室内环境测量课程设计.docx
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室内环境测量课程设计
嵌入式课程设计论文
题目:
室内情况检测系统设计
院(系):
盘算机与通信学院
专业年级:
2011级物联网
姓名:
郭盛功
学号:
11280112
指导西席:
马维俊
日期:
中文摘要
随着我国经济的生长,人民生活水平的提高,人们对情况问题及康健问题日益重视,室内空气品质(IAQ)状况受到越来越多的存眷。
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配景,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,苯和氨的实时收罗处理惩罚、显示、报警等成果。
仪器采取锂电池供电,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,实现在参数超标时实时的报警。
室内智能空气品质监测仪体积小,功耗低,操纵简单,适合应用于家庭和社区的医疗康健保健,能够实时知道室内空气的质量。
要害词:
AT89S52;室内空气品质;LCD显示;温湿度;甲醛
ABSTRACT
Withthedevelopmentofournationaleconomyandimprovementofpeople'slivingstandard,awarenessofenvironmentalissuesandhealthproblemsincreasingemphasisonindoorairquality(IAQ)conditionshavebeenpaidmoreattentionto..Two-thirdsofpeople'slifetimeisspentinthelivingroom.Inthispaper,IndoorAirQualityPortableIntelligentMonitorisonthebackgroundoftoxicandharmfulgases,
basedonanATMEL8-bitworkingultra-lowpowerMCUAT89S52ascontrolcore,whichcanrealizereal-timeacquisitionandprocessing,display,alarmandotherfunctionsofindoortemperature,humidity,formaldehyde,benzeneandammonia.
Equipmentpoweredbylithiumbatteries,hasagoodportabilityandversatility,andusetheLCD1602dotmatrixLCDscreentodisplaymenu,andhasagoodinteractiveinterface.Atthesametimesoundandlightalarmsystemisdesignedtoachieveatimelymannerwhentheparameterlevelexceedsthelimit.IndoorAirQualityPortableIntelligentMonitor,smallsize,lowpowerconsumption,simpleoperation,andissuitableforfamilyandcommunityhealthcareinordertoknowreal-timeacquisitionofindoorairquality.
Keywords:
AT89S52;IAQ;LCDdisplay;humiture;formaldehyde
第一章绪论
1.1课题的目的及意义
1.1.1室内空气品质(IAQ)的重要性
随着科学技能、生产条件、生活水平的改进和提高,修建结构的封闭化室内办公人员的增加,IndoorAirQuality(IAQ)室内空气品质的研究吸引了越来越多人的存眷。
美国科学家在80年代末的一项视察中发明,室内有害污染物浓度比室外高,有的甚至高达100倍。
我国有关部分在1994年的一次视察中也发明,都市室内空气的污染水平比室外严重,有的凌驾室外56倍。
据预计,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运动场合之一,其情况品质与人类康健息息相关。
由此造成的病态修建综合症(SBS-SickBuildingSyndrome):
现代都市病,包罗头痛、恶心疲乏、失眠、影象力衰退皮肤、粘膜有刺激感(眼红、流泪、咽干)呼吸紊乱等也越来越突出。
IAQ在康健方面的影响:
美国环保署(EPA)视察表明:
在美国,IAQ问题是有关全民康健的首要问题之一,受其影响的美国人口多达3000万,造成的经济损失凌驾了400亿美元/年,这些数字令人触目惊心[1];加拿大卫生组织视察表明:
68%的疾病与室内情况污染有关,其中80%~90%的癌症与居住情况和生活习惯有关;英国科学家汉密尔顿考试了220名英国人血液中60种化学元素的平均含量,发明其与地壳中这些元素的含量漫衍相当;湖南省相关部分对空气污染区及清洁区9-10岁儿童为视察东西,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欠好而导致死亡;从我国“室内情况监测中心”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在事情效率及社会经济方面的影响:
美国“职业宁静及康健治理局”预计因室内情况质量恶劣而导致每个员工每天损失14-15分钟的事情时间,不但损失了生产力,使本钱上升,并且也导致医疗用度的增多影响整个社会的经济利益;美国的另一项视察得知由于IAQ恶劣而导致总经济本钱的损失每年高达47-54亿美元(没有包罗对修建质料及种种器材的损失);香港环保署的首份IAQ视察表明香港办公室和大众场合的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问题已经成为修建情况、医药卫生、智能监测、自动控制等研究领域所体贴的问题。
1.1.2课题研究目的及意义
目前由于修建质料品质不一、劣质燃料、吸烟、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,淘汰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(SickBuildingSyndrom)修建物综合症、BRI(BuildingRolatedIlliness)修建物关联症和MCS(MultipleChemicalSensitivity)化学物资过敏症等[4]。
随着人们对IAQ认识水平的加深,以及康健保健知识的生长,人们不但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?
这种浓度会对康健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,对付室内情况监测具仪表已经有许多种,虽然此类仪表本钱不是很高,监测速度较快,但是绝大数产物只是用来监测,不具备自动控制调治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治步伐,因此只有以控制作为监测的后备支持,监测事情才可以更深入长期地开展下去,才华到达监测和控制的有机结合,尽快为人们创造良好的室内情况。
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治,利用MCU进行数据收罗包管了前台数据的实时、准确,有利于进行全方位的评价,为人类营造一个康健的室内生存空间。
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那边理惩罚就可以测定,但易受水分子的影响而使晶体震动频率产生漂移,故根本无实用性。
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,操纵方便,适用于室内和大众场合空气中甲醛浓度的现场测定,也适用于情况测试舱法测定木质板材中的甲醛释放量。
但这些仪器的事情原理、响应性能、适应范畴等都差别。
在测试甲醛、苯等害气体方面,外洋比力着名的有:
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型甲醛阐发仪、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]。
这些仪器可实现对有害气体的检测成果,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纵,很难连续测定[6];目前国内外产物的设计差别主要会合在监测传感器和控制单片机芯片的选用,操纵方面外洋的产物操纵界面方便,成果加完备[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
本课题主要会合在IAQ的监测、显示、报警三个方面。
本文内容摆设如下:
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)确定监测东西:
选择有代表性的监测东西是进行下一步研究的要害;
(2)摆设采样点:
凭据选用的传感器的特点,及待测指标的精度要求摆设传感器;(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底子上设计的具有实际应用代价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:
总结本文研究事情以及在研究方面存在的不敷,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进行数据收罗包管了前台数据的实时、准确,有利于进行全方位的评价。
仪器采取锂电池供电,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
第二章室内空气品质根本介绍
2.1室内空气品质及认识
2.1.1室内空气研究的配景
随着都市人们生活水平的不绝提高,种种装饰装修质料、家具和日用扮装品大量进入室内,使室内污染物的来源和种类日益增多,造成室内空气污染水平在室外空气污染的底子上越发重了一层。
为了节约能源现代修建物的密闭性增加,新风量不敷,加上修建的密闭性越来越好,使用的人工合成质料越来越多,使得室内污染物不能实时排除室外,在室内存储、蓄积,造成室内空气恶化。
人们在人工情况中所处的时间越来越长,结果引发了种种与室内情况相关的病症。
所谓“凶宅”、“鬼屋”或“风水欠好”的衡宇,不少是积聚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,采取通风换气等手段稀释污染物浓度,使危害低落;近几年研究表明,IAQ还包罗其它因素,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、和运行治理等多专业、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成为现代修建科学、医学卫生、修建情况工程、修建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阐发
室内的污染源大抵有五类如表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γ射线
物理污染
噪音、照明不敷或过亮、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
来源
举例
修建质料
形成石棉、氡、氨等污染物
装饰质料
产生化学类污染物
人的运动
杀虫剂,清新剂,吸烟,饲养宠物等
室外污染物
汽车尾气,工场废气,烟雾等
虽然影响IAQ的原因多,但绝大多数由室内情况自身原因造成的,随室内容积、通风量、自然清除等而差别。
IAQ对康健的影响有以下的特性:
(1)影响范畴大,险些涉及所有人群;
(2)打仗时间长;(3)污染物浓度低,短期内反响不明显;(4)污染物种类多;(5)浓度值与康健的干系不明显[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”的认识与评价要领、对策步伐、解决途径与以往的“室内污染”完全差别,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、维护治理和运行状态综合形成的一个结果,如果单纯强调修建装修质料污染控制(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、施工维护以及运行治理“全历程控制”才可能真正改进室内空气品质。
目前迫切需要多学科协同研究,做一些综合性的大课题。
(3)我国己经创建了有关IAQ方面的标准,应用于新修订的节能暖通范例条文中,但较为笼统,难以解决具体工程问题,发起全国粹会应象美国ASHRAE学会一样,单独创建室内空气品质评估。
2.2室内空气品质的监测要领及改进空气品质的要领
2.2.1室内空气品质监测要领
(1)化学阐发要领
主要采取空气取样,通过一定的化学反响要领,测定待测的污染物浓度。
(2)传感器监测要领
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。
2.2.2改进空气品质要领
(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,是改进住宅室内空气品质的要害。
Sundell传授对瑞典160幢修建进行研究,发明新风量越大,产生修建病综合症的风险就越小。
纵然在较严寒的冬季,也最好能开一些窗户,使室外的新鲜空气能进入室内。
(2)公道使用空调
包罗三方面的内容:
一是公道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℃比力符合,有利于人体进行自我调治;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,空气根本上在室内循环,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,既可包管盘管的风量,又能实时清除过滤器上的脏物。
(3)选用一些室内空气处理惩罚设备配合空调一起使用如去湿机、加湿机、过滤器、负离子产生器等。
去湿机、加湿性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。
负离子对人体的康健有益。
(4)辩证地看待现有空调器的一些附加成果所谓空调器的附加成果,如负离子产生器、冷触媒、高效过滤等成果,对改进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。
更况且某些附加成果随着时间的推移,效果会越来越差,有的甚至不起作用,因此,开窗通风换气照旧改进室内空气品的重要手段。
(5)公道选择装修质料及装修方法
尽量选择释放VOC较少的装修质料、胶水、涂料、油漆等,并在装修好后,开窗换气,等室内VOC低落至较低水平后再入住。
提倡靠近自然的装修方法,尽量少用种种化学及人工质料,尽量不要太过装修。
购买新家具后也应开窗换气,向外散发财具中释放的VOC等。
除此之外,居住者应在排气、通风、种植植物、不在室内吸烟、不使用喷雾剂和杀虫剂,以及经常清洁地毯、情况等方面,注意掩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,不可能逐一丈量,研究的思路是用一个典范的污染物来代表一类污染物,这种污染物称为评价指标。
别的,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
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/m30.08
苯(C6H6)
Mg/m30.09
氨气(NH3)
Mg/m30.2
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(VolatileOrganicompounds)。
甲醛具有强烈刺激性气味,其毒性主要体现在神经系统及呼吸系统症状。
当室内甲醛含量为0.1mg/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;当空气中到达30mg/m3时可立即导致死亡。
甲醛是室内挥发性有机物中最主要污染源,其遍及存在于室内装修质料如壁纸、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、二甲苯取代纯苯作种种胶、油漆、涂料和防水质料的溶剂或稀释剂。
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,严重者可致昏倒以致呼吸衰竭而死亡。
苯及其同系衍生物主要来自种种修建质料,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时可以被康健成年人感觉到。
氨是一种碱性物质,它对打仗的皮肤组织有腐化和刺激作用。
室内空气中的氨主要来自修建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情况因素的变革而还原成氨气,从墙体中迟钝释放出来。
另外,氨也可来自室内装饰质料。
目前主要使用国度卫生部分1995年制定的大众场合卫生标准中的《理发店、美容店卫生标准》,因为理发店操纵中经常使用氨水,所以国度规定每立方米空气中氨气不得凌驾0.2毫克[12]。
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配景,能够实现对室内温度,湿度,甲醛,苯和氨的实时收罗处理惩罚、显示、报警等成果。
仪器采取锂电池供电,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,实现在参数超标时实时的报警。
室内智能空气品质监测仪体积小,功耗低,操纵简单,适合应用于家庭和社区的医疗康健保健,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收罗以便进行显示处理惩罚,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惩罚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、氨的浓度某种有凌驾国度标准或设定的危险值时报警电路对应的发作声光报警信号。
图3.1系统结构图
3.1.2AT89S52单片机简介
随着盘算机技能的生长,单片机因具有集成度高、体积小、速度快、代价低等特点而在许多领域如历程控制、数据收罗、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技能等方面得到遍及应用,从而使这些领域的技能水平、自动化水平大大提高。
凭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:
一是要有较强的抗滋扰能力。
由于一般室内电子电器产物比力多,这对单片机的滋扰较大,所以应采取抗滋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力多,特别是ATMEL公司2003年推出的新一代89S系列单片机,故本文采取ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为本系统控制单位的核心部件。
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,它是在现己遍及应用于产业控制等各领域的AT89C52系列单片机的换代产物。
因此它具有89C52的全部成果:
AT89S52新增加的成果由特殊成果寄存器完成。
图3.2AT89S52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;事情电压4.0V到5.5V;全静态时钟0Hz到33MHz;三级步伐加密;32个可编程I/O口;3个16位定时/计数器;8其中断源;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
;上电复位标记
别的,AT89S52和AT89C系列单片机相比新增加了许多成果,这将使单片机在事情历程中具备更高的稳定性和电磁抗滋扰性。
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,这将有利于结实用户应用系统,提高系统可靠性。
最后,AT89S52运行速度更高,最高晶振可到达33MHZ。
正因为AT89S52单片机增加了高可靠性、宁静性的成果,所以能制止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、电磁滋扰等现象的产生。
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。
并且,从经济性的角度来看,AT89S52不但硬件结构简单,并且代价低、成果好、性价比高,切合我国产业设计制造的要求[13][14]。
3.1.3AT89S52单片机与其扩展
设计中采取AT89S52单片机作为本系统控制单位的核心部件并采取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口做输入吸收AD转换后的数字量,PC口做输入循环扫描按键是否按下。
图3.38255A与AT89S52的硬件
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