空氣物理參量的測量和數據遠程傳輸及報警

邢世樣，邢 鑫，葉遠鋒，代瓊琳，李海紅

（北京郵電大學 理學院，北京100876）

1 引 言

近十幾年來，隨著移動通信技術飛速發展，越來越多的信息采集和遠程控制系統采用了無線數據傳送技術，它與有線數據傳送相比主要有布線成本低、安裝簡便、便于移動的優點［1-2］.本文將物理實驗中利用多種傳感器對空氣各參量的測量實驗與數據的遠程傳輸相結合，綜合應用了物理實驗、通信實驗和單片機實驗的知識，開發出適于信息工程、計算機等專業本科生的綜合實驗［3-4］.

本文利用熱敏電阻與溫度的變化關系測量空氣溫度，利用濕敏電容的電容值與濕度的變化關系測量空氣的相對濕度，利用單晶硅的壓阻效應測量大氣壓強，利用光敏電阻隨光照強度阻值的變化關系測量光照強度，利用氣敏材料的電導率隨空氣中可燃氣體的體積濃度的變化關系測出空氣中可燃性氣體的體積濃度.利用所測的溫度、濕度、氣壓3個物理量，用改進的Edlen公式計算出空氣折射率.最后，利用單片機將所測得的物理量的數據收集并經由GPRS（general packet radio service，通用無線分組業務）模塊發送到監控中心（計算機），實現了空氣物理量的遠程測量、傳輸、實時監測以及報警.

2 空氣物理參量的測量

2.1 空氣溫度的測量

2.1.1 熱敏電阻測溫原理

熱敏電阻是基于半導體材料的阻值隨溫度變化而變化的電阻元件［5-7］.與一般常用的金屬電阻相比，它有很大的電阻溫度系數值，可以簡便靈敏地檢測出微小溫度的變化.根據其不同的物理特性，可分為負溫度系數（NTC）、正溫度系數（PTC）和臨界溫度系數（CTR）3種熱敏電阻.本文選用NTC型熱敏電阻，其電阻Rt與溫度t的關系可用經驗公式表示為

2.1.2 儀器校準

利用水銀溫度計自行設計了溫度測量傳感器的校準實驗，實驗裝置見圖1.選取的校準溫度范圍為0～53.5℃，最終測得溫度t（℃）與熱敏電阻的阻值R（kΩ）的關系曲線見圖2，并利用數學軟件Matlab擬合出溫度t與電阻R的函數關系.

圖1 溫度校準實驗裝置

圖2 溫度校準曲線

2.2 空氣濕度的測量

2.2.1 HS1101濕敏電容的工作原理

當空氣濕度發生變化時，濕敏電容的電容值隨之線性改變，將濕敏電容置于555振蕩電路中，電容值的變化導致電路輸出電壓頻率的變化，將輸出頻率送給單片機，求得相應的相對濕度值［8］.

2.2.2 儀器校準

采用實驗室提供的專業溫濕度儀HT-8321進行校準，用加濕器來調節室內濕度，并且通過調節距離控制濕度穩定.用濕度儀測出此時的濕度并記錄此時的濕敏電容輸出的頻率值，從而得到濕度與濕敏電容的輸出頻率的關系曲線，如圖3所示.

圖3 濕敏電容的輸出頻率與濕度的關系

2.3 光照強度的測量

2.3.1 光敏電阻的工作原理

光敏電阻的工作原理是基于內光電效應［9］.半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子數目的多少.當光敏電阻受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，成為自由電子，同時產生空穴，電子-空穴對的出現使電阻率變小.光照愈強，光生電子-空穴對就越多，阻值就愈低.當光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照強度增大而增大.入射光消失，電子-空穴對逐漸復合，電阻也逐漸恢復原值，電流也逐漸減小.基于此原理設計的光照傳感器電路，當光照強度變化時，由于電阻的改變會使電壓也發生改變，從而輸出信號.

2.3.2 儀器校準

光強校準實驗裝置如圖4所示.使用實驗室提供的光照計對自制的光敏傳感器進行校準，得出了光照強度E（lx）與光敏電阻阻值R（kΩ）的關系曲線，如圖5所示.

圖4 光強校準實驗裝置

圖5 光強校準曲線

2.4 空氣壓強的測量

采用BMP085數字式氣壓傳感器測量氣壓.BMP085硅壓阻式氣壓傳感器是基于單晶硅的壓阻效應而設計的.由3個基本部分組成：a.基體，直接承受被測應力；b.波紋膜片，將被測應力傳遞到芯片；c.芯片，檢測被測應力.芯片是在硅彈性膜片上，用半導體制造技術在確定晶向制作相同的4個感壓電阻，將它們連成惠斯通電橋構成了基本的壓力敏感元件.當膜片受到外界壓力作用，電橋失去平衡時，可得到與被測壓力成正比的輸出電壓，從而達到測量壓力的目的.

鑒于該數字傳感器是高精密型器件，采用廠家提供的數據，氣壓傳感器的測量范圍為300～1 100hPa，精度為0.5hPa.

2.5 空氣中可燃性氣體體積濃度的測量

2.5.1 MQ-2可燃性氣體體積濃度傳感器工作原理

MQ-2半導體可燃氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）.當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體體積濃度的增加而增大.利用電路測量電導率的變化，計算出氣體體積濃度變化.

2.5.2 MQ-2可燃性氣體傳感器的使用范圍

MQ-2半導體可燃氣體傳感器對液化氣、丁烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其他可燃蒸汽的檢測也很理想.這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器.

使用液態丁烷校準傳感器.由產家提供的數據手冊得知，其精確檢測相對體積濃度為：3×10-4～5×10-2.收集一定量的丁烷作為飽和值，同時假設在空氣中當可燃性氣體的相對體積濃度到達3%時，存在安全隱患，將此作為報警的閾值點，即當空氣中可燃性氣體的相對體積濃度到達3%時，裝置就會自動驅動報警器發出警報.

2.6 空氣折射率的計算

基于單片機系統的控制，利用高精度的溫濕度傳感器和壓力傳感器，分別對空氣的溫度t，相對濕度H和大氣壓強p進行測量，并以它們為參量，代入到改進的Edlen公式中計算出空氣折射率n 為［10-11］從式（2）可看出，在空氣成分一定的情況下，空氣的折射率與空氣的溫度、濕度及壓強等因素有關.

3 數據傳輸的原理

本裝置使用MSP430F149單片機，該單片機特點為低功耗，適合本實驗環境.單片機控制GPRS模塊負責發送和接收數據，GPRS模塊采用華為公司生產的GTM900C模塊.該模塊主要由射頻天線、內部Flash及SRAM等部分組成，支持短消息、傳真、數據業務和語音業務.它可以向用戶監測終端發送監測到的實時環境數據，同時也可以向手機發送警報短信.GPRS的工作原理與手機聯網發送數據的原理相同.系統程序框圖如6所示，流程圖如圖7所示.

圖6 系統程序框圖

圖7 系統程序流程圖

4 實驗儀器與裝置

實驗儀器及元件包括MSP430149型單片機、GTM900C型GPRS模塊、HTF3223溫濕度模塊、BMP085氣壓傳感器、光敏電阻、MQ-2型煙霧傳感器、顯示屏及移動電源等.最終完成的裝置實物圖如圖8所示.

圖8 裝置實物圖

5 數據測量與分析

5.1 溫度和濕度的實地測量

用該裝置對不同環境進行實地測量.同時，使用實驗室提供的高端專業溫濕度儀HT-8321進行比對測量，結果如表1所示.

表1 同一地點本裝置與高端溫濕度儀HT-8321溫濕度測量比對

從表1數據可以看出，本裝置與專業溫濕度儀的最大測溫偏差為0.5℃，最大測量濕度偏差為2.7%.因此，本實驗裝置的測量精度滿足實驗要求.

5.2 北京冬季室外24h空氣各物理參量的變化情況及相關關系

利用本裝置進行戶外從22：00至次日22：00共24h的測量，每隔30min取1個測量組，做出對應的隨時間變化趨勢圖，如圖9所示.

圖9 室外24h溫濕度、光照強度及氣壓變化曲線

1）從圖9（a）中可以得出冬季室外一天中溫濕度的變化情況.經查閱文獻，人體的舒適濕度為30%～40%.由圖可得，早晨7～8時，雖然氣溫較低，但相對濕度在35%左右，因此人體感覺舒適.在中午時分，氣溫有所回升，但濕度下降到25%以下，此時人體的舒適度會比早上稍差.

2）從一天中光照強度隨時間變化的曲線圖9（b）可以看出，冬季的北京強光照時間較短，處于9：00至13：00時段.從一天中氣壓隨時間的變化曲線圖9（c）可以看出，在深夜至凌晨時段氣壓較低，而隨著白天的來臨，氣壓回升較快.

3）利用Edlen公式計算得空氣折射率為1.000 279～1.000 288.經查閱文獻［12］空氣的折射率約為1.000 271.考慮到實驗環境中存在日光燈等干擾光源，故此實驗結果較為準確.

6 結束語

本實驗通過集成多種傳感器件，實現了對空氣溫度、濕度、折射率等6個物理參量的測量，測量內容多，裝置高度集成化，適于不同環境的測量與監控.通過與實驗室提供的高精度儀器測量結果比對，測量結果準確.本裝置實現了數據遠程傳輸與報警，當用于環境監測時，可及時將危險信息發送到指定手機或電腦用戶.本實驗設計綜合了物理實驗、通信實驗以及單片機實驗，為信息工程、計算機等專業的本科生搭建了綜合實驗開發平臺.此外，本測量裝置小巧簡易，測量方便，成本低廉，在大學物理或通信實驗室內非常容易實現，是一個學生樂于參與的開放性實驗.

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