基于51單片機(jī)的室內(nèi)空氣檢測(cè)文獻(xiàn)綜述

1、福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）文獻(xiàn)綜述 題 目： 基于單片機(jī)的室內(nèi)空氣 質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名： 陳志勇 學(xué) 號(hào)： 系 別： 電氣工程及其自動(dòng)化 專 業(yè)： 自動(dòng)化 年 級(jí)： 2011級(jí) 指導(dǎo)教師： （簽名） 年 月 日1、研究背景與意義全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)水平的提高，人類所面臨的大氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，空氣質(zhì)量的好壞受到越來(lái)越多的關(guān)注。隨著生活水平的提高、居住條件的改善，人們對(duì)生活環(huán)境質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，擁有一個(gè)健康無(wú)污染的室內(nèi)環(huán)境就成為很多人的共同愿望。特別是近幾年，國(guó)內(nèi)各大城市對(duì)PM2.5持續(xù)居高不下，這引起了廣泛的關(guān)注。而對(duì)于室內(nèi)環(huán)境來(lái)說(shuō)，工業(yè)排放的可吸附顆粒物、裝修房間排

2、放的甲醛、及廚房排放的油煙等是其污染的主要來(lái)源。這些煙塵、甲醛等有害物質(zhì)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常的標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了人們的身體健康。信息技術(shù)的發(fā)展改變了人們?nèi)粘＾k公的方式和環(huán)境，更多的人可以選擇在室內(nèi)完成一天的工作。尤其是生活在城市中的群體，有一半以上的時(shí)間都是在室內(nèi)環(huán)境中度過(guò)。在這種環(huán)境下，即使空氣中的污染物的濃度不太高，長(zhǎng)期處在室內(nèi)并呼吸受到污染過(guò)的空氣，健康也勢(shì)必會(huì)受到影響，污染空氣帶來(lái)的傷害也是無(wú)法估量的。有時(shí)，室內(nèi)污染比室外污染更加嚴(yán)重，因此對(duì)室內(nèi)空氣污染的預(yù)防與治理具有重大意義，它直接影響到人們的生活環(huán)境和身體健康。事實(shí)上，人類超過(guò)一半的疾病都是由于空氣污染造成的，全世界每年死于空氣污染

3、的人數(shù)以數(shù)百萬(wàn)計(jì)。因此，近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到改善空氣質(zhì)量的重要性。一方面，控制污染源，減少污染物的產(chǎn)生；另一方面，采取措施，減少已存在的污染物。解決室內(nèi)環(huán)境的污染問(wèn)題，有很多種方法可以選擇。因此，本文采用靜電式來(lái)凈化室內(nèi)空氣，一定程度上可以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠檢測(cè)空氣環(huán)境質(zhì)量，比如溫度、濕度，更重要的是能檢測(cè)空氣中摻雜的一定濃度粉塵、煙霧、甲醛等雜質(zhì)氣體，當(dāng)濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，并啟動(dòng)高壓靜電模塊，將這些雜質(zhì)顆粒吸附在高壓靜電的極板上。2 研究動(dòng)態(tài)氣體傳感器測(cè)定甲醛成為近年來(lái)甲醛檢測(cè)研究的新熱點(diǎn)。早在1983年，壓電類甲醛傳感器就已問(wèn)世。這種傳感器可以不需要對(duì)樣品進(jìn)行任何處

4、理就可以測(cè)定，但易受水分子的影響而使晶體震動(dòng)頻率發(fā)生漂移，故基本無(wú)實(shí)用性。為適應(yīng)室內(nèi)空氣甲醛現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的要求，目前已開發(fā)出不少甲醛快速測(cè)定儀，這些儀器可直接在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定甲醛濃度，操作方便，適用于室內(nèi)和公共場(chǎng)所空氣中甲醛濃度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，也適用于環(huán)境測(cè)試艙法測(cè)定木質(zhì)板材中的甲醛釋放量。但這些儀器的工作原理、響應(yīng)性能、適應(yīng)范圍等都不同。在測(cè)試甲醛、苯等害氣體方面，國(guó)外比較出名的有:美國(guó)ESC公司生產(chǎn)的Z一300甲醛檢測(cè)儀、英國(guó)PPM公司生產(chǎn)的PPM-400甲醛檢測(cè)儀;國(guó)內(nèi)的有:江蘇安普電子工程有限公司生產(chǎn)的400型甲醛分析儀、北京賓達(dá)綠創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的甲醛測(cè)定儀抑一308等。這些儀器可實(shí)現(xiàn)對(duì)有害

5、氣體的檢測(cè)功能，適用于專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)研究機(jī)構(gòu)。準(zhǔn)確測(cè)定甲醛、苯、氨等有害氣體的設(shè)備昂貴(如英國(guó)PPM公司生產(chǎn)的PPM400甲醛儀約兩萬(wàn)多元)，測(cè)定時(shí)間較長(zhǎng)，每隔一段時(shí)間就需進(jìn)行重新標(biāo)定，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，很難連續(xù)測(cè)定；目前國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的設(shè)計(jì)差異主要集中在監(jiān)測(cè)傳感器和控制單片機(jī)芯片的選用，操作方面國(guó)外的產(chǎn)品操作界面方便，功能加完備。3 設(shè)計(jì)方案通過(guò)51單片連接空氣質(zhì)量傳感器、灰塵傳感器、溫濕度傳感器塊、電源模塊、按鍵模塊以及高壓靜電模塊和報(bào)警模塊來(lái)控制處理以上的問(wèn)題，大體框圖如下： 3.1單片機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域如過(guò)

6、程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用，從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、自動(dòng)化程度大大提高。根據(jù)上述幾方面及本課題的實(shí)際情況，單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮:一是要有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于一般室內(nèi)電子電器產(chǎn)品比較多，這對(duì)單片機(jī)的干擾較大，所以應(yīng)采用抗干擾性能較好的單片機(jī)機(jī)型。二是要有較高的性價(jià)比。由于高度的通用性和出色的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用宏晶公司產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)的STC90C51作為控制器。片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引

7、腳。它集Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程(ISP)也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域如過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用，從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、自動(dòng)化程度大大提高。根據(jù)上述幾方面及本課題的實(shí)際情況，單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮:一是要有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于一般室內(nèi)電子電器產(chǎn)品比較多，這對(duì)單片機(jī)的干擾較大，所以應(yīng)采用抗干擾性能較好的單片機(jī)機(jī)型。二是要有較高的性價(jià)比。由于高度的通用

8、性和出色的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用宏晶公司產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)的STC90C51作為控制器。片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程(ISP)也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。STC90C51主要性能參數(shù)：1、 與MCS.51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容2、 4k字節(jié)在系統(tǒng)編程(ISP)Flash閃速存儲(chǔ)器3、 1000次擦寫周期4、 4.0-5.5V的工作電壓范圍5、 全

9、境態(tài)工作模式：0Hz-33MHz6、 三級(jí)程序加密鎖7、 1288字節(jié)內(nèi)部RAM8、 32個(gè)可編程IO口線9、 2個(gè)16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器 圖2-1 STC90C51引腳布置3.1.1時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路由一個(gè)晶體振蕩器12MHZ和兩個(gè)30pF的瓷片電容組成。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互關(guān)系。單片機(jī)本身就如一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地工作。其電路如圖2-2所示：圖2-2 時(shí)鐘電路模塊3.1.2復(fù)位電路模塊復(fù)位電路是使單片機(jī)的CPU或系統(tǒng)中的其他部件處于某一確定的初始狀態(tài)，并從這狀態(tài)開始工

10、作，除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位電路以重新啟動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用的是按鍵復(fù)位電路。其電路如圖2-3所示：圖2-3 復(fù)位電路模塊下面介紹一下數(shù)字溫濕度傳感器模塊，灰塵傳感器模塊，顯示模塊以及靜電除塵裝置：3.2.1 數(shù)字溫濕度傳感器模塊本設(shè)計(jì)采用的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、

11、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。DHT11傳感器實(shí)物圖2、引腳說(shuō)明 引腳號(hào) 引腳名稱 類型 引腳說(shuō)明 1 VCC 電源 正電源輸入，3V-5.5V DC 2 Dout 輸出 單總線，數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳 3 NC 空 空腳，擴(kuò)展未用 4 G

12、ND 地 電源地 3、電源引腳DHT11的供電電壓為35.5V。傳感器上電后，要等待 1s 以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè)100nF 的電容，用以去耦濾波。4、串行接口(單線雙向)DATA 用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右, 用戶MCU發(fā)送一次開始信號(hào)后,DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集,用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù).從模式下,DHT11接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào),

13、DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集.采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。3.2.2灰塵傳感器模塊灰塵傳感器是用光學(xué)方法測(cè)量懸浮于氣相介質(zhì)或者液相介質(zhì)中的微小微粒特性的傳感器裝置，具有光測(cè)技術(shù)非接觸式測(cè)量、不擾動(dòng)被測(cè)對(duì)象等特點(diǎn)?；覊m傳感器的特性：灰塵傳感器可以感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉,房屋粉塵等1微米以上的微小粒子;體積小,重量輕,便于安裝;5V的輸入電路,便于信號(hào)處理;內(nèi)藏氣流發(fā)生器,可以自行吸引外部大氣;灰塵傳感器保養(yǎng)簡(jiǎn)單,可以長(zhǎng)期保持傳感器的特性.灰塵傳感器的原理微粒和分子在光的照射下會(huì)產(chǎn)生光的散射現(xiàn)象，與此同時(shí)，還吸收部分照射光的能量。當(dāng)一束平行單色光入射到被測(cè)顆粒場(chǎng)時(shí)，會(huì)受到顆粒周圍散射和吸收的影

14、響，光強(qiáng)將被衰減。如此一來(lái)便可求得入射光通過(guò)待測(cè)濃度場(chǎng)的相對(duì)衰減率。而相對(duì)衰減率的大小基本上能線性反應(yīng)待測(cè)場(chǎng)灰塵的相對(duì)濃度。光強(qiáng)的大小與經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)強(qiáng)弱成正比，通過(guò)測(cè)得電信號(hào)就可以求得相對(duì)衰減率。 灰塵傳感器的應(yīng)用灰塵傳感器被廣泛應(yīng)用于大氣測(cè)量、火災(zāi)、煙氣測(cè)量及工業(yè)鍋爐、窯爐、化工廠排煙測(cè)量等領(lǐng)域。也可以用于各種布袋除塵器的破損檢測(cè)及各種類型除塵器除塵效率的測(cè)量，為這些領(lǐng)域的自動(dòng)化控制提供可靠的信號(hào)。 灰塵傳感器的主要參數(shù)1、光學(xué)原理，能夠探測(cè)1微米以上的粉塵粒子；2、兩種輸出模式，解決不同靈敏度使用要求，潔凈環(huán)境Vout輸出高電平信號(hào)（4V）；3、5VDC供電； 4、探測(cè)粒子范圍：最大

15、到8000pcs/283ml（1um以上粒子）；DSM501灰塵傳感器 主要參數(shù)：1、光學(xué)原理，能夠探測(cè)1微米以上的粉塵粒子；2、兩種輸出模式，解決不同靈敏度使用要求，潔凈環(huán)境Vout輸出高電平信號(hào)（4V）；3、5VDC供電；4、探測(cè)粒子范圍：最大到15000pcs/283ml（1um以上粒子）；3.2.3 顯示模塊LPH7366 是NOKIA 公司生產(chǎn)的可用于其5110、6150，6100 等系列移動(dòng)電話的液晶顯示模塊，國(guó)內(nèi)廠家也生產(chǎn)有類似的兼容產(chǎn)品。該產(chǎn)品除應(yīng)用于移動(dòng)電話外，也可廣泛應(yīng)用于各類便攜式設(shè)備的顯示系統(tǒng)。與其它類型的產(chǎn)品相比，該模塊具有以下特點(diǎn)：84x48 的點(diǎn)陣LCD，可以顯示

16、4 行漢字，采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，接口信號(hào)線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號(hào)線僅有9 條。支持多種串行通信協(xié)議（如AVR 單片機(jī)的I、MCS51 的串口模式等），傳輸速率高達(dá)4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無(wú)等待時(shí)間?？赏ㄟ^(guò)導(dǎo)電膠連接模塊與印制版，而不用連接電纜，用模塊上的金屬鉤可將模塊固定到印制板上，因而非常便于安裝和更換。LCD 控制器驅(qū)動(dòng)器芯片已綁定到LCD 晶片上，模塊的體積很小。采用低電壓供電，正常顯示時(shí)的工作電流在200A 以下，且具有掉電模式。LPH7366 的這些特點(diǎn)非常適合于電池供電的便攜式通信設(shè)備和測(cè)試設(shè)備中3.2.4 靜電除塵裝置靜電除塵器的工作原理：含有

17、粉塵顆粒的氣體，在接有高壓直流電源的陰極線(又稱電暈極)和接地的陽(yáng)極板之間所形成的高壓電場(chǎng)通過(guò)時(shí)，由于陰極發(fā)生電暈放電、氣體被電離。 靜電除塵技術(shù)靜電除塵器的工作原理：含有粉塵顆粒的氣體，在接有高壓直流電源的陰極線(又稱電暈極)和接地的陽(yáng)極板之間所形成的高壓電場(chǎng)通過(guò)時(shí)，由于陰極發(fā)生電暈放電、氣體被電離，此時(shí)，帶負(fù)電的氣體離子，在電場(chǎng)力的作用下，向陽(yáng)板運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中與粉塵顆粒相碰，則使塵粒荷以負(fù)電，荷電后的塵粒在電場(chǎng)力的作用下，亦向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，到達(dá)陽(yáng)極后，放出所帶的電子，塵粒則沉積于陽(yáng)極板上，而得到凈化的氣體排出防塵器外。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)常見的靜電除塵器型式可概略地分為以下幾類：按氣流方向分為立式和臥

18、式，按沉淀極極型式分為板式和管式，按沉淀極板上粉塵的清除方法分為干式濕式等。簡(jiǎn)圖如下：靜電除塵器的優(yōu)點(diǎn) 凈化效率高，能夠鋪集0.01微米以上的細(xì)粒粉塵。在設(shè)計(jì)中可以通過(guò)不同的操作參數(shù)，來(lái)滿足所要求的凈化效率。 阻力損失小，一般在20毫米水柱以下，和旋風(fēng)除塵器比較，即使考慮供電機(jī)組和振打機(jī)構(gòu)耗電，其總耗電量仍比較小。 允許操作溫度高，如SHWB型電路塵器最好允許操作溫度250，其他類型還有達(dá)到350400或者更高的。 處理氣體范圍量大。 可以完全實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)控制。電除塵器的缺點(diǎn): 設(shè)備比較復(fù)雜，而且電壓較高，使用時(shí)要一定的危險(xiǎn)。 對(duì)粉塵比電阻有一定要求，所以對(duì)粉塵有一定的選擇性，不能使所有粉塵都的獲得很高的凈化效率。 受氣體溫、溫度等的操作條件影響較大，同是一種粉塵如在不同溫度、濕度下操作，所得的效果不同，有的粉塵在某一個(gè)溫度、濕度下使用效果很好，而在另一個(gè)溫度、濕度下由于粉塵電阻的變化幾乎不能使用電除塵器了。 參考文獻(xiàn)：1 余永權(quán)單片機(jī)原理及應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社，1998.12 2 余錫存、曹國(guó)華單片機(jī)原理及接口技術(shù)M第二版西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.12 3 諸邦田電子電路實(shí)用抗干擾技術(shù)M北京：人民郵電出版社，199