室內有害氣體監測系統設計研究

莫洪

摘 要：目前人們除了關心室外大氣污染以外，也開始將關注點放在了室內空氣污染方面，為了實時監測出室內空氣的有害氣體，筆者提出了一種室內有害氣體的監測系統設計思路，可以對室內有害氣體參數進行實時觀測。該系統集成了有害氣體的檢測傳感器，同時設置了集成電路，其在運行中可以對有害氣體如甲烷、一氧化碳、甲醛等濃度進行檢測，當有害氣體濃度達到一定的限定值后，監測系統將發出警報，提醒人們及時對此做出處理。筆者在文中對該系統架構設計及功能實現簡要論述，并對其應用進行相關探討。

關鍵詞：有害氣體；監測系統；設計；研究

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

0.引言

目前市面上有許多種類的室內有害氣體監測系統，但是大多數儀器都存在操作較為復雜，成本較高等缺點，導致了該系統難以普及到家庭之中，僅有部分專業機構才會安裝該系統。然而目前許多家庭在買房后對房間進行裝修，卻難以對裝修材料散發出的有害氣體引起注意，長此以往很容易患上慢性疾病，因此安裝室內有害氣體監測系統是十分必要的。筆者對此提出一種適合家庭的經濟、便捷的有害氣體監測設備，其采用傳感器作為核心，具有較高的性價比，能夠在日常生活中保護用戶人身健康。

1.研究背景分析

隨著人們生活水平的提高，加之房產“熱潮”愈演愈烈，許多家庭開始瘋狂購房，并對其進行裝修，然而市面上的裝修材料質量良莠不齊，很容易在室內散發出有害氣體。據統計，每年因為室內空氣污染而死亡的人數已達到11.1萬人，可謂是一個非常龐大的群體。一般來說，室內有害氣體的來源包括兩方面：一是現代化社會需求大，工業發展十分迅速，各類石油、化工、消防、火電廠、醫藥等廠房向大氣排放各種有害氣體，這些氣體嚴重影響了廠房工人和附近居民的身體健康，對此，工廠一定要改變原來的排污方式，保證居民的居住環境綠色、健康；二是現代化社會的物質水平提高，人們對室內的裝修要求提高，然而各種新式的裝修材料中正隱藏著大量的有毒氣體。基于以上的原因，目前社會中部分家庭空氣質量較差，而僅僅依靠自己的感官是無法判斷其是否有害，對此多數科研人員進行了研究，設計出了一套室內有害氣體監測系統。過去的系統設計具有操作復雜、價格昂貴的特點，導致了該監測系統并未在普通家庭得到普及。因此，筆者對原系統重新進行改良，設計了一套適合普通家庭使用的有害氣體檢測系統。

2.系統整體架構

2.1 整體架構

（1）整個系統的框架由六大模塊組成，每個模塊都有自己對應的功能：

控制模塊，該模塊采用的是ATmega16單片機設備，它可以大大地提高系統代碼的運行效率，比一般的控制模塊提高約10倍以上的數據吞吐率。

（2）顯示電路，其選用了LCD12864顯示屏，為中文字庫型系統，適用于中國居民使用，電路可以將處理后的結果顯示在屏幕上，給用戶直觀的感受。

（3）電源模塊以及報警模塊，電源模塊采用USB供電，具有方便使用、節約用電的效果；報警模塊則采用普通的蜂鳴器和發光二極管，在有害氣體濃度超出指標時進行報警，報警模式為發光和聲響交替，能夠起到提醒用戶的作用。

（4）傳感模塊，其內部安裝有感應不同氣體濃度的傳感器，可以對空氣中有害氣體的濃度進行感應，傳感器再將得到的信息傳遞給單片機，而單片機會把信息傳遞給報警器和顯示屏幕，讓整個系統得以循環運行。

（5）獨立鍵盤模塊，該模塊設立了3個鍵來檢測有害氣體的濃度狀況并將其，另外還設有其他的鍵可重啟整個系統，使得系統可以反復地進行。

（6）GSM模塊，該模塊選用了SIM900A芯片，其主要功能是在濃度達到限定值后，將已設定好的通知短信發送給用戶，以此來通知用戶空氣中有害氣體的濃度達到限定值，并做出相應的處理。

2.2 功能實現

該系統分為6個模塊，各個模塊相互獨立又相互聯系。系統啟用后，傳感器開始工作將收集到的信息傳遞給單片機，單片機將信息處理了以后再將信息顯示在顯示屏上，如果超標的話，報警器會開始工作，這樣就構成了一個完整的系統，該系統的功能得以實現.

3.系統設計

3.1 硬件設計

本系統主要由6個模塊組成，分別為：控制芯片、顯示、傳感器、獨立鍵盤、供電以及GSM等，整個系統的結構如圖1所示。系統的控制核心采用了ATmega16單片，并且融合了MQ-7、MQ-138和MQ-2等系統來分別監測一氧化碳、甲醛以及甲烷的濃度，通過濃度來判斷該氣體目前對人體的危害程度。在濃度判斷結束后，系統將會把采集的數據傳遞給單機片，當數據到達后，單機片會對這些數據進行分析處理，處理后會將結果傳到顯示屏，如果濃度達到限定值，則報警器就會響，以此來提醒用戶室內空氣中的有害氣體濃度已經超標，有助于人們及時做出處理（開窗通風，暫時離開）。報警器采用普通的有源蜂鳴器設備，指示燈則選用發光二極管，供電模塊采用USB接口，GSM模塊采用SIM900系統，這些設備相對便捷，方便人們操作，以上的功能模式即組成一個完整的系統。

3.2 軟件設計

軟件部分的設計主要針對傳感器檢測到有害氣體濃度后對低電平進行的處理環節。在程序初始化的階段后，用戶可以在機器的外部通過表示有何種有害氣體的監測按鈕，選擇自己想要監測的氣體，并且系統監測后會在LED屏幕上顯示監測后處理過的數據，得到室內有害氣體的濃度情況和室內空氣等級質量數據。當監測濃度超過初始設定的限定值后，報警器發光閃爍并發出報警聲響，同時也將發出文字報警短信。在處理室內空氣的有害氣體后，按下復原鍵就可以將該裝置恢復到初始狀態，使得系統初始化，根據用戶的需要再次進行工作。

4.系統測試與應用

本產品的設計思路與電路原理較為簡單，測試時主要是為了檢測測試器電路狀況和其工作情況。筆者將其安置在一個密閉的盒子內，先將其中通入一定濃度的甲烷，進行測定后復原，再輸入比之前量更多的甲烷，以此類推幾次試驗后，再用同樣的方式對其他的有害氣體進行相同的實驗。通過實驗發現，該系統的監測時間較短，復原較快，并且能夠快速而且準確地判讀空氣中有害氣體的濃度并做出分析，同時顯示在顯示屏上，報警系統也可以正常地進行工作。感應器系統如圖2所示，其能夠實現良好工作，且由于性能較高，成本較低，因此值得推廣應用。

結語

本系統對于室內有害氣體的監測具有良好的效果，并且操作十分便捷，成本較低，適用于各收入層次的家庭。因為該系統對煙霧比較敏感，因此在煙霧較多的環境中難以進行正確判斷，有時可能產生錯誤的數據，而這也是該系統的不足之處。但從整體來看，筆者通過多次對該系統進行實驗，系統各方面都是比較穩定的，可以正常地進行工作，運行的速度也能夠達到設計的要求，該設備的電路模塊便攜性高，有益于對系統進行調試和升級。總而言之，該室內有害氣體監測系統，具有實用性強、價格低廉、操作簡單、易于普及等多個優點，可以對室內的有害氣體濃度做出正確的判斷，從而保證了用戶的健康生活。

參考文獻

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