低功耗、便携式室内空气质量检测系统设计 |
低功耗、便携式室内空气质量检测系统设计
居室、办公室、宾馆、饭店、商场等场所使用的装潢材料中含有大量的有害化学成分如：甲醛等有害气体(gases)常引发眼睛和喉咙疼痛、皮炎等一系列健康问题，习惯称之为“装潢病”，在导致“装潢病”的诸多物质中甲醛可算是罪魁祸首。且甲醛是一种潜在的致癌物质，对人体健康有较大的危害。专业机构（organization)测量甲醛等有害气体价格昂贵，而且在时间方面受到限制。现代家庭使用的天然气、液化气可能发生泄漏引起爆炸。因此，设计一种低功耗、便携式室内空气质量检测系统具有广泛的应用价值。
1 系统组成及工作原理
该检测系统由MSP430F5529单片机为核心，由传感器、A/D转化模块和液晶显示模块组合而成。通过MQ138甲醛检测传感器检测室内空气中甲醛浓度，通过ms2200CO检测传感器检测一氧化碳气体，通过空气质量传感器 MQ135传感器检测室内空气中其他有害气体和可燃气体，AM2301(永久重定向)温湿度传感器对现场温湿度进行实时监测，采用MSP430单片机自带的AD转换器对传感器采集的信号进行模数转换，利用段式液晶显示屏显示检测结果。系统结构如图1所示：
2 硬件电路设计
2.1 主控芯片MSP430F5529功能介绍。泰州甲醛检测是指通过特定的方法或仪器，对空气、水、食品、衣物、板材、皮革等含有的甲醛做定量检测。白挺或免烫的衣物，尤其是有些牛仔裤、标榜100%防皱防缩的衣裤或全棉免烫衬衫使用乙二醛树脂定型，都含有甲醛成分。MSP430F5529是一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。寻址方式丰富，运行速度快，高达25MHz。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs；并且体积小，电压低，功耗低，适用于需要电池供电的便携式仪器中。此外，内置的A/D转换器的分辨率达到了12位，提高了转换精度，使测量更加准确，内置A/D转换器进一步降低了功耗。
2.2 MQ138甲醛检测传感器。MQ138传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体，当在空气中加热到一定温度时，发生氧化反应(reaction)，氧原子吸附电子变成氧负离子(ion)，浓度升高。遇到还原气体时氧负离子因发生还原反应导致其表面浓度降低。MQ138传感器模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)信号和电平信号同时输出，模拟量输出随浓度增加而增加，浓度越高电压越高。用于家庭、环境(environment)的挥发物探测装置，适宜于醛、醇、酮、芳族化合物的探测，气敏感元件测试浓度范围：苯 1 to 100pp
M、甲基苯(methylbenzene)10 to 100pp
M、甲醛 1 to 10ppm。MQ138甲醛检测传感器测量原理图如图2所示。
2.3 MQ135空气质量检测传感器。MQ135空气质量检测传感器用于家庭、环境的有害气体探测装置，适宜于氨气、芳族化合物(compound)、硫化物、苯系蒸汽、烟雾等气体有害气体的探测；气体敏感元件测试浓度范围：10 to1000ppm；对硫化物、苯系蒸汽、烟雾等有害气体具有很高的灵敏度；具有长期的使用(use)寿命和可靠的稳定性。MQ135空气质量检测传感器测量原理图如图3所示。
2.4 ms2200CO检测传感器。ms2200CO检测传感器用于检测一氧化碳气体，工作(job)在-10至60摄氏度，检测浓度范围：0-1000ppm（CO气体）；对一氧化碳、烟、HC挥发气体有高灵敏度，可用于该类气体定性检测；具有使用寿命长和稳定性(The stability of)可靠等特点。ms2200CO检测传感器测量(cè liáng)原理图如图4所示。
2.5 AM2301温湿度传感器。AM2301传感器又叫DHT21传感器，是一款含有已校准数字信号输出的复合式温湿度传感器。该传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC感温元件，并与高性能单片机相连。
2.6 报警系统。为了使本系统对室内空气品质的监测更为直观，采用了由显示屏和一个蜂鸣器构成的声光报警电路。其中对应每一种有毒气体都有一红一绿两个发光二极管与其对应，正常情况下对应绿色的发光二极管亮，蜂鸣器不响；当气体的浓度(concentration)超标时，对应红色的发光二极管亮，并启动蜂鸣器。
2.7 AD转换电路。气体传感器出来的信号是模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)信号，而微处理(processing)器MSP430F5529只能处理数字信号，故需要对模拟信号信号进行转换，将其转换为处理器能识别的数字信号，由于经过放大电路出来的模拟电压变化范围在0～3V，故采用MSP430F5529单片机自带AD进行模数转换。
MSP430F5529对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0-3V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路(Electric circuit)。泰州环境检测中心环境保护日益被重视起来，随之环境监测市场不断扩大， 传统的环境监测站已经不能完全满足社会的环境监测需求，国家逐步开放了环境监测领域渠道，对于专业从事环境监测，具备CMA 环境检测资质的社会化环境检测机构，作为第三方检测的有生力量，已成为社会委托性质的环境监测的首选。ADC0809的时序接口为51系列单片机的标准总线接口，操作方便，如同对存储器或I/O操作一样，A/D转换精度为8比特，满足本课题要求。输入的模拟电压为0～3V，一次A/D转换时间为100μS。
2.8 超低功耗。MSP430F5529继承了MSP430单片机超低功耗的特点，可以软件配置6种超低功耗模式，其处理功耗（1.8～3.6V，0.1A/Power-down，0.8?A/Standby，250?A/MIPS）和口线输入漏电流（最大50mA）在业界都是最低的。可以满足本系统对超低功耗的要求，实现电池供电。
2.9 液晶显示模块。本系统所要显示的数据一共有5个，分别是两种有毒气体的浓度(concentration)和室内的温度、湿度，显示模块采用单片机自带的段式显示屏。这种LCD是102x64矩阵LCD，带背光，驱动简单，适用于耗电量小为便携式应用(application)的场合。
3 软件电路分析 系统软件流程图如图5所示。
4 系统实验方案
4.1 温湿度检测模块设计实验方案。选择AM2301模块进行温湿度传感器对现场温湿度进行实时监测，将测得数据与标准温湿度表进行比较，修正室内空气检测系统测量准确度。
4.2 有毒气体检测模块设计实验方案。有害气体检测模块与MSP430单片机连接，利用单片机内置的A/D转换器将气体检测传感器模块输出的气体浓度信息转换为数字信号，并在显示屏上显示出来，将显示出来的值与标准有害气体浓度相比较，修正室内空气质量检测系统测量准确度。
5 结束语
检测室内甲醛气体浓度和可燃气体（甲烷、丙烷等）；还可检测室内温度、湿度；可实时显示甲醛浓度读数、温度、湿度读数。泰州甲醛检测是指通过特定的方法或仪器，对空气、水、食品、衣物、板材、皮革等含有的甲醛做定量检测。白挺或免烫的衣物，尤其是有些牛仔裤、标榜100%防皱防缩的衣裤或全棉免烫衬衫使用乙二醛树脂定型，都含有甲醛成分。体积小，重量轻，携带方便；采用电池供电，系统(system)功耗低，价格低；适合家庭使用的空气质量检测系统。
室内空气检测
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