基于光电传感器的室内环境监测装置.doc

课程设计报告基于光电传感器的室内环境监测装置班 级： 06电科1 小组成员： 张泽辉200630570132 罗凌亮200630570116 赖文乐200630570109 李维龙200630570112 指导老师： 代秋芳 日期： 2009.12.152009.12.26 华南农业大学工程学院15摘 要室内环境是关系到每个人身体健康的重要的一部分。据统计，城市居民80%90%的时间是在各种室内环境中度过的，生活在城市中一些行动不便的人、老人、婴儿等则可能有高达95%的时间是在室内生活，因而室内环境的好坏对人们的健康有着至关重要的影响。 近年来室内空气品质之所以逐渐受到重视，是因为建筑物本身与外界的相对封闭性，使建筑物内的某些有害物质浓度比室外高出25100倍，超过人类所能接受的水平而造成危害。室内环境质量的恶化可以产生很多后果，不仅对人体健康造成危害，使人们感觉不适等，同时影响工作效率，使整个社会经济受到损失。 室内空气中最常见的污染物有甲醛、氨、氡、苯系物和TVOC等，长期生活在室内空气污染的环境中，不但会引发人体产生头晕、胸闷、发烧、皮肤炎症、肺炎和肺气肿等多种疾病现象，甚至还能导致癌症。 随着人们生活水平的提高，买私家车的人越来越多，人们停留在车内的时间也增加了。开车时，外界又有扬尘、尾气等污染，很多人都喜欢常年紧闭车窗吹空调，开窗时间少之又少，新车的空气污染问题也极需引起重视。 2007年6月5日世界环境日，由中国科协工程学会联合会公布的一项调查显示，在北京大约拥有的202万辆机动车和1.3万辆公交车中，有近90%以上存在着车内空气甲醛或苯含量超标问题，而且大部分车辆甲醛超标都在五六倍以上，其中新车内的空气质量最差。广州中科环境检测中心在对2000辆汽车车内空气质量进行检测后，同样发现有92.5%的车辆存在车内空气质量问题。由此可见，汽车污染问题着实令人担忧。 正是由于室内环境污染对人的健康和整个社会经济均会造成如此重大的损失，因此对室内环境质量的改善就成了眼前一个十分迫切的问题。室内环境检测就是运用现代科学技术方法以间断或连续的形式定量地测定环境因子及其他有害于人体健康的室内环境污染物的浓度变化，观察并分析其环境影响过程与程度的科学活动。绿之源室内环境检测治理研究表明:中国是人口大国，通过对各地方性人口健康调查发现，室内环境检测指数较好的环境人口普遍寿龄高于居住在环境较差的地方的寿龄。这是室内环境检测中不可否认的结果。室内环境检测的目的是为了及时、准确、全面地反映室内环境质量现状及发展趋势。目 录1 方案比较与选择11.1 方案111.2 方案241.3 方案比较52 电路仿真与分析52.1 MQ-2一氧化碳检测62.2 测温测湿模块72.3 串口模块82.4 单片机最小系统及电源模块93电路板制作、焊接、调试93.1 电路板焊接93.2 电路板调试114对其他扩展功能的讨论114.1 氧气检测114.2 二氧化碳检测125课程设计心得13Abstract15参考文献171.方案比较与选择1.1 方案1：使用DHT11温湿传感器DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。图1 典型应用电路DHT11的供电电压为35.5V。传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。操作流程如下：一次完整的数据传输为40bit，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。通讯过程如图2所示图2 通讯过程的电平图总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待2040us后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。图3 通讯过程的电平图总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1。如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。当最后1bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。数字0信号表示方法如图4所示。 图4 数字0信号数字1信号表示方法如图5所示。图5 数字1信号（1）测量分辨率分别为 8bit（温度）、8bit（湿度）。 (2)长期保存条件：温度1040，湿度60以下。1.2方案2：使用18B20的测温模块加上DHT11做湿度检测模块图6 基于DS18B20的温度测量装置（1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。（2）在使用中不需要任何外围元件。（3）可用数据线供电，电压范围：3.05.5 V。（4）测温范围：-55+125。固有测温分辨率为0.5。（5）通过编程可实现912位的数字读数方式。（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 DS18B20的测温原理如图7所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在 -55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图7中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。各种操作的时序图与DS1820相同，可参看文献2。图7 DS18B20测温原理框图虽然DS18B20有诸多优点，但使用起来并非易事，由于采用单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线完成。因此，对读写的操作时序要求严格。为保证DS18B20的严格I/O时序，需要做较精确的延时。在DS18B20操作中，用到的延时有15s，90s，270s，540s等。因这些延时均为15s的整数倍，因此可编写一个DELAY15（n）函数，只要用该函数进行大约15sN的延时即可。有了比较精确的延时保证，就可以对DS18B20进行读写操作、温度转换及显示等操作。1.3方案对比结果：经过方案的对比我们采用了方案二，原因如下：1.DHT11温度检测误差较大。2.DS1820测温准确。DHT11可在测湿程序后再添加测温程序，与DS18B20达到双检测目的。2.电路仿真与分析2.1 MQ-2一氧化碳检测模块图8 CO气体检测模块MQ-2/MQ-2S可燃气体检测用特点：在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度。家庭用气体泄漏报警器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高，工业用可燃气体报警器长寿命、低成本，使用便携式气体检测器简单的驱动电路即可实现。MQ-2/MQ-2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。图9 模数转换电路TLC1549采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选(CS低电平有效)，输入输出时钟(IO CLOCK)，数据输出(DATAOUT)。TLC1549能以串行方式送给单片机，由于TLC1549采用CMOS工艺。内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为1 LSB(4.8 mV)，因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。TLC1549具有6种串行接口时序模式，这些模式是由IO CLOCK周期和CS定义。根据TLC1549的功能结构和工作时序，其工作过程可分为3个阶段：模拟量采样、模拟量转换和数字量传输。2.2测温测湿模块图10 DHT11和DS18B20模块使用DS18B20测温。使用DHT11测湿。2.3串口模块图11 串口模块串口驱动芯片采用MAX232。2.4单片机最小系统及电源模块图12 单片机最小系统和USB电源模块晶振采用11.0592MHz,单片机芯片采用STC98C52,电源部分采用USB供电，复位电路是上电复位。3电路板制作、焊接、调试3.1焊接图13 PCB原理图图14 PCB板布线图 图15 电路板焊接图3.2调试亲切的用户初始化界面：“你好”，如图16。图16 初始化界面功能展示：RH为相对湿度报警上限值，CT为温度报警上限值，CO为一氧化碳浓度的报警上限值。图17 功能展示由图17可知：现在的温度为15，现在的相对湿度60%，CO的浓度参数为173。因为超出上限报警值52，所以报警器响起。4. 对其他扩展功能的讨论4.1 氧气的检测氧气传感器采用电化学式传感器KE25 ,其灵敏度高,输出线性度好。该传感器在空气中输出电压约为7 mV 左右。信号放大电路采用INA128。INA128 的主要特点是低漂移电压,高共模抑制比(120 dB) ,供电范围宽(2. 2518 V) 。INA128 的放大倍数Av 是由其外接的增益设定电阻RG 的阻值所决定。放大倍数的计算公式为Av = 1 +50 KRG 。氧气传感器模块如图18所示。电路采用单电源5 V 供电。MC1403 是基准源芯片,用于为INA128 和AD 转换器提供基准电压,基准电压的稳定度直接影响放大电路的共模抑制比。经INA128 线性放大后的电压连接到AD 芯片。AD 芯片采用Burr - Brown 公司生产的ADS7841 ,这是一款4 通道12 位的串行AD 芯片,在200 kHz 吞吐速率时,典型功耗为2 mW。图18 氧气传感器模块由于系统采用的电化学式氧气传感器的输出电压和空气中的氧气浓度近似成正比关系,再加上放大电路是线性放大,所以只需测出电压和氧气浓度的比例关系就可以得到楼内实时的氧气浓度。4.2 二氧化碳的检测红外吸收型CO2气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同，对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同，因此，不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同体积分数时，在同吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与体积分数成指数关系。因此，通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的体积分数。根据比尔朗伯定律，输出光强度I，输入光强度I0和气体体积分数c之问的关系为， (1)式中a 为摩尔分子吸收系数；C为待测气体体积分数；为光和气体的作用长度(传感长度)。对上式进行变换得(2)通过检测相关数据就可以得知气体的体积分数C。红外c0 传感器探头结构是由红外光源、测量气室、可调干涉滤光镜、光探测器、光调制电路、放大系统等组成。红外光源采用镍铬丝，其通电加热后可发出310 m的红外线，其中，包含了426 m处CO2气体的强吸收峰。在气室中，CO2吸收光源发出特定波长的光，经探测器检测则可显示出CO2对红外线的吸收情况。干涉滤光镜是可调的，调节它可改变其通过的光波波段，从而改变探测器探测到信号的强弱。红外探测器为薄膜电容，吸收了红外能量后，气体温度升高，导致室内压力增大，电容两极间的距离就要改变，电容值随之改变。CO2气体的体积分数愈大，电容值改变也就愈大。图19 CO2检测电路设计的原理框图5.课程设计心得这次课程设计历时二个星期多左右，通过这两个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候，大家就分配好了各自的任务，大家有的绘制原理图，进行仿真实验，有的积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经仿真成功而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的的课程制作，可是平心而论，也耗费了我们不少的心血，这就让我不得不佩服专门搞单片机开发的技术前辈，才意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付出多少心血啊！通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，和团队人员这十几天的一起工作的日子，让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的实习，我感觉我和同学们之间的距离更加近了。这个工程确实很累，但当我们仿真实验成功的时候，我们的心中就不免兴奋，不免激动。以前种种艰辛这时就变成了最甜美的回忆！ 对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！Abstract：Photoelectric Sensor-based Indoor Environment Monitoring DeviceIndoor environment are related to each person an important part of health. According to statistics, urban 80% 90% of the time is spent in a variety of indoor environment, and living in the city of some physically handicapped people, the elderly, babies, etc., there may be as high as 95% of the time indoors life, The quality of indoor environment and thus on peoples health has a crucial impact.The reason why indoor air quality in recent years, great importance is attached, because the building itself and the relatively closed nature of the outside world, so that the building of certain hazardous substances in outdoor concentrations of 25 100 times higher than acceptable level of human hazard. Indoor environmental quality deterioration can generate a lot of consequences, not only cause harm to human health so that people feel discomfort at the same time affect their efficiency so that the whole economy suffered.The most common indoor air pollutants are formaldehyde, ammonia, radon, benzene and TVOC and so on, a long-term living in the indoor air pollution, environment, not only lead to the human body, dizziness, chest tightness, fever, skin inflammation, pneumonia and lung emphysema and other diseases, the phenomenon, and even lead to cancer.As peoples living standards, to buy private cars are more and more people to stay in the car of the time also increased. When driving, the outside world have dust, exhaust and other pollution, many people love to blow the windows closed all year round air-conditioning, open the window of time very few new cars, the air pollution problem in great need of attention.June 5, 2007 World Environment Day, by the China Association for Science Engineering Association released a survey in Beijing, has approximately 202 million vehicles, and 13000 buses, nearly 90% more than the existence of car air formaldehyde or benzene content exceeding issue, but excessive formaldehyde in most of the vehicles are 56 times more, in which the worst air quality in the new car. Guangzhou Branch Environmental Laboratory Center, in the 2000 automotive interior air quality testing, the same found that 92.5% of the vehicle is present inside the air quality problems. Thus, car pollution problem really cause for concern.Precisely because of indoor environmental pollution on human health and the entire economy will suffer such heavy losses, and therefore improving the quality of indoor environment becomes a very pressing immediate issue.Detection of the indoor environment is to use modern science and technology approach to the form of intermittent or continuous quantitative measurement of environmental factors, and other harmful to human health, the concentration of pollutants in the indoor environment changes, observe and analyze the environmental impact process and the level of scientific activities. Green detect the source of the indoor environment control studies have shown that: China is a populous country, through the local Population Health Survey found that:indoor environment and a better environment for detection of index Couling is higher than the general population living in poor areas of the Shou-ling. This is a test in the indoor environment is undeniable results. The indoor environment testing is designed to timely, accurate and comprehensive reflection of indoor environmental quality status and trends.参 考 文 献1.胡振宇，刘鲁源，杜振辉.DS18B20接口的C语言程序设计J.单片机与嵌入式系统应用.2002.(7)2.金伟正.单线数字温度传感器的原理与应用J.电子技术应用.2000.(6)：66683.白泽生.一种二氧化碳气体检测方法. 传感器与微系统.延安大学物理与电子信息学院. 2007.26(7)4.骆晨,郭盖华,林宁.写字楼宇环境监测系统的设计.无线电工程.2007.37(1)5.李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社.2005.(3)