打造多参数居室气体检测仪，助力智能家庭

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一、项目概述
           
          1.1 引言
           
          爱特梅尔公司是全球领先的半导体设计和制造商，专门提供微控制器及补充产品如电容性触摸感应IC、ASIC、非易失性存储器和无线射频 (RF) 器件。该公司拥有业界最广泛的知识产权核心 (IP) 技术资源之一，能为电子工业提供全面的解决方案。爱特梅尔公司专注于消费电子、工业、汽车、安全、通信和计算市场。通过提供工具与支持，爱特梅尔帮助不同领域的客户以更小巧、更高智能、更高成本效益和更多元化的电子产品，稳占市场领导地位。EVK1100是ATMEL开发的一个基于AVR32 AT32UC3A单片机控制器的评估套件和开发系统，它配备一系列丰富的外设、内存，并且可充分开发AVR32设备的全部潜能。本设计就是基于爱特梅尔公司的EVK1100开发平台，设计的室内环境“安全卫士”，该设计用于检测居室内常见有害气体浓度含量，并在有害气体含量超标时报警，以便使人们及时采取措施，防止危害扩大，为室内环境保驾护航。
           
          1.2 项目背景/选题动机
           

        随着人们生活水平的提高，全装修住宅的日益扩展，其室内环境质量控制越来越引起社会各界的广泛关注，同时人们也需要安全、舒适的家居。室内空气品质与居住者的身心健康状态和工作效率等均直接相关。CCTV《今日说法》曾报道过由于室内污染而未及时发现引起重视，最终导致白血病的恶性事件。室内污染的空气能增加造成人们长期和短期的健康问题的机会。而家庭居室是大多数人除了工作场所以外经常生活的地方，由此对室内环境的安全性检测变得尤为重要，市场上现有对室内环境的检测仪器，存在有体积大、价格贵、功能少、检测气体单一等问题而未被广泛应用，根据市场调查显示居民非常需要一种家用对室内温湿度和室内甲醛的检测的仪器。本文正是基于此种需要而设计的一种家用集室内环境污染物（甲醛、CO、CO2）检测、光照度、温度和湿度检测为一体的多参数便携式检测仪。

         

          甲醛是一种无色、具有强烈气味的刺激性气体，是室内空气的代表性污染物之一。甲醛是原浆毒物，对人体健康有重要影响，研究表明甲醛能与蛋白质结合，吸入高浓度甲醛后，会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，也可发生支气管哮喘。皮肤直接接触甲醛，可引起皮炎、色斑、坏死。经常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出现粘膜充血、皮肤刺激症、过敏性皮炎、指甲角化和脆弱、甲床指端疼痛，孕妇长期吸入可能导致新生婴儿畸形，甚至死亡，男子长期吸入可导致男子精子畸形、死亡，性功能下降，严重的可导致白血病，气胸，生殖能力缺失，全身症状有头痛、乏力、胃纳差、心悸、失眠、体重减轻以及植物神经紊乱等。而各种人造板材(刨花板、纤维板、胶合板等)中由于使用了脲醛树脂粘合剂，因而含有甲醛。新式家具的制作，墙面、地面的装饰铺设，都要使用粘合剂。凡是大量使用粘合剂的地方，总会有甲醛的释放。此外，某些化纤地毯、油漆涂料也含有一定量的甲醛。甲醛还可来自化妆品。化妆品、清洁剂、杀虫剂、消毒剂、防腐剂、印刷油墨、纸张、纺织纤维等多种化工轻工产品。由此，对于居室内甲醛含量的测定变得尤为重要。
           

         CO2在正常空气中的含量约为0.03％～0.04％。当室内空气与室外空气交换良好时，室内空气中CO2的浓度通常不会达到人的主观感觉不适的状态。但是，当室内CO2浓度大于1.5%时，会引起呼吸困难和呼吸频率加快、改变血液pH值、减弱人体的活动能力等。当浓度大于3%时，会引起头痛、眩晕和恶心，当浓度大于6％～8％时，可导致昏迷和死亡。CO2作为居室中常见的污染物，当浓度达0.07%时，少数敏感的人就会感觉到不良气味，并产生不适感。CO2浓度的高低可以用来表示室内空气清洁程度，以及通风换气是否良好，居室内 CO2浓度应保持在0.07%以下，最高不应超过0.1%。

         

        室内CO主要来源于吸烟、含碳燃料的不完全燃烧等。当不存在室内源时，室内CO的含量与室外持平，维持在3~10ml/m3。由于CO不能透过皮肤，因此，它对人体健康的影响主要通过呼吸系统来实现。CO能与血红蛋白结合形成羟基血红蛋白(COHb)，但是CO与血红蛋白的结合能力远远大于O2的结合能力，是O2的200倍，当O2与CO同时存在时，血红蛋白优先与CO结合，制约了O2在血液中的传播。CO可对心脏、肺和神经系统产生有害影响，当COHb的浓度为10％时，主要引起心血管疾病，导致中枢神经紊乱；当浓度为2.5％时，可加重胸痛病人的症状。

         

          本文的设计正是基于此种需要而设计的适用于居室内常见有害气体浓度测定的仪器，该仪器能够指导人们对室内空气质量的变化及时采取应对措施，从而保护人体健康。能同时检测室内空气环境中常见污染气体（甲醛、CO2、CO）及温湿度的现场检测，且操作简便、设计合理。
           
          二、需求分析
           
          2.1 功能要求
           

        甲醛是在室内和室外都广泛存在的一种空气污染物，除此之外室内空气污染物主要还有CO和CO2等。甲醛是室内最常见的和最具代表性的醛类化合物，室内甲醛浓度则取决于建筑材料的性能和和测试时的环境条件，通常范围在0.02～0.50mg/m3或更高。用作室内装饰的胶合板、细木工板、中密度纤维板和刨花板等人造板材中含有甲醛，新装修的居室甲醛最高可达9.09mg/m3。基于此，本文所设计的检测仪器要求能够检测室内甲醛、一氧化碳、二氧化碳等室内常见有害气体浓度，同时要能够对与人体健康密切相关的室内环境温湿度状况进行实时检测与显示，并通过按键设定检测气体上限报警值和选择待检测气体种类，通过液晶显示待测气体浓度。当所测气体浓度超标时及时进行声光报警。

         

          除用于家庭居室之外，该仪器还可用于办公室、宾馆、饭店、商场、高档酒店等场所或其他一些对空气质量要求较高的场所常见有害气体含量测定。随着甲醛传感器价格降低、家居全装修增多，人们对生活质量要求的提高，这种多功能测试仪将会有更广泛的应用前景。
         
          2.2 性能要求
           

        仪器性能要求主要是根据实际情况（居室内空气质量达标值与温湿度状况）确定检测性能指标要求。居室空气中甲醛的最高允许浓度为0.08 mg/m3，公共场所甲醛的最高允许浓度为0.10 mg/m3。

         

          1、甲醛：测量范围：0～10ppm  分辨率 : ±0.05 ppm
           

        2、CO2检测：测量范围：0~2,000ppm ，检测精度：±30ppm

         

          3、CO检测，测量范围：0～1000ppm，分辨率：±0.5ppm
           

        4、温度测量：测量范围：-10 ~ 60℃，检测精度：±1℃

         

        5、湿度测量：测量范围：0 ~ 95%RH，检测精度：±5%RH

         

          6、交流供电、声光报警、LCD显示被测气体实际浓度值
           
          三、方案设计
           
          3.1 系统功能实现原理
           

        该仪器电路由单片机及外围电路和信号采集电路组成。仪器硬件电路如图所示。其中AVR MCU单片机是检测仪的核心, 它控制传感器信号的采集、信号的A/D转换、数据的进一步处理以及浓度显示、超标报警、检测气体参数的调整等整个过程。在实际应用时, 可以根据所测气体与气敏元件反应后所得到的电压值的关系来编程,当对气体进行测试时, 通过测得的电压值就可以得出所测气体的浓度。

         

        工作原理：由传感器检测待测气体，并转换为相应电信号，由于传感器采集的电压信号是模拟信号必须转换为便于处理数字信号，才能进行进一步分析、处理，所以将该变化的电压信号输入A/D转换电路，经A/D转换之后, 再将得到的数字信号送入单片机, 由单片机进行相应的处理并送入LCD显示相应的浓度值, 同时可以通过按键设定报警浓度上限。这样,可以在所测气体浓度超过设定值时启动报警器进行报警。

         

       

           

        图 1 系统硬件结构框图

           

        3.1.1 甲醛检测模块

         

        甲醛检测模块采用基于电化学原理的甲醛传感器CH20/S-10，其原理为室内空气中的甲醛气体被采样后，在电极作用下发生氧化反应，产生的扩散电极电流与空气中的甲醛浓度成正比，将检测到的电流值通过放大电路放大并转换为相应的电压值，后经A/D转换送单片机，由单片机现场实时控制检测并显示室内甲醛浓度值，当其浓度值小于国家规定的标准值(通过按键可修改)时绿灯亮，当超过规定值时红灯亮，同时进行蜂鸣报警，开始提醒人们及时采取有效措施，从而对人们的居住生活环境起到了监控保护作用。

         

        3.1.2 温湿度传感器

         

        考虑到室内环境温湿度对人体健康有重要影响，因此在电路中增加了温湿度检测模块，该模块主要检测室内环境的温度和湿度。温湿度传感器采用LTM-8901，该传感器是全新的数字化温湿度传感器，适合室内环境的温湿度测量范围，无需A/D转换，可直接和单片机连接，使系统故障率低，便于维护。湿度测量时是传统湿敏元件与湿度变送器的融合体。本身具有很强的抗静电、抗干扰、抗反接等保护能力，而且具有很强的结露恢复能力，并对腐蚀气体有一定的低御能力。LTM-8901内置滤波、保护电路、极低的功耗，温度补偿已在生产检验时校准完成。这种智能化修正方式，实现温湿度全量程的精确测量。如系统硬件结构框图所示，数字传感器LTM8901通过光耦器件4N35和驱动电路接单片机的并行I/0端，实现输入输出隔离，以提高系统的抗干扰能力，光耦器件4N35对于LTM8901其速度基本上满足要求。

         
          3.1.3 CO和CO2检测模块
           
          首先CO2的检测使用二氧化碳传感器TGS4161，该传感器是一个新型的固体二氧化碳传感器，它具有小型化和低功耗等特性，二氧化碳浓度为350~10000ppm时，均可用TGS4161进行检测，从而使其适合室内空气的控制设备。二氧化碳的敏感原件由两个固体电解质组成，结合一个印制在基板上的RuO2加热器。通过检测两个电极之间电动势的变化来测试二氧化碳气体的浓度。传感器电容的顶部含有沸石目的是防止其它气体的干扰。
           
          其次，对于CO的检测，采用的是7E/F三电极电化学传感器，该型传感器输出线性范围宽，线性稳定，额定输出为0.1uA/ppm, 最小分辨率为0.5ppm,测量的最小范围和最大范围分别为0～20ppm和0～1000ppm。
           
          CO的测量范围是：0～150mg/m3
           
          CO的最大测量范围转换为ppm是：Ymax=150/1.25=120（ppm）
           
          转换为传感器输出的最大电流为：Imax=0.1×120=12（uA）
           
          输出的电流分辨率为：Ii=0.1×0.5=0.05（uA）
           
          由此可得出其检测精度为：ε= 0.5ppm/120ppm×100%=0.42%
           

        3.1.4 室内光照度检测

         

        此模块为新增加模块，一方面考虑到室内光照对人体健康的影响，设计了光照度检测模块；另一方面在智能化家庭居室中该模块可以和室内智能照明系统连接，当室内光照度降到某一极限值时自动开启照明系统，而当光线较强时自动关闭室内照明系统，更环保、更节能。同时爱特梅尔（Atmel）公司提供的开发平台EVK1100是一个基于AVR32 AT32UC3A单片机控制器的评估套件和开发系统。EVK1100本身配备一系列丰富的外设、内存，其中开发板上及配有光照、温度等传感器，本模块的设计即采用该开发板上配有的光照传感器。开发板上该部分采用光敏二极管实现，光敏二极管较硅光电池有许多优点,有很高的带宽,价格便宜,特别是光电流与光照度之间呈较好的线性关系,因此它在光耦合隔离器、光学数据传输装置和测试技术中得到广泛的应用。除此之外，也能使EVK1100开发板上已有资源得到充分利用！

         

          3.1.5 电源模块
           
          由于该设计中所用芯片驱动电压大小不同，所以设计了电源模块，完成各部分所需电压的转换，保证芯片的正常工作。系统各个模块需要使用5V、3.3V、1.8V等，特别是主芯片AT32UC3A所需要的电压。因此该系统设计采用一个电源转换模块将电源板输出的稳定12V电源转换为所需要的电压。其中采用MAXl659将+12V转换为+5V和+5V_P，并通过程序控制该芯片的工作．从而控制了后续所需的+5V_P电压的任何电路；用MAXl658芯片将+5V转换为+3.3V_P，并控制该芯片的工作，控制后面需要+3.3V_P电压的任何电路；采用MIC-5207芯片将+5V转换为+3.3、+1.8V，供后面电路提供电源。每一个转换后的电压都用了一个发光二极管的亮灭来检查这些芯片是否正常工作，亮表示工作正常，反之则表示此转换器有问题(损坏)。
           

        3.1.6 键盘控制单元

         

        系统的键盘控制单元有5个按键组成，分别为：系统设置键、选择确定键、气体种类设置键、气体浓度上限加10键、气体浓度上限减10键，这几个按键用于选择待检测气体和设置目标气体的报警上限值。其中“系统设置键”用于告诉系统进入中断，设置气体浓度超限值；“气体种类设置键”用于选择设置上下限气体的种类；“气体浓度上限加10键”用于设定目标气体的上限浓度加10ppm；“气体浓度上限减10键”用于设定目标气体的浓度上限减10ppm；“确定键”用于确定系统设置完成。

         

        3.1.7 声光报警单元

         

        声光报警单元由蜂鸣器与发光二极管组成。当所测量气体浓度达到报警上限时，相应的红色发光二极管点亮，同时蜂鸣器发出急促不连续响声，实现声光报警，提醒用户及时采取相应措施。

         

        3.1.8 LCD液晶显示模块

         

        EVK1100开发板上配有4×20的字符型液晶显示模块DIP204-4e (PWM可调节背光) 。主要有LCD显示器、控制器、驱动器等电路组成。液晶模块主要用于显示待测气体实际浓度值和检测的具体时间显示。

         

          3.1.9 时钟模块
           

        此系统需要记录测量发生的时间，所以需要时钟芯片来记录在不同时间的监测数据，因此我们在系统中加入了时钟芯片。对时钟芯片的要求首先是低功耗，其次是编程简单，缩短程序开发时间，实际上也就缩短了系统用于实际生产所用的开发周期以及成本，在本设计中，我们选择了DS1302时钟芯片。时钟芯片 DS1302内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机通信。而通信时，仅需要3个口线：（1）RES（复位），（2）I/O数据线，（3）SCLK（串行时钟）。时钟/RAM的读/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。其工作时功耗很低，广泛应用于电话，传真，便携式仪器等产品领域。DS1302主要性能有：实时时钟能计算2100年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年的能力，还有闰年的调整能力；读/写时钟或RAM数据时，有单字节和多字节传送两种方式；与DS1202/TTL兼容。DS1302引脚概述：X1,X2：振荡源，外接32.768KHZ晶振；SCLK：串行时钟输入端。

         
          3.2 硬件平台选用及资源配置
           
          硬件设计部分主要包括：硬件主电路设计、数据采集、模数转换电路设计、液晶显示电路设计、外围扩充存储器接口电路、时钟电路、复位电路、键盘接口电路等功能模块电路设计，所以主要硬件资源配置包括MCU、A/D转换、键盘控制、时钟电路、LCD显示、外围扩展数据RAM等的配置。
           
          本设计选用的硬件平台为ATMEL 提供EVK1100开发平台，它是一个基于AVR32 AT32UC3A单片机控制器的评估套件和开发系统。它配备一系列丰富的外设、内存，并且可充分开发AVR32设备的全部潜能。
           

       

•                                          支持AT32UC3A
  
  

           

       

•                                          以太网端口
  
  

           

       

•                                          传感器：光照、温度、电位器
  
  

           

       

•                                          4x20蓝色LCD（PWM变频背光）
  
  

           

       

•                                          JTAG连接器、Nexus、USART、USB 2.0接口，TWI接口、SPI。
  
  

           

       

        图2 EVK1100开发平台

         

          温度和光照检测部分可以选用硬件平台本身配置的资源，这样使板上资源更合理的得到应用由于EVK1100开发平台中LCD液晶显示部分采用的是4×20的字符型液晶显示模块DIP204-4e (PWM可调节背光)，所以在所要显示信息量大时，采用按键控制分时显示。
         
          3.3系统软件架构
           

        该仪器的软件系统可采用C语言编程, 开发软件是AVR Studio5，这个是Atmel自己开发的development tools，AVR Studio 5集成GCC编译器，对AVR32的编译支持很好。Atmel AVR Studio 5是广受欢迎的爱特梅尔集成开发环境(IDE)的增强版本，支持所有8位和32位AVR MCU，能够显著提高开发人员的效率，并可使客户的应用程序在爱特梅尔8位和32位AVR MCU之间实现无缝移植。AVR Studio 5能够简化源代码的编辑和调试，具备辅助代码编写功能的编辑器、用于快速创建新项目的向导工具， AVR Software Framework源代码库、GNU C/C++编译器、功能强大的模拟器，以及适用于爱特梅尔所有AVR编程器及在线调试器的前端可视化工具。AVR Studio 5将现有8位AVR Studio 4 和32位AVR32 Studio的功能融合, 支持所有8位和32位AVR MCU。此外，爱特梅尔的AVR Studio 5还可集成第三方的嵌入开发工具插件。编译好程序后通过单片机预留的JTAG接口通过配套的调试器AVR Dragon来对单片机进行在系统编程, 以实现实时调试。软件设计采用模块化设计。设计时可将程序分成几个主要的功能模块, 包括主程序和各个模块子程序。

         

          软件部分采用模块化设计，全部软件由主程序、A/D转换子程序、键盘处理子程序、报警模块子程序、时钟模块、液晶显示子程序等组成。主程序是控制和管理的核心。系统上电后进行初始化和中断处理操作。初始化主要完成对报警值的设定和初次检查，同时断开各电器的电源。初始化完成后，系统开始正常运转。进行待选气体浓度检测和报警等操作，主程序的流程图如下图所示。
           
          3.4 系统软件流程
           
          3.4.1 主程序模块
           
          主程序实现的功能：与硬件相结合实现便携式居室空气质量检测仪器的各个功能。主要是检测与显示，时间调整与显示，数据存储，超标报警，功能子函数的调用等（见图3）。
           

       

        图3主程序流程图

         

          3.4.2 A/D转换模块
           
          A/D转换模块的主要功能就是将经放大器放大的模拟电压信号转化为MCU能够处理的数字信号，并传送给MCU，进行下一步处理。
           

       

           

        图 4 A/D转换处理子程序流程图

         

          3.4.3 按键控制模块
           
          按键能够实现人机对话机制，通过按键的操作，对系统进行发送操作指令，后经与MCU串行通信，然后在液晶上显示。按键查询式的流程图见下图:
           

         

       

         

        图 5 按键检测子程序流程图

         

       

         

        图 6 温湿度数据采集子程序流程图

         

          3.4.4 时钟模块
           
          时钟模块主要是用于时间显示和与MCU通信经LCD显示时间。时钟模块子程序流程图见下图：
           

       

         

        图 7 时钟模块操作子程序流程图

         
          3.4 系统预计实现结果
           
          整个系统设计完成后能够对居室内常见有害气体甲醛、一氧化碳、二氧化碳等进行浓度检测，并在含量超标时实现声光报警功能。其中检测到的气体浓度和预先设定值作比较，判断超标否，预先设定值通过键盘进行操作设置。同时该仪器还可对居室内温湿度、光照度进行检测，实时显示室内温湿度情况，对于住户及时了解室内居住环境状况提供重要的参考信息。在显示浓度的同时对检测到信息进行保存，同时显示测量时间，便于用户对不同时间的测量值进行比较。
           
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