基于室内空气质量监控技术的软硬件设计.docx

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基于室内空气质量监控技术的软硬件设计

基于室内空气质量监控技术的硬件设计

本章主要对空气质量监测控制器的相关传感器器件的选型进行了介绍，并通过研究论述了相关硬件电路的主要功能。

同时，对监控器的编译环境以及编程软件进行了详细介绍。

硬件部分有关电路部分着重介绍了传感器的选择、微控制器的选型及整体电路的设计。

软件部分着重探究并陈述了数据处理和采集程序，并对主要的功能模块详细的编程以及软件的整体设计思路进行了阐述。

4.1空气质量监测器的硬件设计

4.1.1空气质量监测器的传感器选型

在设计具体的方案前，必须要选择适合的传感器，因为硬件方案的选择将会直接影响到系统整体性能的优劣和具体功能的实现。

室内空气参数的检测是由各类传感器对室内环境参数的采集来完成的，对室内颗粒物、甲醛、一氧化碳、氨气和甲烷等参数进行测量、转化和存储，并将采集到的模拟信号传输给微处理器进行分析和处理。

4.1.2微控制器的选择

微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。

微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。

空气质量监测器使用的是STM32F103CBT6作为微控制器来实现对环境的各项参数进行分析和处理，STM32F103CBT6是由ST公司生产的Cortex-M3内核ARM处理器，专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的微控制器。

STM32F103CBT6是STM32F103XXX系列的单片机，使用RISC精简指令，工作频率为72MHz，内置256K闪存和20KRAM，是一款操作简单并且具有高速运算和领先的中断系统的微控制器。

STM32F103CBT6下载方便，有多种下载方式，可使用串口无线下载更新内部程序便于后期的优化升级，所以STM32F103CBT6能够完全满足空气质量监测器的要求，其实物如图4-1所示。

图4-1STM32F103CBT6微控制器

STM32F103CBT6的9、24、36、48为电源输入端，8、23、35、47为电源地端，5、6连接外部晶振为处理器工作提供时钟基准，其余的I/O引脚连接外部设备的对应引脚，就可实现微控制器与外设进行数据交互。

其中电源输入端在与3.3V电源连接时要加上值为10uH的电感，这样可以滤掉电源中的交流电保护微控制器，同时电源输入端接0.1uf电容接电源地端，防止瞬间电流过大或过小造成系统供电不稳定的问题。

微控制器在系统中的应用电路如图4-2所示。

图4-2STM32F103CBT6微控制器应用电路

4.1.3PM2.5传感器选型以及信号处理

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，直径小于人的头发丝粗细的1/20，也称为可入肺颗粒物。

PM2.5虽然粒径小，但是具有比表面积大的特点，同时具有很强的吸附能力，以及具有输送距离远、停留时间长的特点。

吸附空气中的有毒有害物质，成为空气中细菌、病毒的载体，不仅危害到呼吸、心血管和血液系统，同时还会危机生殖系统，危及胎儿宫内发育。

通过对室内空气中PM2.5来源的探究，室内环境的PM2.5的来源与室外空气中PM2.5的浓度的渗透有很大比重的相关性，然而对于室内人们的活动造成的PM2.5浓度的提升也不容小觑，并且有研究表明，当人们在室内活动强度较大时，例如烹饪、吸烟、办公设备和打扫等活动，其所产生的PM2.5约占室内PM2.5的百分之六十到九十。

通过对PM2.5室内来源以及危害的研究了解，所以在室内空气监测器的设计中对PM2.5的监测是十分有必要的。

本课题关于室内空气监测控制器的设计中针对PM2.5的监测传感器选用了郑州炜盛公司的ZH01气体传感器，其实物如图4-3所示。

图4-3ZH01气体传感器

ZH01气体传感器主要用于检测环境中的粉尘浓度，主要元器件为激光二极管、透镜组和光电监测器。

其工作原理：

内置加热器通电后加热，产生热气流与室内空气形成气流差，外部空气被吸入到传感器模块内，由激光二极管发出的激光，通过透镜组形成一个薄层面光源。

薄层光照射在流经传感器室的待测空气，粉尘会产生散射，通过光电探测器来检测光的散射光强，光电转换器又对信号进行转换，变为电脉冲后就更容易进行测量，然后通过电路放大后，判断粒子的大小和计数。

为了确保传输数据的稳定，需要在ZH01气体传感器和微控制器连接线上加上10K的上拉电阻。

ZH01气体传感器在系统中的应用电路如图4-4所示。

其中Cir1和Cir2为数据引脚，Ctr为控制引脚。

图4-4ZH01气体传感器应用电路

4.1.4甲醛传感器选型以及信号处理

甲醛，化学式为HCHO。

是一种有强烈刺激性气味的无色气体。

甲醛已经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质，是公认的变态反应源，也是潜在的强致突变物之一。

长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病，引起鼻咽癌、结肠癌、脑瘤、月经紊乱、细胞核的基因突变、妊娠综合症、新生儿染色体异常、白血病，引起青少年记忆力和智力下降。

皮肤直接接触甲醛，可以引起皮炎、色斑、坏死等。

人们的新居和办公室等场所都要进行室内装饰和购买家俱，由于装修和家具制造要使用大量人造板材（如胶合板、大芯板、中纤板、刨花板、强化地板和复合木地板等），而生产人造板需大量使用毒性高的甲醛为原料制造的胶粘剂，由于胶粘剂中的甲醛释放期很长，一般长达15年，导致甲醛成为室内空气中的主要污染物，因此设计室内空气监控器监测室内甲醛是很也有必要的。

本课题针对甲醛监测选取的是电化学气体传感器，选取英国Dart Sensors 甲醛传感器，实物如图4-5，这款监测器是一款真正能够精确并连续监测甲醛气体的电化学式传感器，这款传感器的类型是两电极电化学型传感器。

通过扩散原理进行监测，因此该传感器的外部不需要采用任何气泵抽取，也不需要任何气体采样。

该传感器是从呼吸式酒精传感器基础上开发出来的。

适用于绝大多数的温度环境，经实验在-20℃~+50℃的温度环境下监测使用是没有问题的。

图4-5英国Dart Sensors 甲醛传感器

该传感器的工作原理是当室内空气中存在甲醛气体的时候，由于气体在空气中是扩散的，当甲醛气体扩散至传感器内部时，通过与传感器内部的的电解溶液反应，在化学反应过程中产生的生成物会氧化传感器内部工作电极，氧化反应会使传感器内部将产生一股直电流信号，这股直流信号与甲醛浓度成相应的线性关系。

然而，由于该传感器内部没有电源提供电压，当传感器产生这股微弱的直流电流时，控制芯片无法直接处理，需要利用运算放大器放大电路，然后通过外部的数据采集电路将其转变为可读的电压信号，从而实现对室内空气中甲醛浓度的监测。

甲醛传感器的在系统中的应用电路如图4-6所示。

图4-6英国Dart Sensors 甲醛传感器应用电路

4.1.5CO传感器选型以及信号处理

一氧化碳是一种无色透明、无刺激性气味的气体，它是一种对血液与神经系统毒性很强的污染物。

空气中的一氧化碳通过人体的呼吸系统，进入人体血液内，与血液中的血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，一氧化碳与血红蛋白的结合力比氧与血红蛋白的结合力大2百～3百倍。

继而破坏血红蛋白运输氧气的能力，导致人体缺氧窒息死亡。

一氧化碳为煤气的主要组成成分，它的产生是由碳化物的不完全燃烧，常见的一氧化碳中毒事故多为室内煤气泄漏导致，因此在室内空气质量监控器设计中针对一氧化碳的监测是非常必需的。

本课题针对一氧化碳的监测选用的传感器型号为ME2-CO，实物图如图4-7，它是郑州炜盛电子科技有限公司生产的电化学式气体传感器，ME2-CO传感器是由一对正负极和参考电极构成，正负极即是发生氧化（还原）反应的一对电极，参考电极即是监测电极电位变化电极。

该传感器拥有1000ppm的量程，当室内空气一氧化碳含量超过300ppm时，则判断为煤气泄漏，从而进行实时报警。

图4-7ME2-CO传感器

ME2-CO型电化学传感器的工作原理是利用一氧化碳气体在传感器内部电解池中工作电极电位上的氧化还原反应过程产生的电能进而监测一氧化碳含量。

当有一氧化碳进入监控器内部时，一氧化碳与ME2-CO传感器的负极发生氧化反应，形成氢离子和电子两层电离子，电子分布在传感器负极周围，氢离子分布在传感器的电解液中。

当外部电流与传感器的正负极连接时，在电解液中的氢离子接受正极端的电子，电子则由负极流向正极。

一氧化碳与传感器的氧化还原反应产生能量，通过释放电能的方式监测一氧化碳气体浓度，传感器产生微弱的电流，控制芯片无法直接处理，需要通过外部的运放电路将其转变为可读的电压信号，从而实现对室内CO的监测。

ME2-CO型传感器的在系统中的应用电路如图4-8所示。

图4-8ME2-CO型电化学传感器应用电路

4.1.6氨气传感器选型以及信号处理

氨气是高度水溶性、无色、有强烈刺激性的气体，强烈刺激眼睛和黏膜，长期接触特别是掉入或无知觉的情况下处于高化学浓度的区域可引起氨气中毒，氨气是一种易溶的气体，有严重的黏膜刺激作用，因此主要作用部位是上气道。

意外吸入高浓度可引起喉头水肿以致窒息，鉴于对氨气的危害性考虑，于是在室内空气监控器设计中加入了氨气监测模块。

本课题关于氨气的监测传感器选用的是检测精度较高的郑州炜盛电子科技有限公司的ME4-NH3传感器，实物如图4-9ME4-NH3传感器。

图4-9ME4-NH3传感器

ME4-NH3传感器与一氧化碳传感器同为电化学传感器，工作原理相似，在此不再赘述ME4-NH3传感器的工作原理。

ME4-NH3传感器的在系统中的应用电路如图4-10所示。

图4-10ME4-NH3传感器应用电路

4.1.7CH4传感器选型以及信号处理

甲烷化学式为CH4，易燃气体，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源或明火有燃烧爆炸的危险。

甲烷属于微毒类气体在高浓度时因缺氧窒息而引起中毒，空气中达到百分之二十到三十就会出现头晕、呼吸加速、运动失调的症状。

因此在室内空气监控器设计中加入甲烷气体的监测同样是是非常有必要的。

图4-11MJC4/2.8J型催化元件

本课题针对甲烷气体监测选用的是MJC4/2.8J型催化元件，它是郑州炜盛电子科技有限公司生产的根据燃烧相应原理工作的催化原件，实物图如图4-11MJC4/2.8J型催化元件。

MJC4/2.8J型催化元件具有良好的重复性和选择性，响应速度快，工作稳定可靠，并且桥路的输出电压呈线性趋势。

MJC4/2.8J型催化元件主要由补偿元件和涂有催化剂的检测元件配对组成电桥的两个臂，该催化原件的内部结构图如图4-12MJC4/2.8J型催化元件的内部结构图。

图4-12MJC4/2.8J型催化元件的内部结构图

MJC4/2.8J型催化元件是根据燃烧相应原理工作的，当遇到可燃性气体时，检测元件的电阻会升高，从而使桥路输出的电压有所变化，因此产生的电压变化与检测的可燃性气体成正比关系，因此通过电压的这个变化从而检测出空气中的甲烷的浓度。

MJC4/2.8J型传感器的在系统中的应用电路如图4-13所示。

图4-13MJC4/2.8J型催化元件应用电路

4.1.8OLED液晶显示系统

空气质量监测器的显示系统采用的是2.1寸OLED液晶显示屏，有机电激发光二极管无需背光源，同时具有自发光功能能够显著节能省电，可视角广能从多个角度甚至斜侧面看到显示内容，色彩相对LCD、LED显示屏更加丰富、对比度高、反应灵敏应用范围广等优点。

OLED液晶显示系统能够将环境中的各项参数显示........（省略，显示哪些内容具体需要师姐自己写。

无法代替）OLED液晶屏在系统中的应用电路如图4-14所示。

图4-142.1寸OLED液晶显示屏应用电路

4.1.9声光报警系统

空气质量监测器使用无源蜂鸣器作为报警的声源而非采用有缘的蜂鸣器，是因为我们监测的信号量有多个，那么报警信号需要有多个不同的声音，有源蜂鸣器源蜂鸣器只需要加上电源就可以发出声响，而无源蜂鸣器需要需要我们提供不同频率的震荡源。

理想的振荡源就是不同频率的方波，采用无源蜂鸣器的方案，当需要发出不同的声响时可以控制不同频率的方波信号以区别不同监测量。

无源蜂鸣器的振荡源可有微控制器生成，我们可以通过编程控制微控制器的I/O的翻转来控制产生波形信号，不同的频率可以通过微控制器I/O不同的翻转时间来控制。

考虑到距离监测器较远的人们可能听不到蜂鸣器的声响，因此在蜂鸣器发出报警信号的同时，系统还通过一个LED灯闪烁来显示环境中某些参数的超标。

声光报警系统的应用电路如图4-15所示。

图4-15声光报警系统应用电路

4.1.10蓝牙4.0模块和Marvell88W8782WIFI模块结构

空气质量监测器可以再监测环境参数的同时，控制其它外部设备，如：

当检测到空气中有害气体超标时，打开空气净化器。

但是在和其它产品互联时，考虑到其它设备可能有多种多样的连接方式，所以本设备既使用了蓝牙4.0模块又采用了Marvell88W8782WIFI模块，目的是与市场上现有互联产品更好的兼容。

蓝牙4.0是目前最新的蓝牙版本，较之前的蓝牙3.0更省电、成本更低、响应速度更快、连接距离更长、AES-128加密等功能。

我们采用的是蓝牙4.0串口模块，即连接到微控制器的串口引脚，而微控制器可以通过串口下载程序，即空气质量监测器可以通过应用软件对微控制器实现蓝牙无线下载，同时空气质量监测器还可以连接其它蓝牙设备。

蓝牙4.0的应用电路如图4-16所示。

Marvell88W8782WIFI模块可以使监测器连接到局域网上，在同一局域网内，可以向其它的连入设备发送监测数据，并且可以把数据发送到后台服务器为用户提供更加便捷的服务。

Marvell88W8782WIFI模块的应用电路如图4-17所示。

图4-16蓝牙4.0模块应用电路

图4-17Marvell88W8782WIFI模块应用电路