摘 要：為解決在線監(jiān)測(cè)室內(nèi)多種有害氣體存在成本高，不具有實(shí)時(shí)性，靈活性差等問題，依據(jù)GB/T18883-2002室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，采用單主機(jī)和多分機(jī)結(jié)構(gòu)，文章通過電化學(xué)傳感器采集CH2O、CH4、NH3、CO、可吸入顆粒物和溫濕度等多項(xiàng)參數(shù)，以微控處理器為核心對(duì)調(diào)理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該監(jiān)測(cè)儀針對(duì)市面上的環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置參數(shù)單一，不能滿足多點(diǎn)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問題而設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)空氣；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；STC12C5A60S2

引言

裝修而導(dǎo)致的空氣污染已經(jīng)成為現(xiàn)代危害身體健康的殺手之一，現(xiàn)有的空氣質(zhì)量檢測(cè)大部分都是單氣體檢測(cè)，對(duì)于現(xiàn)在已經(jīng)演變?yōu)樯鐣?huì)問題的空氣質(zhì)量，目前的測(cè)量方式還達(dá)不到理想標(biāo)準(zhǔn)。一種儀表只能檢測(cè)一種氣體，無法滿足大型建筑物的室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求。文章介紹的監(jiān)測(cè)儀，布線簡(jiǎn)單，受環(huán)境的干擾小，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)多種有害氣體，并且顯示速度快，實(shí)時(shí)性好?？梢远帱c(diǎn)，全面的對(duì)居住場(chǎng)所的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)[1]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀整體框架圖

文章將介紹系統(tǒng)的硬件電路，這里以氨氣傳感器的調(diào)理電路為例，以及電源電路的設(shè)計(jì)和硬件抗干擾技術(shù)。文章以STC12C5A60S2處理器為核心控制器件，系統(tǒng)上電后開機(jī)自檢，然后會(huì)對(duì)甲烷、氨氣、CO、甲醛、溫濕度進(jìn)行多點(diǎn)實(shí)時(shí)的檢測(cè)并顯示。如果發(fā)現(xiàn)檢測(cè)的某項(xiàng)氣體值超標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警裝置，通過聲音提示用戶。利用串口發(fā)出控制指令，提醒用戶采取相應(yīng)的措施。該設(shè)計(jì)預(yù)留的通訊串口可以與其他高級(jí)設(shè)備連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電化學(xué)傳感器的信號(hào)調(diào)理電路

文章以氨氣傳感器為主進(jìn)行介紹。由于傳感器輸出的信號(hào)非常微弱，電化學(xué)傳感器采集氨氣，并輸出信號(hào)，需要對(duì)輸出的微弱mV級(jí)的信號(hào)放大，文章選擇的運(yùn)算放大器是OPA333，最終將信號(hào)放大到V級(jí)[2]。由于傳感器有啟動(dòng)時(shí)間，為了減少預(yù)熱時(shí)間，通過J177進(jìn)行電路調(diào)整[3]，信號(hào)的調(diào)理電路如圖2所示。當(dāng)甲醛傳感器感應(yīng)到甲醛氣體時(shí)，由電極生成的電流信號(hào)得到電壓信號(hào)，傳感器輸出電流和電路輸出的電壓關(guān)系為：

U=Ix（R14+R15//RT2）

其中R14和R15的阻值為20k，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換后，傳感器輸出的電流信號(hào)從μA級(jí)變?yōu)榉?jí)的電壓。

由于電化學(xué)型傳感器的特殊性，對(duì)應(yīng)的調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，需要考慮以下幾個(gè)方面[4]：

（1）傳感器的靈敏度數(shù)量級(jí)極低，在一級(jí)電路引入電流-電壓轉(zhuǎn)換。

（2）消除其他氣體的干擾，電化學(xué)型氣體傳感器偏壓是否穩(wěn)定會(huì)影響到噪聲和靈敏度，所以提高被測(cè)量氣體的選擇性，減少噪聲，保證傳感器工作在最佳點(diǎn)[4]，采用恒電位控制電路。

（3）加入調(diào)零電路校正。

（4）為了減少傳感器本身導(dǎo)致的噪聲或者I/V轉(zhuǎn)換器輸出的噪聲，引入濾波電路。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

文章采用MCP1700進(jìn)行了電壓的轉(zhuǎn)換，為了實(shí)現(xiàn)一氧化碳、甲醛等電化學(xué)型傳感器的±3V供電，需要把+5V電源電壓轉(zhuǎn)換成+3V，選用芯片MAX660，把+3V的電源電壓轉(zhuǎn)換成-3V，便得到了±3V的供電電壓[5]。采用芯片MAX660將輸入電壓范圍為+1.5V到+5.5V，轉(zhuǎn)換后變成輸出電壓是-1.5V到-5.5V，而且性能十分穩(wěn)定。

2.3 硬件抗干擾技術(shù)

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，會(huì)受到內(nèi)部或外部的各種干擾，比如噪聲干擾、放電干擾或者電磁干擾等，所以除了遵守相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)則外，必須采取可行的抗干擾措施，來提高和保證系統(tǒng)的安全性以及可靠性，所以對(duì)硬件電路進(jìn)行布局布線時(shí)，還需考慮影響電路電磁兼容性、測(cè)量和控制精度和空氣監(jiān)測(cè)儀工作穩(wěn)定性的因素[6]。

文章采用的硬件抗干擾措施有：

（1）增大電源線寬度；（2）芯片電源端連接去耦電容；（3）模擬地與數(shù)字地分開布局；（4）用電壓跟隨器隔離進(jìn)入A/D之前的信號(hào)；（5）在電源和地線之間加入去耦電容，防止抗干擾能力弱的芯片或關(guān)閉電源時(shí)變化大的芯片；（6）電源輸入端接100μF的電解電容；（7）設(shè)置專門的硬件復(fù)位電路。

3 結(jié)束語

該儀器是集環(huán)境污染，安全和溫濕度為一體的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的便攜式測(cè)量?jī)x。適合居家環(huán)境測(cè)量以及安全報(bào)警，該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新在于，把室內(nèi)空氣和安全報(bào)警集合為一體，采用多種電化學(xué)傳感器的組合，解決了目前室內(nèi)氣體測(cè)量種類單一的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]裴志剛，朱立.室內(nèi)裝修甲醛的危害及測(cè)量方法[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（6）：127-128.

[2]周安.電化學(xué)氣體傳感器工作電路的設(shè)計(jì)[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，18：134-135.

[3]張維.一種高精度信號(hào)處理電路[J].自動(dòng)化儀表，2001，70（12）：7-8+245-246.

[4]趙繼文，何玉彬.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2002，9.

[5]何希才，依兵.新型實(shí)用電子電路400例[M].電子工業(yè)出版社，1998：83-84.

[6]陳淑芳.基于51單片機(jī)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].中國(guó)海洋大學(xué)，2011.