便攜式空氣質量監測儀的研究

江漢大學物理與信息工程學院 何 鑫 杜國慶 梅 力 阮晶晶

1 引言

空氣質量的好壞是依據空氣中污染物濃度的高低來判斷的。當今，人類正面臨“煤煙污染”、“光化學煙霧污染”之后，又出現了“室內空氣污染”為主的第三次環境污染。所以此系統旨在實現室內空氣溫濕度度、煤氣、煙霧等氣體的預警監測，有利于進行全方位的反映室內空氣質量，為人類營造一個健康的室內生存空間。此空氣質量檢測儀體積小，功耗低，操作簡單，適合應用于家庭和社區的醫療健康保健，能夠實時知道室內空氣的質量。

2 系統設計框架

電源上電，各個傳感器開始工作,把采集到的空氣質量數據發給主控芯片,主控機接收到數據并進行處理后由液晶進行顯示，由無線發送模塊傳給PC上位機端，并且當室內或待檢測的區域空氣質量不達標時，能及時在液晶和PC上顯示其空氣質量狀態并聲光報警，且控制排風扇等排氣設備的啟動，使區域內有害氣體濃度降低至對人無害的濃度。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

3 系統硬件設計

3.1 電源電路的設計

本系統電源采用的電源穩壓芯片是78L05和AS1117，78L05電源穩壓芯片的輸入電壓為7—18V的電壓，穩壓之后輸出電壓為+5V電壓，輸出電流可以達到150mA和輸出精度可以達到正負4%。AS1117電源穩壓芯片的輸入最大的電壓為15V，輸出的電壓可以為1.8V、2.8V和3.3V等。本電路的電源芯片AS1117輸出電壓為3.3V，為控制芯片提供電源。本電路的設計原理把外界提供的電源進行降壓為5V，實現提供給控制芯片的其他的外圍的電路使用。然后電源模塊再進行第二次降壓穩壓，利用AS1117把5V的電壓降到3.3V，為控制芯片提供可使用的電源。本系統其電源模塊設計如圖2和圖3所示。

圖2 系統電源模塊設計圖

圖3 系統電源模塊設計圖

3.2 中央處理器模塊

MSP430F149芯片是美國德州儀器公司推出的16位超低功耗微處理器，有60KB+256字節FLASH和2KB RAM，MSP430F149片內具有基本時鐘模塊和看門狗定時器，而且還同時擁有捕獲／比較寄存器、PWM波輸出的定時器、具有中斷功能的并行端口、模擬比較器、模數轉換器、串行通信接口等模塊。它具有處理能力強、運行速度快、資源豐富、開發方便等優點，有很高的性價比，在國內已經得到了廣泛的應用。

3.3 傳感器模塊

MQ2煙霧傳感器具有以下幾個特點：(1)具有信號輸出指示。(2)雙路信號輸出(模擬量輸出及TTL電平輸出)。(3)TTL輸出有效信號為低電平(當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機)。(4)模擬量輸0-5V電壓，濃度越高電壓越高。(5)對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度。(6)具有長期的使用壽命和可靠的穩定性。(7)快速的響應恢復特性.其適用于家庭或工廠的氣體泄漏監測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等監測裝置。

MQ135空氣質量檢測傳感器和MQ2傳感器類似，它具有其上述所的(1)、(2)、(3)、(4)、(6)、(7)幾個特點，不同的是它對硫化物、苯系蒸汽、煙霧等有害氣體具有很高的靈敏度；其適用于于家庭、環境的有害氣體探測裝置，適宜于氨氣、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、煙霧等有害氣體的探測。

DS18B20溫度傳感器適應電壓范圍寬，測溫范圍為－55℃～＋125℃，具有獨特的單線接口方式，在與微處理器連接時僅需一條口線即可實現與微處理器的雙向通訊。它也支持多點組網功能，來實現多點測溫，其在使用中不需要任何外圍元件，可編程的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，這可實現高精度的快速測溫。

DHT11溫濕度傳感器可以檢測周圍環境的濕度和溫度，其適應電壓范圍寬，測濕范圍為20%-95%，測溫范圍為0℃～50℃。它在與微處理器連接時也僅需一條口線即可實現與微處理器的雙向通訊。

3.4 液晶顯示模塊

該系統采用TFT彩屏作為系統的顯示模塊。TFT_LCD液晶模塊尺寸大小為2.4英寸，它的像素為240*320，色彩深度為16位色。且TFT模塊的操作非常方便，如果需要改變其像素的顏色時，只需要改變其對應的字節數即可。

3.5 聲光報警模塊

其電路如圖4所示。

圖4 聲光報警模塊電路圖

3.6 無線收發模塊

本系統采用HC-06藍牙模塊。它是一款高性能的藍牙串口模塊，可以同各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機、PDA、PSP等智能終端配對，該模塊支持非常寬的波特率范圍：4800-1382400，并且模塊兼容5V或3.3V單片機系統，可以很方便與產品進行連接。使用非常靈活、簡單。

4 上位機監控系統設計

我們采用C#編程以實現上位機界面的制作以及這種自動接收控制。此上位機不僅可以實現其基本空氣質量監控功能，它也可以作為一個音樂播放器來使用，這給了用戶很好的體驗，為他們營造了一個舒適健康的生活環境。其界面如圖5，圖6所示。

圖5 上位機監控系統界面圖

圖6 上位機監控系統界面圖

5 系統程序流程圖（ 如圖7所示）

6 結束語

本文闡述了便攜式空氣質量監測儀的總體設計方案以及具體的軟硬件的實現。實現了對室內空氣中的甲醛、粉塵、CO2、苯等有害物質的濃度及室內溫濕度進行實時監測，并能結合室內換氣系統對有害氣體進行及時處理的基本要求，為人們創造一個舒適健康的生活環境。最后的成品也具有體積小，功耗低，操作簡單的特點，能夠實時反映室內空氣的質量狀況。

[1]譚浩強.C程序設計[M].清華大學出版社.

[2]武慶生,仇梅.單片機原理與應用[M].電子科技大學出版社,1998.

[3]沈建華,楊艷琴.MSP430超低功耗單片機原理與應用(第2版)[M].TIMSP430大學計劃教材.

[4]時志云,蓋建平,王代華,張志杰.新型高速無線射頻器件nRF24L01及其應用[J].國外電子元器件,2007.