室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì)

室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì) 　　摘 要： 隨著人們生活水平的提高，越來越多的人對(duì)室內(nèi)環(huán)境狀況提出了更高的要求，室內(nèi)空氣質(zhì)量問題逐漸成為人們普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。本設(shè)計(jì)針對(duì)室內(nèi)環(huán)境的技術(shù)指標(biāo)需求，使用傳感器對(duì)有害氣體檢測(cè)為主要手段，對(duì)有害氣體進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣后通過微處理器進(jìn)行成分和濃度分析，根據(jù)預(yù)設(shè)值可在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和聲光報(bào)警的同時(shí)將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)反饋至微機(jī)中。 　　關(guān)鍵詞： 空氣質(zhì)量；LM3S1F16；Cortex-M3 　　0 引言 　　室內(nèi)環(huán)境泛指人們生活、勞動(dòng)以及其他相對(duì)封閉的公共場(chǎng)所等。人的一生大約有80%～90%的時(shí)間是在室內(nèi)度過的，因此室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞對(duì)人們的身體健康明顯高于室外環(huán)境?！笆覂?nèi)空氣污染”被認(rèn)為繼“煤煙型污染”和“光化學(xué)煙霧型污染”后的第三污染。人體對(duì)室內(nèi)環(huán)境的需求從安全性的角度來說主要指有毒氣體含量不得超標(biāo)，于是對(duì)室內(nèi)空氣污染物的檢測(cè)轉(zhuǎn)變成對(duì)室內(nèi)污染物的種類和濃度的檢測(cè)。 　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　本室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)是以室內(nèi)空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)監(jiān)控為背景，對(duì)CO，CO2，H2S，O2，氨氣以及甲醛等有毒有害氣體信息實(shí)時(shí)采集，從人居舒適度角度加之不同的氣體組分和濃度對(duì)傳感器自身響應(yīng)特性易受到溫度，濕度等環(huán)境因素的影響，在系統(tǒng)中包含有對(duì)室內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境信息數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理在采用具有Cortex-M3內(nèi)核的ARM芯片LM3S1F16上進(jìn)行，數(shù)據(jù)處理結(jié)果反映在顯示屏上，在測(cè)量數(shù)據(jù)超出已設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。本系統(tǒng)的硬件部分主要由氣體傳感器陣列、信號(hào)調(diào)理電路、MCU對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理、顯示模塊、無線通信模塊、報(bào)警系統(tǒng)和換氣系統(tǒng)等組成。其主要功能模塊如圖1所示。 　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 　　2.1 微制器選擇 　　目前單片機(jī)微處理器種類繁多，且不斷向低成本低功耗反向發(fā)展。Cortex-M3是首款基于ARMv7架構(gòu)，Thumb-2指令集結(jié)合非對(duì)齊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和原子位處理等特性，輕易8位16位器件所需的存儲(chǔ)空間就實(shí)現(xiàn)了32位性能。 　　LM3S1F16作為使用Cortex-M3為內(nèi)核的其中一款產(chǎn)品，CPU時(shí)鐘達(dá)到80MHz，其內(nèi)部存儲(chǔ)器包含單周期384KB的FlashROM，48KB的SRAM，ROM中還包含StellarisWare?，內(nèi)含3個(gè)UARTs，2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和快速I2C，8個(gè)具有12位的ADC。在功耗方面包含了睡眠模式和深度睡眠模式其目標(biāo)是包含為工業(yè)應(yīng)用，包括測(cè)試、測(cè)量設(shè)備、工廠自動(dòng)化、家庭和商業(yè)網(wǎng)站監(jiān)測(cè)和控制，游戲設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、醫(yī)療儀器、燈光控制、運(yùn)輸和消防和安全。綜上，選擇LM3S1F16作為本設(shè)計(jì)中的微控制器。 　　2.2 傳感器陣列設(shè)計(jì) 　　所設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器需能識(shí)別多種氣體，因此系統(tǒng)中需要包含大量的氣敏傳感器。環(huán)境的溫度和濕度是影響傳感器測(cè)量的重要環(huán)境因素，因此系統(tǒng)中引入了溫濕度傳感器對(duì)系統(tǒng)測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)償，優(yōu)化的傳感器陣列平衡了傳感器間的交叉敏感特性和選擇性，較好的去除冗余和相關(guān)，提高了系統(tǒng)的識(shí)別能力。 　　日本FIGARO公司生產(chǎn)的TGS系列氣體傳感器屬與采用SnO2薄膜作為敏感材料的MOS傳感器，屬于可變電阻式傳感器。在一定工作溫度下，使用簡(jiǎn)單的電路即可將電阻的輸出變換變換為相應(yīng)氣體的濃度輸出信號(hào)。TGS2620對(duì)有機(jī)氣體、揮發(fā)性氣體和可燃性氣體有較高的靈敏度，可用于CO的檢測(cè)。TGS2602是一款探測(cè)空氣污染的傳感器，可以探測(cè)很低濃度的H2S和氨氣，也可以探測(cè)低濃度VOC。 　　TGS4161是基于固態(tài)電解質(zhì)檢測(cè)原理的CO2傳感器，具有低功耗、長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量范圍內(nèi)具有良好的線性度，并且具有較好的抗?jié)穸刃浴?　　氧氣含量也是衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量的主要指標(biāo)。英國(guó)的Alphasense 　　公司研制氣體傳感器應(yīng)用廣泛，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要選用O2-A2氧氣傳感器。其測(cè)量范圍0～30%，輸出為80～120μA的電流信號(hào)，使用電壓并聯(lián)負(fù)反饋對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器。 　　根據(jù)系統(tǒng)需要，選擇了MQ138作為本裝置的甲醛傳感器，其適宜醇類、醛類、芳族和酮類等有機(jī)溶劑的探測(cè)，具有較高的靈敏度，并且具有壽命長(zhǎng)和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 　　環(huán)境的溫濕度是人體對(duì)環(huán)境舒適度的重要需求。不同的溫濕度環(huán)境也會(huì)對(duì)傳感器的檢測(cè)有較大的影響。綜合人體舒適度和傳感器檢測(cè)補(bǔ)償?shù)男枰?，本系統(tǒng)中選用了SHT11溫濕度傳感器模塊，其內(nèi)部將溫濕度傳感器、信號(hào)放大和調(diào)理電路、A/D、I2C等接口電路集成，輸出分辨率可調(diào)，具有良好的穩(wěn)定性。 　　2.3 射頻芯選擇 　　CC2520是TI公司為ZigBee低功耗無線應(yīng)用推出的第2代2.4GHz射頻芯片，具有工作電壓范圍最大、接收靈敏最高、休眠電流小、封裝尺寸最小等優(yōu)點(diǎn)，遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。其收發(fā)電流相對(duì)CC2420較高，但其休眠電流卻遠(yuǎn)低于CC

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