家庭空气质量监测

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1、2009年“盛群杯”重庆大学生单片机应用设计竞赛复赛报告家庭空气质量监测仪参赛编号：20090585重庆科技学院电子信息工程学院指导老师：叶文参赛队员：肖鸿鸿周海龙姜积任王立发E-mail Address: xiaoh168日期：2009年5月28日摘要让人们生活在安全的环境中，满足人们健康生活的追求，提高家居生活舒适度和享受感，以 HOLTEK MCU为主控，创作家庭空气智能监测仪充分利用现有的丰富资源，通过整合、汲取其优 越性和可行性再加以自主创新，实现一个全新的智能监测系统。家庭空气智能监测仪主要功能：家居环境日常监测对象包括：温度、相对湿度、一氧化碳、氧 气、粉尘、VOC空气质量等指标

2、。通过LCD液晶显示出各指标的数值，当指数值超标或低标时启动 外围控制，报警装置提醒用户空气质量不佳，空气交换器自动更新空气。作品的特色：集成各类传感器、LCD液晶、报警装置、空气交换器于一体，能够实现家庭空气 质量的日常监测，让用户时刻了解家居空气质量情况，自动报警提示和智能的更新空气，达到人性 化的控制。同时更能防患于未然，在发生意外事故的情况下可以自动处理、解决，为人们在采取措 施前争取足够的时间和空间。本作品具有功能完善、结构紧凑、集成化、数字化、智能化，操作简单，安装便捷，适用于大 众家庭，具有广阔的市场，易于产品化和市场化。关键词：家庭、空气质量、HOLTEK MCU、传感器、监测

3、、控制1. 前言随着社会生活文明化程度的提高，人们对 生活的美好追求，要求更高的生活质量，家庭空 气质量的好坏，直接影响着人们的身心健康，乃 至关系到人身安全。因此，营造良好的家居环境 显得尤为重要。作品不仅能够满足人们健康生活 的追求，让人们生活在安全的环境中，又提高了 家居生活舒适度和享受感，而且能够从心理上满 足人们的需求。作品能够实现家庭空气质量的日常监测，提 供LCD液晶显示、报警装置，还具有自主启动空 气交换器等功能。充分体现了作品的集成化、数 字化、智能化。在高可行性前提下，再加以自主 创新，实现产品的微型化，而且设计合理、操作 简易，功能完善。作品能够使人们时刻了解家庭 空气质

4、量，包括：CO浓度、02浓度、粉尘浓度、 相对湿度、VOC等指标。仪器通过智能监测日常 空气质量，及时更新空气而使室内空气时刻保持 清新。作品具有可扩展性，能够将其功能作进一 步的扩充，从而更适应于大众家庭的需求。本作品未曾发表过，全部由学生自行开发设 计。2. 家庭空气智能监测仪的工作原理2.1工作原理及功能总体介绍家庭空气智能监测仪基本电路的设计，主要 由以HT46RU232为主CPU为核心的单片机最小系 统、电源模块、LCD液晶显示驱动电路、按键电 路、报警电路、空气交换器模块、氧气运放电路、 一氧化碳运放电路、粉尘运放电路、湿度运放电 路、VOC空气质量运放电路组成。本作品采用了单片机

5、、传感器、液晶显示等技术， 系统的关键技术是传感器的数据采集和数据的 放，单片机的数据处理和液晶的显示。传感器采 集的数据通过设计运放电路输入单片机的A/D 转换接口，单片机进行数据的分析、处理，输出 到液晶显示屏，当数据超标或低标时则启动报警 装置和空气更新器，通过按键来控制液晶显示的 启动，液晶显示界面的颜色和报警装置、空气交 换器的关闭。2.1.1空气质量参数采集通过各种传感器对家居的温度、湿度、氧气、 一氧化碳、粉尘以及VOC挥发性气体的浓度等主 要空气质量指标进行采集，设计运放电路分别对 采集的信号放大，通过HOLTEK MCU模拟开关的 控制，启动A/D转换器，将采集的模拟信号转换

6、 为MCU能够识别、处理的数字信号。2.1.2空气质量参数现场显示监测各指标浓度，通过MCU的控制传输到大 型LCD液晶显示屏，现场显示出来，当环境空气 质量发生变化时，液晶显示屏能够即时显示当前 空气质量的情况，使用户对该环境的空气质量随 时了解，并且能够知道是否处于正常的环境中， 当有某项指标超标或低标时能够现场给出报警 提示，同时启动空气交换器更新空气。2.1.3空气质量参数分析、处理、判断采集的信息通过 MCU HT46RU232A/D转 换，编程分析、处理数据，通过I/0将当前环境 时刻监测的数据在LCD液晶屏显示，并对数据 进行判断，当测量值超过国家标准或用户自定标 准的要求时，L

7、CD显示该数据的同时对用户进行 超标提示：报警提示；智能开启空气交换器进行 空气的更新；2.2 CPU HT46RU232的主要核心功能应用介绍家庭空气智能监测仪采用28 SKDIP/SOP 封装的盛群 MCU HT46RU232作为主控制 CPU，它内部提供了 8通道12位分辨率A/D转 换；4通道8位PWM高频载波输出；I2C总线 串行接口； 1个8位可编程定时/计数器，具有 溢出中断，可编程分频器PFD（Program Frequency D等。多通道的A/D转换功能是作品 成功的关键所在，充分利用了 HT46RU232的优越 性。本作品中设计了一个以HT46RU232为核心 的单片机最

8、小系统板，然后在它基础上进行外围 电路的扩展。用到了此芯片的如下功能：1）四路A/D转换功能，分别为CO传感器、 O2传感器、温湿度传感器、VOC空气质量传感器 采集的数据进行A/D转换。2）使用一个定时器/计数器TMR0，用于计算 粉尘的浓度。3）八个I/0作为LCD液晶显示输出口，控制 液晶显示CO浓度、O2浓度、粉尘浓度、相对湿 度、voc指标。 24）一个I/O 口作为报警装置的输出口，控制 当参数超标或低标时报警提示。5）一个I/O 口作为空气交换器的输出口，控 制当参数超标或低标时自动启动空气交换器。6）三个I/O 口作为三个按键控制的输出口，分 别控制LCD液晶的启动，液晶显示界

9、面的颜色， 报警提示、空气交换器的开闭。3 .系统设计3.1总体设计思路根据要实现的功能要求，采用图1所示的构架方 案。系统主要包括HT46RU232为核心的单片机 最小系统、电源模块、LCD液晶显示、按键、报 警装置、空气交换器、氧气传感器、一氧化碳传 感器、粉尘传感器、温湿度传感器、VOC空气质 量传感器组成。控制核心为HOLTEK MCU，传 感器周期性采集空气中温度、湿度、氧气、一氧 化碳、粉尘以及VOC浓度数据，通过各传感器的 运算放大电路，将传感器放大的模拟信号通过单 片机的A/D转换为数字信号，MCU编程将数据 进行分析、处理后在液晶屏上显示，并将数据与 设定标准值作比较、判断，

10、当数据超标或低标时 则启动报警装置和空气更新器。电源模块为整个 系统供电，DC/DC HDN1-5D12模块将5V升压 到12V给运放芯片LF353和OP97供电。按键 SET控制LCD液晶显示的启动与待机状态可节 约电能;按键MODE控制液晶显示界面的颜色， 使显示界面更加美观、人化性；按键ENT控制 报警提示、空气交换器的开闭。3.2系统的硬件设计与实现系统硬件主要由HT46RU232单片机最小系 统、电源模块、LCD液晶显示驱动电路、按键电 路、报警电路、空气交换器模块、氧气放大电路、 一氧化碳放大电路、粉尘放大电路、湿度放大电 路、VOC空气质量放大电路组成。3.2.1 HT46RU2

11、32单片机最小系统HT46RU232单片机及运放电路、液晶驱动 电路、电源模块、按键电路构成的单片机最小系 统，本设计中将最小系统与氧气运放电路、一氧 化碳运放电路、粉尘运放电路、湿度运放电路、 VOC空气质量运放电路、空气交换器电路、三个 按键电路、一个LED发光二极管电路、一个蜂 鸣器电路和一个LCD液晶显示驱动电路做成一 块中心板，充分利用HT46RU232引脚以及功能 模块，电路设计巧妙，合理、实用。原理图见附 录1所示。3.2.2传感器运放电路氧气传感器为电化学反应传感器，输出为线 性电压信号，能够迅速检测出空气中氧气的浓 度。其运算放大电路原理图如图1所示。图1氧气运算放大电路原理

12、图空气质量传感器（QS-01）是一种二氧化锡 半导体气体传感器，侦测的目标气体主要是香 （烟）气味、氨气、硫化物这类异味气体，对酒精、 甲醛、苯有机气体等空气污染源（诸如：VOC） 也有很好的灵敏度，产品响应时间快，工作稳定， 输出为电阻信号。其运算放大电路原理图如图2 所示。图2空气质量运算放大电路原理图湿度传感器采用电阻式湿度传感器，体积 小，精度高，低漂移，寿命长，线性电压输出， 抗干扰能力强。图3为运算放大电路原理图。图3湿度运算放大电路原理图粉尘传感器（PD4NS）利用光学原理，能够 探测1微米以上的粉尘粒子，单电源供电，PWM 方式输出。图4为接口电路原理图。图4粉尘模块接口电路原

13、理图电化学一氧化碳传感器(N E-CO-BL)，对CO具有很高的灵敏度，反应时间快，输出为电EdomTESKC70.1 uFC80.1 uFTNfC90.1 uFWde?图8按微控制电路原理图3.3系统的软件设计与实现3.3.1软件系统设计USB接口和外置DC5V供电，另附加DC/DC系统的软件设计采用C语言，可以大大提高 程序编写时的效率。开发环境为HT-IDE3000, 设计的关键是超声波的控制发送、接收以及障碍 物距离的计算与当前时间的实时显示与语音合模块将5V电压转为12V电压，给放大器提供成。电压。其电路原理图如图6所示。软件实现的功能包括:E0509D-1W图6电源电路原理图3.2

14、.4液晶显示模块电路拓普微TFT液晶显示模块引脚与MCU 引脚的连接电路，如图7。开外部发超 声波Timei0清零图7液晶显示模块引脚图3.2.5按键控制模块三个按键控制的输出口，按键SET控 制LCD液晶显示的启动与待机状态可节约 电能；按键MODE控制液晶显示界面的颜 色，使显示界面更加美观、人化性；按键 ENT控制报警提示、空气交换器的开闭。(b)定时器0中断流程秒分钟、小 时刷新(a)外部中断流程图6中断服务子程序流程3.4.2主程序主程序主要起到一个初始化和调用子函数的 功能。主程序循环按键扫描及语音播报程序，包 括中断初始化函数、显示初始化函数等。见流程 框图4所示。开始系统初始化

15、在启动发射电路的同时启动单片机内部的 定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射 的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射 波时，产生一个中断请求信号，单片机响应外部 中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间 差，计算距离。外部中断服务子程序和定时器中断服务子程 序流程如图5所示。3.4.4按键处理程序按键扫描数码管显示刷新闹铃、整点、 当前时间报时障碍物语音提 示图5主程序流程:返回，图6按键扫描框图3.4.3超声波发射和接收程序本系统利用单片机控制超声波的发射和对 超声波自发射至接收往返时间的计时来测距。超 声波传感器的工作电压是40kHz的脉冲信号，这 由单片机定时器来产生。端口输出

16、一个40kHz 的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发 射头，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射 200ms。超声波接收电路将超声波调制脉冲变为交 变电压信号，经处理电路输出由高电平跃变为低 电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。定时器0主要用于产生超声波脉冲信号，定 时器1主要利用其计数功能记录超声波发射的 时间和收到反射波的时间，同时进行北京时间计 时。按键处理程序实现系统工作模式的切换、调 时等功能。本系统中共用到了三个按键，MODE 键用于数码管模式控制。模式键每次按下时加 1；不会因为连续按下时间稍微长而连续加，减 少按键模式选择的误差，共有4种模式： mode 0:显示北

17、京时间； mode 1:显示北京时间分钟修改模式； mode 2:显示北京时间小时修改模式； mode 3:显示闹钟时间模式，在该模式下对闹钟 的设定可做任何的修改。UP键在mode 0下，按下时语音读出当前实 时北京时间；在其他的模式下均用于小时的修 改；DOWN键在模式1、2和3下用于分钟的修 改。UP键和DOWN键按下不放时可以实现连 续增减，便于时间快速调整。按键扫描流程图见 图6所示。4.家庭空气智能监测仪的测试4.1测试方法1）将监测仪置于当前空气的环境，观察液晶显 示屏上各指标的显示情况，并注意报警器和空气 交换器的工作情况，观察一段时间内的变化情 况。2）将监测仪置于充有水蒸气

18、的环境，观察液晶 显示屏上各指标的显示情况，并注意报警器和空 气交换器的工作情况，观察一段时间内的变化情 况。3）将监测仪置于充有烟尘的环境，观察液晶显 示屏上各指标的显示情况，并注意报警器和空气 交换器的工作情况，观察一段时间内的变化情 况。4）在测试过程三个按键的调试SET：电源开启后，按下UP键，观察LCD 液晶的显示情况，再按下DOWN键，观察LCD 液晶的变化情况。MODE：按下UP键，观察液晶的显示界面 的情况，按下DOWN键盘，观察液晶的显示界 面的变化情况。ENT：报警器和空气交换器工作的时候， 按下UP键，观察其工作情况，按下DOWN键， 观察其工作的变化情况。4.1测试结果

19、1）监测仪置于当前空气的环境，测试结果如表1所示：表1.液晶显示屏数值表指标浓度值是否正常相对湿度正常02浓度正常空气质量正常CO浓度正常粉尘浓度正常报警器和空气交换器充有烟尘的工作情况：3）监测仪置于充有水蒸气的环境，测试结果如表3所示：表3：液晶显示屏数值表指标浓度值是否正常相对湿度正常02浓度正常空气质量正常CO浓度正常粉尘浓度正常报警器和空气交换器的工作情况：4. 2测试结果分析通过测试证明，家庭空气智能监测仪设计实 现了预计的全部指标，达到了预期的效果。该家庭空气智能监测仪在外观上还可以进 一步设计，美观化、人性化；功能上可进一步完 善，外围扩展，增加指标，完善功能，智能控制， 从而

20、更加符合家居环境的空气质量监测，并达到 全自动智能控制。参考文献1 胡文金.单片机应用技术实训教程.重庆： 重庆大学出版社.2005,2.2 李丽霞.单片机在超声波测距中的应用.电 子技术.2002,6.3 阎石.数字电子技术基础.高等教育出版 社.2003.64 沈任元.数字电子技术.机械工业出版 社.2004.55 王宛平.电路与模拟电子技术基础.电子工 业出版社.2005.46 基于超声波传感器的测距系统设 计.7 21IC 中国电子网 报警器和空气交换器的工作情况：都不工作。2）监测仪置于充有水蒸气的环境，测试结果如表2所示：表2：液晶显示屏数值表指标浓度值是否正常相对湿度正常02浓度

21、正常空气质量正常CO浓度正常粉尘浓度正常VCCR11KD5LED附录1:单片机最小电路原理图A VCC Q_BA0-OV-A2O_EA4_O-B0_Q _BB2_O EB4_O _EB60 VC0_O C2_O _BG4O _GND 归MODE_O O-SW-PBUPDOWN_SW-PB1234567891011121314151617181920212223242526PA0PA1PA2VCCPA1PA3PA5PA7/SPB1PB3PB5PB7PC1PC3PD0PD1HEADER 1 3X2VCC1KU_RB231KPC1PC21Kvcc I -PB0J2 PB1PB2595 l| PB5P

22、B4PA3PA2PA1PA0PB3PB2PB1PB0PC0PC1PC2VCC12345PB4PB5PB6PB7II-J31 2 1 3 4 ,56VOICEPB5PB6PB4PB7PA3PA4PA2PA5PA1PA6PA0PA7PB3OSC2PB2OSC1PB1VDDPB0RESVSSPD1PC0PD0PC1PC4PC2PC31817TTF/1Z： VC28072625J0322212019161512345678910111314J4SVCCVCCL_RP25PC3附录2： 娴管显示驱动电路图C3VCCC6 104B6-PB7 /PA7/SCLOSC2OSC1RESkcc4MR41KPD1匕

23、PD0 /PC4 /PC3 /12KC2J110PFpR70.0 1UF_iR6CON2-2100K10KC8-0.1uF0.11TUO ?TUO 孑uo 4TUO STUO 6TUO 7TUO OTUOJ128,3日日日日日日日日1R4R4l4R3R3R31R3K7Z7174747047LED-CL3 461ASDS112 3 4 m m m m o o o oh A JA 顶ZAJAAJA 刃/ B 腴 夕7 k k h h 2 府 I I U1 ,7勺 八U274HCQ95 OOOOOOOO7 4HC5 95CON5RCKLVCC附录3超声波发送与接收原理电路POWER1VCCGNDP1P2