室内空气质量监测系统设计

杜 波

(长春工程学院电气与信息工程学院，长春 130012)

室内空气质量监测系统设计

杜 波

(长春工程学院电气与信息工程学院，长春 130012)

室内空气质量监测系统以STC89C52单片机为主控器，对甲醛、二氧化碳、一氧化碳、可吸入颗粒、温度、湿度信号进行采集和显示，通过键盘设置报警值，配有蜂鸣报警电路和外扩存储电路，系统通过USB接口与上位机进行通讯，实现对检测数据的历史查询和实时监测。系统由电池供电，具有便携式特点，功能实用，方便人们生活，提升生活质量。

室内空气质量；实时监测；通讯；STC89C52

0 前言

进入21世纪以来，随着经济的大力发展和科技的进步，人们的生活水平显著提高，但装修、取暖、电器使用等方面也带来了一个严峻的问题——室内空气质量的急剧下降。目前人们一天中有80%的时间是在室内度过的，室内空气质量的好坏，直接影响着人们的身体健康，因此，时刻关注室内空气的质量变得尤为重要。

世界卫生组织2011年在其总部瑞士日内瓦发布了一份名为《室内空气质量指南》的有关室内空气质量标准的报告，这是世界卫生组织首次公布对身体健康产生影响的室内空气有毒物质的量化标准。报告称，在欧洲地区，每年至少有400人死于一氧化碳中毒，14%的肺癌患者是由于吸入了居室中的氡造成的，有足够证据表明空气中的苯与白血病有着因果关系，报告还指出室内空气的污染源主要来自4个方面，比如水泥、涂料、油漆、家具等建筑和建材材料，家电等室内设备，还有取暖和做饭过程中产生的烟尘废气等等。

我国目前对于室内空气质量的认知度和重视度还远远不够，针对这一现状，本文设计了一种便携式的室内空气质量监测系统，对空气质量进行实时检测和报警，以对室内人员进行提示，维护人们的身体健康。

1 设计方案

设计以单片机为主控器，通过传感器对甲醛、可吸入颗粒物、温度、湿度等信号进行检测，通过键盘对各检测指标的上限或下限进行设定，具有LCD显示和报警提示功能，具备便携式特点，可电池供电，同时数据传入上位机进行显示和储存，便于远程监测。

图1 系统框图

2 硬件电路设计

选用STC89C52为主控器，整个电路由传感器采集电路、模数转换电路、键盘显示电路、报警和外扩存储电路、通讯接口电路和电源电路组成。

2.1 温湿度采集电路设计

温湿度传感器选用AM2303，AM2303数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，传感器包括1个电容式感湿元件和1个高精度测温元件器件，测温范围为-40～125 ℃，3处引线(单总线接口)，连接方便，器件实物图和接口电路图如图2～3所示。

图2 AM2303实物图

图3 温湿度采集电路图

2.2 可吸入颗粒采集电路设计

可吸入颗粒传感器选用GP2Y1010AUOFC01，模拟电压输出、数字串口输出两种形式，输出模拟量电压范围为0～5 V，可吸入颗粒量程范围为25～500 ug/m3。可吸入颗粒采集电路如图4所示。

图4 可吸入颗粒采集电路图

2.3 二氧化碳气体采集电路设计

二氧化碳气体传感器选用SK-500-MIC，有串行数据输出和模拟量输出两种形式，模拟量输出范围为TTL(标配)0.4～2.0 VDC(常规)，/4～20 mA，二氧化碳气体采集电路如图5所示。

图5 二氧化碳气体采集电路图

2.4 一氧化碳气体采集电路设计

一氧化碳气体传感器选用ME2—CO，利用待测气体在电解池中工作电极电位上的电化学氧化过程，待测气体电化学反应所产生的电流与其质量分数成正比并遵循法拉第定律，通过测定电流的大小就可以确定待测气体质量分数[2]。ME2—CO的量程为0～1 000 ppm，输出质量分数与输出电压对应曲线如图6所示，一氧化碳气体采集接口电路如图7所示。

图6 质量分数线形图(一氧化碳)

图7 一氧化碳气体采集电路图

由图6可知，传感器输出电压范围为0～2.5 mV，为了能与ADC0809转换电压相匹配，采用放大电路将输出电压放大，如图7采用两级反相比例放大，第一级放大倍数为-100，二级放大倍数为-20，最后放大倍数为2 000，即输出电压范围为0～5 V。

2.5 甲醛气体采集电路设计

甲醛气体传感器选用ME2—CH2O，ME2—CH2O为燃料电池型电化学传感器，甲醛和氧气在工作电极和对电极上发生相应的氧化还原反应并释放电荷形成电流，产生的电流大小与甲醛的质量分数成正比并遵循法拉第定律，通过测试电流的大小即可判定甲醛质量分数的高低。ME2—CH2O检测甲醛气体量程为0～5×10-6，输出电流与质量分数的对应关系如图8所示。

图8 浓度线形图

图9 甲醛气体采集电路图

由图8可知，该传感器输出电流范围为0～2.25 uA，采用放大电路将电流转化为电压，并进行放大，输出电压范围是0～4.5 V。接口电路图如图9所示。

2.6 A/D转换电路设计

A/D转换器采用ADC0809，可对8路模拟量进行输入转换，8位数字量输出，可与STC89C52单片机直接相连。分别采集电路输出的可吸入颗粒、CO、CO2、CH2O的模拟量进行转换。

2.7 键盘显示电路设计

键盘电路中K1调节报警值上限，K2调节报警值下限。显示电路采用液晶显示器LCD1602，键盘显示电路如图10所示。

图10 键盘显示电路图

2.8 报警电路和外扩存储电路设计

报警电路采用蜂鸣报警。当检测气体测量值超限时，蜂鸣器发出蜂鸣声以提醒室内的人。由于设计数据采集量过大，因此需要外扩存储器，采用的存储器芯片为AT24C04。报警电路和外扩存储电路如图11和图12所示。

图11 报警电路图

2.9 通讯接口电路设计

为了将采集数据进行整理和备份，设计通讯接口电路，及时上传采集数据，接口电路图如图13所示。

图12 外扩存储电路电路图

图13 USB接口电路图

2.10 电源电路设计

电源由4节干电池供电，发光二极管的作用是防止电池反接对整个电路造成损坏。STC89C52的工作电压范围为4.5～5.5 V，4节干电池提供的电压是6 V，二极管的管压降为0.7 V，提供到单片机的电压为5.3 V，符合单片机的工作电压。电源接口电路如图14所示。

图14 电源电路图

3 软件设计

3.1 单片机程序设计

在主控器单片机主程序中，可实现：通过键盘对报警值上下限进行设置，对数字量输出温湿度信号进行采集，对采集电路输出的可吸入颗粒、CO、CO2、CH2O的模拟量进行采集转换，对数据进行处理后进行显示和报警处理，并与上位机进行通讯。

3.2 上位机界面设计

上位机的编程语言为C语言，运行环境为VS2013。上位机界面如图16～17所示，历史数据查询界面如图18～23所示。

图15 单片机主程序流程图

图16 未进行连接的上位机界面

图17 连接成功的上位机界面

4 结语

设计室内空气质量监测系统对室内空气进行实时检测，对空气质量进行提示和报警，维护了人类身体健康。设计以单片机STC89C52为主控器，选择合适的传感器对甲醛、可吸入颗粒物、温度、湿度等信号进行检测，可通过键盘对各检测指标的上限或下限进行设定，具有显示和报警提示功能，具备便携式特点，可电池供电。系统可检测多种气体，配备通讯接口，具备键盘显示功能，功能实用，方便人们生活，提升生活质量。

图18 温度历史数据

图19 湿度历史数据

图20 PM2.5历史数据

图21 CO2质量分数历史数据

图22 CO质量分数历史数据

图23 甲醛质量分数历史数据

[1] 吴慧山.室内装修要警惕氡、甲醛、苯等危害[M].北京：原子能出版社,2000:8-10.

[2] 刘畅生,钟龙.传感器简明手册及应用电路.压力传感器分册[M].西安：西安科大出版社,2007:10-18.

[3] 李萍.基于ARM的室内空气质量监测系统的设计[D].成都：西南交通大学,2010,36(5):52-54.

[4] 王海宝,吴婷婷,吴光杰.基于LabVIEW的环境空气质量监测系统[J].计算机测量与控制,2011,19(3):525-527.

[5] 汪志国,齐文启.环境监测仪器发展现状与趋势分析[J].现代科学,2007(4):32-35.

[6] 潘小川.室内空气质量对人体健康的影响[J].中国科学基金,2005，19(4):205-208.

[7] 戴自祝.室内空气质量与通风空调[J].中国卫生工程学，2002，1(1):54-56.

[8] 崔九思.室内空气污染监测[J].中国环境卫生,2003(3):3-11.

The Design of Indoor Air Quality Detection System

DU Bo

(DepartmentofElectric&InformationEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

Indoor air quality detection system with STC89C52 single-chip microcomputer as the master controller collects and displays the signals of formaldehyde，carbon dioxide，carbon monoxide，inhalable particles，temperature，and humidity.The alarm concentration value is set through the keyboard design，with a buzzer alarm circuit and an external expansion storage circuit.The system communicates with host computer by USB interface to realize the historical inquiry and real-time monitoring of the detection data.The system is powered by batteries，has the characteristics of portable and practical to facilitate people’s lives and improve the quality of life.

indoor air quality；real-time monitoring；communication；STC89C52

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.021

2016-10-26

吉林省科技厅(20150204008SF)

杜波(1976-),女(汉),长春,副教授 主要研究检测技术与自动化装置。

TP29

A

1009-8984(2016)04-0080-05