基于單片機的室內多功能檢測系統系統設計畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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 CO CO、 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。 基于單片機的室內多功能檢測系統系統設計 第 頁 共 55 頁 8 (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 [7]。 IAQ 標準及室內空氣主要污染物 目前，我國最新的室內空氣質量標準為 GB/T1888320xx，已于 20xx年 3 月正式開始實施。標準除了對溫度、相對濕度等物理性指標做出規定外，還對室內空氣中的化學性、放射性、生物性污染物做出具體限值規定。 (1)物理性污染 室內環境中除要有好的空氣質量外，還牽涉對人體舒適性產生重要影響的溫度、濕度、通風、光照、清潔度、噪音等； 新標準規定了溫度、相對濕度、空氣流速以及新風量等指 標，它們對人體的熱濕平衡調節起著重要作用，對人體的健康和舒適性影響極大。 (2)化學性污染 進入人類環境的化學污染物約有 9萬 6千種，化學污染侵入人體可以通過呼吸道、皮膚、消化道三種途徑吸收，其危害性一般是低濃度的長期效應，以及多因素協同綜合作用；室內環境主要的化學污染物及限定標準如表。 (3)放射性污染 室內環境中放射性污染主要評價指標為氡氣及其子氣體，它是世界衛生組 基于單片機的室內多功能檢測系統系統設計 第 頁 共 55 頁 9 織確認的主要環境致癌物之一，其誘發肺癌發病率危險系數僅次于香煙；氡氣無色無味，是不可揮發的放射性惰性氣體，室內氡的來源主要是從底層土壤中析出， 或是由于通風從戶外空氣中進入室內，以及從建材中析出；氡的危害是長期累積的，且不易察覺，其誘發肺癌的潛伏期大多在 15 年以上；新標準規定，室內氡濃度小于 400Bq/m3。 (4)生物性污染 指由植物、垃圾、濕霉墻體產生細菌、真菌類孢子花粉，以及人為活動引起的代謝產物等；細菌傳播會帶來各種傳染疾病，新標準規定菌落總數小于2500cft/m3[7]。 表 主要化學污染物來源、危害及標準 主要來源 對人體的主要影響 標準 甲醛 建材、粘合劑 刺激眼睛、呼吸道、致癌物 CO2 人群活動 胸悶、頭痛、困倦、免疫力下降 20xxmg/m3 CO 不完全燃燒 血紅蛋白降低、缺氧中毒 10mg/m3 NO2 局部空氣 急性呼吸道病癥 NH3 建筑用防凍劑、水泥草強劑 頭痛、疲勞、厭食 O3 汽車尾氣、光化學反應 刺激眼睛、哮喘病 TVOC 建材 大多有毒性部分列為致癌物 mg/m3 PM10 交通運輸揚塵、大氣沙塵 影響肺間經組織、支氣管炎 mg/m3 苯 油性涂料、粘結劑 引起皮膚癌、肺癌、胃癌 基于單片機的室內多功能檢測系統系統設計 第 頁 共 55 頁 10 第三章 硬件系統設計 總體設計方案 系統硬件結構及原理 總體結構圖如圖 ： 圖 總體結構圖 該儀器以單片機為核心，單片機選用價格便宜的 AT89S52，具有對 CO 濃度、甲烷濃度測量與報警功能 。對溫濕度和甲醛的含量的測量及顯示功能 。設有人工自動復位和自動上電復位以及硬件看門狗電路。單片機外接兩片 74HC595接口芯片來驅動接報警燈和 LCD1602，鍵盤、顯示、甲醛測量電路直接接到單片機引腳。通過 鍵盤可實現設定室內甲烷、 CO 的報警值、顯示相應參數等操作。溫濕度測量采用數字化溫濕度傳感器 DHT11，用 LCD1602液晶實時顯示溫濕度和甲醛值，并根據相應的操作顯示出相應的狀態；如：在甲醛超出預警值是出現報警， LCD要顯示出相應的甲醛濃度值，并顯示提示符“ JiaQuan Alarm??！”。 傳感器的選用 氣體傳感器 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。 甲醛傳感器 I/V 轉換 數字 CO、甲烷傳感器 報警輸出 數字溫濕度傳感器 功能鍵盤 LCD 顯示 單片機 基于單片機的室內多功能檢測系統系統設計 第 頁 共 55 頁 11 (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 基于單片機的室內多功能檢測系統系統設計 第 頁 共 55 頁 12 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；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 [3]。 氣體傳感器采樣方法選擇 氣體的采樣方法直接影響傳感器的響應時間。目前，氣體的采樣方式主要有兩種 :通過簡單擴散法，或是將氣體吸入檢測器。簡單擴散是利用氣體自然向四處傳播的特性。目標氣體穿過探頭內的 傳感器，產生一個正比于氣體體積分數的信號。氣體吸入式探頭通常用于采樣位置接近處理儀器或排氣管道；這種技術可以為傳感器提供一種速度可控的穩定氣流，在氣流大小和流速經常變化的情況下，這種方法較值得推薦 [9]。 由于本儀器主要目的是測量日常生活中房屋內氣體平均濃度，所以采用的第一種簡單擴散法，并且這種方法可以節約成本 CO、甲烷傳感器 本課題的 CO、甲烷傳感器選用匯誠科技的 MQ2 數字傳感器模塊；下面將對MQ 系列傳感器進行介紹。 MQ 系列氣體傳感器的工作原理 MQ 系列氣體傳感器的敏 感材料是活性很高的金屬氧化物半導體 ,最常用的如 SnO2。金屬氧化物半導體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負電荷的半導體表面，半導體表面的電子會被轉移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負離子，同時在半導體表面形成一個正的空間電荷層，導致表面勢壘升高，從而阻礙電子流動（見圖 ）。在敏感材料內部，自由電子必須穿過金屬氧化物半導體微晶粒的結合部位（晶界）才能形成電流。由氧吸附產生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動，傳感器的電阻即緣于這種勢壘。在工作條件下當傳感器遇到還原性氣體時，氧負離子因與還 原性氣體發生氧化還原反應而導致其表面濃度降低，勢壘隨之降低（圖 和圖 ）。導致傳感器的阻值 基于單片機的室內多功能檢測系統系統設計 第 頁 共 55 頁 13 減小 [13]。 圖 晶粒間勢壘模型（潔凈空氣） 圖 CO 和 SnOx2 上吸附氧之間的反應圖解 圖 晶粒間勢壘模型 (還原性氣體出現時） 在給定的工作條件下和適當的氣體濃度范圍內，傳感器的電阻值和還原性氣度濃度之間的關系可近似由下式 (321)所表示： ??? ][ARs C (321) 其中： Rs：傳感器電阻 A：常數 [C]:氣體濃度 α :Rs 曲線的斜率 基于單片機的室內多功能檢測系統系統設計 第 頁 共 55 頁 14 MQ 氣體傳感器的特性 (1)氧氣分壓的影響： 圖 所示為大氣中氧分壓（ PO2）和 MQ 氣體傳感器在清潔空氣中阻值之間的典型關系 。 圖 氧氣分壓的典型影響 (2)氣敏特性： 根據前述方程，在某一氣體濃度范圍內（從幾十 ppm 至幾千 ppm），在工作條件下，傳感器的電阻同氣體濃度呈對數線性關系。如圖 所示。傳感器對多種還原氣體具有敏感性，對指定氣體的相對靈敏度， 取決于敏感材料的構成及其工作溫度。 如圖 典型的敏感特性 實際上，每個傳感器的電阻值和相對靈敏度都不完全相同，圖 5 中描述的敏感特性為傳感器在不同氣體濃度下的阻值 (Rs)與待檢測氣體的一定濃度下的阻值 (R0)的比值與濃度的對數關系。 (3)傳感器響應特性： 基于單片機的室內多功能檢測系統系統設計 第 頁 共 55 頁 15 在工作條件下傳感器先被放入還原性氣體中，其電阻急劇下降，待其穩定后，再將其置入潔凈空氣中，傳感器的電阻經過很短的時間即恢復到它的初始值。這個過程中傳感器典型的動作如圖 所示。傳感器的響應速度和恢復速度與傳感器型號、材料種類及所測氣 體的種類相關。 圖 典型的傳感器響應恢復 (4)初始動作 ： 如圖 所示，當傳感器不通電存放后，再在空氣中通電，無論是否存在還原性氣體，傳感器通電后的最初幾秒鐘，其阻值都會（ Rs）急劇下降，然后逐漸達到一個平穩的水平，即為傳感器的初始動作。初始動作時間的長短取決于傳感器儲存期間的氣氛條件、儲存時間長短，并因傳感器型號而異，也與通電后傳感器周圍的氛圍有關。通電后傳感器的初始動作會引起報警，因此在設計電路時要予以充分考慮。 圖 典型的初始動作 (5)溫、濕度影響： MQ 傳感器的檢測原理是基于氣體在傳感器表面的化學吸附、反應與脫附。 基于單片機的室內多功能檢測系統系統設計 第 頁 共 55 頁 16 環境溫度的變化會改變化學反應速度，從而影響傳感器的敏感特性。此外，水蒸氣會吸附在傳感器表面，濕度將會引起 Rs 的降低。如圖 所示。精確使用MQ 傳感器時應考慮溫、濕度的影響。 如圖 典型的溫濕度影響 (6)長期穩定性： MQ 系列傳感器的長期穩定性典型數據如圖 所示。通常情況下， MQ傳感器表現出穩定的經時特性，適用于免維護應用的場合 。 圖