室内空气质量监测器的设计

摘 要： 随着人们生活水平的提高，越来越多的人对室内环境状况提出了更高的要求，室内空气质量问题逐渐成为人们普遍关注的热点。本设计针对室内环境的技术指标需求，使用传感器对有害气体检测为主要手段，对有害气体进行数据采样后通过微处理器进行成分和浓度分析，根据预设值可在本地进行数据显示和声光报警的同时将数据通过无线网络反馈至微机中。

关键词： 空气质量；LM3S1F16；Cortex-M3

0 引言

室内环境泛指人们生活、劳动以及其他相对封闭的公共场所等。人的一生大约有80%～90%的时间是在室内度过的，因此室内空气质量的好坏对人们的身体健康明显高于室外环境。“室内空气污染”被认为继“煤烟型污染”和“光化学烟雾型污染”后的第三污染。人体对室内环境的需求从安全性的角度来说主要指有毒气体含量不得超标，于是对室内空气污染物的检测转变成对室内污染物的种类和浓度的检测。

1 系统结构

本室内空气质量检测系统是以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景，对CO，CO2，H2S，O2，氨气以及甲醛等有毒有害气体信息实时采集，从人居舒适度角度加之不同的气体组分和浓度对传感器自身响应特性易受到温度，湿度等环境因素的影响，在系统中包含有对室内温度、湿度等环境信息数据的采集，数据处理在采用具有Cortex-M3内核的ARM芯片LM3S1F16上进行，数据处理结果反映在显示屏上，在测量数据超出已设定的标准时，系统同时进行声光报警。本系统的硬件部分主要由气体传感器阵列、信号调理电路、MCU对采集的数据进行分析和处理、显示模块、无线通信模块、报警系统和换气系统等组成。其主要功能模块如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 微制器选择

目前单片机微处理器种类繁多，且不断向低成本低功耗反向发展。Cortex-M3是首款基于ARMv7架构，Thumb-2指令集结合非对齐数据存储和原子位处理等特性，轻易8位16位器件所需的存储空间就实现了32位性能。

LM3S1F16作为使用Cortex-M3为内核的其中一款产品，CPU时钟达到80MHz，其内部存储器包含单周期384KB的FlashROM，48KB的SRAM，ROM中还包含StellarisWare?，内含3个UARTs，2个标准和快速I2C，8个具有12位的ADC。在功耗方面包含了睡眠模式和深度睡眠模式其目标是包含为工业应用，包括测试、测量设备、工厂自动化、家庭和商业网站监测和控制，游戏设备、运动控制、医疗仪器、灯光控制、运输和消防和安全。综上，选择LM3S1F16作为本设计中的微控制器。

2.2 传感器阵列设计

所设计的空气质量监测器需能识别多种气体，因此系统中需要包含大量的气敏传感器。环境的温度和湿度是影响传感器测量的重要环境因素，因此系统中引入了温湿度传感器对系统测量进行补偿，优化的传感器阵列平衡了传感器间的交叉敏感特性和选择性，较好的去除冗余和相关，提高了系统的识别能力。

日本FIGARO公司生产的TGS系列气体传感器属与采用SnO2薄膜作为敏感材料的MOS传感器，属于可变电阻式传感器。在一定工作温度下，使用简单的电路即可将电阻的输出变换变换为相应气体的浓度输出信号。TGS2620对有机气体、挥发性气体和可燃性气体有较高的灵敏度，可用于CO的检测。TGS2602是一款探测空气污染的传感器，可以探测很低浓度的H2S和氨气，也可以探测低浓度VOC。

TGS4161是基于固态电解质检测原理的CO2传感器，具有低功耗、长寿命的优点，在测量范围内具有良好的线性度，并且具有较好的抗湿度性。

氧气含量也是衡量室内空气质量的主要指标。英国的Alphasense

公司研制气体传感器应用广泛，根据系统设计需要选用O2-A2氧气传感器。其测量范围0～30%，输出为80～120μA的电流信号，使用电压并联负反馈对信号进行转换和放大后送入A/D转换器。

根据系统需要，选择了MQ138作为本装置的甲醛传感器，其适宜醇类、醛类、芳族和酮类等有机溶剂的探测，具有较高的灵敏度，并且具有寿命长和稳定性好等特点。

环境的温湿度是人体对环境舒适度的重要需求。不同的温湿度环境也会对传感器的检测有较大的影响。综合人体舒适度和传感器检测补偿的需要，本系统中选用了SHT11温湿度传感器模块，其内部将温湿度传感器、信号放大和调理电路、A/D、I2C等接口电路集成，输出分辨率可调，具有良好的稳定性。

2.3 射频芯选择

CC2520是TI公司为ZigBee低功耗无线应用推出的第2代2.4GHz射频芯片，具有工作电压范围最大、接收灵敏最高、休眠电流小、封装尺寸最小等优点，遵循IEEE802.15.4标准。其收发电流相对CC2420较高，但其休眠电流却远低于CC2420。监测节点通常为低占空比工作模式，休眠电流对节点的功耗影响更为明显。在本监测器中选择CC2520射频芯片构建无线网络，完成节点数据的采集并可馈送至监控主机。

2.4 人机交互硬件结构

ZLG7290按键数码管驱动器是广州周立功单片机发展有线公司针对仪器仪表行业推出的一款驱动芯片，可驱动8位共阴数码管或64个独立LED和64个按键，内置有连击计数器，可控扫描位数并且可控任一键的连击次数，提供键盘中断信号，无需外接元件即可直接驱动LED，该芯片抗干扰能力强，在工业测控中被广泛使用。

声光警示部分采用高亮闪烁放光极管和长音型喇叭，这样微控制器就只需要提供一个电平信号而不需要过多的占用微控制器资源就能分别完成声光警示效果。

2.5 换气系统

室内空气的污染源来源复杂，种类多。在室内的空气流动性差，导致污染源所散发出的有毒有害气体在室内积累，浓度不断提升。对于室内环境空气质量的调节主要除了及时清除污染源外，通风是较好的改善室内空气质量的方法。本系统中通过光耦隔离方式，采用过零双向可控硅型光耦MOC3041，集光电隔离、过零检测、过零触发于一身，避免了输入输出通道同时控制双向可控硅的触发的缺陷，保护了MCU的端口。

3 系统程序设计

本监测器的主要程序设计主要包含了硬件系统的初始化，包括开机后初始化LM3S1F16，系统显示和警示模块的自检，本过程由人工进行判断并通过按键进行系统自检通过确认。系统确认通过后，传感器基本达到热平衡，气体感测系统开始工作。系统在读取气体传感器的信息时，应先读取当前环境的温湿度情况，气敏传感器实时将数据反馈到MCU，LM3S1F16驱动片内A/D转换器工作，分别多次读取各传感器的信息并进行转换，转换结果经过软件进行数据平滑滤波并计算，得出单位时间内的各传感器的所主要感应的气体浓度。检测数值即时更新至节点的12864显示器上。检测过程中可以使用按键或上位机随时根据需要更改报警限值。当所测中出现任何气体、温湿度超过所设限值时，打开本地声光报警器，并同时驱动换气系统加速室内空气流动，将污染气体排放至室外。系统可依据上位机的要求，实时将节点所测各气体的浓度通过串行口所接射频网络反馈至上位机，描绘曲线。其主要工作流程如图2所示。

4 小结

室内空气质量的好坏对人们的身体健康明显高于室外环境，其空气质量问题逐渐被人们所关注，本室内空气质量监测器从人体对室内环境的安全性、舒适性需求，以使用传感器对室内空气中有害气体检测为主要手段，实时监测室内空气质量，当空气质量不符合要求时，自动启动换气和报警装置，为室内人群提供警示的同时，主动加快室内外空气流动，改善室内质量。

本仪器具有监测准确度高、体积小、使用方便、性能价格比高等优点，使得该测温装置在居家、公共场所都有着很广阔的应用前景。

参考文献：

[1]莫洁芳，室内环境空气质量自动监测方法研究[J].科技创新导报，2010.

[2]徐后坤、胡木林、谢长生、李金艳，基于μPSD3234A单片机的手持式气体检测仪[J].设计参考，2006，8（10）：41-44.

[3]施京毅，基于气体传感器阵列的多气体检测及应用[D].西安：西北工业大学检测技术及自动化装置，2001.

[4]崔九思，室内空气污染监测方法[M].北京：化学工业出版社，2002.

[5]Stellar is LM3S1F16 Microcontroller Data Sheet[M].http：//www.ti.

com/，2012.

[6] Stellar is Ware Driver Library User's Guide[M].http：///，

2011.

[7]金纯、罗祖秋、罗凤等，ZigBee技术基础及案例分析[M].北京：国防工业出版社，2008.

[8] ZLG7290 I2C接口键盘及LED驱动器[M].广州致远电子有限公司，2004.