基于单片机的室内多功能检测仪的研究

0 引言：

　　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。现市场也有对室内环境的检测仪器，但存在有体积大、价格贵、功能少等原因，根据市场调查非常需要家居用室内安全、温湿度和室内甲醛的检测。本文设计的是家用集环境污染（甲醛）、安全、温度和湿度为一体的多功能便携式测试仪。

　　城市居民的气体燃料主要是液化石油、煤气和天然气。液化石油气的主要成分是丙烷、煤气的主要成分是CO和H2，天燃气主要成分是甲烷。

　　该设计主要包含两大部分功能，第一，空气质量包括温度、湿度、甲醛的检测。第二，室内安全测量包括CO、甲烷。

1 总体结构设计

　　总体结构图如图1：

图1

　　该仪器以单片机为核心，单片机选用价格便宜的8031，具有对CO浓度、甲烷浓度测量与报警功能;对温湿度和甲醛的含量的测量及显示功能;设有人工自动复位和自动上电复位以及硬件看门狗电路。单片机外接8255A并行接口芯片，8255A接键盘、显示、甲醛测量电路。通过键盘可设定室内甲烷、CO的报警值。温湿度测量采用数字化温湿度传感器LTM-8901，用4位半液晶显示温湿度和甲醛值。CO和甲烷测量电路输出分别接单片机接外中断INT0和外中断INT1，利用中断实现对CO和甲烷的实时监控。另外扩展了数据存储器和紫外线可擦除的EPROM存储器。

2 温湿度模块设计

　　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，可直接接单片机，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。如图1中，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/O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，若选用DS18BO2应使用更快速度的光耦。

3 CO和甲烷测量模块

　　采用半导体气体传感器SB-500测量CO和甲烷，SB-500在高低温周期变化过程中工作时，传感器输出信号受温度影响，高温时感应甲烷气体，低温时感应CO气体，高温0.9V＊5秒，低温0.2V＊15秒，因此工作电压为高电平为0.9V，低电平为0.2V的方波，占空比为1：3，周期20S。该方波通过设置单片机内部定时器T0的参数，由单片机的并行端口输出，再经12V供电的放大电路放大。半导体气体传感器SB-500的输出接单片机的外中断，当CO浓度超标时，被高、低电平加热的SB-500的电阻会降低，经过分压和调整分压电阻达到外中断请求电平向单片机请求中断，通过中断处理程序实现超标报警。由于高、低电平加热SB-500时呈现的电阻不同，采用不同的分压电阻分压以实现中断请求电平，因此需通过单片机控制电子开关自动切换CO和甲烷的测试和报警。如图2：

图2

4.甲醛测量模块设计

　　室内甲醛污染对人身体健康影响较大，标准规定的方法绝大多数是化学分析法，使用的手段是实验室分析仪器，主要有比色计、分光光度计，化学滴定、气相和液相色谱。但这些方法难做到现场实时控制，费力费时，过程复杂，大多数过程是人工操作，成本高，自动化程度低。随着传感器和计算机技术的不断发展，现已有了基于电化学的便携式甲醛测试仪，并且测试测试范围、分辨率、精度、稳定性已接近标准要求，因此该设计可选用基于电化学原理的甲醛传感器，其原理是空气中的甲醛在电极下发生氧化反应，产生的扩散电极电流与空气中的甲醛浓度成正比。通过检测放大电路和放大倍数的调整，经A/D转换后送单片机。由单片机现场自动控制检测并显示甲醛浓度。实际制作时，考虑到甲醛测试成本高，可将甲醛测试做成一个单独模块，仪器端安装外接插头，需要时外接即可。

5 软件设计

　　软件运用模块化设计，采用汇编语言与C语言混合编写，包括主程序和中断程序，有初始化模块、数据采集与处理模块、显示模块、中断模块、系统测试与报警模块。初始化是对外部接口、定时器等部件初始化;数据采集和数据处理模块是完成温湿度和甲醛的测量对其分析处理;显示模块将循环显示温湿度和甲醛含量;中断控制模块完成CO和甲烷的超标报警;系统测试模块是检查系统各模块、温湿度模块等是否正常，出现异常报警的自诊断功能。流程图如下：

图3

6 结论

　　该仪器是适合家庭用的环境测量与安全报警的便携式仪表。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。本文的创新点在于集室内环境与安全报警为一体，并考虑到甲醛的成本较高，将甲醛的测试做成一个独立的模块，仪器设有外接头，需要时外接，或选用市场上的便携式甲醛测试仪配套使用。