基于单片机的室内多功能检测系统系统设计学士学位论文.docx

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基于单片机的室内多功能检测系统系统设计学士学位论文

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

MultifunctionalMicrocontroller-basedindoor-detectionsystemdesign

Abstract

Withthedevelopmentofournationaleconomyandimprovementofpeople'slivingstandard,awarenessofenvironmentalissuesandhealthproblemsincreasingemphasisonindoorairquality（IAQ）conditionshavebeenpaidmoreattentionto.Two-thirdsofpeople'slifetimeisspentinthelivingroom.Inthispaper,IndoorAirQualityPortableIntelligentMonitorisonthebackgroundoftoxicandharmfulgases,basedonanATMEL8-bitworkingultra-lowpowerMCUAT89S52ascontrolcoreandaRTOScalledRTXtiny51whichcanmaintainthereliabilityandtheinstantaneityofthesystemwillbeusedintothedesign.Thesystemcanrealizereal-timeacquisitionandprocessing,display,alarmandotherfunctionsofindoortemperature,humidity,formaldehyde,benzeneandammonia.Equipmentpoweredbylithiumbatteries,hasagoodportabilityandversatility,andusetheLCD1602dotmatrixLCDscreentodisplaymenu,andhasagoodinteractiveinterface.IndoorAirQualityPortableIntelligentMonitor,smallsize,lowpowerconsumption,simpleoperation,andissuitableforfamilyandcommunityhealthcareinordertoknowreal-timeacquisitionofindoorairquality.ThisdesignusesdigitaltemperatureandhumiditysensorLTM8901tomeasureindoortemperatureandhumidity,aswellasdetectgasconcentrationbyusingconstantpotentialelectrolysisgassensors,andusesmonolithicprocessortocontrolanalogswitchtomeasureCO,CH4andformaldehydealternatelyandgivealarm.

Keywords:

IAQ,temperatureandhumidity,RTOS,digital,safety,alarm

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年在其空气与辐射司下设立室内空气质量（IAQ）程序办公室，1995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、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。

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:

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2.2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“室内污染”完全不同，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。

含有甲醛成分并有可能向外界散发的各类装饰材料，如壁纸、地毯、油漆。

2.2室内空气品质的监测方法及IAQ标准

2.2.1室内空气品质监测方法

（1）化学分析方法

主要采用空气取样，通过一定的化学反应方法，来测定待测的污染物浓度。

（2）传感器监测方法

选择适当类型的传感器可直接读取待测物的浓度；这些传感器按原理分为:

电阻型传感器、电感型传感器、电容型传感器、DNA生物传感器、电化学传感器等等。

2.2.2改善空气品质方法

（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,是改善住宅室内空气品质的关键。

Sundell教授对瑞典160幢建筑进行研究,发现新风量越大,发生建筑病综合症的风险就越小；即使在较寒冷的冬季,也最好能开一些窗户,使室外的新鲜空气能进入室内。

（2）合理使用空调

包括三方面的内容:

一是合理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℃比较合适,有利于人体进行自我调节;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,空气基本上在室内循环,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,既可保证盘管的风量,又能及时清除过滤器上的脏物。

（3）选用一些室内空气处理设备配合空调一起使用如去湿机、加湿机、过滤器、负离子发生器等；去湿机、加湿机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；负离子对人体的健康有益。

（4）辩证地看待现有空调器的一些附加功能所谓空调器的附加功能,如负离子发生器、冷触媒、高效过滤等功能,对改善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；更何况某些附加功能随着时间的推移,效果会越来越差,有的甚至不起作用，因此，开窗通风换气还是改善室内空气品的重要手段。

（5）合理选择装修材料及装修方式

尽量选择释放VOC较少的装修材料、胶水、涂料、油漆等,并在装修好后,开窗换气,等室内VOC降低至较低程度后再入住；提倡接近自然的装修方式,尽量少用各种化学及人工材料，尽量不要过度装修；购置新家具后也应开窗换气,向外散发家具中释放的VOC等；除此之外，居住者应在排气、通风、种植植物、不在室内抽烟、不使用喷雾剂和杀虫剂,以及经常清洁地毯、环境等方面，注意保护和造就良好的室内空气品质[7]。

2.3IAQ标准及室内空气主要污染物

目前，我国最新的室内空气质量标准为GB/T18883-2002，已于2003年3月正式开始实施。

标准除了对温度、相对湿度等物理性指标做出规定外，还对室内空气中的化学性、放射性、生物性污染物做出具体限值规定。

（1）物理性污染

室内环境中除要有好的空气质量外，还牵涉对人体舒适性产生重要影响的温度、湿度、通风、光照、清洁度、噪音等；新标准规定了温度、相对湿度、空气流速以及新风量等指标，它们对人体的热湿平衡调节起着重要作用，对人体的健康和舒适性影响极大。

（2）化学性污染

进入人类环境的化学污染物约有9万6千种，化学污染侵入人体可以通过呼吸道、皮肤、消化道三种途径吸收，其危害性一般是低浓度的长期效应，以及多因素协同综合作用；室内环境主要的化学污染物及限定标准如表。

（3）放射性污染

室内环境中放射性污染主要评价指标为氡气及其子气体，它是世界卫生组织确认的主要环境致癌物之一，其诱发肺癌发病率危险系数仅次于香烟；氡气无色无味，是不可挥发的放射性惰性气体，室内氡的来源主要是从底层土壤中析出，或是由于通风从户外空气中进入室内，以及从建材中析出；氡的危害是长期累积的，且不易察觉，其诱发肺癌的潜伏期大多在15年以上；新标准规定，室内氡浓度小于400Bq/m3。

（4）生物性污染

指由植物、垃圾、湿霉墙体产生细菌、真菌类孢子花粉，以及人为活动引起的代谢产物等；细菌传播会带来各种传染疾病，新标准规定菌落总数小于2500cft/m3[7]。

表2.3主要化学污染物来源、危害及标准

主要来源

对人体的主要影响

标准

甲醛

建材、粘合剂

刺激眼睛、呼吸道、致癌物

0.08ppm

CO2

人群活动

胸闷、头痛、困倦、免疫力下降

2000mg/m3

CO

不完全燃烧

血红蛋白降低、缺氧中毒

10mg/m3

NO2

局部空气

急性呼吸道病症

0.24mg/m3

NH3

建筑用防冻剂、水泥草强剂

头痛、疲劳、厌食

0.20mg/m3

O3

汽车尾气、光化学反应

刺激眼睛、哮喘病

0.16mg/m3

TVOC

建材

大多有毒性部分列为致癌物

0.6mg/m3

PM10

交通运输扬尘、大气沙尘

影响肺间经组织、支气管炎

0.15mg/m3

苯

油性涂料、粘结剂

引起皮肤癌、肺癌、胃癌

0.11mg/m3

第三章硬件系统设计

3.1总体设计方案

3.1.1系统硬件结构及原理

总体结构图如图3.10：

图3.10总体结构图

该仪器以单片机为核心，单片机选用价格便宜的AT89S52，具有对CO浓度、甲烷浓度测量与报警功能;对温湿度和甲醛的含量的测量及显示功能;设有人工自动复位和自动上电复位以及硬件看门狗电路。

单片机外接两片74HC595接口芯片来驱动接报警灯和LCD1602，键盘、显示、甲醛测量电路直接接到单片机引脚。

通过键盘可实现设定室内甲烷、CO的报警值、显示相应参数等操作。

温湿度测量采用数字化温湿度传感器DHT11，用LCD1602液晶实时显示温湿度和甲醛值，并根据相应的操作显示出相应的状态；如：

在甲醛超出预警值是出现报警，LCD要显示出相应的甲醛浓度值，并显示提示符“JiaQuanAlarm！

！

”。

3.2传感器的选用

3.2.1气体传感器

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[3]。

3.2.2气体传感器采样方法选择

气体的采样方法直接影响传感器的响应时间。

目前，气体的采样方式主要有两种:

通过简单扩散法，或是将气体吸入检测器。

简单扩散是利用气体自然向四处传播的特性。

目标气体穿过探头内的传感器，产生一个正比于气体体积分数的信号。

气体吸入式探头通常用于采样位置接近处理仪器或排气管道；这种技术可以为传感器提供一种速度可控的稳定气流，在气流大小和流速经常变化的情况下，这种方法较值得推荐[9]。

由于本仪器主要目的是测量日常生活中房屋内气体平均浓度，所以采用的第一种简单扩散法，并且这种方法