室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

葉 勇

（湖南城市學(xué)院通信與電子工程學(xué)院，413000）

室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

葉 勇

（湖南城市學(xué)院通信與電子工程學(xué)院，413000）

本設(shè)計(jì)采用STC89C52RC芯片作為主控制器，使用傳感器進(jìn)行室內(nèi)空氣信息的采集，通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器后將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)由單片機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)場自動控制檢測，實(shí)時(shí)用數(shù)碼管顯示出空氣污染的相關(guān)參數(shù)。若室內(nèi)空氣污染超標(biāo)時(shí)，經(jīng)由傳感器傳給單片機(jī)系統(tǒng)信息后，系統(tǒng)會自動判斷進(jìn)而驅(qū)動蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。其次系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了外部擴(kuò)展接口，便于實(shí)現(xiàn)更多功能。有一定的經(jīng)濟(jì)作用與實(shí)際意義。

單片機(jī)；MQ-135傳感器；A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對于自己的心理健康和身體健康就會越來越注重，所以對于室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測就成為必不可少的一環(huán)，在檢測之后，如果室內(nèi)空氣質(zhì)量良好，那人們就會在心理上感覺舒適，身體也不會受到危害；反之，室內(nèi)空氣質(zhì)量較差，就必須要再采取相應(yīng)的措施去改善房子里的空氣質(zhì)量。現(xiàn)如今，各種與之相關(guān)的檢測產(chǎn)品也接踵而來。但是，這些產(chǎn)品都有一定的缺陷。第一；有的產(chǎn)品只能檢測小部分區(qū)域的空氣質(zhì)量，不方便攜帶，無法滿足多數(shù)人的要求。第二；有部分產(chǎn)品檢查空氣質(zhì)量后無法清晰的將數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來，致使人們難以作出相應(yīng)的措施。第三；多數(shù)產(chǎn)品缺少改善空氣質(zhì)量的應(yīng)對手段。本設(shè)計(jì)在他們的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了一些改進(jìn)。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分由核心控制模塊、顯示模塊、外圍擴(kuò)展模塊、傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、蜂鳴器加燈光警報(bào)模塊、5V電源模塊組成。核心控制模塊由STC89C52RC芯片、外圍電路和程序下載端口電路組成，外圍電路包括晶振電路、復(fù)位電路；顯示模塊由數(shù)碼管組成；傳感器模塊由MQ-135傳感器和DSM-501傳感器組成，A/D轉(zhuǎn)換模塊由TLC549CP芯片控制。其方框圖如圖1所示。

2 部分單元電路的設(shè)計(jì)及相關(guān)說明

2.1 顯示模塊

顯示模塊由四位數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)。所用數(shù)碼管為共陽數(shù)碼管，均由7個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管組成，通過七段發(fā)光二極管亮滅的不同組合，可以顯示多種符號。該系統(tǒng)由多種傳感器檢測外部空氣質(zhì)量，并將所得到的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過如下所示的數(shù)碼管顯示出來，結(jié)果一目了然。

2.2 傳感器模塊

如圖2，MQ-135傳感器所使用的導(dǎo)體材料是在室內(nèi)空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)房間內(nèi)存在監(jiān)測范圍內(nèi)的有害氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨室內(nèi)空氣中的有害氣體濃度的增加而增大。使用轉(zhuǎn)換電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與室內(nèi)有害氣體的濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ135氣體傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其它污染氣體的監(jiān)測也很理想。特點(diǎn)：(1)在較為寬廣的房間內(nèi)對有害氣體有良好的靈敏度，(2)對氨氣、硫化物、苯系等氣氛靈敏度較高，(3)使用時(shí)間長、價(jià)格便宜，(4)設(shè)計(jì)簡單的電路就可以在現(xiàn)實(shí)中使用。

DSM-501傳感器可以檢測空氣中的塵埃粒子，可以再-10度~+60度范圍內(nèi)正常工作，理論上可以檢測到1um以上的微小粒子?？梢耘cMQ-135傳感器組合，讓檢測范圍更大，更加具有實(shí)用性。

圖1 室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

這個(gè)模塊被TLC549芯片所控制，引腳示意圖如圖2所示。該芯片是以12位開關(guān)電容逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)而構(gòu)造的CMOS A/D轉(zhuǎn)換器。它的設(shè)計(jì)目的是能通過3態(tài)數(shù)據(jù)輸出、微處理器、外圍設(shè)備來串行接口。TLC549僅用作輸入/輸出時(shí)鐘和芯片選擇輸入數(shù)據(jù)控制。TLC549的I/O CLOCK輸入頻率最高可達(dá)1.1MHz。

當(dāng)/CS變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)候，TLC549芯片被選中，同時(shí)前面一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高有效位MSB (A7)從DATA OUT 端輸出，接著要求自 I/O CLOCK端輸入8個(gè)外部時(shí)鐘信號，前7個(gè)I/ O CLOCK信號的作用是配合TLC549 輸出前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的A6-A0 位，并為這一次的轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備，在第4個(gè)I/O CLOCK信號從高到低的跳變之后，芯片里面采樣、保持電路對輸入模擬量的采集開始，第8個(gè)I/O CLOCK信號的下降沿讓芯片里面采集、保持電路進(jìn)入保持狀態(tài)并啟動A/D開始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換時(shí)間為 36個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大為 17us。直到 A/D轉(zhuǎn)換完成以前的這段時(shí)間之內(nèi)，TLC549 的控制邏輯要求為，或者/CS保持高電平，或者I/O CLOCK 時(shí)鐘端保持36個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的低電平。由此可見，在自TLC549的I/O CLOCK 端輸入8個(gè)外部時(shí)鐘信號期間需要完成下面的步驟，讀入前次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，對本次轉(zhuǎn)換的輸入模擬信號采樣并保持不變，啟動本次 A/D轉(zhuǎn)換開始。

2.4 報(bào)警模塊

（1）蜂鳴器加燈光報(bào)警。由于蜂鳴器的工作電流一般都會比較大，所以會導(dǎo)致單片機(jī)的I/O口是沒辦法直接驅(qū)動的，所以就要利用放大電路來進(jìn)行驅(qū)動，一般都是使用三極管來放大電流就可以了。當(dāng)檢測到的氣體濃度超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，蜂鳴器會報(bào)警且指示燈亮。若室內(nèi)空氣質(zhì)量良好，則系統(tǒng)正常運(yùn)行，不會報(bào)警。

（2）數(shù)字語音報(bào)警。該功能不與上述報(bào)警功能重復(fù)，在接收到檢測到的污染氣體的有關(guān)電信號并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，可以通過語音播報(bào)讀出準(zhǔn)確數(shù)字，超過設(shè)定的數(shù)值時(shí)，會提示“超標(biāo)”。反過來，就表示室內(nèi)空氣良好，正常讀數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序在開發(fā)工具Keil_uVision3上進(jìn)行設(shè)計(jì)與編譯，系統(tǒng)上電后初始化數(shù)據(jù)，然后在數(shù)碼管上顯示由室內(nèi)空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)換而來的相關(guān)參數(shù)。室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)工作過程。

通電、系統(tǒng)初始化之后，室內(nèi)空氣經(jīng)過MQ-135和DSM-501傳感器的檢測。通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將從傳感器得到的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字通過數(shù)碼管顯示出來，并將所得數(shù)值與程序設(shè)定值所比較，高于設(shè)定值則蜂鳴器報(bào)警、且二極管發(fā)光，語音讀出數(shù)字且提示“超標(biāo)”，則說明室內(nèi)空氣質(zhì)量較差。低于設(shè)定值則數(shù)碼管顯示數(shù)值、語音正常讀數(shù)則表示室內(nèi)空氣質(zhì)量良好。

4 測試結(jié)果與分析

用輔助電源給系統(tǒng)供+5V的直流電，系統(tǒng)復(fù)位，觀察系統(tǒng)是否正常工作，若正常工作，數(shù)碼管顯示的數(shù)值即為室內(nèi)空氣質(zhì)量對應(yīng)轉(zhuǎn)化的值。若不工作，則檢查系統(tǒng)故障，并加以修復(fù)。反復(fù)調(diào)試直至該系統(tǒng)可以正常使用。系統(tǒng)正常工作時(shí)，數(shù)碼管顯示由當(dāng)前室內(nèi)空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)化而來的相應(yīng)數(shù)值，當(dāng)顯示數(shù)字大于0.220V時(shí)，指示燈亮且蜂鳴器報(bào)警。反之，就說明室內(nèi)空氣質(zhì)量良好。

5 結(jié)論

本文以單片機(jī)STC89C52RC為核心，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)碼顯示模塊、報(bào)警模塊、傳感器模塊以及電源模塊完成了對室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測的設(shè)計(jì)?？梢杂糜跈z測室內(nèi)的塵埃顆粒，對氨氣和硫化物的檢測也很理想。然后通過A/D轉(zhuǎn)換將得到的信號轉(zhuǎn)換成電信號傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理，再以數(shù)字的形式在數(shù)碼管上顯示出來。若空氣質(zhì)量較差，且塵埃顆粒濃度較高，則蜂鳴器報(bào)警、指示燈亮。語音提示“超標(biāo)”且讀出該數(shù)字。反過來看，若外界空氣質(zhì)量較好，則系統(tǒng)繼續(xù)正常工作，不發(fā)出警報(bào)，僅有語音讀出數(shù)字。

本系統(tǒng)在報(bào)警后，因技術(shù)和時(shí)間有限，無法實(shí)現(xiàn)相關(guān)的應(yīng)急處理措施?？梢栽谑覂?nèi)塵埃顆粒濃度較高時(shí)，采取灑水器的功能，以降低室內(nèi)塵埃濃度。且同一時(shí)間，室內(nèi)其余在檢測范圍內(nèi)的有害氣體的濃度超標(biāo)時(shí)，開啟風(fēng)扇，吹散局部區(qū)域的空氣以達(dá)到改善的目的，這將是下一步要繼續(xù)做的工作。

[1]楊恢先，黃恢先，肖衛(wèi)初等.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].湘潭：湘潭大學(xué)出版社，2013.

[2]寇戈，蔣立平.模擬電路與數(shù)字電路（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015:164-188.

[3]周景潤.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京: 電子工業(yè)出版社，2014:53-67.

The Design and of Indoor Air Quality Testing System

Ye Yong
（College of Communication and Electronic Engineering, Hunan City University，413000）

This project is using STC89C52RC chip as the core as the main controller,sensor using the MQ - 135 the information acquisition of the air that indoor,after A/D analog-to-digital converter to process data into the single chip microcomputer, automatic control by single chip microcomputer system detection,real-time using digital tube display the related parameters of air pollution.The project will automatically judge then drive buzzer alarm function when the air that indoor is pollutioning levels, through the sensor to the single chip microcomputer project information.The external extension interface has been designed of the project for more function to become true,in addition.Have certain economic effect and practical significance.

single-chip microcomputer;MQ-135 sensors;A/D analog-to-digital conversion

圖2 TLC549原理圖

葉勇（1966—），男，湖南南縣人，講師，研究方向：電路與系統(tǒng)。

課題：湖南省高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目號：15C0250）”