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低功耗、便攜式室內空氣質量檢測係統設計

2019-06-29

居室、辦公室、賓館、飯店、商場等場所使用的裝潢材料中含有大量的有害化學成分如:甲醛(Formaldehyde)等有害氣體常引發眼睛和喉嚨疼痛、皮炎等一係列健康問題(Emerson),習慣稱之為“裝潢病”,在導致“裝潢病”的諸多物質中甲醛可算是罪魁禍首。且甲醛是一種潛在的致癌物質,對人體健康有較大的危害。專業機構測量甲醛等有害氣體價格昂貴,而且在時間方麵受到限製。現代家庭使用的天然氣、液化氣可能發生泄漏引起爆炸。因此,設計一種低功耗、便攜式室內空氣質量檢測係統具有廣泛的應用價值。 

室內空氣檢測

  1 係統組成及工作原理 

  該檢測係統由MSP430F5529單片機為核心,由傳感器、A/D轉化模塊和液晶顯示模塊組合而成。通過MQ138甲醛檢測傳感器檢測室內空氣中甲醛濃度,通過ms2200CO檢測傳感器檢測一氧化(oxidation)碳氣體,通過空氣質量傳感器 MQ135傳感器檢測室內空氣中其他有害氣體和可燃氣體,AM2301溫濕度傳感器對現場溫濕度進行實時監測,采用MSP430單片機自帶的AD轉換器對傳感器采集的信號進行模數轉換,利用段式液晶顯示屏顯示檢測結果。係統結構如圖1所示: 

  2 硬件電路設計 

  2.1 主控芯片(又稱微電路)MSP430F5529功能介紹。MSP430F5529是一種16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器。尋址方式豐富,運行速度快,高達25MHz。當係統處於省電的低功耗狀態時,中斷喚醒隻需5μs;並且體積小,電壓低,功耗低,適用於需要電池供電的便攜式儀器中。此外,內置的A/D轉換器的分辨率達到了12位,提高了轉換精度,使測量更加準確,內置A/D轉換器進一步降低了功耗。 

  2.2 MQ138甲醛檢測(檢查並測試)傳感器。MQ13噪聲檢測服務8傳感器的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導體,當在空氣中加熱到一定溫度時,發生氧化反應,南通廢水檢測氧原子吸附電子變成氧負離子,濃度升高。遇到還原氣體時氧負離子因發生還原反應導致(cause)其表麵濃度降低。MQ138傳感器模擬(定義:對真實事物或者過程的虛擬)信號和電平信號同時輸出,模擬量輸出隨濃度增加而增加,濃度越高電壓越高。用於家庭、環境的揮發物探測裝置,適宜於醛、醇、酮、芳族化合物的探測,氣敏感元件測試濃度範圍:苯(化學式:C6H6) 1 to 100pp

  M、甲苯(化學式:C6H6) 10 to 100pp

  M、甲醛(aldehyde) 1 to 10ppm。MQ138甲醛檢測傳感器(transducer)測量原理圖如圖2所示。 

  2.3 MQ135空氣質量檢測傳感器。MQ135空氣質量檢測傳感器用於家庭、環境的有害氣體探測裝置,適宜於氨氣(化學式NH3)、芳族化合物、硫化物、苯係蒸汽、煙霧等氣體有害氣體的探測;氣體敏感(感覺敏銳)元件測試濃度範圍:10 to1000ppm;對硫化物、苯係蒸汽、煙霧等有害氣體具有很高的靈敏度;具有長期的使用壽命和可靠的穩定(解釋:穩固安定;沒有變動)性。MQ135空氣質量檢測傳感器測量原理圖如圖3所示。 

  2.4 ms2200CO檢測傳感器(transducer)。南通甲醛檢測操作簡單、使用方便的簡易檢測方法的產品,也是目前最適合個人家庭檢測甲醛的檢測方法。體積小巧方 便放置,用於家具治理前後對比甲醛濃度,判斷治理效果再方便合適不過啦!甲醛自測盒的特點就是消費者可以自己動手檢測甲醛,操作方法簡單!ms2200CO檢測傳感器用於檢測一氧化(oxidation)碳(C)氣體,工作在-10至60攝氏度,檢測濃度範圍:0-1000ppm(CO氣體);對一氧化碳、煙、HC揮發氣體有高靈敏度,噪聲檢測服務可用於該類氣體定性檢測;具有使用壽命長和穩定性可靠等特點。ms2200CO檢測傳感器測量原理圖如圖4所示。 

  2.5 AM2301(重定向)溫濕度傳感器。AM2301傳感器又叫DHT21傳感器,是一款含有已校準數字信號輸出的複合式溫濕度傳感器。該傳感器包括(bāo kuò)一個電容式感濕元件和一個NTC感溫元件,並與高性能單片機相連。 

  2.6 報警係統。為了使本係統對室內空氣品質的監測更為直觀,采用了由顯示屏和一個蜂鳴器構成的聲光報警電路。其中對應每一種有毒氣體都有一紅一綠兩個發光二極管與其對應,正常情況下對應綠色的發光二極管亮,蜂鳴器不響;當氣體的濃度超標時,對應紅色的發光二極管亮,並啟動蜂鳴器。 

  2.7 AD轉換電路。南通空氣檢測是指對空氣的組成成分的檢測。狹義的空氣檢測,主要是從應用的角度,重點研究的是室內空氣檢測。它是指室內指裝飾材料、家具等含有的對人體有害的物質,釋放到家居、辦公環境中造成的裝修汙染,來檢測空氣質量。氣體傳感器出來的信號是模擬信號,而微處理器MSP430F5529隻能處理數字信號,故需要對模擬信號信號進行轉換,將其轉換為處理器能識別的數字信號,由於經過放大電路出來的模擬電壓變化範圍在0~3V,故采用MSP430F5529單片機自帶AD進行模數轉換。 

  MSP430F5529對輸入模擬量要求:信號單極性,電壓範圍是0-3V,若信號太小,必須進行放大;輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變,如若模擬量變化太快,則需在輸入前增加采樣保持電路。ADC0809的時序接口為51係列單片機的標準總線接口,操作控製方便,如同對存儲器或I/O操作一樣,A/D轉換精度為8比特,滿足本課題要求。輸入的模擬電壓為0~3V,一次A/D轉換時間為100μS。 

  2.8 超低功耗。MSP430F5529繼承了MSP430單片機超低功耗的特點,可以軟件配置6種超低功耗模式,其處理功耗(1.8~3.6V,0.1?A/Power-down,0.8?A/Standby,250?A/MIPS)和口線輸入漏電流(Electron flow)(50mA)在業界都是的。可以滿足本係統對超低功耗的要求,實現電池供電。 

  2.9 液晶顯示模塊。本係統(system)所要顯示的數據一共有5個,分別是兩種有毒氣體的濃度和室內的溫度(temperature)、濕度,顯示模塊采用單片機自帶的段式顯示屏。這種LCD是102x64矩陣LCD,帶背光,驅動簡單,適用於耗電量小為便攜式應用的場合。 

  3 軟件電路分析   係統軟件流程圖如圖5所示。 

  4 係統實驗方案 

  4.1 溫濕度檢測模塊設計實驗方案。選擇AM2301模塊進行溫濕度傳感器對現場溫濕度進行實時監測,將測得數據(data)與標準溫濕度表進行比較,修正室內空氣檢測係統(system)測量準確度。 

  4.2 有毒氣體檢測模塊設計實驗方案(fāng àn)。有害氣體檢測模塊與MSP430單片機連接,利用單片機內置的A/D轉換器將氣體檢測傳感器(transducer)模塊輸出的氣體濃度信息轉換為數字信號,並在顯示屏上顯示出來,將顯示出來的值與標準有害氣體濃度相比較,有害因素檢測修正室內空氣質量檢測係統(system)測量準確度。 

  5 結束語 

  檢測室內甲醛(Formaldehyde)氣體濃度和可燃氣體(甲烷、丙烷等);還可檢測室內溫度(temperature)、濕度;可實時顯示甲醛濃度讀數、溫度、濕度讀數。南通環境檢測中心是通過對人類和環境有影響的各種物質的含量、排放量的檢測,跟蹤環境質量的變化,確定環境質量水平,為環境管理、汙染治理等工作提供基礎和保證。簡單地說,了解環境水平,進行環境監測,是開展一切環境工作的前提。體積小,重量輕,攜帶方便;采用電池供電,係統功耗低,價格低;適合家庭使用的空氣質量檢測係統。

室內空氣檢測


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