空氣有害氣體監測演示系統

徐智博，孫敬姝，吳春姬，李志有，梁 浩，周洪雷

(吉林大學 物理學院，吉林 長春 130012)

1 引 言

大氣空氣質量好壞關乎每個人，如果空氣質量變差，勢必會對人們的身體健康造成危害[1-2]. 隨著現代各行各業迅猛發展，空氣中一些有害廢氣的排放也日趨嚴重，因此有必要對環境空氣質量進行實時監測，以提前制定應對措施. 目前，影響空氣質量的污染源主要是工廠的廢氣排放[3-4]和汽車尾氣的排放[5-6]等，空氣污染物的主要成分有碳氧化物(如CO)、氮氧化物(如NO，NO2)、硫氧化物(如SO2)和一些微小、可吸入顆粒等[7-8]，因此，監測空氣質量其實質就是對這些有害氣體濃度的監測.

本文研制的環境空氣質量監測演示實驗系統，能幫助人們了解環境空氣質量監測原理及測量方法，還可以小型化，方便人們攜帶并實時監測空氣質量.

2 系統設計

環境空氣質量監測演示系統由測量部分、顯示部分和報警部分組成，其整體結構框圖如圖1所示.

圖1 系統整體結構框圖

2.1 測量部分

測量部分由微處理器、ADC(模數轉換器)和氣體傳感器模塊組成. 各有害氣體的測量采用ZYMQ系列氣體傳感器模塊，此系列傳感器模塊探測濃度體積范圍廣、靈敏度高、響應及恢復時間短、壽命長、穩定可靠且價格低廉，適于演示實驗. 本系統最多可以接入3種傳感器模塊，且支持熱插拔，系統會自動判斷傳感器模塊是否接入，并進行相應顯示. 為了便于演示，本演示實驗選取煙霧、一氧化碳和甲醛3種空氣中常見污染物進行實時監測.

微處理器選用TI公司推出的CC2530單片機. 該單片機雖然使用標準8051指令集，但卻擁有增強的8051 CPU內核，1個指令周期僅用1個時鐘周期，而不是傳統8051的12個，并且多余的總線狀態也已被取消，因此比傳統8051執行得更快[9].

ADC選用CC2530單片機內自帶的ADC模塊. CC2530單片機內部集成模擬多路轉換器，有8個AD轉換通道，最多可對8路輸入信號進行測量，且8個通道可分別進行程控配置，最高可配置為14位的模數轉換和12位的有效數字位數，當配置為14位的模數轉換精度時，AD轉換1次的時間為132 μs. AD轉換結束時還可自動觸發片內DMA，可節省大量CPU操作.

2.2 顯示部分

顯示部分由PC機軟件和小液晶顯示屏組成. 當微處理器測量完成后便向PC機和小液晶屏同步發送測量結果以實時顯示. 2種顯示設備可以只接入1種，也可以全部接入，就是說某一種顯示設備是否接入，完全不會影響另一種顯示設備的正常運轉，使得顯示方式更加靈活. 利用PC機軟件可記錄歷史數據，并可繪制歷史數據曲線，適宜于對環境空氣質量數據的自動記錄和長時間監測對比. 小液晶屏只能顯示實時測量數據，適宜于便攜式測量.

2.3 報警部分

報警部分由蜂鳴器和3個LED組成，每個LED對應1種氣體. 微處理器在把檢測結果輸出到顯示模塊的同時，還會判斷各有害氣體濃度值是否超過所設定的閾值，當低于閾值時，蜂鳴器不響且LED不亮. 當超過所設定的閾值后，蜂鳴器響，然后可通過對應LED是否閃爍判斷是哪種氣體超標.

2.4 氣體傳感器預熱時間控制

為保障監測數據的準確性，氣體傳感器上電后需要預熱. 煙霧氣體傳感器預熱時間不應小于24 h，一氧化碳和甲醛氣體傳感器預熱時間不應小于48 h. 但在實際使用中，如此長的預熱時間不利于教學演示. 因此本系統為每個氣體傳感器配備了溫度傳感器以實時監測其溫度值，并對預熱是否完成進行判斷.

當氣體傳感器接入系統后進入預熱階段，同時顯示部分顯示為“heating”表示正在預熱. 系統每隔時間t對氣體傳感器的溫度和有害氣體的體積濃度檢測1次，若連續n次檢測的溫度值的波動小于ΔT并且體積濃度值的波動小于ΔC時，說明氣體傳感器已基本穩定，此時便認為預熱已經完成，否則繼續進行預熱檢測. 其中t,n,ΔT,ΔC的值可通過系統管理員權限更改，這樣不僅大幅縮減了預熱時間，還可以對測量準確度等級進行靈活調整，以滿足不同測量的需要.

3 演示實驗

實驗裝置如圖2所示. 錐形瓶A內存放被測的有害氣體并密封保存. 錐形瓶B模擬大氣環境，初始時，瓶內為空氣. 將傳感器模塊置于瓶B的底部，通過數據線將監測結果傳出，進行顯示或報警. 兩錐形瓶之間通過三通導管相連，三通導管的另一端接氣體注射器，氣體注射器可將瓶內氣體抽出或注入空氣，用以改變瓶內氣體體積. 三通導管的左右兩端分別有1個止氣夾控制氣體之間是否相通，止氣夾打開時兩邊氣體相通，關閉時兩邊氣體不相通.

圖2 實驗裝置

實驗步驟如下：

1) 0時刻，2個止氣夾處于關閉狀態，此時錐形瓶內被測氣體體積濃度接近于0且基本穩定.

2) 0～t1時間內，關閉夾1，打開夾2，并用注射器將瓶B內的空氣抽出一部分，使其為負壓狀態. 此時，監測結果保持不變.

3)t1時刻，關閉夾2，打開夾1，由于瓶B內氣壓低于瓶A，使得瓶A內的有害氣體被迅速抽到瓶B內，監測結果迅速上升，此時報警功能啟動，蜂鳴器響且對應LED閃爍.

4)t1～t2時間內，2個止氣夾全部關閉，監測結果保持不變.

5)t2時刻，關閉止氣夾1，打開夾2，將氣體注射器內的空氣緩慢注射到瓶B內，這時從監測到的數據可見，瓶內氣體體積濃度并不是立即下降，而是先略有上升，然后才逐漸降低. 這是因為向瓶內注射氣體時，首先是把導管內殘留的有害氣體注射到了瓶內，使瓶內氣體體積濃度略有升高，隨著空氣注射到瓶內，氣體體積濃度才緩慢地降低.

6) 實驗數據通過PC機軟件繪制成曲線如圖3所示.

4 結束語

本系統演示了對環境空氣質量變化實時監測的原理和過程，監測結果迅速、準確，并提供了友好的人機交互界面和報警系統，利用上位機進行顯示和存儲，演示效果直觀，且操作方便，適合于演示實驗教學.

參考文獻：

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[2] 鮑榮華，吳初國. 著力改善環境質量，推進生態文明建設[J]. 國土資源情報，2013(2)：17-20.

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[4] 杜兵. 包頭市空氣和水環境質量分析[D]. 呼和浩特：內蒙古大學，2013.

[5] 黃志輝，湯大鋼. 中國機動車有毒有害空氣污染物排放估算[J]. 環境科學研究，2008，21(6)：166-170.

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[9] Texas Instruments. CC253x System-on-Chip Solution for 2.4 GHz IEEE802.15.4 and ZigBee® Applications User’s Guide [DB/OL]. 2009.