1、福州大學(xué)至誠學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）文獻綜述 題 目： 基于單片機的室內(nèi)空氣 質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 姓 名： 陳志勇 學(xué) 號： 系 別： 電氣工程及其自動化 專 業(yè)： 自動化 年 級： 2011級 指導(dǎo)教師： （簽名） 年 月 日1、研究背景與意義全球經(jīng)濟的快速發(fā)展和工業(yè)水平的提高，人類所面臨的大氣污染問題日益嚴(yán)峻，空氣質(zhì)量的好壞受到越來越多的關(guān)注。隨著生活水平的提高、居住條件的改善，人們對生活環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高，擁有一個健康無污染的室內(nèi)環(huán)境就成為很多人的共同愿望。特別是近幾年，國內(nèi)各大城市對PM2.5持續(xù)居高不下，這引起了廣泛的關(guān)注。而對于室內(nèi)環(huán)境來說，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源。這些煙塵、甲醛等有害物質(zhì)的含量遠遠超出了正常的標(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，有一半以上的時間都是在室內(nèi)環(huán)境中度過。在這種環(huán)境下，即使空氣中的污染物的濃度不太高，長期處在室內(nèi)并呼吸受到污染過的空氣，健康也勢必會受到影響，污染空氣帶來的傷害也是無法估量的。有時，室內(nèi)污染比室外污染更加嚴(yán)重，因此對室內(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。事實上，人類超過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)百萬計。因此，近年來，人們越來越意識到改善空氣質(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)境的污染問題，有很多種方法可以選擇。因此，本文采用靜電式來凈化室內(nèi)空氣，一定程度上可以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。該設(shè)計系統(tǒng)能夠檢測空氣環(huán)境質(zhì)量，比如溫度、濕度，更重要的是能檢測空氣中摻雜的一定濃度粉塵、煙霧、甲醛等雜質(zhì)氣體，當(dāng)濃度超過設(shè)定值時進行報警，并啟動高壓靜電模塊，將這些雜質(zhì)顆粒吸附在高壓靜電的極板上。2 研究動態(tài)氣體傳感器測定甲醛成為近年來甲醛檢測研究的新熱點。早在1983年，壓電類甲醛傳感器就已問世。這種傳感器可以不需要對樣品進行任何處

4、理就可以測定，但易受水分子的影響而使晶體震動頻率發(fā)生漂移，故基本無實用性。為適應(yīng)室內(nèi)空氣甲醛現(xiàn)場快速檢測的要求，目前已開發(fā)出不少甲醛快速測定儀，這些儀器可直接在現(xiàn)場測定甲醛濃度，操作方便，適用于室內(nèi)和公共場所空氣中甲醛濃度的現(xiàn)場測定，也適用于環(huán)境測試艙法測定木質(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。在測試甲醛、苯等害氣體方面，國外比較出名的有:美國ESC公司生產(chǎn)的Z一300甲醛檢測儀、英國PPM公司生產(chǎn)的PPM-400甲醛檢測儀;國內(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、北京賓達綠創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的甲醛測定儀抑一308等。這些儀器可實現(xiàn)對有害

5、氣體的檢測功能，適用于專業(yè)檢測機構(gòu)或?qū)嶒炑芯繖C構(gòu)。準(zhǔn)確測定甲醛、苯、氨等有害氣體的設(shè)備昂貴(如英國PPM公司生產(chǎn)的PPM400甲醛儀約兩萬多元)，測定時間較長，每隔一段時間就需進行重新標(biāo)定，需要專業(yè)人員進行操作，很難連續(xù)測定；目前國內(nèi)外產(chǎn)品的設(shè)計差異主要集中在監(jiān)測傳感器和控制單片機芯片的選用，操作方面國外的產(chǎn)品操作界面方便，功能加完備。3 設(shè)計方案通過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警模塊來控制處理以上的問題，大體框圖如下： 3.1單片機系統(tǒng)簡介隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，單片機因具有集成度高、體積小、速度快、價格低等特點而在許多領(lǐng)域如過

6、程控制、數(shù)據(jù)采集、機電一體化、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、自動化程度大大提高。根據(jù)上述幾方面及本課題的實際情況，單片機型號的選擇主要從以下兩點考慮:一是要有較強的抗干擾能力。由于一般室內(nèi)電子電器產(chǎn)品比較多，這對單片機的干擾較大，所以應(yīng)采用抗干擾性能較好的單片機機型。二是要有較高的性價比。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只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引

7、腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程(ISP)也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，可提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，單片機因具有集成度高、體積小、速度快、價格低等特點而在許多領(lǐng)域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機電一體化、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、自動化程度大大提高。根據(jù)上述幾方面及本課題的實際情況，單片機型號的選擇主要從以下兩點考慮:一是要有較強的抗干擾能力。由于一般室內(nèi)電子電器產(chǎn)品比較多，這對單片機的干擾較大，所以應(yīng)采用抗干擾性能較好的單片機機型。二是要有較高的性價比。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只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程(ISP)也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，可提供許多高性價比的應(yīng)用場合，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、 三級程序加密鎖7、 1288字節(jié)內(nèi)部RAM8、 32個可編程IO口線9、 2個16位定時器計數(shù)器 圖2-1 STC90C51引腳布置3.1.1時鐘電路時鐘電路由一個晶體振蕩器12MHZ和兩個30pF的瓷片電容組成。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關(guān)系。單片機本身就如一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格地工作。其電路如圖2-2所示：圖2-2 時鐘電路模塊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，除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位電路以重新啟動。本設(shè)計采用的是按鍵復(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期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。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、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。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傳感器實物圖2、引腳說明 引腳號 引腳名稱 類型 引腳說明 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 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個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,一次通訊時間4ms左右, 用戶MCU發(fā)送一次開始信號后,DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機開始信號結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號,送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號采集,用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù).從模式下,DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號,

13、DHT11不會主動進行溫濕度采集.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，具有光測技術(shù)非接觸式測量、不擾動被測對象等特點?；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)簡單,可以長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產(chǎn)生光的散射現(xiàn)象，與此同時，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顆粒場時，會受到顆粒周圍散射和吸收的影

14、響，光強將被衰減。如此一來便可求得入射光通過待測濃度場的相對衰減率。而相對衰減率的大小基本上能線性反應(yīng)待測場灰塵的相對濃度。光強的大小與經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電信號強弱成正比，通過測得電信號就可以求得相對衰減率。 灰塵傳感器的應(yīng)用灰塵傳感器被廣泛應(yīng)用于大氣測量、火災(zāi)、煙氣測量及工業(yè)鍋爐、窯爐、化工廠排煙測量等領(lǐng)域。也可以用于各種布袋除塵器的破損檢測及各種類型除塵器除塵效率的測量，為這些領(lǐng)域的自動化控制提供可靠的信號。 灰塵傳感器的主要參數(shù)1、光學(xué)原理，能夠探測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（4V）；3、5VDC供電； 4、探測粒子范圍：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（4V）；3、5VDC供電；4、探測粒子范圍：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 等系列移動電話的液晶顯示模塊，國內(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：84x48 的點陣LCD，可以顯示

16、4 行漢字，采用串行接口與主處理器進行通信，接口信號線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號線僅有9 條。支持多種串行通信協(xié)議（如AVR 單片機的I、MCS51 的串口模式等），傳輸速率高達4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時間。可通過導(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，正常顯示時的工作電流在200A 以下，且具有掉電模式。LPH7366 的這些特點非常適合于電池供電的便攜式通信設(shè)備和測試設(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)和接地的陽極板之間所形成的高壓電場通過時，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)和接地的陽極板之間所形成的高壓電場通過時，由于陰極發(fā)生電暈放電、氣體被電離，此時，帶負(fù)電的氣體離子，在電場力的作用下，向陽板運動，在運動中與粉塵顆粒相碰，則使塵粒荷以負(fù)電，荷電后的塵粒在電場力的作用下，亦向陽極運動，到達陽極后，放出所帶的電子，塵粒則沉積于陽極板上，而得到凈化的氣體排出防塵器外。根據(jù)目前國內(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。簡圖如下：靜電除塵器的優(yōu)點 凈化效率高，能夠鋪集0.01微米以上的細粒粉塵。在設(shè)計中可以通過不同的操作參數(shù)，來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，即使考慮供電機組和振打機構(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，其他類型還有達到350400或者更高的。 處理氣體范圍量大。 可以完全實現(xiàn)操作自動控制。電除塵器的缺點: 設(shè)備比較復(fù)雜，而且電壓較高，使用時要一定的危險。 對粉塵比電阻有一定要求，所以對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，有的粉塵在某一個溫度、濕度下使用效果很好，而在另一個溫度、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：1 余永權(quán)單片機原理及應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社，1998.12 2 余錫存、曹國華單片機原理及接口技術(shù)M第二版西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.12 3 諸邦田電子電路實用抗干擾技術(shù)M北京：人民郵電出版社，199