基于單片機(jī)的室內(nèi)多功能檢測(cè)儀的研究

0 引言：

　　隨著人們生活水平的提高，全裝修住宅的日益擴(kuò)展，其室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量控制越來越引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。同時(shí)人們也需要安全、舒適的家居。現(xiàn)市場(chǎng)也有對(duì)室內(nèi)環(huán)境的檢測(cè)儀器，但存在有體積大、價(jià)格貴、功能少等原因，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查非常需要家居用室內(nèi)安全、溫濕度和室內(nèi)甲醛的檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)的是家用集環(huán)境污染（甲醛）、安全、溫度和濕度為一體的多功能便攜式測(cè)試儀。

　　城市居民的氣體燃料主要是液化石油、煤氣和天然氣。液化石油氣的主要成分是丙烷、煤氣的主要成分是CO和H2，天燃?xì)庵饕煞质羌淄椤?/p>

　　該設(shè)計(jì)主要包含兩大部分功能，第一，空氣質(zhì)量包括溫度、濕度、甲醛的檢測(cè)。第二，室內(nèi)安全測(cè)量包括CO、甲烷。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　總體結(jié)構(gòu)圖如圖1：

圖1

　　該儀器以單片機(jī)為核心，單片機(jī)選用價(jià)格便宜的8031，具有對(duì)CO濃度、甲烷濃度測(cè)量與報(bào)警功能;對(duì)溫濕度和甲醛的含量的測(cè)量及顯示功能;設(shè)有人工自動(dòng)復(fù)位和自動(dòng)上電復(fù)位以及硬件看門狗電路。單片機(jī)外接8255A并行接口芯片，8255A接鍵盤、顯示、甲醛測(cè)量電路。通過鍵盤可設(shè)定室內(nèi)甲烷、CO的報(bào)警值。溫濕度測(cè)量采用數(shù)字化溫濕度傳感器LTM-8901，用4位半液晶顯示溫濕度和甲醛值。CO和甲烷測(cè)量電路輸出分別接單片機(jī)接外中斷INT0和外中斷INT1，利用中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)CO和甲烷的實(shí)時(shí)監(jiān)控。另外擴(kuò)展了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和紫外線可擦除的EPROM存儲(chǔ)器。

2 溫濕度模塊設(shè)計(jì)

　　溫濕度傳感器采用LTM-8901，該傳感器是全新的數(shù)字化溫濕度傳感器，適合室內(nèi)環(huán)境的溫濕度測(cè)量范圍，無需A/D轉(zhuǎn)換，可直接接單片機(jī)，使系統(tǒng)故障率低，便于維護(hù)。濕度測(cè)量時(shí)是傳統(tǒng)濕敏元件與濕度變送器的融合體，本身具有很強(qiáng)的抗靜電、抗干擾、抗反接等保護(hù)能力，而且具有很強(qiáng)的結(jié)露恢復(fù)能力，并對(duì)腐蝕氣體有一定的低御能力。LTM-8901內(nèi)置濾波、保護(hù)電路、極低的功耗，溫度補(bǔ)償已在生產(chǎn)檢驗(yàn)時(shí)校準(zhǔn)完成。這種智能化修正方式，實(shí)現(xiàn)溫濕度全量程的精確測(cè)量。如圖1中，數(shù)字傳感器LTM8901通過光耦器件4N35和驅(qū)動(dòng)電路接單片機(jī)的并行I/O端，實(shí)現(xiàn)輸入輸出隔離，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，光耦器件4N35對(duì)于LTM8901其速度基本上滿足要求，若選用DS18BO2應(yīng)使用更快速度的光耦。

3 CO和甲烷測(cè)量模塊

　　采用半導(dǎo)體氣體傳感器SB-500測(cè)量CO和甲烷，SB-500在高低溫周期變化過程中工作時(shí)，傳感器輸出信號(hào)受溫度影響，高溫時(shí)感應(yīng)甲烷氣體，低溫時(shí)感應(yīng)CO氣體，高溫0.9V＊5秒，低溫0.2V＊15秒，因此工作電壓為高電平為0.9V，低電平為0.2V的方波，占空比為1：3，周期20S。該方波通過設(shè)置單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0的參數(shù)，由單片機(jī)的并行端口輸出，再經(jīng)12V供電的放大電路放大。半導(dǎo)體氣體傳感器SB-500的輸出接單片機(jī)的外中斷，當(dāng)CO濃度超標(biāo)時(shí)，被高、低電平加熱的SB-500的電阻會(huì)降低，經(jīng)過分壓和調(diào)整分壓電阻達(dá)到外中斷請(qǐng)求電平向單片機(jī)請(qǐng)求中斷，通過中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)超標(biāo)報(bào)警。由于高、低電平加熱SB-500時(shí)呈現(xiàn)的電阻不同，采用不同的分壓電阻分壓以實(shí)現(xiàn)中斷請(qǐng)求電平，因此需通過單片機(jī)控制電子開關(guān)自動(dòng)切換CO和甲烷的測(cè)試和報(bào)警。如圖2：

圖2

4.甲醛測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

　　室內(nèi)甲醛污染對(duì)人身體健康影響較大，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法絕大多數(shù)是化學(xué)分析法，使用的手段是實(shí)驗(yàn)室分析儀器，主要有比色計(jì)、分光光度計(jì)，化學(xué)滴定、氣相和液相色譜。但這些方法難做到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制，費(fèi)力費(fèi)時(shí)，過程復(fù)雜，大多數(shù)過程是人工操作，成本高，自動(dòng)化程度低。隨著傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)已有了基于電化學(xué)的便攜式甲醛測(cè)試儀，并且測(cè)試測(cè)試范圍、分辨率、精度、穩(wěn)定性已接近標(biāo)準(zhǔn)要求，因此該設(shè)計(jì)可選用基于電化學(xué)原理的甲醛傳感器，其原理是空氣中的甲醛在電極下發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的擴(kuò)散電極電流與空氣中的甲醛濃度成正比。通過檢測(cè)放大電路和放大倍數(shù)的調(diào)整，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)。由單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制檢測(cè)并顯示甲醛濃度。實(shí)際制作時(shí)，考慮到甲醛測(cè)試成本高，可將甲醛測(cè)試做成一個(gè)單獨(dú)模塊，儀器端安裝外接插頭，需要時(shí)外接即可。

5 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)，采用匯編語言與C語言混合編寫，包括主程序和中斷程序，有初始化模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、顯示模塊、中斷模塊、系統(tǒng)測(cè)試與報(bào)警模塊。初始化是對(duì)外部接口、定時(shí)器等部件初始化;數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊是完成溫濕度和甲醛的測(cè)量對(duì)其分析處理;顯示模塊將循環(huán)顯示溫濕度和甲醛含量;中斷控制模塊完成CO和甲烷的超標(biāo)報(bào)警;系統(tǒng)測(cè)試模塊是檢查系統(tǒng)各模塊、溫濕度模塊等是否正常，出現(xiàn)異常報(bào)警的自診斷功能。流程圖如下：

圖3

6 結(jié)論

　　該儀器是適合家庭用的環(huán)境測(cè)量與安全報(bào)警的便攜式儀表。隨著甲醛傳感器價(jià)格降低、家居全裝修增多，人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，這種多功能測(cè)試儀將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用前景。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于集室內(nèi)環(huán)境與安全報(bào)警為一體，并考慮到甲醛的成本較高，將甲醛的測(cè)試做成一個(gè)獨(dú)立的模塊，儀器設(shè)有外接頭，需要時(shí)外接，或選用市場(chǎng)上的便攜式甲醛測(cè)試儀配套使用。