一種基于PIC單片機的手持式空氣質量監測儀

王 杰

(東北石油大學，黑龍江 大慶 163318)

一種基于PIC單片機的手持式空氣質量監測儀

王 杰

(東北石油大學，黑龍江 大慶 163318)

隨著環境污染日益嚴重，治理環境顯得越來越重要，空氣質量檢測儀成為了研究的熱點。本文基于單片機PIC16F887設計了手持式空氣質量監測儀，選擇不同類型的傳感器，設計了硬件電路和軟件程序，最后對其應用效果進行了模擬對比分析。

PIC16F887；電路設計；軟件設計；應用效果分析

隨著環境污染日益嚴重，室內空氣質量越來越差，污染物如粉塵、甲醛和氨等廣泛存在，嚴重危害人類的健康；因此，室內污染物測量受到了廣泛關注，如何快速、準確、可靠地對室內污染物進行測量成為了研究的熱點。當前，在對室內污染物進行測量時，主要依靠實驗室化學分析方法，該方法也存在一定的局限性，實時性較低，必須依賴于PC，在實際應用過程中，無法滿足人們對測量儀器的經濟性、快速性和適應性的要求。隨著科學技術的發展，出現了高集成度和低功耗的集成芯片，其功能越來越強大，功耗越來越低[1]。化學傳感器的出現，使監測儀發生了重大的改變，其主要應用光學原理和電化學原理[2]，實現了現場采樣和檢測，并能對數據實時進行分析。

目前，我國研究的空氣質量分析儀，雖然價格較低，但是其功能不夠完善，比較單一，而且可靠性低；因此，如何將計算機技術應用于空氣質量監測儀，并利用新型的檢測方法和原理，實現監測儀的在線化和自動化發展，成為了今后的研究熱點[3]。本文設計了基于PIC單片機的手持式空氣質量監測儀，對上述問題展開了研究。

1 空氣質量監測儀的原理和總體結構

基于PIC單片機的手持式空氣質量監測儀應用了各類新型的傳感器，如各電化學型傳感器、溫濕度傳感器以及可吸入顆粒傳感器，應用這些傳感器采集相關的信號，并對這些信號進行轉換，實現相關數據的分析，并將分析結果顯示在 LCD 液晶屏幕上。一旦室內的某種有害氣體超出設定的閾值，監測儀會自動發出警報，提醒用戶應該采取措施，通過串口發出控制指令。本監測儀空氣中有害氣體濃度閾值的設定根據GB/T 18883-2002《室內空氣質量標準》等國家標準進行。儀器預留了相應的通信串口，可應用預留的串口連接到計算機，和空調、空氣凈化儀等相連，實現遠程的控制。如果空氣情況超標，就會起動高級設備對氣體進行處理。手持式空氣質量監測儀的總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

監測儀的主控芯片選擇美國Microchip公司生產的PIC16F887， 它采用納瓦技術的8位CMOS閃存單片機系列，處理能力十分強大，片上的外設非常豐富。它的特性如下：8位RISC結構CPU；看門狗電路定時器WDT和3路定時器Timer0/1/2；14路10位分辨率A/D轉換通道；35個方向可單獨控制的I/O引腳，灌/拉電流可達25 mA；256 B EEPROM；出廠精度標準為±1%的高精度內部振蕩器；標準編程接口，能實現加密保護。

空氣質量監測儀的技術指標如下。

1)甲醛(HCHO)濃度檢測(傳感器：HCHO—101 )：量程為0～10 ppm(mg/m3);精度為0.01 ppm，報警閾值為0.3 ppm。

2)CO濃度檢測(傳感器：ME2—CO)：量程為0～2 000 ppm(%)；精度為1 ppm；報警閾值為1 200 ppm。

3)溫度濕度檢測(傳感器：溫濕度傳感器芯片 SH-203)：溫度為0～45 ℃；濕度為5%～95%

4)粉塵濃度檢測(PM2.5)(傳感器：ZH01)：量程為0～1 000 μg/m3；精度為1 μg/m3；報警閾值為150 μg/m3。

5)氨氣檢測(傳感器：ME3-NH3)：量程為0～50 ppm；精度為0.5 ppm；限量值≤ 0.2 mg/m3。

2 空氣質量監測儀的硬件設計

2.1 氣體傳感器處理電路

2.1.1 甲醛接口電路

甲醛傳感器采用HCHO—101，當甲醛氣體進入傳感器內部之后，會和其內部的溶液發生化學反應，消耗電極表面，遷移部分電子，產生電流，電流特別小，為μA級別，難以檢測，所以需要經過放大電路對其進行放大。為了維持傳感器輸出信號的穩定性，采用J175 進行基準電壓標定。檢測到甲醛存在時，傳感器輸出電流信號，電阻 R9對電流信號進行轉換，形成 PCO—ADC0電壓信號，與 PIC16F887 的 AD 入口相連，電壓信號經過標度變換成為甲醛濃度值數據，顯示在液晶模塊，并實時更新。

2.1.2 氨氣傳感器的信號處理電路

氨氣傳感器采用ME3—NH3，當傳感器檢測到氨氣存在時，輸出信號經過信號放大處理電路和OPA333 運算放大器的處理，使輸出的信號由mV 級放大到V級。在電路中應用J177 開關，能使傳感器的工作電極和參比電極在不工作時處于短路狀態，減少傳感器的預熱時間，降低耗損，延長使用壽命。選用的芯片信號放大器為AD8572，該芯片具有超低漂移、失調及偏置電流特性，電路中R9、C9、Q1 、R10和AD8572 內部的A運放構成了恒電位電路。2.1.3 CO傳感器的信號處理電路

CO傳感器采用ME2—CO，由于傳感器的輸出信號為μA級別，為了避免干擾信號，提高測量的精度，將傳感器與該部分組成一體，RT1為熱敏電阻，對溫度進行校準和補償，R1、RT1和R2放大輸出信號，C3和R3過濾雜波[4]。電路的輸出電壓和傳感器的輸出電流關系為：U=I×(R1+R2/RT1)。

2.1.4 溫濕度模塊的選用及其接口電路

溫濕度傳感器采用芯片SH—203，由于該模塊應用二線數字串行接口DATA和SCK輸出，需要和處理器的2個I/O口相連，接口電路比較簡單，串行傳輸僅需1根時鐘線和1根數據線就能實現。

2.1.5 電源電路

為手持式空氣質量監測儀低功耗和不同應用場合的工作需求，本系統采用4.2 V鋰離子電池供電，設計了專用充電芯片，能接受USB口500 mA的充電。電源管理原理圖如圖2所示。

圖2 電源管理原理圖

2.2 人機界面及報警電路

液晶顯示界面選擇128×64型的點陣LCD，該液晶自帶漢字庫，通過并行數據口對其進行控制。鍵盤設計3個功能鍵：“-”、“+”和“模式”，通過I/O口與主控芯片PIC16F887相連，按鍵通過電平中斷的方式進行響應。如果測定的污染物含量超過設定的閾值，蜂鳴器和報警燈就會發出聲光報警。

3 空氣質量監測儀的軟件設計

開發軟件時，選擇的軟件平臺為Keil uVision4，可以使用 C 語言或者是匯編語言對程序進行編寫，然后轉換成機器碼，單片機PIC16F887識別，轉換成HEX 文件進行下載。軟件根據模塊化設計，軟件模塊設計包括初始化程序、數據采集處理模塊、數據顯示報警模塊和中斷檢測處理模塊。

3.1 初始化程序

空氣質量監測儀通電之后，設置系統看門狗和時鐘，I/O引腳初始化，歸零各個變量；設置定時器，讀取標定信息。主程序圖如圖3所示。

圖3 主程序圖

3.2 數據采集及處理

AD 轉換是采用PIC16F887單片機內部的14路10位分辨率A/D轉換通道， 在Timer0的中斷程序中讀入

A/D轉換的值。空氣質量監測儀使用一段時間之后，氣體傳感器會慢慢老化，造成一定的問題，如零點漂移；因此，為了確保軟件轉換結果的正確性，須進行相應的補償設置。數據處理流程為初始化、調用AD子程序、數字濾波、數據緩存、數據處理、LCD顯示和結束。

3.3 數據顯示報警模塊

本監測儀選用的液晶模塊為128×64 型的點陣LCD液晶模塊。空氣質量環境儀顯示的內容有氨氣、甲醛、溫濕度、PM2.5和一氧化碳的濃度值，并定時刷新。如果測定的氣體濃度值超出了一定的閾值，監測儀會報警，采取相應措施降低某種污染物的濃度值，氣體濃度值恢復正常，監測儀界面也恢復正常。

3.4 中斷檢測及處理

單片機PIC16F887的中斷程序進行設計時，先對中斷源進行判斷，然后做出相應的響應，進行中斷操作。中斷程序流程圖如圖 4所示。

圖4 中斷程序流程圖

4 試驗結果與分析

空氣質量監測儀設計完成后，需對其使用效果進行驗證。在試驗過程中，采用氣體濃度標定箱模擬室內的空氣環境，然后選用空氣質量監測儀和標準臺式空氣質量監測器同時對模擬箱中的甲醛、CO、氨氣和PM2.5進行檢測。通過對檢測結果進行分析可知，設計的空氣質量監測儀即時響應結果較好，數據測量準確，儀器分辨率可達0.01 ppm。本文中只列出了甲醛濃度的檢測數據(見表1)。

表1 甲醛濃度檢測數據

通過試驗測定可知，設計的基于單片機PIC16F887的空氣質量監測儀性能高，功耗低，操作簡單，性能穩定，測量數據準確，成本低，可應用在空氣污染檢測場合，市場應用廣泛，實用價值較高。

[1] Lai J H K，Yik F W H. Perception of importance and performance of the indoor environment quality of hig-rise residential buildings[J]. Building and Environment，2009，44(2)：352-360.

[2] 劉義和. 室內環境檢測存在的問題及防治對策探析[J]. 科學之友，2010，10(5)：140-141.

[3] 汪志國，齊文啟. 環境監測儀器發展現狀與趨勢分析[J]. 現代科學儀器，2007，9(4)：32-35.

[4] 趙繼文，何玉彬．傳感器與應用電路設計[M]. 北京：科學出版社，2002.

責任編輯馬彤

AHandheldAirQualityMonitorbasedonPICMCU

WANG Jie

(Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China)

With the increasingly serious environmental pollution, the concentration of various gases timely monitoring environment is more important for environmental governance, so air quality detector becomes a hot research area. This paper designs handheld air quality monitor based on PIC16F887 microcontroller, choosing different types of sensors and designs hardware and software programs. Finally a comparative analysis of simulation results based on their applications is presented.

PIC16F887，circuit design，software design，application effect analysis

TP 274

：B

王杰(1991-)，男，碩士研究生，主要從事電氣工程及其自動化等方面的研究。

2015-02-04