便攜式空氣質(zhì)量監(jiān)測儀的研究

江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 何 鑫 杜國慶 梅 力 阮晶晶

1 引言

空氣質(zhì)量的好壞是依據(jù)空氣中污染物濃度的高低來判斷的。當(dāng)今，人類正面臨“煤煙污染”、“光化學(xué)煙霧污染”之后，又出現(xiàn)了“室內(nèi)空氣污染”為主的第三次環(huán)境污染。所以此系統(tǒng)旨在實現(xiàn)室內(nèi)空氣溫濕度度、煤氣、煙霧等氣體的預(yù)警監(jiān)測，有利于進行全方位的反映室內(nèi)空氣質(zhì)量，為人類營造一個健康的室內(nèi)生存空間。此空氣質(zhì)量檢測儀體積小，功耗低，操作簡單，適合應(yīng)用于家庭和社區(qū)的醫(yī)療健康保健，能夠?qū)崟r知道室內(nèi)空氣的質(zhì)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計框架

電源上電，各個傳感器開始工作,把采集到的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)發(fā)給主控芯片,主控機接收到數(shù)據(jù)并進行處理后由液晶進行顯示，由無線發(fā)送模塊傳給PC上位機端，并且當(dāng)室內(nèi)或待檢測的區(qū)域空氣質(zhì)量不達標(biāo)時，能及時在液晶和PC上顯示其空氣質(zhì)量狀態(tài)并聲光報警，且控制排風(fēng)扇等排氣設(shè)備的啟動，使區(qū)域內(nèi)有害氣體濃度降低至對人無害的濃度。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 電源電路的設(shè)計

本系統(tǒng)電源采用的電源穩(wěn)壓芯片是78L05和AS1117，78L05電源穩(wěn)壓芯片的輸入電壓為7—18V的電壓，穩(wěn)壓之后輸出電壓為+5V電壓，輸出電流可以達到150mA和輸出精度可以達到正負4%。AS1117電源穩(wěn)壓芯片的輸入最大的電壓為15V，輸出的電壓可以為1.8V、2.8V和3.3V等。本電路的電源芯片AS1117輸出電壓為3.3V，為控制芯片提供電源。本電路的設(shè)計原理把外界提供的電源進行降壓為5V，實現(xiàn)提供給控制芯片的其他的外圍的電路使用。然后電源模塊再進行第二次降壓穩(wěn)壓，利用AS1117把5V的電壓降到3.3V，為控制芯片提供可使用的電源。本系統(tǒng)其電源模塊設(shè)計如圖2和圖3所示。

圖2 系統(tǒng)電源模塊設(shè)計圖

圖3 系統(tǒng)電源模塊設(shè)計圖

3.2 中央處理器模塊

MSP430F149芯片是美國德州儀器公司推出的16位超低功耗微處理器，有60KB+256字節(jié)FLASH和2KB RAM，MSP430F149片內(nèi)具有基本時鐘模塊和看門狗定時器，而且還同時擁有捕獲／比較寄存器、PWM波輸出的定時器、具有中斷功能的并行端口、模擬比較器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串行通信接口等模塊。它具有處理能力強、運行速度快、資源豐富、開發(fā)方便等優(yōu)點，有很高的性價比，在國內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

3.3 傳感器模塊

MQ2煙霧傳感器具有以下幾個特點：(1)具有信號輸出指示。(2)雙路信號輸出(模擬量輸出及TTL電平輸出)。(3)TTL輸出有效信號為低電平(當(dāng)輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機)。(4)模擬量輸0-5V電壓，濃度越高電壓越高。(5)對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度。(6)具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。(7)快速的響應(yīng)恢復(fù)特性.其適用于家庭或工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等監(jiān)測裝置。

MQ135空氣質(zhì)量檢測傳感器和MQ2傳感器類似，它具有其上述所的(1)、(2)、(3)、(4)、(6)、(7)幾個特點，不同的是它對硫化物、苯系蒸汽、煙霧等有害氣體具有很高的靈敏度；其適用于于家庭、環(huán)境的有害氣體探測裝置，適宜于氨氣、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、煙霧等有害氣體的探測。

DS18B20溫度傳感器適應(yīng)電壓范圍寬，測溫范圍為－55℃～＋125℃，具有獨特的單線接口方式，在與微處理器連接時僅需一條口線即可實現(xiàn)與微處理器的雙向通訊。它也支持多點組網(wǎng)功能，來實現(xiàn)多點測溫，其在使用中不需要任何外圍元件，可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，這可實現(xiàn)高精度的快速測溫。

DHT11溫濕度傳感器可以檢測周圍環(huán)境的濕度和溫度，其適應(yīng)電壓范圍寬，測濕范圍為20%-95%，測溫范圍為0℃～50℃。它在與微處理器連接時也僅需一條口線即可實現(xiàn)與微處理器的雙向通訊。

3.4 液晶顯示模塊

該系統(tǒng)采用TFT彩屏作為系統(tǒng)的顯示模塊。TFT_LCD液晶模塊尺寸大小為2.4英寸，它的像素為240*320，色彩深度為16位色。且TFT模塊的操作非常方便，如果需要改變其像素的顏色時，只需要改變其對應(yīng)的字節(jié)數(shù)即可。

3.5 聲光報警模塊

其電路如圖4所示。

圖4 聲光報警模塊電路圖

3.6 無線收發(fā)模塊

本系統(tǒng)采用HC-06藍牙模塊。它是一款高性能的藍牙串口模塊，可以同各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機、PDA、PSP等智能終端配對，該模塊支持非常寬的波特率范圍：4800-1382400，并且模塊兼容5V或3.3V單片機系統(tǒng)，可以很方便與產(chǎn)品進行連接。使用非常靈活、簡單。

4 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

我們采用C#編程以實現(xiàn)上位機界面的制作以及這種自動接收控制。此上位機不僅可以實現(xiàn)其基本空氣質(zhì)量監(jiān)控功能，它也可以作為一個音樂播放器來使用，這給了用戶很好的體驗，為他們營造了一個舒適健康的生活環(huán)境。其界面如圖5，圖6所示。

圖5 上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面圖

圖6 上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面圖

5 系統(tǒng)程序流程圖（ 如圖7所示）

6 結(jié)束語

本文闡述了便攜式空氣質(zhì)量監(jiān)測儀的總體設(shè)計方案以及具體的軟硬件的實現(xiàn)。實現(xiàn)了對室內(nèi)空氣中的甲醛、粉塵、CO2、苯等有害物質(zhì)的濃度及室內(nèi)溫濕度進行實時監(jiān)測，并能結(jié)合室內(nèi)換氣系統(tǒng)對有害氣體進行及時處理的基本要求，為人們創(chuàng)造一個舒適健康的生活環(huán)境。最后的成品也具有體積小，功耗低，操作簡單的特點，能夠?qū)崟r反映室內(nèi)空氣的質(zhì)量狀況。

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