室內便攜式智能空氣監測儀的設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 低，短期內反應不明顯。(4)污染物種類多 。(5)濃度值與健康的關系不明顯[10]。 室內空氣品質的幾點認識(1)對“室內空氣品質問題”的認識與評價方法、對策措施、解決途徑與以往的“室內污染”完全不同，如果不跳出“室內污染”的老框框，難以使室內空氣品質問題有新進展。(2)由于 IAQ 問題是由多因子、多途徑誘發的，應將 IAQ 看成一個變量，是設計、施工、維護管理和運行狀態綜合形成的一個結果，如果單純強調建筑裝修材料污染控制( 起點控制) 或僅依賴通風空調(終點控制)是不可能解決 IAQ 問題，只有從設計、施工維護以及運行管理“全過程控制”才可能真正改善室內空氣品質。目前迫切需要多學科協同研究，做一些綜合性的大課題。(3)我國己經建立了有關 IAQ 方面的標準，應用于新修訂的節能暖通規范條文中，但較為籠統，難以解決具體工程問題，建議全國學會應象美國 ASHRAE學會一樣，單獨建立室內空氣品質評估。 室內空氣品質的監測方法及改善空氣品質的方法 室內空氣品質監測方法(1)化學分析方法主要采用空氣取樣，通過一定的化學反應方法，測定待測的污染物濃度。 (2)傳感器監測方法選擇適當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、電化學傳感器。 改善空氣品質方法(1)開窗通風換氣開窗通風可以始終保持室內具有良好的空氣品質,是改善住宅室內空氣品質的關鍵。Sundell 教授對瑞典 160 幢建筑進行研究,發現新風量越大,發生建筑病綜合癥的風險就越小。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入室內。(2)合理使用空調包括三方面的內容:一是合理控制室內的溫度濕度。室內外的溫差不宜太大 ,夏季一般溫差維持在 6~7℃比較合適,有利于人體進行自我調節。 冬天,空氣較干燥,最好能配備加濕設備,使空氣保持濕潤。二是現在住宅多使用分體式空調,空氣基本上在室內循環,因此, 最好能適當開一點窗引進些新鮮空氣。三是對過濾器要經常進行清洗,既可保證盤管的風量,又能及時清除過濾器上的臟物。(3)選用一些室內空氣處理設備配合空調一起使用如去濕機、加濕機、過濾器、負離子發生器等。去濕機、加濕機能保持室內適當的濕度。活性碳高效過濾器,能有效過濾室內的 COCO、VOC、顆粒物等污染物,保持室內具有較好的空氣品質。負離子對人體的健康有益。(4)辯證地看待現有空調器的一些附加功能所謂空調器的附加功能,如負離子發生器、冷觸媒、高效過濾等功能,對改善室內空氣品質有一定的作用,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,開窗通風換氣還是改善室內空氣品的重要手段。(5)合理選擇裝修材料及裝修方式盡量選擇釋放 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 VOC 降低至較低程度后再入住。提倡接近自然的裝修方式,盡量少用各種化學及人工材料，盡量不要過度裝修。購置新家具后也應開窗換氣,向外散發家具中釋放的 VOC 等。除此之外，居住者應在排氣、通風、種植植物、不在室內抽煙、不使用噴霧劑和殺蟲劑,以及經常清潔地毯、環境等方面，注意保護和造就良好的室內空氣品質[11]。 室內空氣品質測試指標的選定室內污染物種類繁多，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。此外，室內空氣品質是一個綜合性的指標，要考慮多方面的因子，借鑒目前國內外常用的 IAQ 監測指標，本課題的監測指標訂為溫度，濕度，甲醛，苯，氨氣五個參量。各指標標準見表 ：表 室內空氣監測指標限度檢測指標 單位 濃度 備注溫度 ℃ 18～28 平均相對濕度 100% 30%～70%甲醛（ HCHO） Mg/m3 苯（C6H6） Mg/m3 氨氣（NH3） Mg/m3 甲醛，苯和氨氣是室內空氣中常見的三種毒氣： (1)甲醛(HCHO)是一種無色易溶的刺激性氣體，沸點 190C，易揮發，所以在室內空氣品質研究中，將其歸為 VOC，即揮發性有機化合(Volatile Organic ompounds)。甲醛具有強烈刺激性氣味，其毒性主要表現在神經系統及呼吸系統癥狀。當室內甲醛含量為 mg/m3 時就有異味和不適感，引起流淚。濃度再高可引起惡心、嘔吐、咳嗽、胸悶、氣喘甚至肺氣腫。當空氣中達到 30 mg/m3 時可當即導致死亡。甲醛是室內揮發性有機物中最主要污染源，其廣泛存在于室內裝修材料如壁紙、地板、油漆、膠水等。我國于 1996 年頒布了《居室空氣中甲醛的衛生標準》 ，明確規定居室空氣中甲醛的最高允許濃度為 即 (2)苯(C6H6)是一種無色具有特殊芳香氣味的液體，沸點為 80176。C。目前室內裝飾中多用甲苯、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、易燃、蒸氣有爆炸性的特點。人在短時間內吸入高濃度甲苯、二甲苯時，可出現中樞神經系統麻醉作用，輕者有頭暈、頭痛、惡心、意識模糊，嚴重者可致昏迷以致呼吸衰竭而死亡。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空氣濃度尚沒有標準，一般認為苯含量低于 1ppm，甲苯含量低于 ，二甲苯含量低于 ，乙苯含量低于 2ppm 即可認為其對人體無害,即 。(3)氨(NH3)是一種無色而具有強烈刺激性臭味的氣體，比空氣輕(比重 )，當濃度高于 時可以被健康成年人感覺到。氨是一種堿性物質，它對接觸的皮膚組織有腐蝕和刺激作用。室內空氣中的氨主要來自建筑施工中使用的混凝土添加劑，這些含大量氨類物質的添加劑在墻體中隨著溫度等環境因素的變化而還原成氨氣，從墻體中緩慢釋放出來。另外，氨也可來自室內裝飾材料。目前主要使用國家衛生部門 1995年制定的公共場所衛生標準中的《理發店、美容店衛生標準》 ，因為理發店操作中經常使用氨水，所以國家規定每立方米空氣中氨氣不得超過 毫克[12]。第三章 室內空氣品質監測儀的硬件設計 室內空氣品質監測儀系統簡介基于 AT89S52 的室內便攜式智能空氣品質監測儀是以室內空氣中有毒有害氣體的監測監控為背景，能夠實現對室內溫度，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 點陣式液晶屏顯示菜單，有良好的人機對話界面。同時設計了聲光報警系統，實現在參數超標時及時的報警。室內智能空氣品質監測儀體積小，功耗低，操作簡單，適合應用于家庭和社區的醫療健康保健，能夠實時知道室內空氣的質量。 系統硬件結構及原理本文研究的室內便攜式智能空氣品質監測儀是以 ATMEL 工公司的一款 8 位超低功耗單片機 AT89S52 為控制核心，系統結構如圖 所示。室內空氣中有害氣體甲醛、苯、氨分別通過傳感器組中的傳感器 傳感器 傳感器 3 輸出一個與甲醛、苯、氨濃度相對應的電流信號,該信號經過放大濾波后通過多路轉換器分時間段進行采樣保持,最后經過 A/D 轉換電路按一定得采樣頻率將模擬信號轉換為數字信號送入單片機進行數據采集以便進行顯示處理，溫濕傳感器直接與單片機相連。單片機對采樣值進行數字處理后驅動液晶顯示器分別顯示出被測室內空氣中的甲醛、苯、氨的濃度值及溫濕度。若被測室內空氣中甲醛、苯、氨的濃度某種有超過國家標準或設定的危險值時報警電路對應的發出聲光報警信號。圖 系統結構圖 AT89S52 單片機簡介 隨著計算機技術的發展，單片機因具有集成度高、體積小、速度快、價格低等特點而在許多領域如過程控制、數據采集、機電一體化、智能化儀表、家用電器以及網絡技術等方面得到廣泛應用，從而使這些領域的技術水平、自動化程度大大提高。根據上述幾方面及本課題的實際情況，單片機型號的選擇主要從以下兩點考慮:一是要有較強的抗干擾能力。由于一般室內電子電器產品比較多，這對單片機的干擾較大，所以應采用抗干擾性能較好的單片機機型。二是要有較高的性價比。由于 MCS51 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 2022 年推出的新一代 89S系列單片機，故本文采用 ATMEL 公司生產的 AT89S52 單片機作為本系統控制單元的核心部件。AT89S52 單片機是 AT89S 系列單片機中的一種，圖 是一般常用的雙列直插式，它是在現己廣泛應用于工業控制等各領域的 AT89C52 系列單片機的換代產品。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。 圖 AT89S52 芯片AT89S52 單片機有以下特點：兼容 MCS51 微控制器；8K 字節 FLASH 存貯器支持在系統編程 ISP1000 次擦寫周期；256 字節片內 RAM；工作電壓 到；全靜態時鐘 0Hz 到 33MHz；三級程序加密；32 個可編程 I/O 口；3 個 16位定時/計數器；8 個中斷源；完全的雙工 UART 串行口；低功耗支持 Idle 和Powerdown 模式；Powerdown 模式支持中斷喚醒；看門狗定時器；雙數據指針；上電復位標志此外，AT89S52 和 AT89C 系列單片機相比新增加了許多功能，這將使單片機在工作過程中具備更高的穩定性和電磁抗干擾性。首先，AT89S52 支持 ISP 在線編程，這使生產及維護更為方便。其次，AT89S52 內部增加了片內看門狗定時器，這將有利于堅固用戶應用系統，提高系統可靠性。最后，AT89S52 運行速度更高，最高晶振可達到 33MHZ。正因為 AT89S52 單片機增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免因外部芯片擴展過多或傳感器輸入信號過多而引起的信號失真、電磁干擾等現象的發生。因此，用它作為室內空氣品質監測控制完全可以滿足實時監測、報警等要求。而且，從經濟性的角度來看，AT89S52 不但硬件結構簡單，而且價格低、功能好、性價比高，符合我國工業設計制造的要求[13][14]。 AT89S52 單片機與其擴展設計中采用 AT89S52 單片機作為本系統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 所示，其中 89S52 的 P0 口做擴展用，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 轉換后的數字量，PC 口做輸入循環掃描按鍵是否按下。圖 8255A 與 AT89S52 的硬件連接圖 傳感器的選用 氣體傳感器 1．氣體傳感器基礎知識按照氣敏特性來分，氣體傳感器主要分為：半導體型、電化學型、固體電解質型、接觸燃燒型、光化學型等氣體傳感器，又以前兩種最為普遍。 (1)半導體型氣體傳感器的優缺點半導體氣體傳感器具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優點。不足之處是必須在高溫下工作、對氣體或氣味的選擇性差、元件參數分散、穩定性不理想、功率高等方面。(2)半導體傳感器需要加熱的原因半導體傳感器是利用一種金屬氧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行還原反應以引起傳感器電導率的變化。為了消除氣體分子達到初始狀態就必須發生一次氧化反應。傳感器內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定，其原因就是沒有加熱或加熱電壓過低導致溫度太低反應不充分。(3)電化學氣體傳感器的工作原理電化學氣體傳感器是通過監測電流來監測氣體的濃度，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，目前可以監測許多有毒氣體和氧氣，后者還能監測血液中的氧濃度。電化學傳感器的主要優點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。(4)半導體傳感器和電化學傳感器的區別半導體傳感器因其簡單低價已經得到廣泛應用，但是又因為它的選擇性差和穩定性不理想目前還只是在民用級別使用。而電化學傳感器因其良好的選擇性和高靈敏度被廣泛應用在幾乎所有工業場合。(5)固態電解質氣體傳感器顧名思義，固態電解質就是以固體離子導電為電解質的化學電池。它介于半導體和電化學之間。選擇性，靈敏度高于半導體而壽命又長于電化學，所以也得到了很多的應用，不足之處就是響應時間過長。(6)接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器只能測量可燃氣體。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下，可燃氣體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生變化。后者因為催化劑的關系具有廣普特性應用更廣。(7)光學式氣體傳感器光學式氣體傳感器主要包括紅外吸收型、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測氣體。目前因為它的結構關系一般造價頗高[15]。基于本文的實時要求和性價比等方面的原因，本系統選用電化學傳感器中的定電位電解式氣體傳感器。傳感器元件是準確監測甲醛、苯、氨氣氣體濃度的關鍵。在有毒有害氣體監測技術中,由于定電位電解傳感器具有準確快速、簡潔直觀的特點,在國外得到比較普遍的應用，運用定