基于单片机的室内空气质量检测系统设计开题报告

本科毕业论文设计开题报告题目：基于单片机的室内空气质量检测系统设计

学院：信息工程学院

专业：自动化

年级：10级

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一选题的理论和实际意义

高层写字楼等大型场所几乎完全与外界隔离，空气中微量气体多达168种，绝大多数属污染物，人们长期处于这种密闭环境中，极容易因缺氧而头晕、胸闷、恶心等。其中影氧气浓度直接影响人们的生存质量。甚至到了晚上很多写字楼仍然有些人在加班加点的奋斗，繁重的工作已经使他们没有喘息的机会，再加上在他们自以为还不错的环境里工作，对他们的身体可谓双重打击。常常听到这样的例子，某某某在某某大型公司上班，钱是赚了不少，可是身体却垮了。身体乃革命的本钱，不管我们为了生活如何奔波，都必须要保证有一个健康的体魄。所以，对我们来说，设计空气质量检测与调控系统，是十分迫切的也是十分有必要的。

室内空气品质（IAQ）在健康方面的影响：美国环保署(EPA)调查表明:在美国，IAQ问题是有关全民健康的首要问题之一，受其影响的美国人口多达3000万，造成的经济损失超过了400亿美元/年，这些数字令人触目惊心[1]；加拿大卫生组织调查表明：68%的疾病与室内环境污染有关，其中80%~90%的癌症与居住环境和生活习惯有关;英国科学家汉密尔顿测验了220名英国人血液中60种化学元素的平均含量，发现其与地壳中这些元素的含量分布相当;湖南省相关部门对空气污染区及清洁区9-10岁儿童为调查对象，研究空气污染对儿童免疫力的影响，结果显示:污染区儿童的免疫能力仅为清洁区儿童免疫能力的1/3;据统计，我国每年有11万人因IAQ不好而导致死亡; 从我国“室内环境监测中心”对IAQ监测力度越来越大的趋势也可以看出，此问题在我国也是越来越严重。

我们要通过课题的研究摆脱这种困境，我们的研究可以使你处在一个完全无污染纯健康的环境，这就是我们的目的。在已经学习了控制原理、检测及单片机等相关课程，为该项目的研究提供了理论基础。同时本课题已经获得辽宁省大创项目立项，已经具备了一定的前期基础。室内智能空气品质监测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量。

二课题研究的基本内容

本课题主要集中在IAQ的监测、显示、报警三个方面。本文内容安排如下:

第一章:室内空气品质监测课题的提出及意义，介绍国内外的研究状况及确定总体方案。

第二章:监测系统的具体方案的选择(1)确定监测对象:选择有代表性的监测对象是进行下一步研究的关键;(2)布置采样点:根据选用的传感器的特点，及待测指标的精度要求布置传感器;(3)数据的显示及报警控制系统。

第三章与第四章:室内空气品质监测仪的各个硬件模块的设计，介绍在室内空气品质实验装置基础上设计的具有实际应用价值的室内空气品质监控系统的硬件与软件组成。

第五章:整个系统的仿真调试。

第六章:总结本文研究工作以及在研究方面存在的不足，提出了进一步研究的展望。

三总体设计方案

室内甲醛，苯，氨气等气体对人身体健康影响较大，设计集监测、显示、报警于一体基于单片机的空气质量检测仪，并且测试范围、分辨率、精度、稳定性已接近标准要求。因此本设计可选用气体传感器组，通过检测放大电路和放大倍数的调整经A/D转换后送单片机；由单片机现场自动控制检测并显示甲醛浓度和苯，氨气等主要参数。

主要原理图如下：

四课题研究的重点与难点

室内空气品质测试指标的选定，室内污染物种类繁多，不可能逐一测量，研究的思路是用一个典型的污染物来代表一类污染物，这种污染物称为评价指标。此外，室内空气品质是一个综合性的指标，要考虑多方面的因子，借鉴目前国内外常用的IAQ监测指标，本课题的监测指标订为温度，湿度，甲醛，苯，氨气五个参量。

五国内外研究现状

气体传感器测定甲醛成为近年来甲醛检测研究的新热点。早在1983年，压电类甲醛传感器就已问世。这种传感器可以不需要对样品进行任何处理就可以测定，但易受水分子的影响而使晶体震动频率发生漂移，故基本无实用性。为适应室内空气甲醛现场快速检测的要求，目前已开发出不少甲醛快速测定仪，这些仪器可直接在现场测定甲醛浓度，操作方便，适用于室内和公共场所空气中甲醛浓度的现场测定，也适用于环境测试舱法测定木质板材中的甲醛释放量。但这些仪器的工作原理、响应性能、适应范围等都不同。

在测试甲醛、苯等害气体方面，国外比较出名的有:美国ESC公司生产的Z 一300甲醛检测仪、英国PPM公司生产的PPM-400甲醛检测仪;国内的有:江苏安普电子工程有限公司生产的400型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪抑一308等。

这些仪器可实现对有害气体的检测功能，适用于专业检测机构或实验研究机构。准确测定甲醛、苯、氨等有害气体的设备昂贵(如英国PPM公司生产的PPM400甲醛仪约两万多元)，测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定，需要专业人员进行操作，很难连续测定；目前国内外产品的设计差异主要集中在监测传感器和控制单片机芯片的选用，操作方面国外的产品操作界面方便，功能加完备。

六参考文献

[1]沈晋明,等.室内空气品质的新定义与新风直接入室的实验测试[J].暖通空调,1995(6).16~18.

[2]. 谢明,陈德荣,李锦忠.基于AT89C55WD单片机的空气质量监控系统[J].工业控制计算机.2004(10)

[3]. 邵欣.基于STC89C58RD+单片机的空气质量检测系统[J].信息通信.2013(0 6)

[4]. 罗亚萍;王忠庆;岳晓东.基于AT89C52单片机的室内有害气体监控系统[J].山西电子技术.2011

[5]. 周姣;蒋求生.SCA100T角度传感器在角度测量系统中的设计[J].科技风.2 009(11)

[6] 孙育才,王荣兴,孙华芳编著.ATMEL新型AT89S52系列单片机及其应用[M]. 清华大学出版社,

2005

[7] 李全利主编.单片机原理及应用技术[M]. 高等教育出版社, 2004

[8] 罗亚萍,王忠庆,岳晓东. 基于AT89C52单片机的室内有害气体监控系统[J]. 山西电子技术.2011 [8] 褚家美. 无线传感器网络的硬件设计[J]. 南京师范大学学报(工程技术版). 2010(04)

[9]. 郭龙钢;方明.无线数字传输技术在煤矿生产中的应用[J].煤矿机电.2007 (06)

[10] 钟世红,叶顺华,王历先,等.基于单片机的空气质量检测系统设计[J].科技广场,2009(7):169- 171

[11]王俊峰，孟令启$现代传感器应用技术[M]北京：机械工业出版社.2006

[12] 汪胜辉,刘波峰.基于无线传感器网络的空气质量监测站的设计[J].电子工程师, 2007, 33(7): 12 -13.

[13] Sores L.. Recent developments in database management and standar disation in the GEOMIND project. [J].Geophysical Transactions,2011,45 (4)

[14] Kelly Denise Lewis. Student performance evaluation package using

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[15] Homam Al Bahnassi. Real-Time Motion Planning and Simulation of C ranes in Construction. [M].Concordia University (Canada),2010

[16] Chiang. A CMOS optical-comparator-based velocity and direction m otion sensor. [J].2013

文献综述

一引言

甲醛是一种无色，有强烈刺激性气味的气体。易溶于水、醇和醚。甲醛在常温下是气态，通常以水溶液形式出现。其37%的水溶液称为福尔马林，医学和科研部门常用于标本的防腐保存。此溶液沸点为19.5℃故在室温时极易挥发，随着温度的上升甲醛的挥发速度加快。[4]在我国有毒化学品优先控制名单中甲醛列居第二位。甲醛已被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质。甲醛是原浆毒物，能与蛋白质结合，吸入高浓度甲醛后会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，也可发生支气管哮喘皮肤直接接触甲醛，可引起皮炎、色斑、坏死。经常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出现粘膜充血、皮肤刺激症、过敏性皮炎、指甲角化和脆弱等。全身症状有头痛、乏力、心悸、失眠、体重减轻以及植物神经紊乱等。

天然气、液化天然气（俗称煤气罐）是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。天然气在燃烧过程中产生的能影响人类呼吸系统健康的物质极少，产生的二氧化碳仅为煤的40%左右，产生的二氧化硫也很少。天然气易燃易爆和空气混合后，温度达到550℃左右就会燃烧；其混合物浓度达到5%－15%，遇到火种就会爆炸。天然气热值高，约8500－10000千卡/米3，天然气燃烧后发出的热量是相同体积的城市煤气的2.5倍左右。[4]

室内的环境除了气体对其有影响，合适的温度和湿度也是极其必要的。没有合适的温湿度室内会存在各种细菌，从而影响人体健康。当然氧气的含量也是必须控制在一定范围里的，所以说，要保持室内环境健康，我们还必须做出更大的努力，是的室内检测更加全面。

二研究背景

随着城市人们生活水平的不断提高，各类装饰装修材料、家具和日用化妆品大量进入室内，使室内污染物的来源和种类日益增多，造成室内空气污染程度在室外空气污染的基础上更加重了一层。为了节约能源现代建筑物的密闭性增加，新风量不足，加上建筑的密闭性越来越好，使用的人工合成材料越来越多，

使得室内污染物不能及时排除室外，在室内存储、蓄积，造成室内空气恶化。人们在人工环境中所处的时间越来越长，结果引发了各种与室内环境相关的病症。所谓“凶宅”、“鬼屋”或“风水不好”的房屋，不少是积累了大量有毒有害物质的缘故[8]。

在20世纪70年代末期，认为IAQ代表一系列污染物浓度的指标，采用通风换气等手段稀释污染物浓度，使危害降低;近几年研究表明，IAQ还包含其它因素，如空气温度、湿度、及气流速度等，同时注意到IAQ是一个变量，涉及到设计、施工、和运行管理等多专业、多学科。污染源控制属于起点控制，而通风换气控制属于终点控制，每种单一的控制都不能解决目前的IAQ问题，因此IAQ成为现代建筑科学、医学卫生、建筑环境工程、建筑设计等诸方面的研究课题[9]。

三国内外研究现状

气体传感器测定甲醛成为近年来甲醛检测研究的新热点。早在1983年，压电类甲醛传感器就已问世。这种传感器可以不需要对样品进行任何处理就可以测定，但易受水分子的影响而使晶体震动频率发生漂移，故基本无实用性。为适应室内空气甲醛现场快速检测的要求，目前已开发出不少甲醛快速测定仪，这些仪器可直接在现场测定甲醛浓度，操作方便，适用于室内和公共场所空气中甲醛浓度的现场测定，也适用于环境测试舱法测定木质板材中的甲醛释放量。但这些仪器的工作原理、响应性能、适应范围等都不同。[1]

在测试甲醛、苯等害气体方面，国外比较出名的有:美国ESC公司生产的Z 一300甲醛检测仪、英国PPM公司生产的PPM-400甲醛检测仪;国内的有:江苏安普电子工程有限公司生产的400型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪抑一308等。[4]

这些仪器可实现对有害气体的检测功能，适用于专业检测机构或实验研究机构。准确测定甲醛、苯、氨等有害气体的设备昂贵(如英国PPM公司生产的PPM400甲醛仪约两万多元)，测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定，需要专业人员进行操作，很难连续测定；目前国内外产品的设计差异主要集中在监测传感器和控制单片机芯片的选用，操作方面国外的产品操作界面方便，功能加完备。

四室内空气检测器的核心功能部件

1传感器

其中涉及温湿度传感器，有害气体传感器，氧气传感器还有无线传感器，用来检测室内各种指标。

2 信号处理

即处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路(包括放大、滤波、整形等)。

3 A/D转换器

即模拟电路与数字电路相互转换。

4 报警电路设置

相应的检测物指标没有达到要求时系统自动发生警报。

5 单片机电路

即利用单片机控制整个装置的核心（包括显示电路，时钟电路、复位电路等）。[7]

五系统硬件结构及原理

本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以ATMEL工公司的一款8位超低功耗单片机AT89S52为控制核心，系统结构如图所示。室内空气中有害气体甲醛、苯、氨分别通过传感器组中的传感器1、传感器2、传感器3输出一个与甲醛、苯、氨浓度相对应的电流信号,该信号经过放大滤波后通过多路转换器分时间段进行采样保持,最后经过A/D转换电路按一定得采样频率将模拟信号转换为数字信号送入单片机进行数据采集以便进行显示处理，温湿传感器直接与单片机相连。单片机对采样值进行数字处理后驱动液晶显示器分别显示出被测室内空气中的甲醛、苯、氨的浓度值及温湿度。若被测室内空气中甲醛、苯、氨的浓度某种有超过国家标准或设定的危险值时报警电路对应的发出声光报警信号。

[3]

系统结构图

AT89S52芯片

六小结

本设计主要是AT89S系列单片机在室内空气检测系统中的应用。基于单片机的空气质量检测系统可以在工业现场实时检测工业目标气体浓度，并完成数据采集、分析、显示、存储、报警等任务，具有操作简便、检测快速和便携性强的特点。通过单片机最小系统实现了空气的测量系统，由传感器采集到脉冲信号，经过信号的放大、滤波和整形电路将输出的信号通过单片机的外部中断获取并最终显示出来。利用单片机自身的功能检测室内空气的各种指标。本次所设计的测量仪系统实现简单、功能稳定、使用方便，应用广泛，具有实际意义。