1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始注重健康和环保。家庭内部由于装修、材料污染、室外雾霾等因素会造成室内空气污染，而采用空气质量检测仪来全面检测空气质量状况，可以全面掌握室内空气质量状况。手持式空气质量检测仪结构简单、使用方便、便于携带，可同时检测室内的各种污染，如甲醛、苯、氨气等。

当今，人类正面临”煤烟污染”、”光化学烟雾污染”之后，又出现了”室内空气污染”为主的第三次环境污染。美国专家检测发现，在室内空气中存在500多种挥发性有机物，其中致癌物质就有20多种，致病病毒200多种。危害较大的主要有：氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。大量触目惊心的事实证实，室内空气污染已成为危害人类健康的”隐形杀手”，也成为全世界各国共同关注的问题。据统计，全球近一半的人处于室内空气污染中，室内环境污染已经引起35.7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺病和15%的气管炎、支气管炎和肺癌。

课题研究的重点与难点

室内空气品质测试指标的选定，室内污染物种类繁多，不可能逐一测量，研究的思路是用一个典型的污染物来代表一类污染物，这种污染物称为评价指标。此外，室内空气品质是一个综合性的指标，要考虑多方面的因子，借鉴目前国内外常用的IAQ监测指标，本课题的监测指标订为温度，湿度，甲醛，苯，氨气五个参量。

甲醛是一种无色，有强烈刺激性气味的气体。易溶于水、醇和醚。甲醛在常温下是气态，通常以水溶液形式出现。其37%的水溶液称为福尔马林，医学和科研部门常用于标本的防腐保存。此溶液沸点为19.5℃故在室温时极易挥发，随着温度的上升甲醛的挥发速度加快。在我国有毒化学品优先控制名单中甲醛列居第二位。甲醛已被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质。甲醛是原浆毒物，能与蛋白质结合，吸入高浓度甲醛后会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，也可发生支气管哮喘皮肤直接接触甲醛，可引起皮炎、色斑、坏死。经常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出现粘膜充血、皮肤刺激症、过敏性皮炎、指甲角化和脆弱等。全身症状有头痛、乏力、心悸、失眠、体重减轻以及植物神经紊乱等。

     天然气、液化天然气（俗称煤气罐）是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。天然气在燃烧过程中产生的能影响人类呼吸系统健康的物质极少，产生的二氧化碳仅为煤的40%左右，产生的二氧化硫也很少。天然气易燃易爆和空气混合后，温度达到550℃左右就会燃烧；其混合物浓度达到5%－15%，遇到火种就会爆炸。天然气热值高，约8500－10000千卡/米3，天然气燃烧后发出的热量是相同体积的城市煤气的2.5倍左右。

室内的环境除了气体对其有影响，合适的温度和湿度也是极其必要的。没有合适的温湿度室内会存在各种细菌，从而影响人体健康。当然氧气的含量也是必须控制在一定范围里的，所以说，要保持室内环境健康，我们还必须做出更大的努力，是的室内检测更加全面。

国内外的研究状况

气体传感器测定甲醛成为近年来甲醛检测研究的新热点。早在1983年，压电类甲醛传感器就已问世。这种传感器可以不需要对样品进行任何处理就可以测定，但易受水分子的影响而使晶体震动频率发生漂移，故基本无实用性。为适应室内空气甲醛现场快速检测的要求，目前已开发出不少甲醛快速测定仪，这些仪器可直接在现场测定甲醛浓度，操作方便，适用于室内和公共场所空气中甲醛浓度的现场测定，也适用于环境测试舱法测定木质板材中的甲醛释放量。但这些仪器的工作原理、响应性能、适应范围等都不同。

在测试甲醛、苯等害气体方面，国外比较出名的有:美国ESC公司生产的Z一300甲醛检测仪、英国PPM公司生产的PPM-400甲醛检测仪;国内的有:江苏安普电子工程有限公司生产的400型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪抑一308等。

这些仪器可实现对有害气体的检测功能，适用于专业检测机构或实验研究机构。准确测定甲醛、苯、氨等有害气体的设备昂贵(如英国PPM公司生产的PPM400甲醛仪约两万多元)，测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定，需要专业人员进行操作，很难连续测定；目前国内外产品的设计差异主要集中在监测传感器和控制单片机芯片的选用，操作方面国外的产品操作界面方便，功能加完备。

空气质量检测仪系统简介

基于STC90C51的室内便携式智能空气质量监测仪是以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景，能够实现对室内温度，湿度，VOC气体的实时采集处理、显示、报警等功能。仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD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。

室内空气检测器的核心功能部件

1传感器

其中涉及温湿度传感器，有害气体传感器，氧气传感器还有无线传感器，用来检测室内各种指标。

2 信号处理

即处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路(包括放大、滤波、整形等)。

3 A/D转换器

即模拟电路与数字电路相互转换。

4 报警电路设置

相应的检测物指标没有达到要求时系统自动发生警报。

5 单片机电路

即利用单片机控制整个装置的核心（包括显示电路，时钟电路、复位电

室内便携式智能空气品质监测仪是以STC工公司的一款8位超低功耗单片机STC90C51为控制核心。室内空气中有害气体通过传感器输出一个与气体浓度相对应的电压信号,该信号经过A/D转换电路按一定得采样频率将模拟信号转换为数字信号送入单片机进行数据采集以便进行显示处理，温湿传感器直接与单片机相连。单片机对采样值进行数字处理后驱动液晶显示器分别显示出被测室内空气中的VOC气体浓度值及温湿度。若被测室内空气中VOC气体的浓度有超过国家标准或设定的危险值或温湿度超出设定范围时报警电路对应的发出声光报警信号。

STC90C51单片机简介

随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。根据上述几方面及本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑:

一是要有较强的抗干扰能力。由于一般室内电子电器产品比较多，这对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。

二是要有较高的性价比。由于高度的通用性和出色的稳定性，本系统采用宏晶公司产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机的STC90C51作为控制器。片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

STC90C51主要性能参数：

1、 与MCS.51产品指令系统完全兼容

2、 4k字节在系统编程(ISP)Flash闪速存储器

3、 1000次擦写周期

4、 4.0-5.5V的工作电压范围

5、 全境态工作模式：0Hz-33MHz

6、 三级程序加密锁

7、 128#215;8字节内部RAM

8、 32个可编程I／O口线

9、 2个16位定时器／计数器

10、6个中断源

11、全双工串行UART通道

12、低功耗空闲和掉电模式

13、中断可从空闲模唤醒系统

14、看门狗及双数据指针

15、掉电标识和快速编程特性

16、灵活的在线系统编程

STC90C51芯片管脚如图1

图1 STC90C51引脚布置

传感器的选用

气体传感器

1．气体传感器基础知识

按照气敏特性来分，气体传感器主要分为：半导体型、电化学型、固体电解质型、接触燃烧型、光化学型等气体传感器，又以前两种最为普遍。

(1)半导体型气体传感器的优缺点

半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。

(2)半导体传感器需要加热的原因

半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器可以加速氧化过程，这也是为什么有些低端传感器总是不稳定，其原因就是没有加热或加热电压过低导致温度太低反应不充分。

(3)电化学气体传感器的工作原理

电化学气体传感器是通过监测电流来监测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以监测许多有毒气体和氧气，后者还能监测血液中的氧浓度。电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性。不足之处是有寿命的限制一般为两年。

(4)半导体传感器和电化学传感器的区别

半导体传感器因其简单低价已经得到广泛应用，但是又因为它的选择性差和稳定性不理想目前还只是在民用级别使用。而电化学传感器因其良好的选择性和高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合。

(5)固态电解质气体传感器

顾名思义，固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。它介于半导体和电化学之间。选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长。

(6)接触燃烧式气体传感器

接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体。又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。

(7)光学式气体传感器

光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主。由于不同气体对红外波吸收程度不同，通过测量红外吸收波长来监测气体。目前因为它的结构关系一般造价颇高。基于本文的实时要求和性价比等方面的原因，本系统选用电化学传感器中的定电位电解式气体传感器。

本设计针对VOC气体选用能够侦测0.1ppm以上的气体的空气质量VOC气体浓度传感器MS1100用于检测空气中的甲醛、苯、二甲苯等检测空气中的甲醛、苯、二甲苯等多种有机挥发成分，具有极高的灵敏度和稳定性，体积小巧。

6.温湿度传感器

温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。

便携式室内空气质量监测仪的硬件结构以及系统功能，该仪器以8位单片机STC90C51作为控制核心，设计并构建了系统的硬件平台，完成了有毒气体浓度信号的采集转换电路、液晶显示电路、声光报警电路等的设计。该仪器能够实现有毒气体浓度信号和温湿度信号采集与显示及超标声光报警等功能。本章重点介绍了信号采集模拟电路和以主控制器为中心的数字电路的设计与工作原理。首先讨论了有毒气体采集模块中传感器选择问题，最后讨论了系统的外围接口电路模块，包括液晶显示,声光报警等，实现了各外围接口电路模块与STC90C51的硬件接口设计。

比较具体的说明了系统硬件设计的内容，通过模块化的设计思想，把一个复杂的单片机系统按照功能划分成一个个单独的电路模型，分别进行设计，最后在集成到一起。这种方法对于设计复杂的单片机系统很有效。大大提高系统设计的效率与质量。

空气质量检测仪的软件

在系统硬件电路确定以后，其主要功能的实现将依赖于软件来实现。对同一硬件电路，配以不同的软件，它所实现的功能也就不同，其设计软件基本要求：

1.可靠性。可靠性是软件设计的重要指标，具有较强的抗干扰能力。

2.易理解性、易维护性。编制的软件要求易阅读，容易发现和纠正错误，容易修改和补充。

3.实时性。系统能够及时响应外部事件的发生并能及时做出处理结果。

4.准确性。保证系统进行计算数据的精度。

目前存在有4种编程语言支持单片机，即汇编语言、PL/M51语言、C语言和BASI语言。其中汇编语言和C语言应用的较多，汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。结合本系统的特点，这里选用了功能强、效率高的C语言。C语言主要有以下特点：用C语言编制的程序效率高，占用存储空间小，运行速度快。C语言能写出最优化程序，且能反映出计算机的实际运行情况。C语言能直接与存储器、接口电路打交道，也能申请中断。具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点，且编写的模块程序易于移植。基于C语言和汇编语言的优缺点，本系统采用C语言编写方法。

3 .软件功能需求

室内空气质量检测仪系统软件主要由温湿传感器采集模块、AD转换模块、人机接口模块、声光报警模块、核心控制器模块构成，各模块功能概述如表3-1所示。

表3-1 各功能模块功能描述

功能模块	功能描述
温湿传感器采集模块	对室内温湿度测点进行实时监测
AD转换模块	1.完成信号采样 2.完成与核心处理器间的数据传输
核心控制器模块	1.系统时基分配 2.人机接口控制 3.各模块协调工作
人机接口模块	1.按键控制 2.动态信息显示

根据软件设计的基本要求,采取了如下的措施:

1.程序模块化。软件设计中包含有：主程序模块、显示模块、DHT11传感器检测函数、A/D数据转换子模块、声光报警模块、数据转换模块、按键函数。

2.软件设计采用C语言编程。

3.中断响应外部事件，提高了系统的实时处理事件能力。

4.软、硬件抗干扰。软件抗干扰措施提高了系统的可靠性。

以下就对一些主要模块进行详细的阐述。

5.主程序模块

软件要实现的主要功能是实现对传感器信号的数据采集，然后进行数据的计算、分析、送液晶进行显示及报警功能。程序开始时，对系统进行初始化，包括单片机的各寄存器、RAM、定时器装载初值、中断设置及各模块初始化等。完成初始化后，CPU等待传感器传入信号及AD转换结束，从而完成当前监测参数的正确显示。

6.AD转换模块

AD完成转换需要一定的时间，AD应用中我们可以有两种方法来：

1.中断查询法，AD完成模数转换后会向中断输出端输出一个中断请求信号，告诉CPU转换已经完成，CPU可以读取数据。

2.延时等待法，设定一定的时间让CPU处于等待状态，此时间足够AD完成转换，过了等待时间CPU再去读取数据。

综合考虑各方面的因素，本研究采用第一种方法：延时等待法。所用的芯片为AD0809，根据所需的要求。

参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

课题的主要研究内容、方法及总体设计

系统硬件结构及原理

本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以atmel工公司的一款8位超低功耗单片机at89s52为控制核心，系统结构如图所示。室内空气中有害气体甲醛、苯、氨分别通过传感器组中的传感器1、传感器2、传感器3输出一个与甲醛、苯、氨浓度相对应的电流信号,该信号经过放大滤波后通过多路转换器分时间段进行采样保持,最后经过a/d转换电路按一定得采样频率将模拟信号转换为数字信号送入单片机进行数据采集以便进行显示处理，温湿传感器直接与单片机相连。单片机对采样值进行数字处理后驱动液晶显示器分别显示出被测室内空气中的甲醛、苯、氨的浓度值及温湿度。若被测室内空气中甲醛、苯、氨的浓度某种有超过国家标准或设定的危险值时报警电路对应的发出声光报警信号。[3]