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1、嵌入式课程设计论文题 目： 室内环境检测系统设计 院（系）： 计算机与通信学院 专业年级： 姓 名 ： 学 号 ： 指导教师： 日期： 摘 要随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，人们对环境问题及健康问题日益重视，室内空气品质（IAQ）状况受到越来越多的关注。人的一生中有三分之二的时间是在居室内度过的。本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景，是以ATMEL工公司的一款8位超低功耗单片机AT89S52为控制核心，能够实现对室内温度，湿度，甲醛，苯和氨的实时采集处理、显示、报警等功能。仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD1602点
2、阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。同时设计了声光报警系统，实现在参数超标时及时的报警。室内智能空气品质监测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量。关键词：AT89S52；室内空气品质；LCD显示；温湿度；甲醛ABSTRACTWith the development of our national economy and improvement of peoples living standard, awareness of environmental issues and health problems increasing emph
3、asis on indoor air quality (IAQ) conditions have been paid more attention to. Two-thirds of peoples life time is spent in the living room. In this paper, Indoor Air Quality Portable Intelligent Monitor is on the background of toxic and harmful gases,based on an ATMEL 8-bit working ultra-low power MC
4、U AT89S52 as control core, which can realize real-time acquisition and processing, display ,alarm and other functions of indoor temperature, humidity, formaldehyde, benzene and ammonia. Equipment powered by lithium batteries, has a good portability and versatility, and use the LCD1602 dot matrix LCD
5、 screen to display menu, and has a good interactive interface. At the same time sound and light alarm system is designed to achieve a timely manner when the parameter level exceeds the limit. Indoor Air Quality Portable Intelligent Monitor, small size, low power consumption, simple operation, and is
6、 suitable for family and community health care in order to know real-time acquisition of indoor air quality.Key words：AT89S52；IAQ；LCD display；humiture；formaldehyde目 录目 录I第一章 绪 论11.1课题的目的及意义11.1.1室内空气品质(IAQ)的重要性11.1.2课题研究目的及意义21.2国内外的研究状况21.3本文的主要研究内容及总体方案设计31.3.1本文的主要研究内容31.3.2总体方案设计3图1.1 系统结构框图3第二章
7、 室内空气品质基本介绍42.1室内空气品质及认识42.1.1室内空气研究的背景42.1.2室内污染物种类及来源分析42.1.3室内空气品质的几点认识52.2室内空气品质的监测方法及改善空气品质的方法52.2.1室内空气品质监测方法52.2.2改善空气品质方法62.3室内空气品质测试指标的选定6第三章 室内空气品质监测仪的硬件设计83.1室内空气品质监测仪系统简介83.1.1系统硬件结构及原理83.1.2 AT89S52单片机简介93.1.3AT89S52单片机与其扩展103.2传感器的选用103.2.1气体传感器103.2.2温湿传感器143.3前置放大滤波电路的设计173.4模数转换电路的设
8、计203.5声光报警电路的设计213.6液晶显示电路设计213.7复位电路设计223.8电源电路设计233.9本章小结23第四章 室内空气品质监测仪的软件设计244.1系统软件设计思路244.1.1编程语言的选择244.1.2软件功能需求244.2软件模块设计264.2.1主程序模块264.2.2 AD转换模块264.2.3液晶显示模块274.2.4声光报警模块284.3本章小结28第五章 结论与展望295.1主要结论295.2展望29参考文献30附 录31附录一 原理电路图31附录二 程序清单32附录三 外文翻译50外文资料50致 谢65兰州理工大学嵌入式课程设计（论文）第一章 绪 论1.1
9、课题的目的及意义1.1.1室内空气品质(IAQ)的重要性随着科学技术、生产条件、生活水平的改善和提高，建筑结构的封闭化室内办公人员的增加，Indoor Air Quality（IAQ）室内空气品质的研究吸引了越来越多人的关注。美国科学家在80年代末的一项调查中发现，室内有害污染物浓度比室外高，有的甚至高达100倍。我国有关部门在1994年的一次调查中也发现，城市室内空气的污染程度比室外严重，有的超过室外56倍。据估计，人的一生平均90%的时间在室内度过，室内作为现代人类最主要的活动场所之一，其环境品质与人类健康息息相关。由此造成的病态建筑综合症（SBSSick Building Syndrom
10、e）：现代都市病，包括头痛、恶心 疲乏、失眠、记忆力衰退 皮肤、粘膜有刺激感（眼红、流泪、咽干） 呼吸紊乱等也越来越突出。IAQ在健康方面的影响：美国环保署(EPA)调查表明:在美国，IAQ问题是有关全民健康的首要问题之一，受其影响的美国人口多达3000万，造成的经济损失超过了400亿美元/年，这些数字令人触目惊心1；加拿大卫生组织调查表明：68%的疾病与室内环境污染有关，其中80%90%的癌症与居住环境和生活习惯有关;英国科学家汉密尔顿测验了220名英国人血液中60种化学元素的平均含量，发现其与地壳中这些元素的含量分布相当;湖南省相关部门对空气污染区及清洁区9-10岁儿童为调查对象，研究空气
11、污染对儿童免疫力的影响，结果显示:污染区儿童的免疫能力仅为清洁区儿童免疫能力的1/3;据统计，我国每年有11万人因IAQ不好而导致死亡; 从我国“室内环境监测中心”对IAQ监测力度越来越大的趋势也可以看出，此问题在我国也是越来越严重。IAQ在工作效率及社会经济方面的影响：美国“职业安全及健康管理局”估计因室内环境质量恶劣而导致每个员工每天损失14-15分钟的工作时间，不仅损失了生产力，使成本上升，而且也导致医疗费用的增多影响整个社会的经济利益;美国的另一项调查得知由于IAQ恶劣而导致总经济成本的损失每年高达47-54亿美元(没有包括对建筑材料及各种器材的损失);香港环保署的首份IAQ调查表明香
12、港办公室和公共场所的IAQ不佳，造成医疗费、生产力和机电费的损失每年高达176亿元23。鉴于此，人们认识到解决IAQ问题的重要性与迫切性，同时IAQ问题已经成为建筑环境、医药卫生、智能监测、自动控制等研究领域所关心的问题。1.1.2课题研究目的及意义 目前由于建筑材料品质不一、劣质燃料、抽烟、通风不良等原因，室内的空气状况往往不如室外，尽管大量的空调系统被应用到室内空间，但往往为了节能，减少自然通风了而利用回风，使IAQ进一步恶化，同时出现的舒适性空调仅着眼于热舒适，忽视了空气净化，从而导致了一些负面作用: SBS(Sick Building Syndrom)建筑物综合症、BRI(Buildi
13、ng Rolated Illiness)建筑物关联症和MCS(Multiple Chemical Sensitivity)化学物资过敏症等4。随着人们对IAQ认识程度的加深，以及健康保健知识的发展，人们不仅希望知道是什么污染物在作怪，更希望知道污染的浓度水平如何?这种浓度会对健康造成什么短期和长期危害?对存在的污染应该如何控制治理? 在这种情况下，设计开发一套空气质量监测仪表是有现实意义的。目前，对于室内环境监测具仪表已经有很多种，虽然此类仪表成本不是很高，监测速度较快，但是绝大数产品只是用来监测，不具备自动控制调节室内空气质量的能力。实际上，单纯的监测不能提供经济可行的空气质量调节措施，因此
14、只有以控制作为监测的后备支持，监测工作才可以更深入持久地开展下去，才能达到监测和控制的有机结合，尽快为人们创造良好的室内环境。因此，本文基于量化监测，提出“室内便携式智能空气品质监测仪”系统，此系统旨在实现室内空气温度、湿度、有害气体的预警监测及自适应智能调节，利用MCU进行数据采集保证了前台数据的及时、准确，有利于进行全方位的评价，为人类营造一个健康的室内生存空间。1.2国内外的研究状况气体传感器测定甲醛成为近年来甲醛检测研究的新热点。早在1983年，压电类甲醛传感器就已问世。这种传感器可以不需要对样品进行任何处理就可以测定，但易受水分子的影响而使晶体震动频率发生漂移，故基本无实用性。为适应
15、室内空气甲醛现场快速检测的要求，目前已开发出不少甲醛快速测定仪，这些仪器可直接在现场测定甲醛浓度，操作方便，适用于室内和公共场所空气中甲醛浓度的现场测定，也适用于环境测试舱法测定木质板材中的甲醛释放量。但这些仪器的工作原理、响应性能、适应范围等都不同。在测试甲醛、苯等害气体方面，国外比较出名的有:美国ESC公司生产的Z一300甲醛检测仪、英国PPM公司生产的PPM-400甲醛检测仪;国内的有:江苏安普电子工程有限公司生产的400型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪抑一308等5。这些仪器可实现对有害气体的检测功能，适用于专业检测机构或实验研究机构。准确测定甲醛、苯、氨等有害气
16、体的设备昂贵(如英国PPM公司生产的PPM400甲醛仪约两万多元)，测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定，需要专业人员进行操作，很难连续测定6；目前国内外产品的设计差异主要集中在监测传感器和控制单片机芯片的选用，操作方面国外的产品操作界面方便，功能加完备7。1.3本文的主要研究内容及总体方案设计1.3.1本文的主要研究内容本课题主要集中在IAQ的监测、显示、报警三个方面。本文内容安排如下:第一章:室内空气品质监测课题的提出及意义，介绍国内外的研究状况及确定总体方案。第二章:监测系统的具体方案的选择 (1)确定监测对象:选择有代表性的监测对象是进行下一步研究的关键;(2)布置采样点:根据选
17、用的传感器的特点，及待测指标的精度要求布置传感器;(3)数据的显示及报警控制系统。第三章与第四章:室内空气品质监测仪的各个硬件模块的设计，介绍在室内空气品质实验装置基础上设计的具有实际应用价值的室内空气品质监控系统的硬件与软件组成。第五章:整个系统的仿真调试。第六章:总结本文研究工作以及在研究方面存在的不足，提出了进一步研究的展望。1.3.2总体方案设计 本设计集甲醛，苯，氨气以及温湿度监测，显示与报警于一体，利用MCU进行数据采集保证了前台数据的及时、准确，有利于进行全方位的评价。仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。图1.1
18、 系统结构框图第二章 室内空气品质基本介绍2.1室内空气品质及认识2.1.1室内空气研究的背景随着城市人们生活水平的不断提高，各类装饰装修材料、家具和日用化妆品大量进入室内，使室内污染物的来源和种类日益增多，造成室内空气污染程度在室外空气污染的基础上更加重了一层。为了节约能源现代建筑物的密闭性增加，新风量不足，加上建筑的密闭性越来越好，使用的人工合成材料越来越多，使得室内污染物不能及时排除室外，在室内存储、蓄积，造成室内空气恶化。人们在人工环境中所处的时间越来越长，结果引发了各种与室内环境相关的病症。所谓“凶宅”、“鬼屋”或“风水不好”的房屋，不少是积累了大量有毒有害物质的缘故8。 在20世纪
19、70年代末期，认为IAQ代表一系列污染物浓度的指标，采用通风换气等手段稀释污染物浓度，使危害降低;近几年研究表明，IAQ还包含其它因素，如空气温度、湿度、及气流速度等，同时注意到IAQ是一个变量，涉及到设计、施工、和运行管理等多专业、多学科。污染源控制属于起点控制，而通风换气控制属于终点控制，每种单一的控制都不能解决目前的IAQ问题，因此IAQ成为现代建筑科学、医学卫生、建筑环境工程、建筑设计等诸方面的研究课题9。2.1.2室内污染物种类及来源分析室内的污染源大致有五类如表2.1所示:表2.1 室内五大污染源种类举例颗粒物可吸入颗粒物化学污染物甲醛、苯、甲苯、氨气、二氧化硫等生物污染物生物过敏
20、源（猫狗等）、细菌和病毒放射性污染氡气及其衰变子体、地板等释放的射线物理污染噪音、照明不足或过亮、温湿度过高或过低所引起的相关问题 室内污染物的来源主要有如表2.2所示的四种来源：表2.2室内污染物主要来源来源举例建筑材料形成石棉、氡、氨等污染物装饰材料产生化学类污染物人的活动杀虫剂，清新剂，吸烟，饲养宠物等室外污染物汽车尾气，工厂废气，烟雾等虽然影响IAQ的原因多，但绝大多数由室内环境自身原因造成的，随室内容积、通风量、自然清除等而不同。IAQ对健康的影响有以下的特性:(1)影响范围大，几乎涉及所有人群；(2)接触时间长；(3)污染物浓度低，短期内反应不明显;(4)污染物种类多;(5)浓度值
21、与健康的关系不明显10。2.1.3室内空气品质的几点认识(1)对“室内空气品质问题”的认识与评价方法、对策措施、解决途径与以往的“室内污染”完全不同，如果不跳出“室内污染”的老框框，难以使室内空气品质问题有新进展。(2)由于IAQ问题是由多因子、多途径诱发的，应将IAQ看成一个变量，是设计、施工、维护管理和运行状态综合形成的一个结果，如果单纯强调建筑装修材料污染控制(起点控制)或仅依赖通风空调(终点控制)是不可能解决IAQ问题，只有从设计、施工维护以及运行管理“全过程控制”才可能真正改善室内空气品质。目前迫切需要多学科协同研究，做一些综合性的大课题。(3)我国己经建立了有关IAQ方面的标准，应
22、用于新修订的节能暖通规范条文中，但较为笼统，难以解决具体工程问题，建议全国学会应象美国ASHRAE学会一样，单独建立室内空气品质评估。2.2室内空气品质的监测方法及改善空气品质的方法2.2.1室内空气品质监测方法(1)化学分析方法主要采用空气取样，通过一定的化学反应方法，测定待测的污染物浓度。 (2)传感器监测方法选择适当类型的传感器可直接读取待测物的浓度。传感器按原理分为:电阻型传感器、电感型传感器、电容型传感器、DNA生物传感器、电化学传感器。2.2.2改善空气品质方法(1)开窗通风换气开窗通风可以始终保持室内具有良好的空气品质,是改善住宅室内空气品质的关键。Sundell教授对瑞典160
23、幢建筑进行研究,发现新风量越大,发生建筑病综合症的风险就越小。即使在较寒冷的冬季,也最好能开一些窗户,使室外的新鲜空气能进入室内。(2)合理使用空调包括三方面的内容:一是合理控制室内的温度湿度。室内外的温差不宜太大,夏季一般温差维持在67比较合适,有利于人体进行自我调节;冬天,空气较干燥,最好能配备加湿设备,使空气保持湿润。二是现在住宅多使用分体式空调,空气基本上在室内循环,因此, 最好能适当开一点窗引进些新鲜空气。三是对过滤器要经常进行清洗,既可保证盘管的风量,又能及时清除过滤器上的脏物。(3)选用一些室内空气处理设备配合空调一起使用如去湿机、加湿机、过滤器、负离子发生器等。去湿机、加湿机能
24、保持室内适当的湿度。活性碳高效过滤器,能有效过滤室内的CO2、CO、VOC、颗粒物等污染物,保持室内具有较好的空气品质。负离子对人体的健康有益。(4)辩证地看待现有空调器的一些附加功能所谓空调器的附加功能,如负离子发生器、冷触媒、高效过滤等功能,对改善室内空气品质有一定的作用,但所起的作用很有限,不能完全依赖。更何况某些附加功能随着时间的推移,效果会越来越差,有的甚至不起作用,因此,开窗通风换气还是改善室内空气品的重要手段。(5)合理选择装修材料及装修方式尽量选择释放VOC较少的装修材料、胶水、涂料、油漆等,并在装修好后,开窗换气, 等室内VOC降低至较低程度后再入住。提倡接近自然的装修方式,
25、尽量少用各种化学及人工材料，尽量不要过度装修。购置新家具后也应开窗换气,向外散发家具中释放的VOC等。除此之外，居住者应在排气、通风、种植植物、不在室内抽烟、不使用喷雾剂和杀虫剂,以及经常清洁地毯、环境等方面，注意保护和造就良好的室内空气品质11。2.3室内空气品质测试指标的选定室内污染物种类繁多，不可能逐一测量，研究的思路是用一个典型的污染物来代表一类污染物，这种污染物称为评价指标。此外，室内空气品质是一个综合性的指标，要考虑多方面的因子，借鉴目前国内外常用的IAQ监测指标，本课题的监测指标订为温度，湿度，甲醛，苯，氨气五个参量。各指标标准见表2.3：表2.23 室内空气监测指标限度检测指标
26、单位 浓度 备注温度 1828 平均相对湿度 100% 30%70%甲醛（HCHO） Mg/m3 0.08苯（C6H6） Mg/m3 0.09氨气（NH3） Mg/m3 0.2甲醛，苯和氨气是室内空气中常见的三种毒气： (1)甲醛(HCHO)是一种无色易溶的刺激性气体，沸点190C，易挥发，所以在室内空气品质研究中，将其归为VOC，即挥发性有机化合(Volatile Organic ompounds)。甲醛具有强烈刺激性气味，其毒性主要表现在神经系统及呼吸系统症状。当室内甲醛含量为0.1 mg/m3时就有异味和不适感，0.5mg/m3可刺激眼睛引起流泪，0.6mg/m3时引起咽喉不适或疼痛;浓
27、度再高可引起恶心、呕吐、咳嗽、胸闷、气喘甚至肺气肿;当空气中达到30 mg/m3时可当即导致死亡。甲醛是室内挥发性有机物中最主要污染源，其广泛存在于室内装修材料如壁纸、地板、油漆、胶水等。我国于1996年颁布了居室空气中甲醛的卫生标准，明确规定居室空气中甲醛的最高允许浓度为0.6ppm即0.08mg/m3(2)苯(C6H6)是一种无色具有特殊芳香气味的液体，沸点为80C。目前室内装饰中多用甲苯、二甲苯代替纯苯作各种胶、油漆、涂料和防水材料的溶剂或稀释剂。苯具有易挥发、易燃、蒸气有爆炸性的特点。人在短时间内吸入高浓度甲苯、二甲苯时，可出现中枢神经系统麻醉作用，轻者有头晕、头痛、恶心、意识模糊，严
28、重者可致昏迷以致呼吸衰竭而死亡。苯及其同系衍生物主要来自各种建筑材料，油漆、胶和防水涂料。目前我国对苯及苯系衍生物的室内空气浓度尚没有标准，一般认为苯含量低于1ppm，甲苯含量低于2.7ppm，二甲苯含量低于2.3ppm，乙苯含量低于2ppm即可认为其对人体无害,即0.09mg/m3。(3)氨(NH3)是一种无色而具有强烈刺激性臭味的气体，比空气轻(比重0.5)，当浓度高于5.3ppm时可以被健康成年人感觉到。氨是一种碱性物质，它对接触的皮肤组织有腐蚀和刺激作用。室内空气中的氨主要来自建筑施工中使用的混凝土添加剂，这些含大量氨类物质的添加剂在墙体中随着温度等环境因素的变化而还原成氨气，从墙体中
29、缓慢释放出来。另外，氨也可来自室内装饰材料。目前主要使用国家卫生部门1995年制定的公共场所卫生标准中的理发店、美容店卫生标准，因为理发店操作中经常使用氨水，所以国家规定每立方米空气中氨气不得超过0.2毫克12。第三章 室内空气品质监测仪的硬件设计3.1室内空气品质监测仪系统简介基于AT89S52的室内便携式智能空气品质监测仪是以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景，能够实现对室内温度，湿度，甲醛，苯和氨的实时采集处理、显示、报警等功能。仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。同时设计了声光报警系统，实现在参数超标时及时的报警。
30、室内智能空气品质监测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量。3.1.1系统硬件结构及原理本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以ATMEL工公司的一款8位超低功耗单片机AT89S52为控制核心，系统结构如图3.1所示。室内空气中有害气体甲醛、苯、氨分别通过传感器组中的传感器1、传感器2、传感器3输出一个与甲醛、苯、氨浓度相对应的电流信号,该信号经过放大滤波后通过多路转换器分时间段进行采样保持,最后经过A/D转换电路按一定得采样频率将模拟信号转换为数字信号送入单片机进行数据采集以便进行显示处理，温湿传感器直接与单片机相连。单片机对采样值进行数
31、字处理后驱动液晶显示器分别显示出被测室内空气中的甲醛、苯、氨的浓度值及温湿度。若被测室内空气中甲醛、苯、氨的浓度某种有超过国家标准或设定的危险值时报警电路对应的发出声光报警信号。图3.1系统结构图3.1.2 AT89S52单片机简介 随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。根据上述几方面及本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑:一是要有较强的抗干扰能力。由于一般室内电子电器产品比较多，这对单片机的干扰较大，
32、所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。二是要有较高的性价比。由于MCS-51系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是ATMEL公司2003年推出的新一代89S系列单片机，故本文采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为本系统控制单元的核心部件。AT89S52单片机是AT89S系列单片机中的一种，图3.2是一般常用的双列直插式，它是在现己广泛应用于工业控制等各领域的AT89C52系列单片机的换代产品。因此它具有89C52的全部功能： AT89S52新增加的功能由特殊功能寄存器完成。 图3.2 AT89S52芯片AT89S52单片机有以下特点：兼容MCS51微控制
33、器；8K字节FLASH存贮器支持在系统编程ISP1000次擦写周期；256字节片内RAM；工作电压4.0V到5.5V；全静态时钟0Hz到33MHz；三级程序加密；32个可编程I/O口；3个16位定时/计数器；8个中断源；完全的双工UART串行口；低功耗支持Idle和Power-down模式；Power-down模式支持中断唤醒；看门狗定时器；双数据指针；上电复位标志此外，AT89S52和AT89C系列单片机相比新增加了许多功能，这将使单片机在工作过程中具备更高的稳定性和电磁抗干扰性。首先，AT89S52支持ISP在线编程，这使生产及维护更为方便。其次，AT89S52内部增加了片内看门狗定时器，
34、这将有利于坚固用户应用系统，提高系统可靠性。最后，AT89S52运行速度更高，最高晶振可达到33MHZ。正因为AT89S52单片机增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免因外部芯片扩展过多或传感器输入信号过多而引起的信号失真、电磁干扰等现象的发生。因此，用它作为室内空气品质监测控制完全可以满足实时监测、报警等要求。而且，从经济性的角度来看，AT89S52不但硬件结构简单，而且价格低、功能好、性价比高，符合我国工业设计制造的要求1314。3.1.3 AT89S52单片机与其扩展设计中采用AT89S52单片机作为本系统控制单元的核心部件并采用8255A用作并行接口。硬件连接图如图3.3所示，其中8
35、9S52的P0口做扩展用，P1口做通道选择，P2口控制LCD1602显示。8255A的PA作输出口控制灯的亮灭，PB口做输入接收AD转换后的数字量，PC口做输入循环扫描按键是否按下。图3.3 8255A与AT89S52的硬件连接图3.2传感器的选用3.2.1气体传感器 1气体传感器基础知识按照气敏特性来分，气体传感器主要分为：半导体型、电化学型、固体电解质型、接触燃烧型、光化学型等气体传感器，又以前两种最为普遍。 (1)半导体型气体传感器的优缺点半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差
36、、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。(2)半导体传感器需要加热的原因半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器可以加速氧化过程，这也是为什么有些低端传感器总是不稳定，其原因就是没有加热或加热电压过低导致温度太低反应不充分。(3)电化学气体传感器的工作原理电化学气体传感器是通过监测电流来监测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以监测许多有毒气体和氧气，后者还能监测血液中的氧浓度。电化学传感器的
37、主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性。不足之处是有寿命的限制一般为两年。(4)半导体传感器和电化学传感器的区别半导体传感器因其简单低价已经得到广泛应用，但是又因为它的选择性差和稳定性不理想目前还只是在民用级别使用。而电化学传感器因其良好的选择性和高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合。(5)固态电解质气体传感器顾名思义，固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。它介于半导体和电化学之间。选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长。(6)接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体。又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是
38、气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。(7)光学式气体传感器光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主。由于不同气体对红外波吸收程度不同，通过测量红外吸收波长来监测气体。目前因为它的结构关系一般造价颇高15。基于本文的实时要求和性价比等方面的原因，本系统选用电化学传感器中的定电位电解式气体传感器。2.定电位电解式气体传感器传感器元件是准确监测甲醛、苯、氨气气体浓度的关键。在有毒有害气体监测技术中,由于定电位电解传感器具有准确快速、简洁直观的特点,在国
39、外得到比较普遍的应用，运用定电位电解传感器进行气体监测在国内已经开始普及。定电位电解气体传感器通常是由浸没在液体电解液中的三个电极构成,其结构图如图3.4所示。图3.4定电位电解式气体传感器结构图定电位电解式传感器是一种湿式电化学气体传感器,它通过测定气体在某个确定电位电解时所产生的电流来测量气体浓度。传感器共有三个电极(对电极、参比电极、工作电极),浸在液体电解液中,整体密封在一个防化学腐蚀的塑料壳体中,目标气体通过工作电极邻近的一个气体可渗透薄膜向传感器内部扩散。传感器的工作过程为:被测气体由进气孔扩散到工作电极表面,在工作电极、电解液、对电极之间进行氧化或还原反应。其反应的性质依据工作电
40、极的热力学电位和被分析气体的电化学性质而定。传感器在氧化反应中,电化学反应中参加反应的电子流出工作电极;在还原反应中,电化学反应中参加反应的电子流向工作电极。流出和流向工作电极的电流与被分析气体的浓度值成正比。对电极材料的选择原则是:该材料应对目标气体具有最优敏感性,而交叉敏感度则应降至最低。在对电极和工作电极之间的电压要预先调整好,并由一个外部电压电路保持,其中参比电极作为电路的反馈控制。相对于选择性而言,由于每一种目标气体都有其各自独特的电解电压,因而传感器的响应可以得到进一步优化。传感器的输出是一个正比于气体浓度的线性电流差。最后与前置放大器匹配使用转换为模数转换的标准电压信号16。本课
41、题选用德国Drger公司生产的miniPac系列定电位电解式传感器，该系列传感器被广泛应用于轻便型报警器和监测器、移动式的监测仪、远程控制的监测仪，单元与多元组合式智能化的监测器、固定式与壁挂式监测仪及精密型智能化的监测系统等等。MiniPac系列定电位电解式气体传感器简单内部原理如图3.5所示，其典型接法如图3.6所示。图3.5miniPac系列传感器内部简单结构原理图图3.6定电位电解式气体传感器接口定电位电解式传感器基本性能：定电位电解传感器的基本性能,亦即传感器的基本考核指标,它显示了传感器的质量和性能,但其大多数性能指标要与前置放大器经过较好的匹配才能体现出来。在使用中要对传感器进行
42、考核的基本指标有如下几种:输出信号、电极电位、响应时间、响应线性度、测量重复性、抗干扰性、传感器期待寿命等。(1)输出信号定电位电解传感器的输出信号指标非常重要,它不仅为前置放大器的设计提供了基本参数,而且为今后核实传感器的使用寿命提供了标准。一般的输出标准为0.5A/ppm，但不同公司生产的传感器输出信号是不同的,同一公司生产的不同传感器其输出信号也不一定相同，故要根据不同的输出标准来分析。传感器的输出信号随使用时间的增加而降低,一般来说当其输出信号降至标称值的50%时,这支传感器就不能再使用了。图3.7为定电位电解式传感器输出信号与对应气体浓度的典型曲线，可见其线性度是比较好的。(2)电极
43、电位定电位电解传感器的电极电位决定了传感器分析被分析气体的种类、传感器对各种气体交叉反应的大小以及传感器抗交叉反应的能力。不同公司生产的传感器给出的电极电位方式也不一样，一般为mv级，通常取0mv。图3.7气体浓度与输出信号对应曲线 图3.8定电位电解式传感器时间响应曲线 (3)响应时间该指标是指从传感器接受到被分析气体起计到达到响应值的90%,亦即t90所需的时间。一般传感器指标给出的指扩散式的响应时间,如60秒等。经过良好的气路、电路设计,该指标可以达到20秒左右。定电位电解式气体传感器的典型响应时间曲线如图3.8所示。 (4)响应线性度与测量重复性这两项指标与响应时间一起是考核传感器与仪
44、器优良与否的重要因素。在与稳定的流量、无吸附特性的气路、设计合理的前置放大器达到最佳匹配后,响应时间、线性度和测量重复性都等达到很好的效果。(5)抗干扰性由结构和原理所决定,定电位电解传感器是存在交叉反应的,合理的电极电位可以使其减小到最低程度,这是主动的方法。另外,不同公司在生产的传感器上安装了过滤膜,或针对不同的传感器设计了不同的过滤器,这是被动的方法。之所以说被动,是因为无论过滤膜还是过滤器,经过一段时间或长时间使用后,毕竟会因为饱和而失效。当然最主动的方法是利用传感器矩阵或计算机软件来减小交叉反应,提高抗干扰性。(6)传感器使用寿命象所有的电化学传感器一样,定电位电解传感器的输出信号随
45、着时间的推移也会逐渐衰降或“老化”,这一现象是多种因素的结合造成的。一般生产厂家给出的指标是2年,这是一个比较保守的指标。传感器的使用寿命与使用时的气体浓度成反比17。3.2.2温湿传感器温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量18。本课题选用瑞士Sensirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片SHT11。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。SHT11具有以下特点：1.高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；2.提供二线数字串行接口SCK和DATA，
46、接口简单，支持CRC传输校验传输可靠性高；3.测量精度可编程调节，内置A/D转换器(分辨率为812位，可以通过对芯片内部寄存器编程来选择)；4.测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；5.封装尺寸超小(762 mm508 mm25 mm)，测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；6.高可靠性，采用CMOSens工艺，测量时可将感测头完全浸于水中19。SHT11的引脚功能：SHT11温湿度传感器采用SMD(LCC)表面贴片封装形式，接口非常简单，引脚名称及排列顺序如图3.9所示。 图3.9 SHT11管脚图引脚的功能如下：脚1和4：信号地和电源，工作电压范围是2.45.5 V；脚2和3：二线串行数字接口，DATA数据线，SCK为时钟线；脚58：未连接。SHT11的内部结构和工作原理：温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、
