基于傳感器原理的家庭環境測量儀

摘 要：本項目把測量儀器和家居產品聯系在一起，使普通人家也能很好的了解自己家庭的環境狀況.項目的測量重點是常規的溫度濕度還有家庭裝修的污染氣體甲醛和苯，通過傳感器的信號轉化和液晶屏的漢化顯示，結合人性化的外觀設計，使產品不僅具有實用性還具有觀賞性。

關鍵詞：工業化 家庭裝修 測量 家庭

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2011）12（c）-0000-00

1 選題背景

隨著哥本哈根會議的召開，環境問題越來越受到人們的重視。在物質生活愈加豐富的今日，環境的舒適度將是人們更大程度上追求的目標。而工程環境測量儀日新月異地發展，家用測量儀的研究開發領域卻仍處于相對薄弱狀態中。

大多數人在并不知道自己居住的環境狀況的情況下依然盲目地希望自己居住的環境更加的舒適。科學普及程度不算很高的今天，即使人們看到空氣質量檢測表，也不能很明確地知道自己的家居情況，更不能察覺細小的環境污染在蠶食著我們的健康。再加上專業的測量公司不可能隨時隨地為人們提供數據，而家用環境測量儀就可以提供這樣的便利。把家用測量儀設計成裝飾品的形式，賦予美麗的外觀和機械構造，在滿足對測量和控制的基本需求的同時，也符合人們美學上的享受。

2 控制標準的設定

2.1溫度和濕度對人體的影響

一般來說，人體在室內感覺最舒適的溫度是15—18℃為宜，如果室內空氣不流通或者相對濕度小于35％，且室內氣溫超過25℃以上時，人體就開始從外界吸收熱量，就會有熱的感覺。若氣溫超過35℃，這時人體的汗腺開始啟動，通過微微涔汗散發積蓄體溫，心跳加快，血液循環加速，就會感到頭昏腦脹，全身不適和疲勞，有昏昏欲睡的感覺，而且酷熱難熬。相反，當氣溫低于4℃以下，會感到寒冷。當室溫在8—18℃時，人體就會向外界散熱，加上室內微風吹拂流通，室內相對濕度在40％—60％之間， 會感到身體舒適健康。濕度對人體的影響，在室內舒適溫度范圍內不太明顯。但在28℃、相對濕度達90％時， 就會有氣溫達34℃的感覺。這是因為濕度大時，空氣中的水汽含量高，蒸發量少，人體排泄的大量汗液難以蒸發，體內的熱量無法暢快地散發，因此， 就會感到悶熱。僅僅從相對濕度來講，人體最適宜的空氣相對濕度是40％—50％，因為在這個濕度范圍內空氣中的細菌壽命最短，人體皮膚會感到舒適，呼吸均勻正常。根據氣象專家統計，當相對濕度達30％時，中暑的氣溫是38℃，當相對濕度達80％和氣溫在31℃，體質較弱的人有時也會引起中暑，如果冬天遇到低溫高濕天氣，人們就會感到陰濕寒冷。所以說，掌握室內的溫度和濕度對人的健康很有必要。

2.2甲醛和苯對人體的影響

裝修污染來源廣泛，防不勝防，因從建筑材料中、 家具、 家庭用具等散發出來的有害的揮發性物質污染室內環境，導致身體健康受到危害。椐調查全世界有280萬人直接或者間接死于裝修污染，裝修污染已被列為“危害群眾最大的五種環境”之一。入住新裝修的房間時會出現眼睛酸澀、 脖頸疼痛、 過敏、 咽痛、 頭痛、 頭暈、 嘔吐等癥狀，這都是因裝修后室內所產生的有害氣體所引起的癥狀。

而其中對人體危害最大的就是甲醛和苯了。

甲醛為較高毒性的物質，在我國有毒化學品優先控制名單上高居第二位。已經被世界衛

生組織確定為致癌和致畸形物質，是公認的變態反應源，也是潛在的強致突變物之一。

研究表明：甲醛具有強烈的致癌和促癌作用。大量文獻記載，甲醛中毒對人體健康的影響主要表現在嗅覺異常、刺激、過敏、肺功能異常、肝功能異常和免疫功能異常等方面。

其濃度在每立方米空氣中達到0.06-0.07mg/m3時，兒童就會發生輕微氣喘。當室內空氣中達到0.1mg/m3時，就有異味和不適感；達到0.5mg/m3時，可刺激眼睛，引起流淚；達到0.6 mg/m3，可引起咽喉不適或疼痛。濃度更高時，可引起惡心嘔吐，咳嗽胸悶，氣喘甚至肺水腫；達到30 mg/m3時，會立即致人死亡。

長期接觸低劑量甲醛的危害有：引起慢性呼吸道疾病，引起鼻咽癌、結腸癌、腦瘤、月經紊亂、細胞核的基因突變，DNA單鏈內交連和DNA與蛋白質交連及抑制DNA損傷的修復、妊娠綜合癥、引起新生兒染色體異常、白血病，引起青少年記憶力和智力下降。

在所有接觸者中，兒童和孕婦對甲醛尤為敏感，危害也就更大，是裝修和家具的主要污染物。其釋放期長達3—15年，遇熱遇潮就會從材料深層揮發出來，嚴重污染環境，已成為難以解決的世界性難題，對老人、小孩和孕婦危害最大。

苯于1993年被世界衛生組織（WHO）確定為致癌物。苯是一種易燃而且毒性很高的物質。由于苯的揮發性很強，因此使用苯或含苯材料或家具，可以使大量苯蒸氣散入環境中，通過呼吸被吸入體內。由于苯的溶劑具有脂溶性的特點，可以通過完好無損的皮膚進入人體。濃度很高的苯蒸氣具有麻醉作用，短時間內可使人昏迷、發生急性苯中毒，甚至可導致生命危險。

長期吸入一定高濃度的苯蒸氣，可損害造血系統和神經系統而發生慢性苯中毒。由于初期癥狀不明顯，往往容易被忽視，繼而癥狀逐漸加重，以產生嚴重后果。慢性苯中毒患者主要表現為頭痛、頭暈、疲倦、睡眠不好、食欲不振，白血球（白細胞）減少，若病情進一步加重皮膚可有出血現象，嚴重者可發生再生障礙性貧血或白血病。

吸入4000ppm以上的苯短時間除有黏膜及肺刺激性外，中樞神經亦有抑制作用，同時會伴有頭痛、欲嘔、步態不穩、昏迷、抽痙及心律不整。

吸入14000ppm以上的苯會立即死亡。

2.3測量標準

根據以上所述，我們可以得到結論，如表1所示:

表1：室內空氣環境控制標準

項目溫度相對濕度甲醛含量苯含量

標準15-18oC40％—50％0.07mg/m30.08 mg/m3

3 控制電路研究方法

產品需要實現四個方向的測量及控制：溫度、濕度、可燃性氣體以及甲醛、苯等有害氣體。

通過設計電路、仿真電路、制作電路、測試電路等一系列研發過程后，最終形成了現在的產品。

溫度由溫度傳感器測量，空氣中的濕度由濕度傳感器測量，空氣中的甲醛與苯、可燃氣體空氣含量的含量由氣體傳感器測量，時間按照普通電子表的原理顯示。測量出來的各種數字信號通過信號通道從液晶顯示屏上顯示出來。

3.1采集信號模塊

AD7416內含模數轉換，因此輸出的數據直接是數字信號。HS1101是電容濕度傳感器，通過外搭電路，使其的輸出頻率與最后所需要的濕度成正比。MQ-138在遇到苯或甲醛等有毒氣體在空氣中的含量超過一定數值的時候，阻值會急劇變化；通過外搭電路，使得輸出為5V穩定電壓，通過電壓的變化來觀測有毒氣體的含量。QM-NG1檢測氣體中電阻R與檢測氣體中電壓V的關系：R=RL（VCC/V-1）。由V的輸出，來控制蜂鳴器的音樂聲。

3.2控制系統模塊

MC9S12DG128中，通過程序調節液晶屏。在液晶屏上顯示日期、時間，并控制可調。

AD7416是AD公司推出的10位數字溫度傳感器，其內部包括溫度傳感器和10位模數轉換器，可將感應溫度轉換為0.25 ℃量化間隔的數字信號。AD7416輸入數字信號，通過程序進行轉換，通過和溫度計測量的溫度對比，調節顯示溫度值，在液晶屏上顯示出處理后的溫度值。

HS1101通過外接電路輸入信號，通過分析“頻率——濕度”表（如下表），用程序控制顯示濕度。在濕度不適宜的情況下，可手動調節濕度。也可設置自己喜歡的濕度，通過單片機程序自動控制加濕器加濕。

當MQ-138電路的輸出信號5V變化劇烈時，程序控制使蜂鳴器運作。QM-GN1的V變換來控制報警音樂聲。與刺耳的警鳴聲不同，程序里預存了5首音樂作為報警音樂。

MQ138的外接電路： QM-NG1的外接電路：

。

3.2.1信號輸出模塊

12864ZB帶有中文字庫，在屏幕上方顯示時間、日期，右下角顯示溫度、濕度情況。

3.2.2供電系統：

可使用220V交流供電。

3.2.3用戶控制情況：

一個總開關控制總電源，一個開關控制程序啟動。（原有一個開關控制液晶屏背景光，后來取消。）

一個開關控制加濕器。可以彌補濕度達到系統所設，但是還沒有達到用戶的要求，用戶也可以通過此開關開啟加濕器進行加濕。

4 外形設計與美學探究

外觀設計則是以美化家居為目的。

居家生活，人們關注朝夕所處的室內環境的好壞。室內公共場所，人們擔心健康是否受到無形的威脅。這款產品正是為了滿足人們對室內環境質量的擔憂，使其以指標形式實體化，并加以初步的濕度改善、時間提示、照明設備等。在家中的寫字臺、床頭柜等處可以起到很好的綜合作用，對于小型室內檢測、改善空氣質量、應急照明等需求都可以簡單方便的實現。

產品結構類似于房屋，用紅色作為基本底色，用塑料做出編織狀，可以提高產品的親近感，使之更加容易被人們接受。

5 研究成果

設計說明書，實物產品，使用說明書，規格參數

6 創新點

外觀設計則是以美化家居為目的。

家居環境測量儀不是只有檢測空氣質量的功能，它還起到了美化家庭環境的作用，讓用戶使用時感到身心愉悅。

反饋調節以實用為目的。

項目產品可用于調節空氣質量和報警。

預先將在控制器中用程序實現給各種指標分別指定一個標準值或一連串標準值區間。如果有數據不滿足標準，比如溫度過高或過低、可燃氣體含量過高，系統將自動發出指令打開報警器；濕度過低，則連接加濕器，待濕度滿足條件后，通過反饋系統斷開與加濕器的連接；如甲醛或苯含量過高，則連接空氣凈化器，反饋調節同濕度調節相同。時間現實根據程序指令完成。

可實現集成化生產，貼近大眾需求。

7展望

該產品主要具有以下優點：

集日期、時間、溫度、濕度顯示，手動、自動加濕，照明，環境質量檢測為一體的多功能實用作品。成本低。

采用檢測技術的模塊設置，結合工業設計的外觀。

考慮用戶的使用情況和喜好情況，對開關控制、報警音樂等進行了人性化設置。

通過自動反饋，程序控制，對環境進行改良。

在用戶設定喜歡的濕度值后，當濕度低于該濕度值，則加濕器開始工作。若用戶不設置，則使用的是系統默認限值。

指示燈提示，操作簡單。

研制成功后，進行市場需求調查，進行完善和改進，由于面向用戶分布廣泛，因此進行廣告包裝、宣傳，最后應該可以占領大量市場。

參考文獻

[1] 張朝輝 .《檢測技術與應用》中國計量出版社2005.

[2] 王兆安，劉進軍.《電子電力技術》機械工業出版社2009.