室内空气质量控制系统设计

目录

1 前言 (1)

2 总体方案设计 (2)

方案比较 (2)

方案比较与选择 (3)

3 单元模块介绍 (4)

二氧化碳传感器 (4)

放大电路 (5)

放大电路的特点 (5)

放大电路的性能指标 (6)

STC89C51单片机 (6)

单片机最小系统 (8)

显示电路 (11)

风扇控制模块 (11)

4 系统软件设计 (13)

系统程序设计 (13)

5 总结 (14)

6 致谢 (15)

7参考文献 (16)

附录一：相关程序 (17)

1 前言

空气是人类赖以生存的最基本条件，但是人们常忽略所呼吸空气的质量，绝大多数人 85%~90% 的时间在室内度过，这使得他们很容易遭受有这些空气污染引起的疾病。特别是医院病房，由于医院病房有限，每间病房住 4 个、甚至 6 个以上的病人，由于排出二氧化碳气体太多、导致空气质量不好，特别是冬季，不开窗户，空气质量更加糟糕。特别是对于心、肺、脑等疾病患者，病房内空气质量更显重要。二氧化碳对人体具有相当的危害，室内空气二氧化碳浓度在%(1400mg/m ) 时，人体感觉良好。二氧化碳含量为%(2000 mg/m3) 时，个别人有不舒服感；%(3000mg/m3)内空气状况明显恶化；浓度达到%(6000 mg/m3) 以上时，出现明显头痛、头晕、心烦意乱等症状；8%(160000mg/m3) 以上可引起死亡。

室内 CO2 主要来自人体呼出气。室内 CO2 水平受人均占有面积、吸烟等因素影响。在我国北方，冬天关闭窗户，加上通风不足，室内二氧化碳浓度可达%(4000mg/m3) 以上。

我国公共场所卫生标准规定二氧化碳浓度不超过%% ( 以场所而定 )。室内空气中CO2卫生标准规定日平均最高允许浓度%(2000mg/m3)(GB/T17094-1997)。为满足房间内内空气质量的要求，本文设计了一个廉价的房间内的二氧化碳监控终端，实时检测空气中二氧化碳的含量，并根据数据反馈利用本系统改善空气质量。

2 总体方案设计

方案比较

方案一：以STC89C51系列单片机为核心设计，此系列单片机比较常用、价格便宜、操作简单。设计框图如图.

图方案一系统框图

工作过程:当二氧化碳传感器检测到室内空气中二氧化碳含量超过%时，电路开始工作，传感器把检测到的信号经过放大电路放大处理，再通过A/D转换器转换成模拟信号输送给单片机，通过单片机控制引风机工作，并显示二氧化碳的浓度，直到室内二氧化碳浓度降低到%以下，引风机停止工作。

方案二：以PLC为核心设计，其系统框图如图所示。

图方案二系统框图

工作过程：当系统工作时，传感器将外界的空气中的二氧化碳含量转换为电信号，并将信号传输给喜好处理模块。在信号处理模块中，将传感器接收到的信号处理成PLC的输入信号。PLC在单位时间内对信号进行计数，再将信号数与设定的基本值比较，并从PLC输出端给数码管进行浓度的显示。若测量值大于给定值时，LED报警灯闪烁发出报警信号，并控制引风机工作。

方案比较与选择

由图和图可知，两图在系统框图的设计上除了所使用的核心元件不一样以外，其他基本一样。其一，经信号处理模块处理后的信号大小有所不同，这就

决定两者放大器的所使用不相同；其二，在设计软件上不同，且以PLC为核心元件的程序编写上会比较复杂；其三，从经济性上讲采用单片机更节约成本。值得我们注意的是，PLC成本比单片机的成本要高出很多，且PLC的输出端口数越多PLC的价格就越贵；其四，从实时性上讲单片机的更具优越性，因为PLC在使用中有很大的机械延时，对于一个浓度监测系统来讲快速、实时性是我们一定要注重的因素。基于以上因素的考虑，本次设计我们选择方案一。

3 单元模块介绍

二氧化碳传感器

本次设计所用的二氧化碳传感器为CDM4161，CDM4161有别于固态或者液态电解质气体传感器，半导体气体传感器是利用半导体材料的各种化学特性将空气中含有的特定气体(即待测气体)以适当的电信号检测或定量的器件。其优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、寿命长、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化。世界上最先实现半导体气体传感器商品化的是日本费加罗公司发明的TGS系列半导体气体传感器。CDM4161是费加罗公司生产的一种CO2气体浓度测试模块，其内部集成了TGS4161 CO2气体传感器以及PICl6LF88单片机，CDM4161对空气中CO2气体浓度的测量范围为400～4000 ppm，并且在空气中对CO2气体有高选择性．而对一氧化碳和甲烷等气体不敏感，CDM4161内部集成的单片机可对传感器采集到的信号处理和自动校准，以使其输出的电平值与CO2气体的浓度保持良好的线性关系。CDM4161对外提供5个引脚，其引脚的功能描述如表所示。

表 CDM4161引脚功能描述

工作时CDM4161引脚l接+5 V电源，引脚2输出电压范围0．4-4 V。相当于CO2气体浓度范嗣为400～4 000 ppm。该模块允许用户通过跳线设置4档极限值，当监测到的CO2浓度高于设定值时。引脚3输出高电平以驱动外部通风设备，反之监测到的CO2浓度由高转低，且低于某一门限值时，引脚3输出电平也由高变低关闭外围控制设备，CDM4161板上跳线与所设定极限值以及引脚3输出电位的变化关系如表所示。引脚4在传感器故障时输出低电位，可通过该引

脚连接蜂鸣器．以及时监测CDM4161工作状态。CDM4161模块有3个工作状态指示灯，当模块上电时CDM4161需要预热2 h，比时板上绿灯闪烁，而后进入正常工作状态后，绿灯常亮。当引脚3输出高电位时，红灯闪烁，当模块内部传感器故障时黄灯闪烁。

表 CDM4161跳线方法

放大电路

放大电路是增加电信号幅度或功率的电子电路。应用放大电路实现放大