室内空气质量监测系统设计

２１／３２８０－８４

长春工程学院学报（自然科学版）２０１６年第１７卷第４期

Ｊ．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ．（Ｎａｔ．Ｓｃｉ．Ｅｄｉ．），２０１６，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．４

ＩＳＳＮ　１００９－８９８４

ＣＮ　２２－１３２３／Ｎ

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－８９８４．２０１６．０４．０２１

室内空气质量监测系统设计

收稿日期：２０１６－１０－２６

基金项目：吉林省科技厅（２０１５０２０４００８ＳＦ）

作者简介：杜波（１９７６－），女（汉），长春，副教授主要研究检测技术与自动化装置。杜　波

（长春工程学院电气与信息工程学院，长春１３００１２）

摘　要：室内空气质量监测系统以ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机为主控器，对甲醛、二氧化碳、一氧化碳、可吸入颗粒、温度、湿度信号进行采集和显示，通过键盘设置报警值，配有蜂鸣报警电路和外扩存储电路，系统通过ＵＳＢ接口与上位机进行通讯，实现对检测数据的历史查询和实时监测。系统由电池供电，具有便携式特点，功能实用，方便人们生活，提升生活质量。

关键词：室内空气质量；实时监测；通讯；ＳＴＣ８９Ｃ５２

中图分类号：ＴＰ２９文献标志码：Ａ 文章编号：１００９－８９８４（２０１６）０４－００８０－０５

０　前言

进入２１世纪以来，随着经济的大力发展和科技的进步，人们的生活水平显著提高，但装修、取暖、电器使用等方面也带来了一个严峻的问题———室内空气质量的急剧下降。目前人们一天中有８０％的时间是在室内度过的，室内空气质量的好坏，直接影响着人们的身体健康，因此，时刻关注室内空气的质量变得尤为重要。

世界卫生组织２０１１年在其总部瑞士日内瓦发布了一份名为《室内空气质量指南》的有关室内空气质量标准的报告，这是世界卫生组织首次公布对身体健康产生影响的室内空气有毒物质的量化标准。报告称，在欧洲地区，每年至少有４００人死于一氧化碳中毒，１４％的肺癌患者是由于吸入了居室中的氡造成的，有足够证据表明空气中的苯与白血病有着因果关系，报告还指出室内空气的污染源主要来自４个方面，比如水泥、涂料、油漆、家具等建筑和建材材料，家电等室内设备，还有取暖和做饭过程中产生的烟尘废气等等。

我国目前对于室内空气质量的认知度和重视度还远远不够，针对这一现状，本文设计了一种便携式的室内空气质量监测系统，对空气质量进行实时检测和报警，以对室内人员进行提示，维护人们的身体

健康。

１　设计方案

设计以单片机为主控器，通过传感器对甲醛、可吸入颗粒物、温度、湿度等信号进行检测，通过键盘对各检测指标的上限或下限进行设定，具有ＬＣＤ显示和报警提示功能，具备便携式特点，可电池供电，同时数据传入上位机进行显示和储存，便于远程监测

。

图１　系统框图

２　硬件电路设计

选用ＳＴＣ８９Ｃ５２为主控器，整个电路由传感器采集电路、模数转换电路、键盘显示电路、报警和外扩存储电路、通讯接口电路和电源电路组成。２．１　温湿度采集电路设计

温湿度传感器选用ＡＭ２３０３，ＡＭ２３０３数字温

湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿

度复合传感器，

传感器包括１个电容式感湿元件和１个高精度测温元件器件，测温范围为－４０～

１２５℃，３处引线（

单总线接口），连接方便，器件实物图和接口电路图如图２～３所示

。

图２　ＡＭ２３０３

实物图

图３　温湿度采集电路图

２．２　可吸入颗粒采集电路设计

可吸入颗粒传感器选用ＧＰ２Ｙ１０１０ＡＵＯＦＣ０１，模拟电压输出、数字串口输出两种形式，输出模拟量电压范围为０～５Ｖ，可吸入颗粒量程范围为２５～

５００ｕｇ

／ｍ３。可吸入颗粒采集电路如图４所示

。图４　可吸入颗粒采集电路图

２．３　二氧化碳气体采集电路设计

二氧化碳气体传感器选用ＳＫ－５００－ＭＩＣ，有串行数据输出和模拟量输出两种形式，模拟量输出范围为ＴＴＬ（标配）０．４～２．０ＶＤＣ（常规），／４～

２０ｍＡ，

二氧化碳气体采集电路如图５所示

。图５　二氧化碳气体采集电路图

２．４　一氧化碳气体采集电路设计

一氧化碳气体传感器选用ＭＥ２—Ｃ

Ｏ，利用待测气体在电解池中工作电极电位上的电化学氧化过程，

待测气体电化学反应所产生的电流与其质量分数成正比并遵循法拉第定律，通过测定电流的大小就

可以确定待测气体质量分数［２

］。ＭＥ２—Ｃ

Ｏ的量程为０～１　０００ｐｐ

ｍ，输出质量分数与输出电压对应曲线如图６所示，

一氧化碳气体采集接口电路如图７所示

。图６　质量分数线形图（一氧化碳

）

图７　一氧化碳气体采集电路图

由图６可知，传感器输出电压范围为０～

２．５ｍＶ，为了能与ＡＤＣ０８０９转换电压相匹配，

采用放大电路将输出电压放大，如图７采用两级反相比例放大，第一级放大倍数为－１００，二级放大倍数为－２０

，最后放大倍１

８　杜　波：室内空气质量监测系统设计

数为２　０００，即输出电压范围为０～５Ｖ。２．５　甲醛气体采集电路设计

甲醛气体传感器选用ＭＥ２—ＣＨ２Ｏ，ＭＥ２—

ＣＨ２Ｏ为燃料电池型电化学传感器，

甲醛和氧气在工作电极和对电极上发生相应的氧化还原反应并释放电荷形成电流，产生的电流大小与甲醛的质量分数成正比并遵循法拉第定律，

通过测试电流的大小即可判定甲醛质量分数的高低。ＭＥ２—Ｃ

Ｈ２Ｏ检测甲醛气体量程为０～５×１０

－６

，输出电流与质量分数的对应关系如图８所示

。

图８　

浓度线形图

图９　甲醛气体采集电路图

由图８可知，

该传感器输出电流范围为０～２．２５ｕＡ，

采用放大电路将电流转化为电压，并进行放大，输出电压范围是０～４．５Ｖ。接口电路图如图９所示。

２．６　Ａ／Ｄ转换电路设计Ａ／Ｄ转换器采用ＡＤＣ０８０９，可对８路模拟量进行输入转换，８位数字量输出，可与ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机直接相连。分别采集电路输出的可吸入颗粒、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ２Ｏ的模拟量进行转换。２．７　键盘显示电路设计

键盘电路中Ｋ１调节报警值上限，Ｋ２调节报警值下限。显示电路采用液晶显示器ＬＣＤ１６０２，键盘显示电路如图１０所示

。

图１０　键盘显示电路图

２．８　报警电路和外扩存储电路设计

报警电路采用蜂鸣报警。当检测气体测量值超限时，蜂鸣器发出蜂鸣声以提醒室内的人。由于设计数据采集量过大，因此需要外扩存储器，采用的存储器芯片为ＡＴ２４Ｃ０４。报警电路和外扩存储电路如图１１和图１２所示

。

图１１　报警电路图

２．９　通讯接口电路设计

为了将采集数据进行整理和备份，设计通讯接口电路，及时上传采集数据，接口电路图如图１３

所示。

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８长春工程学院学报（自然科学版）２０１６，１７（４

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