智能室內環境監測儀的設計與研究

摘要:設計一種基于 A Tmega16 超低功耗單片機的室內環境監測儀， 論述了監測儀及各傳感器的工作原理以及各項功能，在ATmega16微處理器的硬件支持下，監測儀很好的進行對室內環境的監測，結合無線傳輸模塊進行對數據的無線傳輸，使得設備的智能性更加得以提高，本監測儀測量精確，操作簡單方便，可廣泛應用于室內環境監測。

關鍵詞:A Tmega16單片機監測儀室內環境

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2012)03(c)-0000-00

本文以室內空氣中有毒有害氣體的監測監控為主題，介紹了一種通用性很強的智能室內

環境監測裝置。它的核心是 A Tmega16低功耗單片機 ，實現對室內空氣中有毒有害氣體濃度參數的采集處理、存儲、顯示、通信、報警等功能。本文對監測儀及其傳感器的組成結構、工作方式、整體結構及軟件構成做了說明。

1 室內環境監測儀的工作原理

室內空氣中有害氣體通過智能傳感器進行檢測，輸出電流信號，經過I/V轉換，得出電壓模擬量，最后經過單片機內部 A/ D將模擬信號轉換為數字信號送入單片機。單片機對采樣值進行數字處理后，LCD顯示器分別顯示出被測室內空氣中各項環境參數的濃度值。若被測氣體濃度超過預設的警戒值時，報警電路發出報警信號。

1.1 微控制器 ATmega16

微控制器是便攜式室內環境監測儀的核心，它完成監控儀的功能設定、測量對象的選擇、數據通信、輸出、顯示、報警等功能。ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16 的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega16 AVR 內核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數據吞吐率。 ATmega16 有如下特點:16K字節的系統內可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節EEPROM，1K 字節SRAM，32 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數器(T/C)，片內/外中斷，可編程串行USART，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。

1.2 氣敏傳感器

氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導體氣敏傳感器。它的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統。

聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環境的變化而發生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質量和導電率發生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發生漂移；氣體濃度不同，膜層質量和導電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準確的反應氣體濃度的變化。

1.3 Zigbee無線傳輸

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。

1.4 I/ V轉換電路

氣體傳感器輸出為標準的 4～20mA 的電流信號，為了可以由單片機進行AD轉換，滿足后續電路的需要采用兩個運算放大器組成 I/ V 轉換電路，采用 LM324集成芯片。同時有效地抑制了輸入信號間的共模干擾和串模干擾。

1.5 通信電路

本監測儀設計了兩種數據傳輸模式，一種是以Zigbee模塊為主的無線傳輸模式，另一種是以MAX232為主的串口通信電路。采用MAX232 集成IC芯片與ATmega16單片機 的 RXD 和 TXD引腳 構成串行通訊口，它具有遠距離、低功耗、高可靠性的調制解調芯片，使用該芯片編程容易、外圍電路簡單，通信距離可達15 米，遠遠大于其它常用通信芯片的距離，并且小信號傳送穩定可靠，克服了模擬傳送中小信號失真大的缺點，滿足使用要求。

2 系統軟件

AD轉換程序

ATmega16單片機內置AD轉換，以下是AD轉換程序。

uint mega16_ad()

{ DDRA=~BIT(PA0);

PORTA=~BIT(PA0);

ADCSR|=BIT(ADSC);

while(!(ADCSR(BIT(ADIF))));

addata=addata+ADCH*256;

return addata;}

3 結語

氣體檢測在環境保護和工業應用方面都有重要價值，本文提出的對于檢測室內環境污染的方法，還有待于在實際運用中進一步完善與提高，比如采用更先進的微信號檢測技術可以提高精度，引入神經網絡、小波變換等理論可以實現多組分氣體檢測等等，以便切實為改善室內環境質量提供科學依據。

參考文獻

[1] 劉海成.AVR單片機原理及測控工程應用[M].北京:北京航空航天大學出版社.2008.

[2] 李廣弟，等.單片機基礎[M].北京航空航天出版社.2001.

[3] 周昕，賈冬梅，張炎.數據通信與網絡技術[M].北京:清華大學出版社.2004.

[4] 何立民.MCS - 51系列單片機應用系統設計[M ].北京:北京航空航天大學出版社.1990.

地址：遼寧省葫蘆島市龍灣南大街188號 遼寧工程技術大學金石煒老師（收）

電話：15124291130