhì)量。</p><p>　　3.1.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理</p><p>　　本文研究的室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀是以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3.1所示。室內(nèi)空氣中有害氣體甲醛、苯、氨分別通過傳感器組中的傳感器1、傳感器2、傳感器3輸出一個與甲醛、苯、氨濃度相

57、對應(yīng)的電流信號,該信號經(jīng)過放大濾波后通過多路轉(zhuǎn)換器分時間段進(jìn)行采樣保持,最后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路按一定得采樣頻率將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機(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)對采樣值進(jìn)行數(shù)字處理后驅(qū)動液晶顯示器分別顯示出被測室內(nèi)空氣中的甲醛、苯、氨的濃度值及溫濕度。若被測室內(nèi)空氣中甲醛、苯、氨的濃度某種有超過國家標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)定的危險值時報警電路對應(yīng)的發(fā)出聲光報警信號。</p><p>

58、;<b>　　圖3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　3.1.2 AT89S52單片機(jī)簡介</p><p>　　隨著計算機(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、價格低等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域如過程控制、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、自動化程度大大提高。根據(jù)上述幾方面及本課題的實際情況，

59、單片機(jī)型號的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮:</p><p>　　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。</p><p>　　二是要有較高的性價比。由于MCS-51系列在我國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系列單片機(jī)，故本文采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT

60、89S52單片機(jī)作為本系統(tǒng)控制單元的核心部件。</p><p>　　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。</p><p>　　圖3.2 AT89S52芯片</p><p

61、>　　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次擦寫周期；256字節(jié)片內(nèi)RAM；工作電壓4.0V到5.5V；全靜態(tài)時鐘0Hz到33MHz；三級程序加密；32個可編程I/O口；3個16位定時/計數(shù)器；8個中斷源；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；看門狗定時器；雙數(shù)據(jù)指針</p>

62、<p><b>　??；上電復(fù)位標(biāo)志</b></p><p>　　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)看門狗定時器，這將有利于堅固用戶應(yīng)用系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。最后，AT89S52運(yùn)行速度更高，最高晶振

63、可達(dá)到33MHZ。正因為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)展過多或傳感器輸入信號過多而引起的信號失真、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)測控制完全可以滿足實時監(jiān)測、報警等要求。而且，從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，AT89S52不但硬件結(jié)構(gòu)簡單，而且價格低、功能好、性價比高，符合我國工業(yè)設(shè)計制造的要求[13][14]。</p><p>　　AT89S52單片機(jī)與其擴(kuò)展&l

64、t;/p><p>　　設(shè)計中采用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。</p><p>　　圖3.3 8255A與AT89S52的硬件連接

65、圖</p><p><b>　　3.2傳感器的選用</b></p><p>　　3.2.1氣體傳感器</p><p>　　1．氣體傳感器基礎(chǔ)知識</p><p>　　按照氣敏特性來分，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。</p><

66、;p>　　(1)半導(dǎo)體型氣體傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　半導(dǎo)體氣體傳感器具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是必須在高溫下工作、對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。</p><p>　　(2)半導(dǎo)體傳感器需要加熱的原因</p><p>　　半導(dǎo)體傳感器是利用一種金屬氧

67、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，其原因就是沒有加熱或加熱電壓過低導(dǎo)致溫度太低反應(yīng)不充分。</p><p>　　(3)電化學(xué)氣體傳感器的工作原理</p><p>　　電化學(xué)氣體傳感器是通過監(jiān)測

68、電流來監(jiān)測氣體的濃度，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)測許多有毒氣體和氧氣，后者還能監(jiān)測血液中的氧濃度。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。</p><p>　　(4)半導(dǎo)體傳感器和電化學(xué)傳感器的區(qū)別</p><p>　　半導(dǎo)體傳感器因其簡單低價已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是又因為它的選擇性差和穩(wěn)定性不理想目前還只

69、是在民用級別使用。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)場合。</p><p>　　(5)固態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器</p><p>　　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)時間過長。</p><p>　　(6)接觸

70、燃燒式氣體傳感器</p><p>　　接觸燃燒式氣體傳感器只能測量可燃?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。后者因為催化劑的關(guān)系具有廣普特性應(yīng)用更廣。</p><p>　　(7)光學(xué)式氣體傳感器</p><p>　　光學(xué)式氣體傳感器主要包括紅外吸收型、

71、光譜吸收型、熒光型等等，主要以紅外吸收型為主。由于不同氣體對紅外波吸收程度不同，通過測量紅外吸收波長來監(jiān)測氣體。目前因為它的結(jié)構(gòu)關(guān)系一般造價頗高[15]。基于本文的實時要求和性價比等方面的原因，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。</p><p>　　2.定電位電解式氣體傳感器</p><p>　　傳感器元件是準(zhǔn)確監(jiān)測甲醛、苯、氨氣氣體濃度的關(guān)鍵。在有毒有害氣體監(jiān)測技術(shù)中,由

72、于定電位電解傳感器具有準(zhǔn)確快速、簡潔直觀的特點(diǎn),在國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)測在國內(nèi)已經(jīng)開始普及。</p><p>　　定電位電解氣體傳感器通常是由浸沒在液體電解液中的三個電極構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4定電位電解式氣體傳感器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　定電位電解式傳感器是一種濕式電化學(xué)氣體傳感器,它通過測

73、定氣體在某個確定電位電解時所產(chǎn)生的電流來測量氣體濃度。傳感器共有三個電極(對電極、參比電極、工作電極),浸在液體電解液中,整體密封在一個防化學(xué)腐蝕的塑料殼體中,目標(biāo)氣體通過工作電極鄰近的一個氣體可滲透薄膜向傳感器內(nèi)部擴(kuò)散。傳感器的工作過程為:被測氣體由進(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

74、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。</p><p>　　對電極材料的選擇原則是:該材料應(yīng)對目標(biāo)氣體具有最優(yōu)敏感性,而交叉敏感度則應(yīng)降至最低。在對電極和工作電極之間的電壓要預(yù)先調(diào)整好,并由一個外部電壓電路保持,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,因而傳感器的響應(yīng)可以得到進(jìn)一

75、步優(yōu)化。傳感器的輸出是一個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[16]。</p><p>　　本課題選用德國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)用于輕便型報警器和監(jiān)測器、移動式的監(jiān)測儀、遠(yuǎn)程控制的監(jiān)測儀，單元與多元組合式智能化的監(jiān)測器、固定式與壁掛式監(jiān)測儀及精密型智能化的監(jiān)測系統(tǒng)等等。MiniPac系列定電位電解式氣體傳感器簡單

76、內(nèi)部原理如圖3.5所示，其典型接法如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.5miniPac系列傳感器內(nèi)部簡單結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　圖3.6定電位電解式氣體傳感器接口</p><p>　　定電位電解式傳感器基本性能：</p><p>　　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

77、能指標(biāo)要與前置放大器經(jīng)過較好的匹配才能體現(xiàn)出來。在使用中要對傳感器進(jìn)行考核的基本指標(biāo)有如下幾種:輸出信號、電極電位、響應(yīng)時間、響應(yīng)線性度、測量重復(fù)性、抗干擾性、傳感器期待壽命等。</p><p><b>　　(1)輸出信號</b></p><p>　　定電位電解傳感器的輸出信號指標(biāo)非常重要,它不僅為前置放大器的設(shè)計提供了基本參數(shù),而且為今后核實傳感器的使用壽命提供了標(biāo)

78、準(zhǔn)。一般的輸出標(biāo)準(zhǔn)為0.5μA/ppm，但不同公司生產(chǎn)的傳感器輸出信號是不同的,同一公司生產(chǎn)的不同傳感器其輸出信號也不一定相同，故要根據(jù)不同的輸出標(biāo)準(zhǔn)來分析。傳感器的輸出信號隨使用時間的增加而降低,一般來說當(dāng)其輸出信號降至標(biāo)稱值的50%時,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與對應(yīng)氣體濃度的典型曲線，可見其線性度是比較好的。</p><p><b>　　(2)電極電位</

79、b></p><p>　　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，通常取0mv。</p><p>　　圖3.7氣體濃度與輸出信號對應(yīng)曲線 圖3.8定電位電解式傳感器時間響應(yīng)曲線</p><p><b>

80、　　(3)響應(yīng)時間</b></p><p>　　該指標(biāo)是指從傳感器接受到被分析氣體起計到達(dá)到響應(yīng)值的90%,亦即t90所需的時間。一般傳感器指標(biāo)給出的指擴(kuò)散式的響應(yīng)時間,如<60秒等。經(jīng)過良好的氣路、電路設(shè)計,該指標(biāo)可以達(dá)到20秒左右。定電位電解式氣體傳感器的典型響應(yīng)時間曲線如圖3.8所示。</p><p>　　(4)響應(yīng)線性度與測量重復(fù)性</p><

81、p>　　這兩項指標(biāo)與響應(yīng)時間一起是考核傳感器與儀器優(yōu)良與否的重要因素。在與穩(wěn)定的流量、無吸附特性的氣路、設(shè)計合理的前置放大器達(dá)到最佳匹配后,響應(yīng)時間、線性度和測量重復(fù)性都等達(dá)到很好的效果。</p><p><b>　　(5)抗干擾性</b></p><p>　　由結(jié)構(gòu)和原理所決定,定電位電解傳感器是存在交叉反應(yīng)的,合理的電極電位可以使其減小到最低程度,這是主動的

82、方法。另外,不同公司在生產(chǎn)的傳感器上安裝了過濾膜,或針對不同的傳感器設(shè)計了不同的過濾器,這是被動的方法。之所以說被動,是因為無論過濾膜還是過濾器,經(jīng)過一段時間或長時間使用后,畢竟會因為飽和而失效。當(dāng)然最主動的方法是利用傳感器矩陣或計算機(jī)軟件來減小交叉反應(yīng),提高抗干擾性。</p><p>　　(6)傳感器使用壽命</p><p>　　象所有的電化學(xué)傳感器一樣,定電位電解傳感器的輸出信號隨著時

83、間的推移也會逐漸衰降或“老化”,這一現(xiàn)象是多種因素的結(jié)合造成的。一般生產(chǎn)廠家給出的指標(biāo)是2年,這是一個比較保守的指標(biāo)。傳感器的使用壽命與使用時的氣體濃度成反比[17]。</p><p>　　3.2.2溫濕傳感器</p><p>　　溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測量處理的電信號的設(shè)備或裝置。溫濕度傳感器一般是測量溫度量和相對濕度量[18]。</p><p

84、>　　本課題選用瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片SHT11。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費(fèi)電子、自動控制等領(lǐng)域。</p><p>　　SHT11具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　1.高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上；</p><p>　　2.提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，

85、接口簡單，支持CRC傳輸校驗．傳</p><p><b>　　輸可靠性高；</b></p><p>　　3.測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器(分辨率為8～12位，可以通過對芯</p><p>　　片內(nèi)部寄存器編程來選擇)；</p><p>　　4.測量精確度高，由于同時集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量值和

86、高質(zhì)量的露點(diǎn)計算功能；</p><p>　　5.封裝尺寸超小(7．62 mm×5．08 mm×2．5 mm)，測量和通信結(jié)束后，自動轉(zhuǎn)入低功耗模式；6.高可靠性，采用CMOSens工藝，測量時可將感測頭完全浸于水中[19]。</p><p>　　SHT11的引腳功能：SHT11溫濕度傳感器采用SMD(LCC)表面貼片封裝形式，接口非常簡單，引腳名稱及排列順序如圖3.9所

87、示。</p><p>　　圖3.9 SHT11管腳圖</p><p>　　引腳的功能如下：腳1和4：信號地和電源，工作電壓范圍是2.4～5.5 V；腳2和3：二線串行數(shù)字接口，DATA數(shù)據(jù)線，SCK為時鐘線；腳5～8：未連接。</p><p>　　SHT11的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理：溫濕度傳感器SHT11將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個

88、芯片上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.10所示。該芯片包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號首先進(jìn)入微弱信號放大器進(jìn)行放大；然后進(jìn)入一個14位的A/D轉(zhuǎn)換器；最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號。</p><p>　　SHT11在出廠前，都會在恒濕或恒溫環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲在校準(zhǔn)寄存器中；在測量過程中，校準(zhǔn)系數(shù)會自動校準(zhǔn)來自傳感器的信號

89、，此外，SHT11內(nèi)部還集成了一個加熱元件，加熱元件接通后可以將SHT11的溫度升高5℃左右，同時功耗也會有所增加。此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗證兩個傳感器元件的性能。在高濕(>95％RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時縮短響應(yīng)時間，提高精度。加熱后SHT11溫度升高、相對濕度降低，較加熱前，測量值會略有差異。</p><p>　　圖3.10 SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</

90、p><p>　　微處理器是通過二線串行數(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口模擬該通信時序。微處理器對SHT11的控制是通過5個5位命令代碼來實現(xiàn)的，命令代碼的含義如表3.1所列。</p><p>　　表3.1 SHT控制命令代碼</p><p>　　SHT11通過二線數(shù)字串行接口來訪問，所以硬件接口電路

91、非常簡單。需要注意的地方是：DATA數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻，時鐘線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SCK最低頻率沒有要求；當(dāng)工作電壓高于4.5V時，SCK頻率最高為10 MHz，而當(dāng)工作電壓低于4.5 V時，SCK最高頻率則為1 MHz。硬件連接如圖3.11所示</p><p>　　圖3.11SHT11的硬件連接圖</p><p>　　3.3前

92、置放大濾波電路的設(shè)計</p><p>　　因為定電位電解傳感器所輸出的被測對象的信號非常的微弱，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范圍為0~5μA，考慮到所測信號的變化速度比較慢，一般為10~20秒左右。所以選用可以單端供電的儀表放大器AD623來實現(xiàn)前端信號放大的任務(wù)[20]。</p><p>　　AD623儀表放大器是美國模擬器件公司(Analog

93、Devices Inc,簡稱ADI)推出的一種低價格、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。</p><p>　　1.AD623只使用一個外接電阻來設(shè)置增益(G),最高增益可以達(dá)到1000，從而給用戶帶來極大的方便。</p><p>　　2.AD623具有優(yōu)良的直流特性。增益精度0.1%(G=1),增

94、益漂移25ppm(G=1),輸入失調(diào)電壓最大100μV(AD623B)，輸入失調(diào)電壓漂移1μV/°C(AD623B),輸入偏置電流最大25nA。</p><p>　　3.AD623具有優(yōu)良的CMRR(它隨增益增加而增加)，使誤差最小。</p><p>　　4.AD623帶寬800kHz(G=1)。</p><p>　　5.AD623的輸入共模抑制比范圍很寬

95、，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。</p><p>　　6.AD623的低功率(電源電流最大574μA)、寬電源范圍和電源限輸出特性非常適合電池供電應(yīng)用場合。電源限輸出特性使低電源供電條件下，電源輸出級使其動態(tài)范圍達(dá)到最大。</p><p>　　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。</

96、p><p>　　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。</p><p>　　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)過程控制、低功耗數(shù)采系統(tǒng)及差動放大器。本課題中氣體傳感器出來的信號是很微弱的小信號，采用AD623滿足放大要求。圖3.12所示為AD623引腳排列圖。</p><p>　　

97、圖3.12 AD623引腳排列圖</p><p>　　圖3.13 AD623簡化原理示意圖</p><p>　　AD623是在傳統(tǒng)的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種新型儀表放大器，如圖3.13所示為AD623簡化原理示意圖。AD623與傳統(tǒng)三運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器(例如AD620)的不同之處是在兩個輸入放大器之前分別加兩個PNP晶體管作為電壓緩沖器，以便向兩個輸入放大器提供共模信號，并且符合電源限輸

98、入運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)的要求。輸入放大器用來將差動電壓轉(zhuǎn)換成單端電壓，它還對前面兩個輸入放大器輸出的共模信號起到抑制作用。</p><p>　　由于AD623電路結(jié)構(gòu)中的三個運(yùn)放輸出擺幅都能達(dá)到任一電源限，而且其共模電壓范圍可擴(kuò)展到負(fù)電源限以下，所以提高了AD623的輸出信號范圍。AD623的輸出電壓計算公式如式3-1所示：</p><p><b>　?。?-1） </b&g

99、t;</p><p>　　AD623中的三個運(yùn)放都是電壓反饋型運(yùn)放(VFA)，所以當(dāng)增益增加時，AD623的帶寬減小。AD623的增益(G)是用一個精密電阻Rg設(shè)置的，而不論引腳1和8之間的阻抗如何。應(yīng)該注意，如果需要設(shè)置G=1, Rg不必連接。</p><p>　　電阻選擇計算公式如式3-2所示： </p><p>　　（3-2） </p&

100、gt;<p>　　AD623的參考端(REF)電位用來確定零輸出電壓，這當(dāng)負(fù)載與系統(tǒng)的地不共地時特別有用。它提供一種對輸出引入精密補(bǔ)償?shù)闹苯臃椒ā＿€可以利用參考端提供一個虛地電壓來放大雙極性信號。參考端允許的電壓變化范圍為 如果AD623相對地輸出，則參考端應(yīng)接地[21]。</p><p>　　如圖3.14所示為AD623與定電位電解式傳感器連接組成的前置放大濾波電路。</p><

101、;p>　　圖3.14AD623放大濾波電路</p><p>　　在AD623的正向輸入端加了一個高質(zhì)量的濾波電容。增益電阻選用了一個 的高精度電阻，則放大倍數(shù)約為100。由放大電路出來的信號 約為0~5V，滿足A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的0~5V的輸入要求[22]。</p><p>　　3.4模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計</p><p>　　氣體傳感器出來的信號是模擬信

102、號，而微處理器AT89S52只能處理數(shù)字信號，故需要對模擬信號信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為處理器能識別的數(shù)字信號，由于經(jīng)過放大電路出來的模擬電壓變化范圍在0~5V，故選擇性價比比較合適的ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其管腳定義如圖3.15所示。</p><p>　　圖3.15 ADC0809管腳示意圖</p><p>　　ADC0809各腳功能如下表3.1：</p><p&g

103、t;　　表3.1 ADC0809各腳功能</p><p>　　ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。ADC0809的時序接口為51系列單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)總線接口，操作方便，如同對存儲器或I/O操作一樣，A/D轉(zhuǎn)換精度為8比特，滿足本課題要求。輸入的模擬電壓為0~5V，一次A/D轉(zhuǎn)換

104、時間為100μS。</p><p>　　3.5聲光報警電路的設(shè)計</p><p>　　為了使本系統(tǒng)對室內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)測更為直觀，采用了由6個發(fā)光二極管和一個蜂鳴器構(gòu)成的聲光報警電路。其中對應(yīng)每一種有毒氣體都有一紅一綠兩個發(fā)光二極管與其對應(yīng)，正常情況下對應(yīng)綠色的發(fā)光二極管亮，蜂鳴器不響；當(dāng)氣體的濃度超標(biāo)時，對應(yīng)紅色的發(fā)光二極管亮，并啟動蜂鳴器。圖3.16為聲光報警電路圖的具體連接，其中D1、

105、D3、D5是綠色發(fā)光二極管，分別對應(yīng)三種有毒氣體；而D2、D4、D6是紅色發(fā)光二極管，也分別對應(yīng)三種有毒氣體[23][24]。</p><p>　　圖3.16聲光報警電路圖</p><p>　　3.6液晶顯示電路設(shè)計</p><p>　　本課題所要顯示的數(shù)據(jù)一共有5個，分別是3種有毒氣體的濃度和室內(nèi)的溫度、濕度，故選用2行16個字符的LCD1602作為顯示模塊，滿足

106、顯示要求。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件了。</p><p>　　LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，有8位數(shù)據(jù)總線D0~D7，和RS、R/W、EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光，主要技術(shù)參數(shù)如表3.2所示。</p><p>　　表3.2主要技術(shù)參數(shù)</p>&l

107、t;p>　　LCD1602的具體連接線路圖如圖3.17所示。</p><p>　　圖3.17LCD1602連接電路圖</p><p><b>　　3.7復(fù)位電路設(shè)計</b></p><p>　　AT89S52芯片具有復(fù)位操作功能。RST為復(fù)位輸入引腳，可在上電或芯片工作的任何時候?qū)T89S52芯片進(jìn)行復(fù)位。在每次上電之后都應(yīng)使芯片處于復(fù)

108、位狀態(tài)，即給RST一個兩個機(jī)器周期以上高電平位觸發(fā)信號。本課題使用傳統(tǒng)的RC復(fù)位電路，如圖3.18所示。其結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，一般的單片機(jī)系統(tǒng)都用此復(fù)位系統(tǒng)，還外加一個復(fù)位按鍵，可以人為的給芯片加一個復(fù)位信號。</p><p>　　圖3.18系統(tǒng)復(fù)位電路 圖3.19電源電路</p><p><b>　　3.8電源電路設(shè)計</b>&

109、lt;/p><p>　　本設(shè)計采用集成穩(wěn)壓器7805，C29、C30分別為輸入端和輸出端濾波電容，D1為續(xù)流二極管。當(dāng)輸出電流較大時，7805應(yīng)配上散熱板。電源電路圖3.19所示</p><p><b>　　3.9本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了便攜式室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀的硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能，該儀器以8位單片機(jī)AT89S52作為

110、控制核心，設(shè)計并構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件平臺，完成了有毒氣體濃度信號的采集放大轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、聲光報警電路等的設(shè)計。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)有毒氣體濃度信號和溫濕度信號采集與顯示及超標(biāo)聲光報警等功能。本章重點(diǎn)介紹了信號采集模擬電路和以主控制器為中心的數(shù)字電路的設(shè)計與工作原理。首先討論了有毒氣體采集模塊中傳感器選擇問題及模擬放大電路的設(shè)計問題，最后討論了系統(tǒng)的外圍接口電路模塊，包括液晶顯示,聲光報警等，實現(xiàn)了各外圍接口電路模塊與AT89S52的硬件