室内空气质量检测仪设计.docx

室内空气质量检测仪设计.docx

《室内空气质量检测仪设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《室内空气质量检测仪设计.docx（53页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

室内空气质量检测仪设计

概述

一、课题研究的目的及意义

空气质量的好坏反映了空气污染程度，它是依据空气中污染物浓度的高低来判断的。

来自固定和流动污染源的人为污染物排放大小是影响空气质量的最主要因素之一。

空气质量检测种类包括装修污染、办公室内空气检测、作业场所有害物质检测、食堂油烟检测、锅炉大气及工业窑炉检测及工厂排放工业废气检测。

当今，人类正面临“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”之后，又出现了“室内空气污染”为主的第三次环境污染。

美国专家检测发现，在室内空气中存在500多种挥发性有机物，其中致癌物质就有20多种，致病病毒200多种。

危害较大的主要有：

氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。

大量触目惊心的事实证实，室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”，也成为全世界各国共同关注的问题。

据统计，全球近一半的人处于室内空气污染中，室内环境污染已经引起35.7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺病和15%的气管炎、支气管炎和肺癌。

本课题主要研究设计基于量化检测的“空气质量检测仪”系统，此系统旨在实现室内空气温度、煤气、烟雾的预警监测，有利于进行全方位的评价室内空气质量，为人类营造一个健康的室内生存空间。

空气质量检测仪体积小，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。

二、国内外的研究状况

国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。

据有关统计，美国1996年~2002年烟雾传感器年均增长率为27%~30%。

随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。

1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。

我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。

但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。

近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。

1本课题的主要研究内容、方法及总体设计

1.1课题设计的内容

以单片机为核心，选择合适的传感器，实现对室内温度，有毒有害气体的检测。

1.2课题设计的方法

查阅相关资料，应用电脑软件进行调试，制作硬件设备，在实际环境中测试并进行修改、调试，直至达到课题要求。

1.3总体方案设计

本设计集VOC气体及温度监测，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。

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。

1.3.1系统框图

图1-1系统总框图

1.3.2功能设定

（1）显示部分采用LCD1602显示屏，显示各项测量值的上下限及实际浓度、实际温度。

并在按键选择情况下连续显示一个测量值的变化。

（2）当有害气体浓度超出安全范围时进行声光报警。

（3）按键操作可进行测量值转换。

2空气质量检测仪的硬件设计

2.1空气质量检测仪系统简介

基于STC89C52的室内便携式智能空气质量监测仪是以室内空气中有毒危险性气体的监测监控为背景，能够实现对室内温度，VOC气体的实时采集处理、显示、报警等功能。

仪器使用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。

2.1.1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STC工公司的一款8位超低功耗单片机STC89C52为控制核心。

室内空气中有害气体通过传感器输出一个与气体浓度相对应的电压信号,该信号经过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VOC气体浓度值及温度。

若被测室内空气中VOC气体的浓度有超过国家标准或设定的危险值或温度超出设定范围时报警电路对应的发出声光报警信号。

2.2STC89C52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。

由于高度的通用性和出色的稳定性，本系统采用宏晶公司产的低功耗，高性能CMOS8位单片机的STC89C52作为控制器。

片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

2.2.1STC89C52主要性能参数：

（1）与MCS.51产品指令系统完全兼容

（2）4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器

（3）1000次擦写周期

（4）4.0-5.5V的工作电压范围

（5）全境态工作模式：

0Hz-33MHz

（6）三级程序加密锁

（7）128×8字节内部RAM

（8）32个可编程I／O口线

（9）2个16位定时器／计数器

（10）10、6个中断源

（11）全双工串行UART通道

（12）低功耗空闲和掉电模式

（13）中断可从空闲模唤醒系统

（14）看门狗（wDT）及双数据指针

（15）掉电标识和快速编程特性

（16）灵活的在线系统编程

STC89C52芯片管脚如图2-1。

图2-1STC89C52引脚布置

2.2.2时钟电路模块

时钟电路由一个晶体振荡器11.0592MHZ和两个30pF的瓷片电容组成。

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。

单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。

其电路如图2-2所示：

图2-2时钟电路模块

2.2.3复位电路模块

复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这状态开始工作，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位电路以重新启动。

本设计采用的是按键复位电路。

其电路如图2-3所示：

图2-3复位电路模块

2.3传感器的选用

2.3.1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

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。

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、MQ-2传感器简介

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。

当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。

这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。

当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。

利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。

遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。

而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体-又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。

这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。

（1）MQ-2型传感器的一般特点

（a）MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。

（b）MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。

初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。

（c）MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。

（d）电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。

（2）MQ-2型传感器的特性参数

（a）回路电压：

（Vc）5~24V

（b）取样电阻：

（RL）0.1~20K

（c）加热电压：

（VH）5±0.2V

（d）加热功率：

（P）约750mW

（e）灵敏度：

以甲烷为例R0（air）/RS（0.1%CH4）＞5

（f）响应时间：

Tres＜10秒

（g）恢复时间：

Trec＜30秒

（3）模块应用

可以用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、烟雾等的探测；

。

（4）接线方式

a、VCC:

接电源正极（5V）

b、GND:

接电源负极

c、DO:

TTL开关信号输出

d、AO:

模拟信号输出

2.3.2温度传感器

介绍：

1、DS18B20工作原理

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间各不相同。

低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

DS18B20有4个主要的数据部件：

（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FE6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

（3）DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

（4）配置寄存器该字节各位的意义如下：

表2-1：

配置寄存器结构

TM

R1

R0

1

1

1

1

1

低五位一直都是"1"，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。

在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。

R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：

（DS18B20出厂时被设置为12位）

表2-2：

温度分辨率设置表

R1

R0

分辨率

温度最大转换时间

0

0

9位

93.75ms

0

1

10位

187.5ms

1

0

11位

375ms

1

1

12位

750ms

2、高速暂存存储器

高速暂存存储器由9个字节组成，当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。

单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。

对应的温度计算：

当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。

表2-3：

DS18B20暂存寄存器分布

寄存器内容

字节地址

温度值低位（LSByte）

0

温度值高位（MSByte）

1

高温限值（TH）

2

低温限值（TL）

3

配置寄存器

4

保留

5

保留

6

保留

7

CRC校验值

8

根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：

每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。

3、温度的读取

DS18B20在出厂时以配置为12位，读取温度时共读取16位，前5个位为符号位，当前5位为1时，读取的温度为负数；当前5位为0时，读取的温度为正数。

温度为正时读取方法为：

将16进制数转换成10进制即可。

温度为负时读取方法为：

将16进制取反后加1，再转换成10进制即可。

例：

0550H=+85度，FC90H=-55度。

4、DS18B20控制方法

DS18B20有六条控制命令，指令约定代码操作说明

温度转换44H启动DS18B20进行温度转换

读暂存器BEH读暂存器9字节二进制数字

写暂存器4EH将数据写入暂存器的TH、TL字节

复制暂存器48H把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中

重新调E2RAMB8H把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节

读电源供电方式B4H启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU

5、DS18B20的初始化

（1）先将数据线置高电平“1”。

（2）延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）

（3）数据线拉到低电平“0”。

（4）延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。

（5）数据线拉到高电平“1”。

（6）延时等待（如果初始化成功则在15到60微妙时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。

据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。

（7）若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。

（8）将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。

6、DS18B20的写操作

（1）数据线先置低电平“0”。

（2）延时确定的时间为15微秒。

（3）按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。

（4）延时时间为45微秒。

（5）将数据线拉到高电平。

（6）重复上

（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。

（7）最后将数据线拉高。

7、DS18B20的读操作

（1）将数据线拉高“1”。

（2）延时2微秒。

（3）将数据线拉低“0”。

（4）延时3微秒。

（5）将数据线拉高“1”。

（6）延时5微秒。

（7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。

（8）延时60微秒。

2.4模数转换电路设计

气体传感器出来的信号是模拟信号，而微处理器STC89C52只能处理数字信号，故需要对模拟信号信号进行转换，将其转换为处理器能识别的数字信号，由于测试电路出来的模拟电压变化范围在0~5V，故选择性价比比较合适的ADC0809进行模数转换。

其管脚定义如图2-4所示。

图2-4ADC0809管脚示意图

ADC0809各脚功能如表2-4：

表2-4ADC0809各脚功能

引脚

功能介绍

D7-D0

IN0-IN7

8位数字量输出引脚

8位模拟量输入引脚

VCC

+5V工作电压

REF（+）

参考电压正端

REF（-）

参考电压负端

START

A/D转换启动信号输入端

ALE

地址锁存允许信号输入端

EOC

转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平

OE

输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。

CLK

时钟信号输入端（一般为500KHz）。

A、B、C

地址输入线

ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

ADC0809的时序接口为51系列单片机的标准总线接口，操作方便，如同对存储器或I/O操作一样，A/D转换精度为8比特，满足本课题要求。

输入的模拟电压为0~5V，一次A/D转换时间为100μS。

2.5声光报警电路设计

为了使本系统对室内空气品质的监测更为直观，采用了如图2-5由2个发光二极管和一个蜂鸣器构成的声光报警电路。

温度超标时D1灯亮蜂鸣器报警，其中危险气体含量超标时D2灯亮蜂鸣器报警。

图2-5声光报警电路

2.6液晶显示电路设计

本课题所要显示的数据一共有2个，分别是有毒气体的浓度和室内的温度范围和测量值，故选用2行16个字符的LCD1602作为显示模块，满足显示要求。

液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。

下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。

2.6.1LCD1602的基本参数及引脚功能

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。

1602LCD主要技术参数：

（1）显示容量：

16x2个字符芯片

（2）工作电压：

4.5V—5.5V

（3）工作电流：

2.0Ma（5V）

（4）模块儿最佳工作电压：

5.0V

（5）字符尺寸：

2.95×4.35（W×H）mm

引脚功能说明：

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（有背光）接口，各引脚说明如表2-5所示：

表2-51602引脚说明

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

1

VSS

电源地

9

D2

数据

2

VDD

电源正极

10

D3

数据

3

VL

液晶显示偏压

11

D4

数据

4

RS

数据/命令选择

12

D5

数据

5

R/W

读/写选择

13

D6

数据

6

E

使能信号

14

D7

数据

7

D0

数据

15

BLA

背光源正极

8

D1

数据

16

BLK

背光源负极

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接+5V正电源。

第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

PS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，夜景模块执行命令。

第7~14脚：

D0~D7为八位双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极。

2.6.2LCD1602的指令说明及时序

1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。

（说明：

1为高电平、0为低电平）

指令1：

清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。

指令2：

光标复位，光标返回到地址00H。

指令3：

光标和显示模式设置I/D：

光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:

屏幕上所有文字是否左移或者右移。

高电平表示有效，低电平