本科生阶段室内环境测量嵌入式课程设计

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1、嵌入式课程程设计论论文题目：室内内环境检检测系统统设计院（系）： 计计算机与与通信学学院 专业年级：姓名：学号：指导教师： 日期：摘要随着我国经经济的发发展，人人民生活活水平的的提高，人人们对环环境问题题及健康康问题日日益重视视，室内内空气品品质（IIAQ）状状况受到到越来越越多的关关注。人人的一生生中有三三分之二二的时间间是在居居室内度度过的。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，能够实现对室内温度，湿度，甲醛，苯和氨的实时采集处理、显示、报警等功能。仪器采用锂电池供电，具有良好

2、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。关键词：AAT899S522；室内空空气品质质；LCDD显示；温湿度度；甲醛醛ABSTRRACTTWith thee deevellopmmentt off ouur nnatiionaal eeconnomyy annd iimprroveemennt oof ppeopples lliviing staandaard, awwareenesss

3、oof eenviironnmenntall isssuees aand heaalthh prrobllemss inncreeasiing empphassis on inddoorr aiir qquallityy (IIAQ) coondiitioons havve bbeenn paaid morre aatteentiion to. TTwo-thiirdss off peeoplless liife timme iis sspennt iin tthe livvingg rooom. Inn thhis papper,Inddoorr Aiir QQuallityy Poorta

4、ablee Inntellliggentt Moonittor is on thee baackggrouund of toxxic andd haarmfful gasses,basedd onn ann ATTMELL 8-bitt woorkiing ulttra-loww poowerr MCCU AAT899S522 ass coontrrol corre, whiich cann reealiize reaal-ttimee accquiisittionn annd pproccesssingg, ddispplayy ,aalarrm aand othher funnctiion

5、ss off inndooor ttempperaaturre, hummidiity, foormaaldeehydde, bennzenne aand ammmoniia. Equippmennt ppoweeredd byy liithiium battterriess, hhas a ggoodd poortaabillityy annd vverssatiilitty, andd usse tthe LCDD16002 ddot mattrixx LCCD sscreeen to dissplaay mmenuu, aand hass a goood iinteeracctivve

6、iinteerfaace. Att thhe ssamee tiime souund andd liightt allarmm syysteem iis ddesiigneed tto aachiievee a timmelyy maanneer wwhenn thhe pparaametter levvel excceedds tthe limmit.Inddoorr Aiir QQuallityy Poortaablee Inntellliggentt Moonittor, smmalll siize, loow ppoweer cconssumpptioon, simmplee oppe

7、raatioon, andd iss suuitaablee foor ffamiily andd coommuunitty hheallth carre iin oordeer tto kknoww reeal-timme aacquuisiitioon oof iindooor airr quualiity.Key wwordds：AT889S552；IAQQ；LCDD diispllay；hummituure；forrmalldehhydee目录目录I第一章绪论论11.1课题题的目的的及意义义11.1.11室内空空气品质质(IAAQ)的的重要性性11.1.22课题研研究目的的及意义义21

8、.2国内内外的研研究状况况21.3本文文的主要要研究内内容及总总体方案案设计331.3.11本文的的主要研研究内容容31.3.22总体方方案设计计3图1.1 系统结结构框图图3第二章室内内空气品品质基本本介绍442.1室内内空气品品质及认认识42.1.11室内空空气研究究的背景景42.1.22室内污污染物种种类及来来源分析析42.1.33室内空空气品质质的几点点认识552.2室内内空气品品质的监监测方法法及改善善空气品品质的方方法52.2.11室内空空气品质质监测方方法52.2.22改善空空气品质质方法662.3室内内空气品品质测试试指标的的选定66第三章室内内空气品品质监测测仪的硬硬件设计计

9、83.1室内内空气品品质监测测仪系统统简介883.1.11系统硬硬件结构构及原理理83.1.22 ATT89SS52单单片机简简介93.1.33AT889S552单片片机与其其扩展1103.2传感感器的选选用1003.2.11气体传传感器1103.2.22温湿传传感器1143.3前置置放大滤滤波电路路的设计计173.4模数数转换电电路的设设计2003.5声光光报警电电路的设设计2113.6液晶晶显示电电路设计计213.7复位位电路设设计2223.8电源源电路设设计2333.9本章章小结223第四章室内内空气品品质监测测仪的软软件设计计244.1系统统软件设设计思路路244.1.11编程语语言的

10、选选择2444.1.22软件功功能需求求244.2软件件模块设设计2664.2.11主程序序模块2264.2.22 ADD转换模模块2664.2.33液晶显显示模块块274.2.44声光报报警模块块284.3本章章小结228第五章结论论与展望望295.1主要要结论2295.2展望望29参考文献330附录31附录一原理理电路图图31附录二程序序清单332附录三外文文翻译550外文资料550致谢65兰州理工大学嵌入式课程设计（论文）第一章绪 论1.1课题题的目的的及意义义1.1.11室内空空气品质质(IAAQ)的的重要性性随着科学技技术、生生产条件件、生活活水平的的改善和和提高，建筑结构的封闭化室

11、内办公人员的增加，Indoor Air Quality（IAQ）室内空气品质的研究吸引了越来越多人的关注。美国科学家在80年代末的一项调查中发现，室内有害污染物浓度比室外高，有的甚至高达100倍。我国有关部门在1994年的一次调查中也发现，城市室内空气的污染程度比室外严重，有的超过室外56倍。据估计，人的一生平均90%的时间在室内度过，室内作为现代人类最主要的活动场所之一，其环境品质与人类健康息息相关。由此造成的病态建筑综合症（SBSSick Building Syndrome）：现代都市病，包括头痛、恶心疲乏、失眠、记忆力衰退皮肤、粘膜有刺激感（眼红、流泪、咽干）呼吸紊乱等也越来越突出。IA

12、Q在健健康方面面的影响响：美国国环保署署(EPPA)调调查表明明:在美国国，IAAQ问题题是有关关全民健健康的首首要问题题之一，受受其影响响的美国国人口多多达30000万万，造成成的经济济损失超超过了4400亿亿美元/年，这这些数字字令人触触目惊心心1；加拿大大卫生组组织调查查表明：68%的疾病病与室内内环境污污染有关关，其中中80%900%的癌癌症与居居住环境境和生活活习惯有有关;英国科科学家汉汉密尔顿顿测验了了2200名英国国人血液液中600种化学学元素的的平均含含量，发发现其与与地壳中中这些元元素的含含量分布布相当;湖南省省相关部部门对空空气污染染区及清清洁区99-100岁儿童童为调查查

13、对象，研研究空气气污染对对儿童免免疫力的的影响，结结果显示示:污染区区儿童的的免疫能能力仅为为清洁区区儿童免免疫能力力的1/3;据据统计，我我国每年年有111万人因因IAQQ不好而而导致死死亡;从我国国“室内内环境监监测中心心”对IIAQ监监测力度度越来越越大的趋趋势也可可以看出出，此问问题在我我国也是是越来越越严重。IAQ在工工作效率率及社会会经济方方面的影影响：美美国“职职业安全全及健康康管理局局”估计计因室内内环境质质量恶劣劣而导致致每个员员工每天天损失114-115分钟钟的工作作时间，不不仅损失失了生产产力，使使成本上上升，而而且也导导致医疗疗费用的的增多影影响整个个社会的的经济利利益

14、;美国的的另一项项调查得得知由于于IAQQ恶劣而而导致总总经济成成本的损损失每年年高达447-554亿美美元(没有包包括对建建筑材料料及各种种器材的的损失);香港港环保署署的首份份IAQQ调查表表明香港港办公室室和公共共场所的的IAQQ不佳，造造成医疗疗费、生生产力和和机电费费的损失失每年高高达1776亿元元23。鉴于此，人人们认识识到解决决IAQQ问题的的重要性性与迫切切性，同同时IAAQ问题题已经成成为建筑筑环境、医医药卫生生、智能能监测、自自动控制制等研究究领域所所关心的的问题。1.1.22课题研研究目的的及意义义目前由于建建筑材料料品质不不一、劣劣质燃料料、抽烟烟、通风风不良等等原因，

15、室室内的空空气状况况往往不不如室外外，尽管管大量的的空调系系统被应应用到室室内空间间，但往往往为了了节能，减减少自然然通风了了而利用用回风，使使IAQQ进一步步恶化，同同时出现现的舒适适性空调调仅着眼眼于热舒舒适，忽忽视了空空气净化化，从而而导致了了一些负负面作用用: SSBS(Sicck BBuilldinng SSynddromm)建筑筑物综合合症、BBRI(Buiildiing Rollateed IIlliinesss)建建筑物关关联症和和MCSS(Muultiiplee Chhemiicall Seensiitivvityy)化学学物资过过敏症等等4。随着人们对对IAQQ认识程程度的

16、加加深，以以及健康康保健知知识的发发展，人人们不仅仅希望知知道是什什么污染染物在作作怪，更更希望知知道污染染的浓度度水平如如何?这种浓浓度会对对健康造造成什么么短期和和长期危危害?对存在在的污染染应该如如何控制制治理? 在这种情况况下，设设计开发发一套空空气质量量监测仪仪表是有有现实意意义的。目目前，对对于室内内环境监监测具仪仪表已经经有很多多种，虽虽然此类类仪表成成本不是是很高，监监测速度度较快，但但是绝大大数产品品只是用用来监测测，不具具备自动动控制调调节室内内空气质质量的能能力。实实际上，单单纯的监监测不能能提供经经济可行行的空气气质量调调节措施施，因此此只有以以控制作作为监测测的后备备

17、支持，监监测工作作才可以以更深入入持久地地开展下下去，才才能达到到监测和和控制的的有机结结合，尽尽快为人人们创造造良好的的室内环环境。因因此，本本文基于于量化监监测，提提出“室室内便携携式智能能空气品品质监测测仪”系系统，此此系统旨旨在实现现室内空空气温度度、湿度度、有害害气体的的预警监监测及自自适应智智能调节节，利用用MCUU进行数数据采集集保证了了前台数数据的及及时、准准确，有有利于进进行全方方位的评评价，为为人类营营造一个个健康的的室内生生存空间间。1.2国内内外的研研究状况况气体传感器器测定甲甲醛成为为近年来来甲醛检检测研究究的新热热点。早早在19983年年，压电电类甲醛醛传感器器就已

18、问问世。这这种传感感器可以以不需要要对样品品进行任任何处理理就可以以测定，但但易受水水分子的的影响而而使晶体体震动频频率发生生漂移，故故基本无无实用性性。为适适应室内内空气甲甲醛现场场快速检检测的要要求，目目前已开开发出不不少甲醛醛快速测测定仪，这这些仪器器可直接接在现场场测定甲甲醛浓度度，操作作方便，适适用于室室内和公公共场所所空气中中甲醛浓浓度的现现场测定定，也适适用于环环境测试试舱法测测定木质质板材中中的甲醛醛释放量量。但这这些仪器器的工作作原理、响响应性能能、适应应范围等等都不同同。在测试甲醛醛、苯等等害气体体方面，国国外比较较出名的的有:美美国ESSC公司司生产的的Z一3300甲甲醛

19、检测测仪、英英国PPPM公司司生产的的PPMM-4000甲醛醛检测仪仪;国内内的有:江苏安安普电子子工程有有限公司司生产的的4000型甲醛醛分析仪仪、北京京宾达绿绿创科技技有限公公司生产产的甲醛醛测定仪仪抑一3308等等5。这些仪器可可实现对对有害气气体的检检测功能能，适用用于专业业检测机机构或实实验研究究机构。准准确测定定甲醛、苯苯、氨等等有害气气体的设设备昂贵贵(如英英国PPPM公司司生产的的PPMM4000甲醛仪仪约两万万多元)，测定定时间较较长，每每隔一段段时间就就需进行行重新标标定，需需要专业业人员进进行操作作，很难难连续测测定66；目目前国内内外产品品的设计计差异主主要集中中在监测

20、测传感器器和控制制单片机机芯片的的选用，操操作方面面国外的的产品操操作界面面方便，功功能加完完备77。1.3本文文的主要要研究内内容及总总体方案案设计1.3.11本文的的主要研研究内容容本课题主要要集中在在IAQQ的监测测、显示示、报警警三个方方面。本本文内容容安排如如下:第一章:室室内空气气品质监监测课题题的提出出及意义义，介绍绍国内外外的研究究状况及及确定总总体方案案。第二章:监监测系统统的具体体方案的的选择 (1)确定监监测对象象:选择有有代表性性的监测测对象是是进行下下一步研研究的关关键;(2)布布置采样样点:根据选选用的传传感器的的特点，及及待测指指标的精精度要求求布置传传感器;(3

21、)数据的的显示及及报警控控制系统统。第三章与第第四章:室内空空气品质质监测仪仪的各个个硬件模模块的设设计，介介绍在室室内空气气品质实实验装置置基础上上设计的的具有实实际应用用价值的的室内空空气品质质监控系系统的硬硬件与软软件组成成。第五章:整整个系统统的仿真真调试。第六章:总总结本文文研究工工作以及及在研究究方面存存在的不不足，提提出了进进一步研研究的展展望。1.3.22总体方方案设计计本设计集甲甲醛，苯苯，氨气气以及温温湿度监监测，显显示与报报警于一一体，利利用MCCU进行行数据采采集保证证了前台台数据的的及时、准准确，有有利于进进行全方方位的评评价。仪仪器采用用锂电池池供电，具具有良好好的

22、便携携性和通通用性，并并且使用用LCDD点阵式式液晶屏屏显示菜菜单，有有良好的的人机对对话界面面。图1.1系系统结构构框图第二章室内内空气品品质基本本介绍2.1室内内空气品品质及认认识2.1.11室内空空气研究究的背景景随着城市人人们生活活水平的的不断提提高，各各类装饰饰装修材材料、家家具和日日用化妆妆品大量量进入室室内，使使室内污污染物的的来源和和种类日日益增多多，造成成室内空空气污染染程度在在室外空空气污染染的基础础上更加加重了一一层。为为了节约约能源现现代建筑筑物的密密闭性增增加，新新风量不不足，加加上建筑筑的密闭闭性越来来越好，使使用的人人工合成成材料越越来越多多，使得得室内污污染物不

23、不能及时时排除室室外，在在室内存存储、蓄蓄积，造造成室内内空气恶恶化。人人们在人人工环境境中所处处的时间间越来越越长，结结果引发发了各种种与室内内环境相相关的病病症。所所谓“凶宅”、“鬼屋”或“风水不不好”的房屋屋，不少少是积累累了大量量有毒有有害物质质的缘故故8。在20世纪纪70年代代末期，认认为IAAQ代表表一系列列污染物物浓度的的指标，采采用通风风换气等等手段稀稀释污染染物浓度度，使危危害降低低;近几年年研究表表明，IIAQ还还包含其其它因素素，如空空气温度度、湿度度、及气气流速度度等，同同时注意意到IAAQ是一一个变量量，涉及及到设计计、施工工、和运运行管理理等多专专业、多多学科。污污

24、染源控控制属于于起点控控制，而而通风换换气控制制属于终终点控制制，每种种单一的的控制都都不能解解决目前前的IAAQ问题题，因此此IAQQ成为现现代建筑筑科学、医医学卫生生、建筑筑环境工工程、建建筑设计计等诸方方面的研研究课题题9。2.1.22室内污污染物种种类及来来源分析析室内的污染染源大致致有五类类如表22.1所所示:表2.1 室内五五大污染染源种类举例颗粒物可吸入颗粒粒物化学污染物物甲醛、苯、甲甲苯、氨氨气、二二氧化硫硫等生物污染物物生物过敏源源（猫狗狗等）、细细菌和病病毒放射性污染染氡气及其衰衰变子体体、地板板等释放放的射射线物理污染噪音、照明明不足或或过亮、温温湿度过过高或过过低所引引

25、起的相相关问题题室内污染物物的来源源主要有有如表22.2所所示的四四种来源源：表2.2室室内污染染物主要要来源来源举例建筑材料形成石棉、氡氡、氨等等污染物物装饰材料产生化学类类污染物物人的活动杀虫剂，清清新剂，吸吸烟，饲饲养宠物物等室外污染物物汽车尾气，工工厂废气气，烟雾雾等虽然影响IIAQ的的原因多多，但绝绝大多数数由室内内环境自自身原因因造成的的，随室室内容积积、通风风量、自自然清除除等而不不同。IIAQ对对健康的的影响有有以下的的特性:(1)影响范范围大，几几乎涉及及所有人人群；(2)接接触时间间长；(3)污污染物浓浓度低，短短期内反反应不明明显;(4)污污染物种种类多;(5)浓度值值与

26、健康康的关系系不明显显10。2.1.33室内空空气品质质的几点点认识(1)对“室室内空气气品质问问题”的的认识与与评价方方法、对对策措施施、解决决途径与与以往的的“室内内污染”完完全不同同，如果果不跳出出“室内内污染”的的老框框框，难以以使室内内空气品品质问题题有新进进展。(2)由于于IAQQ问题是是由多因因子、多多途径诱诱发的，应应将IAAQ看成成一个变变量，是是设计、施施工、维维护管理理和运行行状态综综合形成成的一个个结果，如如果单纯纯强调建建筑装修修材料污污染控制制(起点控控制)或仅依依赖通风风空调(终点控控制)是不可可能解决决IAQQ问题，只只有从设设计、施施工维护护以及运运行管理理“

27、全过过程控制制”才可可能真正正改善室室内空气气品质。目目前迫切切需要多多学科协协同研究究，做一一些综合合性的大大课题。(3)我国国己经建建立了有有关IAAQ方面面的标准准，应用用于新修修订的节节能暖通通规范条条文中，但但较为笼笼统，难难以解决决具体工工程问题题，建议议全国学学会应象象美国AASHRRAE学学会一样样，单独独建立室室内空气气品质评评估。2.2室内内空气品品质的监监测方法法及改善善空气品品质的方方法2.2.11室内空空气品质质监测方方法(1)化学学分析方方法主要采用空空气取样样，通过过一定的的化学反反应方法法，测定定待测的的污染物物浓度。 (2)传传感器监监测方法法选择适当类类型的

28、传传感器可可直接读读取待测测物的浓浓度。传传感器按按原理分分为:电阻型型传感器器、电感感型传感感器、电电容型传传感器、DNA生物传感器、电化学传感器。2.2.22改善空空气品质质方法(1)开窗窗通风换换气开窗通风可可以始终终保持室室内具有有良好的的空气品品质,是改善善住宅室室内空气气品质的的关键。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)合理理使用空空调包括三方面面的内容容:一是合合理控制制室内的的温度湿湿度。室室内外的的温差不不宜太大大,夏季一一般温差差维持在在677比

29、较较合适,有利于于人体进进行自我我调节;冬天,空气较较干燥,最好能能配备加加湿设备备,使空气气保持湿湿润。二二是现在在住宅多多使用分分体式空空调,空气基基本上在在室内循循环,因此,最好能能适当开开一点窗窗引进些些新鲜空空气。三三是对过过滤器要要经常进进行清洗洗,既可保保证盘管管的风量量,又能及及时清除除过滤器器上的脏脏物。(3)选用用一些室室内空气气处理设设备配合合空调一一起使用用如去湿湿机、加加湿机、过过滤器、负负离子发发生器等等。去湿湿机、加加湿机能能保持室室内适当当的湿度度。活性性碳高效效过滤器器,能有效效过滤室室内的CCO2、CO、VOCC、颗粒粒物等污污染物,保持室室内具有有较好的的

30、空气品品质。负负离子对对人体的的健康有有益。(4)辩证证地看待待现有空空调器的的一些附附加功能能所谓空空调器的的附加功功能,如负离离子发生生器、冷冷触媒、高高效过滤滤等功能能,对改善善室内空空气品质质有一定定的作用用,但所起起的作用用很有限限,不能完完全依赖赖。更何何况某些些附加功功能随着着时间的的推移,效果会会越来越越差,有的甚甚至不起起作用,因此,开窗通通风换气气还是改改善室内内空气品品的重要要手段。(5)合理理选择装装修材料料及装修修方式尽量选择释释放VOOC较少少的装修修材料、胶胶水、涂涂料、油油漆等,并在装装修好后后,开窗换换气,等室内内VOCC降低至至较低程程度后再再入住。提提倡接

31、近近自然的的装修方方式,尽量少少用各种种化学及及人工材材料，尽尽量不要要过度装装修。购购置新家家具后也也应开窗窗换气,向外散散发家具具中释放放的VOOC等。除除此之外外，居住住者应在在排气、通通风、种种植植物物、不在在室内抽抽烟、不不使用喷喷雾剂和和杀虫剂剂,以及经经常清洁洁地毯、环环境等方方面，注注意保护护和造就就良好的的室内空空气品质质11。2.3室内内空气品品质测试试指标的的选定室内污染物物种类繁繁多，不不可能逐逐一测量量，研究究的思路路是用一一个典型型的污染染物来代代表一类类污染物物，这种种污染物物称为评评价指标标。此外外，室内内空气品品质是一一个综合合性的指指标，要要考虑多多方面的的

32、因子，借借鉴目前前国内外外常用的的IAQQ监测指指标，本本课题的的监测指指标订为为温度，湿湿度，甲甲醛，苯苯，氨气气五个参参量。各各指标标标准见表表2.3：表2.233室内空空气监测测指标限限度检测指标单位浓度备备注温度18228 平均相对湿度 1000% 300%70%甲醛（HCCHO） Mg/m3 0.08苯（C6HH6） Mg/m3 0.09氨气（NHH3） Mg/m3 0.2甲醛，苯和和氨气是是室内空空气中常常见的三三种毒气气：(1)甲醛醛(HCCHO)是一种种无色易易溶的刺刺激性气气体，沸沸点1990C，易易挥发，所所以在室室内空气气品质研研究中，将将其归为为VOCC，即挥挥发性有有

33、机化合合(Voolattilee Orrgannic omppounnds)。甲醛醛具有强强烈刺激激性气味味，其毒毒性主要要表现在在神经系系统及呼呼吸系统统症状。当当室内甲甲醛含量量为0.1 mmg/mm3时就就有异味味和不适适感，00.5mmg/mm3可刺刺激眼睛睛引起流流泪，00.6mmg/mm3时引引起咽喉喉不适或或疼痛;浓度再再高可引引起恶心心、呕吐吐、咳嗽嗽、胸闷闷、气喘喘甚至肺肺气肿;当空气气中达到到30 mg/m3时时可当即即导致死死亡。甲醛是室内内挥发性性有机物物中最主主要污染染源，其其广泛存存在于室室内装修修材料如如壁纸、地地板、油油漆、胶胶水等。我我国于119966年颁布布

34、了居居室空气气中甲醛醛的卫生生标准，明明确规定定居室空空气中甲甲醛的最最高允许许浓度为为0.66ppmm即0.008mgg/m33(2)苯(C6HH6)是是一种无无色具有有特殊芳芳香气味味的液体体，沸点点为800C。目前前室内装装饰中多多用甲苯苯、二甲甲苯代替替纯苯作作各种胶胶、油漆漆、涂料料和防水水材料的的溶剂或或稀释剂剂。苯具具有易挥挥发、易易燃、蒸蒸气有爆爆炸性的的特点。人人在短时时间内吸吸入高浓浓度甲苯苯、二甲甲苯时，可可出现中中枢神经经系统麻麻醉作用用，轻者者有头晕晕、头痛痛、恶心心、意识识模糊，严严重者可可致昏迷迷以致呼呼吸衰竭竭而死亡亡。苯及其同系系衍生物物主要来来自各种种建筑材

35、材料，油油漆、胶胶和防水水涂料。目目前我国国对苯及及苯系衍衍生物的的室内空空气浓度度尚没有有标准，一一般认为为苯含量量低于11ppmm，甲苯苯含量低低于2.7pppm，二二甲苯含含量低于于2.33ppmm，乙苯苯含量低低于2pppm即即可认为为其对人人体无害害,即0.009mgg/m33。(3)氨(NH33)是一一种无色色而具有有强烈刺刺激性臭臭味的气气体，比比空气轻轻(比重0.5)，当当浓度高高于5.3pppm时可可以被健健康成年年人感觉觉到。氨氨是一种种碱性物物质，它它对接触触的皮肤肤组织有有腐蚀和和刺激作作用。室内空气中中的氨主主要来自自建筑施施工中使使用的混混凝土添添加剂，这这些含大大

36、量氨类类物质的的添加剂剂在墙体体中随着着温度等等环境因因素的变变化而还还原成氨氨气，从从墙体中中缓慢释释放出来来。另外外，氨也也可来自自室内装装饰材料料。目前前主要使使用国家家卫生部部门19995年年制定的的公共场场所卫生生标准中中的理理发店、美美容店卫卫生标准准，因因为理发发店操作作中经常常使用氨氨水，所所以国家家规定每每立方米米空气中中氨气不不得超过过0.22毫克112。第三章室内内空气品品质监测测仪的硬硬件设计计3.1室内内空气品品质监测测仪系统统简介基于AT889S552的室室内便携携式智能能空气品品质监测测仪是以以室内空空气中有有毒有害害气体的的监测监监控为背背景，能能够实现现对室内

37、内温度，湿湿度，甲甲醛，苯苯和氨的的实时采采集处理理、显示示、报警警等功能能。仪器器采用锂锂电池供供电，具具有良好好的便携携性和通通用性，并并且使用用LCDD点阵式式液晶屏屏显示菜菜单，有有良好的的人机对对话界面面。同时时设计了了声光报报警系统统，实现现在参数数超标时时及时的的报警。室室内智能能空气品品质监测测仪体积积小，功功耗低，操操作简单单，适合合应用于于家庭和和社区的的医疗健健康保健健，能够够实时知知道室内内空气的的质量。3.1.11系统硬硬件结构构及原理理本文研究的的室内便便携式智智能空气气品质监监测仪是是以ATTMELL工公司司的一款款8位超低低功耗单单片机AAT899S522为控制

38、制核心，系系统结构构如图33.1所所示。室室内空气气中有害害气体甲甲醛、苯苯、氨分分别通过过传感器器组中的的传感器器1、传感感器2、传感感器3输出一一个与甲甲醛、苯苯、氨浓浓度相对对应的电电流信号号,该信号号经过放放大滤波波后通过过多路转转换器分分时间段段进行采采样保持持,最后经经过A/D转换换电路按按一定得得采样频频率将模模拟信号号转换为为数字信信号送入入单片机机进行数数据采集集以便进进行显示示处理，温温湿传感感器直接接与单片片机相连连。单片片机对采采样值进进行数字字处理后后驱动液液晶显示示器分别别显示出出被测室室内空气气中的甲甲醛、苯苯、氨的的浓度值值及温湿湿度。若若被测室室内空气气中甲醛

39、醛、苯、氨氨的浓度度某种有有超过国国家标准准或设定定的危险险值时报报警电路路对应的的发出声声光报警警信号。图3.1系系统结构构图3.1.22 ATT89SS52单单片机简简介随着计算机机技术的的发展，单单片机因因具有集集成度高高、体积积小、速速度快、价价格低等等特点而而在许多多领域如如过程控控制、数数据采集集、机电电一体化化、智能能化仪表表、家用用电器以以及网络络技术等等方面得得到广泛泛应用，从从而使这这些领域域的技术术水平、自自动化程程度大大大提高。根根据上述述几方面面及本课课题的实实际情况况，单片片机型号号的选择择主要从从以下两两点考虑虑:一是要有较较强的抗抗干扰能能力。由由于一般般室内电

40、电子电器器产品比比较多，这这对单片片机的干干扰较大大，所以以应采用用抗干扰扰性能较较好的单单片机机机型。二是要有较较高的性性价比。由由于MCCS-551系列列在我国国使用最最广且该该系列的的资料和和能够兼兼容的外外围芯片片也比较较多，特特别是AATMEEL公司司20003年推推出的新新一代889S系系列单片片机，故故本文采采用ATTMELL公司生生产的AAT899S522单片机机作为本本系统控控制单元元的核心心部件。AT89SS52单单片机是是AT889S系系列单片片机中的的一种，图图3.22是一般般常用的的双列直直插式，它它是在现现己广泛泛应用于于工业控控制等各各领域的的AT889C552系

41、列列单片机机的换代代产品。因因此它具具有899C522的全部部功能： ATT89SS52新新增加的的功能由由特殊功功能寄存存器完成成。图3.2 AT889S552芯片片AT89SS52单单片机有有以下特特点：兼兼容MCCS511微控制制器；88K字节节FLAASH存存贮器支支持在系系统编程程ISPP10000次擦擦写周期期；2556字节节片内RRAM；工作电电压4.0V到到5.55V；全全静态时时钟0HHz到33MMHz；三级程程序加密密；322个可编编程I/O口；3个16位定定时/计数器器；8个中断断源；完完全的双双工UAART串串行口；低功耗耗支持IIdlee和Powwer-dowwn模式

42、式；Poowerr-doown模模式支持持中断唤唤醒；看看门狗定定时器；双数据据指针；上电复位位标志此外，ATT89SS52和和AT889C系系列单片片机相比比新增加加了许多多功能，这这将使单单片机在在工作过过程中具具备更高高的稳定定性和电电磁抗干干扰性。首首先，AAT899S522支持ISSP在线线编程，这这使生产产及维护护更为方方便。其其次，AAT899S522内部增增加了片片内看门门狗定时时器，这这将有利利于坚固固用户应应用系统统，提高高系统可可靠性。最最后，AAT899S522运行速速度更高高，最高高晶振可可达到333MHHZ。正正因为AAT899S522单片机机增加了了高可靠靠性、安

43、安全性的的功能，所所以能避避免因外外部芯片片扩展过过多或传传感器输输入信号号过多而而引起的的信号失失真、电电磁干扰扰等现象象的发生生。因此此，用它它作为室室内空气气品质监监测控制制完全可可以满足足实时监监测、报报警等要要求。而而且，从从经济性性的角度度来看，ATT89SS52不不但硬件件结构简简单，而而且价格格低、功功能好、性性价比高高，符合合我国工工业设计计制造的的要求13144。3.1.3 AT89SS52单单片机与与其扩展展设计中采用用AT889S552单片片机作为为本系统统控制单单元的核核心部件件并采用用82555A用用作并行行接口。硬硬件连接接图如图图3.33所示，其其中899S52

44、2的P00口做扩扩展用，PP1口做做通道选选择，PP2口控控制LCCD16602显显示。82555A的的PA作作输出口口控制灯灯的亮灭灭，PBB口做输输入接收收AD转转换后的的数字量量，PCC口做输输入循环环扫描按按键是否否按下。图3.3 82255AA与ATT89SS52的的硬件连连接图3.2传感感器的选选用3.2.11气体传传感器 11气体体传感器器基础知知识按照气敏特特性来分分，气体体传感器器主要分分为：半半导体型型、电化化学型、固固体电解解质型、接接触燃烧烧型、光光化学型型等气体体传感器器，又以以前两种种最为普普遍。 (1)半半导体型型气体传传感器的的优缺点点半导体气体体传感器器具有成

45、成本低廉廉、制造造简单、灵灵敏度高高、响应应速度快快、寿命命长、对对湿度敏敏感低和和电路简简单等优优点。不不足之处处是必须须在高温温下工作作、对气气体或气气味的选选择性差差、元件件参数分分散、稳稳定性不不理想、功功率高等等方面。(2)半导导体传感感器需要要加热的的原因半导体传感感器是利利用一种种金属氧氧化物薄薄膜制成成的阻抗抗器件，其其电阻随随着气体体含量不不同而变变化。气气体分子子在薄膜膜表面进进行还原原反应以以引起传传感器电电导率的的变化。为为了消除除气体分分子达到到初始状状态就必必须发生生一次氧氧化反应应。传感感器内的的加热器器可以加加速氧化化过程，这这也是为为什么有有些低端端传感器器总

46、是不不稳定，其其原因就就是没有有加热或或加热电电压过低低导致温温度太低低反应不不充分。(3)电化化学气体体传感器器的工作作原理电化学气体体传感器器是通过过监测电电流来监监测气体体的浓度度，分为为不需供供电的原原电池式式以及需需要供电电的可控控电位电电解式，目目前可以以监测许许多有毒毒气体和和氧气，后后者还能能监测血血液中的的氧浓度度。电化化学传感感器的主主要优点点是气体体的高灵灵敏度以以及良好好的选择择性。不不足之处处是有寿寿命的限限制一般般为两年年。(4)半导导体传感感器和电电化学传传感器的的区别半导体传感感器因其其简单低低价已经经得到广广泛应用用，但是是又因为为它的选选择性差差和稳定定性不

47、理理想目前前还只是是在民用用级别使使用。而而电化学学传感器器因其良良好的选选择性和和高灵敏敏度被广广泛应用用在几乎乎所有工工业场合合。(5)固态态电解质质气体传传感器顾名思义，固固态电解解质就是是以固体体离子导导电为电电解质的的化学电电池。它它介于半半导体和和电化学学之间。选选择性，灵灵敏度高高于半导导体而寿寿命又长长于电化化学，所所以也得得到了很很多的应应用，不不足之处处就是响响应时间间过长。(6)接触触燃烧式式气体传传感器接触燃烧式式气体传传感器只只能测量量可燃气气体。又又分为直直接接触触燃烧式式和催化化接触燃燃烧式，原原理是气气敏材料料在通电电状态下下，可燃燃气体在在表面或或者在催催化剂

48、作作用下燃燃烧，由由于燃烧烧使气敏敏材料温温度升高高从而电电阻发生生变化。后后者因为为催化剂剂的关系系具有广广普特性性应用更更广。(7)光学学式气体体传感器器光学式气体体传感器器主要包包括红外外吸收型型、光谱谱吸收型型、荧光光型等等等，主要要以红外外吸收型型为主。由由于不同同气体对对红外波波吸收程程度不同同，通过过测量红红外吸收收波长来来监测气气体。目目前因为为它的结结构关系系一般造造价颇高高15。基于于本文的的实时要要求和性性价比等等方面的的原因，本本系统选选用电化化学传感感器中的的定电位位电解式式气体传传感器。2.定电位位电解式式气体传传感器传感器元件件是准确确监测甲甲醛、苯苯、氨气气气体

49、浓浓度的关关键。在在有毒有有害气体体监测技技术中,由于定定电位电电解传感感器具有有准确快快速、简简洁直观观的特点点,在国外外得到比比较普遍遍的应用用，运用用定电位位电解传传感器进进行气体体监测在在国内已已经开始始普及。定电位电解解气体传传感器通通常是由由浸没在在液体电电解液中中的三个个电极构构成,其结构构图如图图3.4所示。图3.4定定电位电电解式气气体传感感器结构构图定电位电解解式传感感器是一一种湿式式电化学学气体传传感器,它通过过测定气气体在某某个确定定电位电电解时所所产生的的电流来来测量气气体浓度度。传感感器共有有三个电电极(对电极极、参比比电极、工工作电极极),浸在在液体电电解液中中,

50、整体密密封在一一个防化化学腐蚀蚀的塑料料壳体中中,目标气气体通过过工作电电极邻近近的一个个气体可可渗透薄薄膜向传传感器内内部扩散散。传感感器的工工作过程程为:被测气气体由进进气孔扩扩散到工工作电极极表面,在工作作电极、电电解液、对对电极之之间进行行氧化或或还原反反应。其其反应的的性质依依据工作作电极的的热力学学电位和和被分析析气体的的电化学学性质而而定。传传感器在在氧化反反应中,电化学学反应中中参加反反应的电电子流出出工作电电极;在还原原反应中中,电化学学反应中中参加反反应的电电子流向向工作电电极。流流出和流流向工作作电极的的电流与与被分析析气体的的浓度值值成正比比。对电极材料料的选择择原则是

51、是:该材料料应对目目标气体体具有最最优敏感感性,而交叉叉敏感度度则应降降至最低低。在对对电极和和工作电电极之间间的电压压要预先先调整好好,并由一一个外部部电压电电路保持持,其中参参比电极极作为电电路的反反馈控制制。相对对于选择择性而言言,由于每每一种目目标气体体都有其其各自独独特的电电解电压压,因而传传感器的的响应可可以得到到进一步步优化。传传感器的的输出是是一个正正比于气气体浓度度的线性性电流差差。最后后与前置置放大器器匹配使使用转换换为模数数转换的的标准电电压信号号16。本课题选用用德国DDrgeer公司司生产的的minniPaac系列列定电位位电解式式传感器器，该系系列传感感器被广广泛应

52、用用于轻便便型报警警器和监监测器、移移动式的的监测仪仪、远程程控制的的监测仪仪，单元元与多元元组合式式智能化化的监测测器、固固定式与与壁挂式式监测仪仪及精密密型智能能化的监监测系统统等等。MiniPac系列定电位电解式气体传感器简单内部原理如图3.5所示，其典型接法如图3.6所示。图3.5mminiiPacc系列传传感器内内部简单单结构原原理图图3.6定定电位电电解式气气体传感感器接口口定电位电解解式传感感器基本本性能：定电位电解解传感器器的基本本性能,亦即传传感器的的基本考考核指标标,它显示示了传感感器的质质量和性性能,但其大大多数性性能指标标要与前前置放大大器经过过较好的的匹配才才能体现现

53、出来。在在使用中中要对传传感器进进行考核核的基本本指标有有如下几几种:输出信信号、电电极电位位、响应应时间、响响应线性性度、测测量重复复性、抗抗干扰性性、传感感器期待待寿命等等。(1)输出出信号定电位电解解传感器器的输出出信号指指标非常常重要,它不仅仅为前置置放大器器的设计计提供了了基本参参数,而且为为今后核核实传感感器的使使用寿命命提供了了标准。一一般的输输出标准准为0.5A/pppm，但但不同公公司生产产的传感感器输出出信号是是不同的的,同一公公司生产产的不同同传感器器其输出出信号也也不一定定相同，故故要根据据不同的的输出标标准来分分析。传传感器的的输出信信号随使使用时间间的增加加而降低低

54、,一般来来说当其其输出信信号降至至标称值值的500%时,这支传传感器就就不能再再使用了了。图33.7为定电电位电解解式传感感器输出出信号与与对应气气体浓度度的典型型曲线，可可见其线线性度是是比较好好的。(2)电极极电位定电位电解解传感器器的电极极电位决决定了传传感器分分析被分分析气体体的种类类、传感感器对各各种气体体交叉反反应的大大小以及及传感器器抗交叉叉反应的的能力。不不同公司司生产的的传感器器给出的的电极电电位方式式也不一一样，一一般为mmv级，通通常取00mv。图3.7气气体浓度度与输出出信号对对应曲线线图3.8定电位位电解式式传感器器时间响响应曲线线 (3)响响应时间间该指标是指指从传

55、感感器接受受到被分分析气体体起计到到达到响响应值的的90%,亦即即t900所需的的时间。一一般传感感器指标标给出的的指扩散散式的响响应时间间,如95RH)环境中中，加热热传感器器可预防防传感器器结露，同同时缩短短响应时时间，提提高精度度。加热热后SHHT111温度升升高、相相对湿度度降低，较加热前，测量值会略有差异。图3.100 SHHT111内部结结构图微处理器是是通过二二线串行行数字接接口与SSHT111进行行通信的的。通信信协议与与通用的的I2CC总线协协议是不不兼容的的，因此此需要用用通用微微处理器器I/OO口模拟拟该通信信时序。微微处理器器对SHHT111的控制制是通过过5个5位命令

56、令代码来来实现的的，命令令代码的的含义如如表3.1所列列。表3.1 SHTT控制命命令代码码命令代码含义000111测量温度001011测量湿度001111读内部状态态寄存器器111100复位命令，使使内部状状态寄存存器恢复复默认值值，下一一次命令令前至少少等111ms其他保留SHT111通过二二线数字字串行接接口来访访问，所所以硬件件接口电电路非常常简单。需需要注意意的地方方是：DDATAA数据线线需要外外接上拉拉电阻，时时钟线SSCK用用于微处处理器和和SHTT11之之间通信信同步，由由于接口口包含了了完全静静态逻辑辑，所以以对SCCK最低低频率没没有要求求；当工工作电压压高于44.5VV

57、时，SCCK频率率最高为为10 MHzz，而当当工作电电压低于于4.55 V时时，SCCK最高高频率则则为1 MHzz。硬件件连接如如图3.11所示图3.111SHTT11的的硬件连连接图3.3前置置放大滤滤波电路路的设计计因为定电位位电解传传感器所所输出的的被测对对象的信信号非常常的微弱弱，放大大容易引引起电流流的失调调，以及及零点漂漂移、自自激干扰扰等。气气体传感感器的输输出信号号范围为为055A，考虑虑到所测测信号的的变化速速度比较较慢，一一般为110220秒左左右。所所以选用用可以单单端供电电的仪表表放大器器AD6623来来实现前前端信号号放大的的任务20。AD6233仪表放放大器是是美国模模拟器件件公司(Anaalogg Deevic