低功耗、便携式室内空气质量检测系统设计 |
居室、办公室、宾馆、饭店、商场等场所使用的装潢材料中含有大量的有害化学成分如：甲醛(Formaldehyde)等有害气体常引发眼睛和喉咙疼痛、皮炎等一系列健康问题(Emerson)，习惯称之为“装潢病”，在导致“装潢病”的诸多物质中甲醛可算是罪魁祸首。且甲醛是一种潜在的致癌物质，对人体健康有较大的危害。专业机构测量甲醛等有害气体价格昂贵，而且在时间方面受到限制。现代家庭使用的天然气、液化气可能发生泄漏引起爆炸。因此，设计一种低功耗、便携式室内空气质量检测系统具有广泛的应用价值。
1 系统组成及工作原理
该检测系统由MSP430F5529单片机为核心，由传感器、A/D转化模块和液晶显示模块组合而成。通过MQ138甲醛检测传感器检测室内空气中甲醛浓度，通过ms2200CO检测传感器检测一氧化（oxidation)碳气体，通过空气质量传感器 MQ135传感器检测室内空气中其他有害气体和可燃气体，AM2301温湿度传感器对现场温湿度进行实时监测，采用MSP430单片机自带的AD转换器对传感器采集的信号进行模数转换，利用段式液晶显示屏显示检测结果。系统结构如图1所示：
2 硬件电路设计
2.1 主控芯片(又称微电路)MSP430F5529功能介绍。MSP430F5529是一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。寻址方式丰富，运行速度快，高达25MHz。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs；并且体积小，电压低，功耗低，适用于需要电池供电的便携式仪器中。此外，内置的A/D转换器的分辨率达到了12位，提高了转换精度，使测量更加准确，内置A/D转换器进一步降低了功耗。
2.2 MQ138甲醛检测(检查并测试)传感器。MQ138传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体，当在空气中加热到一定温度时，发生氧化反应，氧原子吸附电子变成氧负离子，浓度升高。遇到还原气体时氧负离子因发生还原反应导致(cause)其表面浓度降低。MQ138传感器模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)信号和电平信号同时输出，模拟量输出随浓度增加而增加，浓度越高电压越高。用于家庭、环境的挥发物探测装置，适宜于醛、醇、酮、芳族化合物的探测，气敏感元件测试浓度范围：苯（化学式：C6H6） 1 to 100pp
M、甲苯（化学式：C6H6） 10 to 100pp
M、甲醛(aldehyde) 1 to 10ppm。MQ138甲醛检测传感器(transducer)测量原理图如图2所示。
2.3 MQ135空气质量检测传感器。MQ135空气质量检测传感器用于家庭、环境的有害气体探测装置，适宜于氨气(化学式NH3)、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、烟雾等气体有害气体的探测；气体敏感(感觉敏锐)元件测试浓度范围：10 to1000ppm；对硫化物、苯系蒸汽、烟雾等有害气体具有很高的灵敏度；具有长期的使用寿命和可靠的稳定（解释:稳固安定；没有变动)性。MQ135空气质量检测传感器测量原理图如图3所示。
2.4 ms2200CO检测传感器(transducer)。南通甲醛检测操作简单、使用方便的简易检测方法的产品，也是目前最适合个人家庭检测甲醛的检测方法。体积小巧方 便放置，用于家具治理前后对比甲醛浓度，判断治理效果再方便合适不过啦！甲醛自测盒的最大特点就是消费者可以自己动手检测甲醛，操作方法简单！ms2200CO检测传感器用于检测一氧化（oxidation)碳(C)气体，工作在-10至60摄氏度，检测浓度范围：0-1000ppm（CO气体）；对一氧化碳、烟、HC挥发气体有高灵敏度，可用于该类气体定性检测；具有使用寿命长和稳定性可靠等特点。ms2200CO检测传感器测量原理图如图4所示。
2.5 AM2301(永久重定向)温湿度传感器。AM2301传感器又叫DHT21传感器，是一款含有已校准数字信号输出的复合式温湿度传感器。该传感器包括(bāo kuò)一个电容式感湿元件和一个NTC感温元件，并与高性能单片机相连。
2.6 报警系统。为了使本系统对室内空气品质的监测更为直观，采用了由显示屏和一个蜂鸣器构成的声光报警电路。其中对应每一种有毒气体都有一红一绿两个发光二极管与其对应，正常情况下对应绿色的发光二极管亮，蜂鸣器不响；当气体的浓度超标时，对应红色的发光二极管亮，并启动蜂鸣器。
2.7 AD转换电路。南通空气检测是指对空气的组成成分的检测。狭义的空气检测，主要是从应用的角度，重点研究的是室内空气检测。它是指室内指装饰材料、家具等含有的对人体有害的物质，释放到家居、办公环境中造成的装修污染，来检测空气质量。气体传感器出来的信号是模拟信号，而微处理器MSP430F5529只能处理数字信号，故需要对模拟信号信号进行转换，将其转换为处理器能识别的数字信号，由于经过放大电路出来的模拟电压变化范围在0～3V，故采用MSP430F5529单片机自带AD进行模数转换。
MSP430F5529对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0-3V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。ADC0809的时序接口为51系列单片机的标准总线接口，操作控制方便，如同对存储器或I/O操作一样，A/D转换精度为8比特，满足本课题要求。输入的模拟电压为0～3V，一次A/D转换时间为100μS。
2.8 超低功耗。MSP430F5529继承了MSP430单片机超低功耗的特点，可以软件配置6种超低功耗模式，其处理功耗（1.8～3.6V，0.1?A/Power-down，0.8?A/Standby，250?A/MIPS）和口线输入漏电流(Electron flow)（最大50mA）在业界都是最低的。可以满足本系统对超低功耗的要求，实现电池供电。
2.9 液晶显示模块。本系统(system)所要显示的数据一共有5个，分别是两种有毒气体的浓度和室内的温度（temperature)、湿度，显示模块采用单片机自带的段式显示屏。这种LCD是102x64矩阵LCD，带背光，驱动简单，适用于耗电量小为便携式应用的场合。
3 软件电路分析 系统软件流程图如图5所示。
4 系统实验方案
4.1 温湿度检测模块设计实验方案。选择AM2301模块进行温湿度传感器对现场温湿度进行实时监测，将测得数据（data)与标准温湿度表进行比较，修正室内空气检测系统(system)测量准确度。
4.2 有毒气体检测模块设计实验方案(fāng àn)。有害气体检测模块与MSP430单片机连接，利用单片机内置的A/D转换器将气体检测传感器(transducer)模块输出的气体浓度信息转换为数字信号，并在显示屏上显示出来，将显示出来的值与标准有害气体浓度相比较，修正室内空气质量检测系统(system)测量准确度。
5 结束语
检测室内甲醛(Formaldehyde)气体浓度和可燃气体（甲烷、丙烷等）；还可检测室内温度（temperature)、湿度；可实时显示甲醛浓度读数、温度、湿度读数。南通环境检测中心是通过对人类和环境有影响的各种物质的含量、排放量的检测，跟踪环境质量的变化，确定环境质量水平，为环境管理、污染治理等工作提供基础和保证。简单地说，了解环境水平，进行环境监测，是开展一切环境工作的前提。体积小，重量轻，携带方便；采用电池供电，系统功耗低，价格低；适合家庭使用的空气质量检测系统。
室内空气检测
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