室內(nèi)空氣質量監(jiān)測器設計

室內(nèi)空氣質量監(jiān)測器設計 　　摘 要： 隨著人們生活水平的提高，越來越多的人對室內(nèi)環(huán)境狀況提出了更高的要求，室內(nèi)空氣質量問題逐漸成為人們普遍關注的熱點。本設計針對室內(nèi)環(huán)境的技術指標需求，使用傳感器對有害氣體檢測為主要手段，對有害氣體進行數(shù)據(jù)采樣后通過微處理器進行成分和濃度分析，根據(jù)預設值可在本地進行數(shù)據(jù)顯示和聲光報警的同時將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡反饋至微機中。 　　關鍵詞： 空氣質量；LM3S1F16；Cortex-M3 　　0 引言 　　室內(nèi)環(huán)境泛指人們生活、勞動以及其他相對封閉的公共場所等。人的一生大約有80%～90%的時間是在室內(nèi)度過的，因此室內(nèi)空氣質量的好壞對人們的身體健康明顯高于室外環(huán)境?！笆覂?nèi)空氣污染”被認為繼“煤煙型污染”和“光化學煙霧型污染”后的第三污染。人體對室內(nèi)環(huán)境的需求從安全性的角度來說主要指有毒氣體含量不得超標，于是對室內(nèi)空氣污染物的檢測轉變成對室內(nèi)污染物的種類和濃度的檢測。 　　1 系統(tǒng)結構 　　本室內(nèi)空氣質量檢測系統(tǒng)是以室內(nèi)空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測監(jiān)控為背景，對CO，CO2，H2S，O2，氨氣以及甲醛等有毒有害氣體信息實時采集，從人居舒適度角度加之不同的氣體組分和濃度對傳感器自身響應特性易受到溫度，濕度等環(huán)境因素的影響，在系統(tǒng)中包含有對室內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境信息數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理在采用具有Cortex-M3內(nèi)核的ARM芯片LM3S1F16上進行，數(shù)據(jù)處理結果反映在顯示屏上，在測量數(shù)據(jù)超出已設定的標準時，系統(tǒng)同時進行聲光報警。本系統(tǒng)的硬件部分主要由氣體傳感器陣列、信號調(diào)理電路、MCU對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理、顯示模塊、無線通信模塊、報警系統(tǒng)和換氣系統(tǒng)等組成。其主要功能模塊如圖1所示。 　　2 系統(tǒng)硬件設計 　　2.1 微制器選擇 　　目前單片機微處理器種類繁多，且不斷向低成本低功耗反向發(fā)展。Cortex-M3是首款基于ARMv7架構，Thumb-2指令集結合非對齊數(shù)據(jù)存儲和原子位處理等特性，輕易8位16位器件所需的存儲空間就實現(xiàn)了32位性能。 　　LM3S1F16作為使用Cortex-M3為內(nèi)核的其中一款產(chǎn)品，CPU時鐘達到80MHz，其內(nèi)部存儲器包含單周期384KB的FlashROM，48KB的SRAM，ROM中還包含StellarisWare?，內(nèi)含3個UARTs，2個標準和快速I2C，8個具有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標是包含為工業(yè)應用，包括測試、測量設備、工廠自動化、家庭和商業(yè)網(wǎng)站監(jiān)測和控制，游戲設備、運動控制、醫(yī)療儀器、燈光控制、運輸和消防和安全。綜上，選擇LM3S1F16作為本設計中的微控制器。 　　2.2 傳感器陣列設計 　　所設計的空氣質量監(jiān)測器需能識別多種氣體，因此系統(tǒng)中需要包含大量的氣敏傳感器。環(huán)境的溫度和濕度是影響傳感器測量的重要環(huán)境因素，因此系統(tǒng)中引入了溫濕度傳感器對系統(tǒng)測量進行補償，優(yōu)化的傳感器陣列平衡了傳感器間的交叉敏感特性和選擇性，較好的去除冗余和相關，提高了系統(tǒng)的識別能力。 　　日本FIGARO公司生產(chǎn)的TGS系列氣體傳感器屬與采用SnO2薄膜作為敏感材料的MOS傳感器，屬于可變電阻式傳感器。在一定工作溫度下，使用簡單的電路即可將電阻的輸出變換變換為相應氣體的濃度輸出信號。TGS2620對有機氣體、揮發(fā)性氣體和可燃性氣體有較高的靈敏度，可用于CO的檢測。TGS2602是一款探測空氣污染的傳感器，可以探測很低濃度的H2S和氨氣，也可以探測低濃度VOC。 　　TGS4161是基于固態(tài)電解質檢測原理的CO2傳感器，具有低功耗、長壽命的優(yōu)點，在測量范圍內(nèi)具有良好的線性度，并且具有較好的抗?jié)穸刃浴?　　氧氣含量也是衡量室內(nèi)空氣質量的主要指標。英國的Alphasense 　　公司研制氣體傳感器應用廣泛，根據(jù)系統(tǒng)設計需要選用O2-A2氧氣傳感器。其測量范圍0～30%，輸出為80～120μA的電流信號，使用電壓并聯(lián)負反饋對信號進行轉換和放大后送入A/D轉換器。 　　根據(jù)系統(tǒng)需要，選擇了MQ138作為本裝置的甲醛傳感器，其適宜醇類、醛類、芳族和酮類等有機溶劑的探測，具有較高的靈敏度，并且具有壽命長和穩(wěn)定性好等特點。 　　環(huán)境的溫濕度是人體對環(huán)境舒適度的重要需求。不同的溫濕度環(huán)境也會對傳感器的檢測有較大的影響。綜合人體舒適度和傳感器檢測補償?shù)男枰?，本系統(tǒng)中選用了SHT11溫濕度傳感器模塊，其內(nèi)部將溫濕度傳感器、信號放大和調(diào)理電路、A/D、I2C等接口電路集成，輸出分辨率可調(diào)，具有良好的穩(wěn)定性。 　　2.3 射頻芯選擇 　　CC2520是TI公司為ZigBee低功耗無線應用推出的第2代2.4GHz射頻芯片，具有工作電壓范圍最大、接收靈敏最高、休眠電流小、封裝尺寸最小等優(yōu)點，遵循IEEE802.15.4標準。其收發(fā)電流相對CC2420較高，但其休眠電流卻遠低于CC

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