室內空氣質量檢測系統(tǒng)的設計

葉 勇

（湖南城市學院通信與電子工程學院，413000）

室內空氣質量檢測系統(tǒng)的設計

葉 勇

（湖南城市學院通信與電子工程學院，413000）

本設計采用STC89C52RC芯片作為主控制器，使用傳感器進行室內空氣信息的采集，通過A/D模數轉換器后將數據傳入單片機進行處理，經由單片機系統(tǒng)現場自動控制檢測，實時用數碼管顯示出空氣污染的相關參數。若室內空氣污染超標時，經由傳感器傳給單片機系統(tǒng)信息后，系統(tǒng)會自動判斷進而驅動蜂鳴器實現報警功能。其次系統(tǒng)還設計了外部擴展接口，便于實現更多功能。有一定的經濟作用與實際意義。

單片機；MQ-135傳感器；A/D模數轉換

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對于自己的心理健康和身體健康就會越來越注重，所以對于室內空氣質量進行檢測就成為必不可少的一環(huán)，在檢測之后，如果室內空氣質量良好，那人們就會在心理上感覺舒適，身體也不會受到危害；反之，室內空氣質量較差，就必須要再采取相應的措施去改善房子里的空氣質量。現如今，各種與之相關的檢測產品也接踵而來。但是，這些產品都有一定的缺陷。第一；有的產品只能檢測小部分區(qū)域的空氣質量，不方便攜帶，無法滿足多數人的要求。第二；有部分產品檢查空氣質量后無法清晰的將數據表現出來，致使人們難以作出相應的措施。第三；多數產品缺少改善空氣質量的應對手段。本設計在他們的基礎之上進行了一些改進。

1 總體設計

系統(tǒng)硬件部分由核心控制模塊、顯示模塊、外圍擴展模塊、傳感器模塊、A/D轉換模塊、蜂鳴器加燈光警報模塊、5V電源模塊組成。核心控制模塊由STC89C52RC芯片、外圍電路和程序下載端口電路組成，外圍電路包括晶振電路、復位電路；顯示模塊由數碼管組成；傳感器模塊由MQ-135傳感器和DSM-501傳感器組成，A/D轉換模塊由TLC549CP芯片控制。其方框圖如圖1所示。

2 部分單元電路的設計及相關說明

2.1 顯示模塊

顯示模塊由四位數碼管實現。所用數碼管為共陽數碼管，均由7個發(fā)光二極管和一個圓點型發(fā)光二極管組成，通過七段發(fā)光二極管亮滅的不同組合，可以顯示多種符號。該系統(tǒng)由多種傳感器檢測外部空氣質量，并將所得到的電信號轉換為數字信號通過如下所示的數碼管顯示出來，結果一目了然。

2.2 傳感器模塊

如圖2，MQ-135傳感器所使用的導體材料是在室內空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當房間內存在監(jiān)測范圍內的有害氣體時，傳感器的電導率隨室內空氣中的有害氣體濃度的增加而增大。使用轉換電路即可將電導率的變化轉換為與室內有害氣體的濃度相對應的輸出信號。MQ135氣體傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其它污染氣體的監(jiān)測也很理想。特點：(1)在較為寬廣的房間內對有害氣體有良好的靈敏度，(2)對氨氣、硫化物、苯系等氣氛靈敏度較高，(3)使用時間長、價格便宜，(4)設計簡單的電路就可以在現實中使用。

DSM-501傳感器可以檢測空氣中的塵埃粒子，可以再-10度~+60度范圍內正常工作，理論上可以檢測到1um以上的微小粒子。可以與MQ-135傳感器組合，讓檢測范圍更大，更加具有實用性。

圖1 室內空氣質量檢測系統(tǒng)總體設計框圖

2.3 A/D轉換模塊

這個模塊被TLC549芯片所控制，引腳示意圖如圖2所示。該芯片是以12位開關電容逐次逼近A/D轉換器為基礎而構造的CMOS A/D轉換器。它的設計目的是能通過3態(tài)數據輸出、微處理器、外圍設備來串行接口。TLC549僅用作輸入/輸出時鐘和芯片選擇輸入數據控制。TLC549的I/O CLOCK輸入頻率最高可達1.1MHz。

當/CS變?yōu)榈碗娖降臅r候，TLC549芯片被選中，同時前面一次轉換結果的最高有效位MSB (A7)從DATA OUT 端輸出，接著要求自 I/O CLOCK端輸入8個外部時鐘信號，前7個I/ O CLOCK信號的作用是配合TLC549 輸出前次轉換結果的A6-A0 位，并為這一次的轉換做準備，在第4個I/O CLOCK信號從高到低的跳變之后，芯片里面采樣、保持電路對輸入模擬量的采集開始，第8個I/O CLOCK信號的下降沿讓芯片里面采集、保持電路進入保持狀態(tài)并啟動A/D開始轉換。轉換時間為 36個系統(tǒng)時鐘周期，最大為 17us。直到 A/D轉換完成以前的這段時間之內，TLC549 的控制邏輯要求為，或者/CS保持高電平，或者I/O CLOCK 時鐘端保持36個系統(tǒng)時鐘周期的低電平。由此可見，在自TLC549的I/O CLOCK 端輸入8個外部時鐘信號期間需要完成下面的步驟，讀入前次A/D轉換結果，對本次轉換的輸入模擬信號采樣并保持不變，啟動本次 A/D轉換開始。

2.4 報警模塊

（1）蜂鳴器加燈光報警。由于蜂鳴器的工作電流一般都會比較大，所以會導致單片機的I/O口是沒辦法直接驅動的，所以就要利用放大電路來進行驅動，一般都是使用三極管來放大電流就可以了。當檢測到的氣體濃度超過設定的標準值時，蜂鳴器會報警且指示燈亮。若室內空氣質量良好，則系統(tǒng)正常運行，不會報警。

（2）數字語音報警。該功能不與上述報警功能重復，在接收到檢測到的污染氣體的有關電信號并轉化為數字信號后，可以通過語音播報讀出準確數字，超過設定的數值時，會提示“超標”。反過來，就表示室內空氣良好，正常讀數。

3 軟件設計

程序在開發(fā)工具Keil_uVision3上進行設計與編譯，系統(tǒng)上電后初始化數據，然后在數碼管上顯示由室內空氣質量轉換而來的相關參數。室內空氣質量檢測系統(tǒng)工作過程。

通電、系統(tǒng)初始化之后，室內空氣經過MQ-135和DSM-501傳感器的檢測。通過A/D轉換模塊將從傳感器得到的電信號轉換為數字通過數碼管顯示出來，并將所得數值與程序設定值所比較，高于設定值則蜂鳴器報警、且二極管發(fā)光，語音讀出數字且提示“超標”，則說明室內空氣質量較差。低于設定值則數碼管顯示數值、語音正常讀數則表示室內空氣質量良好。

4 測試結果與分析

用輔助電源給系統(tǒng)供+5V的直流電，系統(tǒng)復位，觀察系統(tǒng)是否正常工作，若正常工作，數碼管顯示的數值即為室內空氣質量對應轉化的值。若不工作，則檢查系統(tǒng)故障，并加以修復。反復調試直至該系統(tǒng)可以正常使用。系統(tǒng)正常工作時，數碼管顯示由當前室內空氣質量轉化而來的相應數值，當顯示數字大于0.220V時，指示燈亮且蜂鳴器報警。反之，就說明室內空氣質量良好。

5 結論

本文以單片機STC89C52RC為核心，通過A/D轉換模塊、數碼顯示模塊、報警模塊、傳感器模塊以及電源模塊完成了對室內空氣質量檢測的設計。可以用于檢測室內的塵埃顆粒，對氨氣和硫化物的檢測也很理想。然后通過A/D轉換將得到的信號轉換成電信號傳遞給單片機進行處理，再以數字的形式在數碼管上顯示出來。若空氣質量較差，且塵埃顆粒濃度較高，則蜂鳴器報警、指示燈亮。語音提示“超標”且讀出該數字。反過來看，若外界空氣質量較好，則系統(tǒng)繼續(xù)正常工作，不發(fā)出警報，僅有語音讀出數字。

本系統(tǒng)在報警后，因技術和時間有限，無法實現相關的應急處理措施。可以在室內塵埃顆粒濃度較高時，采取灑水器的功能，以降低室內塵埃濃度。且同一時間，室內其余在檢測范圍內的有害氣體的濃度超標時，開啟風扇，吹散局部區(qū)域的空氣以達到改善的目的，這將是下一步要繼續(xù)做的工作。

[1]楊恢先，黃恢先，肖衛(wèi)初等.單片機原理及應用[M].湘潭：湘潭大學出版社，2013.

[2]寇戈，蔣立平.模擬電路與數字電路（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015:164-188.

[3]周景潤.傳感器與檢測技術[M].北京: 電子工業(yè)出版社，2014:53-67.

The Design and of Indoor Air Quality Testing System

Ye Yong
（College of Communication and Electronic Engineering, Hunan City University，413000）

This project is using STC89C52RC chip as the core as the main controller,sensor using the MQ - 135 the information acquisition of the air that indoor,after A/D analog-to-digital converter to process data into the single chip microcomputer, automatic control by single chip microcomputer system detection,real-time using digital tube display the related parameters of air pollution.The project will automatically judge then drive buzzer alarm function when the air that indoor is pollutioning levels, through the sensor to the single chip microcomputer project information.The external extension interface has been designed of the project for more function to become true,in addition.Have certain economic effect and practical significance.

single-chip microcomputer;MQ-135 sensors;A/D analog-to-digital conversion

圖2 TLC549原理圖

葉勇（1966—），男，湖南南縣人，講師，研究方向：電路與系統(tǒng)。

課題：湖南省高等學校科學研究項目（項目號：15C0250）”