王 剛,何阿雷,秦 剛,李雪艷,程 耀

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,西安 710021）

0 引言

近年來(lái)，空氣和水質(zhì)量污染嚴(yán)重。PM2.5表示每立方米空氣中直徑小于或等于 2.5μm的固體顆?；蛞旱芜@種顆粒的含量，該值越高，就代表空氣污染越嚴(yán)重。PM2.5、甲醛和水中的氨氮的含量超標(biāo)都會(huì)影響人們的身體健康，所以我們需要實(shí)時(shí)的檢測(cè)室內(nèi)有害物質(zhì)的含量以便做出相應(yīng)的措施?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上還沒(méi)有一款集PM2.5、甲醛、氨氮檢測(cè)于一體的適用于家庭使用的檢測(cè)儀，而且Android系統(tǒng)在終端領(lǐng)域的發(fā)展具有巨大的應(yīng)用前景。我們從體積、功耗、價(jià)格等多方面綜合考量，使其具有攜帶更便捷、使用方便、功耗和成本低、智能化等特點(diǎn)，研制出了三種檢測(cè)功能融為一體的多功能檢測(cè)儀以滿足現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)的要求。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)借鑒國(guó)內(nèi)外多功能智能檢測(cè)儀表的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，綜合運(yùn)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)以及過(guò)程控制技術(shù)組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用的整體方案：通過(guò)PM2.5、甲醛以及氨氮傳感器采集室內(nèi)空氣質(zhì)量和水質(zhì)信息，把檢測(cè)到的信息送入中央處理單元進(jìn)行運(yùn)算處理，得到PM2.5、甲醛和氨氮含量信息。最后，用藍(lán)牙與裝置連接，將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)問(wèn)答的方式，用android手機(jī)接收到實(shí)時(shí)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)，裝置中的蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，然后將超標(biāo)信息發(fā)送給監(jiān)控站，以便相關(guān)部門(mén)采取相應(yīng)措施予以解決，以保證居民生活安全。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)必須滿足體積小、成本低、功能穩(wěn)定等特點(diǎn)，硬件主要包括：中央處理模塊、電源模塊、傳感器模塊、藍(lán)牙模塊、android平臺(tái)和報(bào)警模塊。

2.1 最小系統(tǒng)模塊

部集成的256K Flash存儲(chǔ)器、3個(gè)12位ADC、UART串行通信接口等部件，最大總線時(shí)鐘可達(dá)72M。極大的方便了本課題的設(shè)計(jì)，大大減少了單片機(jī)的外圍部件，節(jié)省了使用空間，增加了儀器檢測(cè)的穩(wěn)定性。較之ARM7 TDMI，Cortex-M3擁有更強(qiáng)勁的性能、更高的代碼密度、位帶操作、可嵌套中斷、低成本、低功耗等眾多優(yōu)勢(shì)。

2.2 電源模塊

電源是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分，穩(wěn)定可靠的電源模塊能夠?yàn)橄到y(tǒng)穩(wěn)定工作提供能源保障。為了提高系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)傳感器和整個(gè)系統(tǒng)電源的需要，本系統(tǒng)采用獨(dú)立電源進(jìn)行供電。整個(gè)系統(tǒng)由外部的12V蓄電池供電。各模塊所需電壓不同，需要把電壓調(diào)節(jié)為5V和3.3V，5V電壓：主要給傳感器模塊以及AD檢測(cè)部分提供電源，3.3v電壓：?jiǎn)为?dú)給微控制器提供電源。該電源要求需要十分穩(wěn)定，否則系統(tǒng)可能運(yùn)行不正常。

2.3 傳感器模塊

系統(tǒng)的傳感器包括PM2.5傳感器、甲醛傳感器和氨氮傳感器。PM2.5傳感器擬采用夏普公司型號(hào)為GP2Y1051AU0F的灰塵傳感器，該傳感器靈敏度高、體積小、成本低、準(zhǔn)確率高、一致性好。甲醛傳感器擬采用兩電極電化學(xué)型的英國(guó)達(dá)特傳感器，該傳感器靈敏度高、成本低、耗能小。氨氮傳感器擬采用雷磁公司型號(hào)為PNH3-1的氨氣敏電極傳感器，該傳感器響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍寬、線性度好，非常適用于氨氮濃度的檢測(cè)。

氨氮采集工作原理：傳感器的模擬量信號(hào)先通過(guò)ADuM5401進(jìn)入AD7793，其跟隨所測(cè)信號(hào)之后，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換、跟隨、放大，最后將信號(hào)送入單片機(jī)按照一定的算法進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理。A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7793與ADuM5401數(shù)字隔離芯片的配合使用具有較高的精度和很強(qiáng)的抗干擾能力，為系統(tǒng)提供了小尺寸、完全隔離的解決方案。當(dāng)氨氮傳感器檢測(cè)到的氨氮的濃度低于0.5mg/L時(shí)，可作為生活用水。當(dāng)濃度高于0.5mg/L時(shí)，發(fā)生警報(bào)。

采集甲醛和PM2.5傳感器是直接通過(guò)串口與單片機(jī)相連的，不需要外部采樣硬件,節(jié)省了硬件內(nèi)部的空間。當(dāng)有甲醛氣體存在的時(shí)候，將會(huì)有一個(gè)很小的直流產(chǎn)生，產(chǎn)生的電流需要外部的數(shù)據(jù)采集將其變?yōu)榭勺x的信號(hào)。GP2Y1051AU0F是灰塵（粉塵）傳感器由光學(xué)傳感系統(tǒng)一個(gè)紅外發(fā)光二極管（IRED）和光電子晶體管是對(duì)角布置在該裝置中組成的。它是通過(guò)檢測(cè)空氣中塵埃的反射光計(jì)算粉塵的濃度。甲醛傳感器檢測(cè)到室內(nèi)甲醛的安全濃度低于0.1mg/m^3，PM2.5的安全濃度低于10。

2.4 Android平臺(tái)

對(duì)于顯示電路的設(shè)計(jì)，摒棄了常規(guī)的液晶顯示，選用了安卓手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和相關(guān)按鍵的操作。從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)測(cè)，為人們提供了方便。藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)擬采用HC-05藍(lán)牙模塊。工作流程：在Android手機(jī)里下載藍(lán)牙串口軟件APK文件，使藍(lán)牙模塊和手機(jī)之間可以相互通信。打開(kāi)手機(jī)中的BTClient應(yīng)用程序查找你設(shè)置的藍(lán)牙設(shè)備連接，打開(kāi)串口，手機(jī)與藍(lán)牙模塊通訊,雙方可以互相輸入數(shù)據(jù)通信。android界面中有甲醛鍵、氨氮鍵、和PM2.5鍵，當(dāng)藍(lán)牙配對(duì)成功時(shí)，用手點(diǎn)擊甲醛，然后按發(fā)送，即可在屏幕上出現(xiàn)甲醛的濃度。

3 結(jié)論

隨著全球化技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線通信應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本次設(shè)計(jì)是基于Android平臺(tái)的手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)的顯示PM2.5、甲醛和氨氮的含量，目前本設(shè)計(jì)基本達(dá)到了預(yù)期的要求，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)多功能全自動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)。結(jié)合家庭的實(shí)際情況，節(jié)省了成本，適應(yīng)了市場(chǎng)的需求。此設(shè)計(jì)充分利用了人們普遍使用的通信工具，使人們可以隨時(shí)隨地的對(duì)家庭環(huán)境信息查詢，檢測(cè)我們生活和工作的環(huán)境。

[1]杜娟.測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器[D].鄭州:鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

[2]馬天.環(huán)境工程[D].四川:四川大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.