徐智博，孫敬姝，吳春姬，李志有，梁 浩，周洪雷

(吉林大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長春 130012)

1 引 言

大氣空氣質(zhì)量好壞關(guān)乎每個(gè)人，如果空氣質(zhì)量變差，勢必會(huì)對人們的身體健康造成危害[1-2]. 隨著現(xiàn)代各行各業(yè)迅猛發(fā)展，空氣中一些有害廢氣的排放也日趨嚴(yán)重，因此有必要對環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以提前制定應(yīng)對措施. 目前，影響空氣質(zhì)量的污染源主要是工廠的廢氣排放[3-4]和汽車尾氣的排放[5-6]等，空氣污染物的主要成分有碳氧化物(如CO)、氮氧化物(如NO，NO2)、硫氧化物(如SO2)和一些微小、可吸入顆粒等[7-8]，因此，監(jiān)測空氣質(zhì)量其實(shí)質(zhì)就是對這些有害氣體濃度的監(jiān)測.

本文研制的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能幫助人們了解環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測原理及測量方法，還可以小型化，方便人們攜帶并實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣質(zhì)量.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測演示系統(tǒng)由測量部分、顯示部分和報(bào)警部分組成，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 測量部分

測量部分由微處理器、ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和氣體傳感器模塊組成. 各有害氣體的測量采用ZYMQ系列氣體傳感器模塊，此系列傳感器模塊探測濃度體積范圍廣、靈敏度高、響應(yīng)及恢復(fù)時(shí)間短、壽命長、穩(wěn)定可靠且價(jià)格低廉，適于演示實(shí)驗(yàn). 本系統(tǒng)最多可以接入3種傳感器模塊，且支持熱插拔，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷傳感器模塊是否接入，并進(jìn)行相應(yīng)顯示. 為了便于演示，本演示實(shí)驗(yàn)選取煙霧、一氧化碳和甲醛3種空氣中常見污染物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測.

微處理器選用TI公司推出的CC2530單片機(jī). 該單片機(jī)雖然使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集，但卻擁有增強(qiáng)的8051 CPU內(nèi)核，1個(gè)指令周期僅用1個(gè)時(shí)鐘周期，而不是傳統(tǒng)8051的12個(gè)，并且多余的總線狀態(tài)也已被取消，因此比傳統(tǒng)8051執(zhí)行得更快[9].

ADC選用CC2530單片機(jī)內(nèi)自帶的ADC模塊. CC2530單片機(jī)內(nèi)部集成模擬多路轉(zhuǎn)換器，有8個(gè)AD轉(zhuǎn)換通道，最多可對8路輸入信號進(jìn)行測量，且8個(gè)通道可分別進(jìn)行程控配置，最高可配置為14位的模數(shù)轉(zhuǎn)換和12位的有效數(shù)字位數(shù)，當(dāng)配置為14位的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度時(shí)，AD轉(zhuǎn)換1次的時(shí)間為132 μs. AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)還可自動(dòng)觸發(fā)片內(nèi)DMA，可節(jié)省大量CPU操作.

2.2 顯示部分

顯示部分由PC機(jī)軟件和小液晶顯示屏組成. 當(dāng)微處理器測量完成后便向PC機(jī)和小液晶屏同步發(fā)送測量結(jié)果以實(shí)時(shí)顯示. 2種顯示設(shè)備可以只接入1種，也可以全部接入，就是說某一種顯示設(shè)備是否接入，完全不會(huì)影響另一種顯示設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使得顯示方式更加靈活. 利用PC機(jī)軟件可記錄歷史數(shù)據(jù)，并可繪制歷史數(shù)據(jù)曲線，適宜于對環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄和長時(shí)間監(jiān)測對比. 小液晶屏只能顯示實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，適宜于便攜式測量.

2.3 報(bào)警部分

報(bào)警部分由蜂鳴器和3個(gè)LED組成，每個(gè)LED對應(yīng)1種氣體. 微處理器在把檢測結(jié)果輸出到顯示模塊的同時(shí)，還會(huì)判斷各有害氣體濃度值是否超過所設(shè)定的閾值，當(dāng)?shù)陀陂撝禃r(shí)，蜂鳴器不響且LED不亮. 當(dāng)超過所設(shè)定的閾值后，蜂鳴器響，然后可通過對應(yīng)LED是否閃爍判斷是哪種氣體超標(biāo).

2.4 氣體傳感器預(yù)熱時(shí)間控制

為保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，氣體傳感器上電后需要預(yù)熱. 煙霧氣體傳感器預(yù)熱時(shí)間不應(yīng)小于24 h，一氧化碳和甲醛氣體傳感器預(yù)熱時(shí)間不應(yīng)小于48 h. 但在實(shí)際使用中，如此長的預(yù)熱時(shí)間不利于教學(xué)演示. 因此本系統(tǒng)為每個(gè)氣體傳感器配備了溫度傳感器以實(shí)時(shí)監(jiān)測其溫度值，并對預(yù)熱是否完成進(jìn)行判斷.

當(dāng)氣體傳感器接入系統(tǒng)后進(jìn)入預(yù)熱階段，同時(shí)顯示部分顯示為“heating”表示正在預(yù)熱. 系統(tǒng)每隔時(shí)間t對氣體傳感器的溫度和有害氣體的體積濃度檢測1次，若連續(xù)n次檢測的溫度值的波動(dòng)小于ΔT并且體積濃度值的波動(dòng)小于ΔC時(shí)，說明氣體傳感器已基本穩(wěn)定，此時(shí)便認(rèn)為預(yù)熱已經(jīng)完成，否則繼續(xù)進(jìn)行預(yù)熱檢測. 其中t,n,ΔT,ΔC的值可通過系統(tǒng)管理員權(quán)限更改，這樣不僅大幅縮減了預(yù)熱時(shí)間，還可以對測量準(zhǔn)確度等級進(jìn)行靈活調(diào)整，以滿足不同測量的需要.

3 演示實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示. 錐形瓶A內(nèi)存放被測的有害氣體并密封保存. 錐形瓶B模擬大氣環(huán)境，初始時(shí)，瓶內(nèi)為空氣. 將傳感器模塊置于瓶B的底部，通過數(shù)據(jù)線將監(jiān)測結(jié)果傳出，進(jìn)行顯示或報(bào)警. 兩錐形瓶之間通過三通導(dǎo)管相連，三通導(dǎo)管的另一端接氣體注射器，氣體注射器可將瓶內(nèi)氣體抽出或注入空氣，用以改變瓶內(nèi)氣體體積. 三通導(dǎo)管的左右兩端分別有1個(gè)止氣夾控制氣體之間是否相通，止氣夾打開時(shí)兩邊氣體相通，關(guān)閉時(shí)兩邊氣體不相通.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1) 0時(shí)刻，2個(gè)止氣夾處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)錐形瓶內(nèi)被測氣體體積濃度接近于0且基本穩(wěn)定.

2) 0～t1時(shí)間內(nèi)，關(guān)閉夾1，打開夾2，并用注射器將瓶B內(nèi)的空氣抽出一部分，使其為負(fù)壓狀態(tài). 此時(shí)，監(jiān)測結(jié)果保持不變.

3)t1時(shí)刻，關(guān)閉夾2，打開夾1，由于瓶B內(nèi)氣壓低于瓶A，使得瓶A內(nèi)的有害氣體被迅速抽到瓶B內(nèi)，監(jiān)測結(jié)果迅速上升，此時(shí)報(bào)警功能啟動(dòng)，蜂鳴器響且對應(yīng)LED閃爍.

4)t1～t2時(shí)間內(nèi)，2個(gè)止氣夾全部關(guān)閉，監(jiān)測結(jié)果保持不變.

5)t2時(shí)刻，關(guān)閉止氣夾1，打開夾2，將氣體注射器內(nèi)的空氣緩慢注射到瓶B內(nèi)，這時(shí)從監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可見，瓶內(nèi)氣體體積濃度并不是立即下降，而是先略有上升，然后才逐漸降低. 這是因?yàn)橄蚱績?nèi)注射氣體時(shí)，首先是把導(dǎo)管內(nèi)殘留的有害氣體注射到了瓶內(nèi)，使瓶內(nèi)氣體體積濃度略有升高，隨著空氣注射到瓶內(nèi)，氣體體積濃度才緩慢地降低.

6) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過PC機(jī)軟件繪制成曲線如圖3所示.

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)演示了對環(huán)境空氣質(zhì)量變化實(shí)時(shí)監(jiān)測的原理和過程，監(jiān)測結(jié)果迅速、準(zhǔn)確，并提供了友好的人機(jī)交互界面和報(bào)警系統(tǒng)，利用上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，演示效果直觀，且操作方便，適合于演示實(shí)驗(yàn)教學(xué).

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