空气质量检测仪-基于单片机空气质量检测仪设计

发布时间：2017-07-30 所属栏目：家用空气质量检测仪

一 : 基于单片机空气质量检测仪设计

河南科技大学毕业设计（论文）

基于单片机空气质量检测仪设计

摘要

随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，人们对环境问题及健康问题日益重视，室内空气品质（IAQ）状况受到越来越多的关注。人的一生中有三分之二的时间是在居室内度过的。本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景，是以STC工公司的一款8位超低功耗单片机STC90C51为控制核心，能够实现对室内温度，湿度，VOC气体的实时采集处理、显示、报警等功能。仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD1602点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。同时设计了声光报警系统，实现在参数超标时及时的报警。室内智能空气品质监测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量。

关键词：STC90C51，室内空气品质，LCD显示，温湿度，VOC气体

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BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER AIR

QUALITY TESTER DESIGN

ABSTRACT

With the development of our national economy and improvement of people's living standard, awareness of environmental issues and health problems increasing emphasis on indoor air quality (IAQ) conditions have been paid more attention to.. Two-thirds of people's life time is spent in the living room. In this paper, Indoor Air Quality Portable Intelligent Monitor is on the background of toxic and harmful gases,

based on an ATMEL 8-bit working ultra-low power MCU AT89S52 as control core, which can realize real-time acquisition and processing, display ,alarm and other functions of indoor temperature, humidity, VOC gas.

Equipment powered by lithium batteries, has a good portability and versatility, and use the LCD1602 dot matrix LCD screen to display menu, and has a good interactive interface. At the same time sound and light alarm system is designed to achieve a timely manner when the parameter level exceeds the limit. Indoor Air Quality Portable Intelligent Monitor, small size, low power consumption, simple operation, and is suitable for family and community health care in order to know real-time acquisition of indoor air quality.

KEY WORDS：STC90C51,IAQ,LCD display, Temperature and humidity, VOC gas

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前言 ................................................................................................ 1

第1章本课题的主要研究内容、方法及总体设计 ...................... 3

§1.1 课题设计的内容 ................................. 3

§1.2课题设计的方法 .................................. 3

第2章空气质量检测仪的硬件设计 ................................................ 5

§2.1 空气质量检测仪系统简介 ......................... 5

§2.1.1 系统硬件结构及原理 .......................... 5

§2.2 STC90C51单片机简介 ............................. 5

§2.2.1STC90C51主要性能参数： ...................... 6

§2.2.2时钟电路模块 ................................ 7

§2.2.3复位电路模块 ................................ 7

§2.3传感器的选用 .................................... 8

§2.3.1气体传感器 .................................. 8

§2.3.2温湿度传感器 ............................... 10

§2.4模数转换电路设计 ............................... 16

§2.5声光报警电路设计 ............................... 18

§2.6液晶显示电路设计 ............................... 18

§2.6.1LCD1602的基本参数及引脚功能 ................ 19

§2.6.2LCD1602的指令说明及时序 .................... 20

§2.6.31602LCD的RAM地址映射及标准字库表 .......... 23

§2.6.4LCD1602的一般初始化过程 .................... 24

§2.7按键电路设计 ................................... 25

§2.8电路电源设计 ................................... 25

§2.9本章小结 ....................................... 26

第3章空气质量检测仪的软件设计 .............................................. 27

§3.1 系统软件设计思路 .............................. 27

§3.1.1 编程语言的选择 ............................. 27

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§3.1.2 软件功能需求 ............................... 27

§3.2软件模块设计 ................................... 28

§3.2.1主程序模块 ................................. 28

§3.2.2AD转换模块 ................................. 30

§3.2.3液晶显示模块 ............................... 30

§3.2.4声光报警模块 ............................... 30

§3.2.5按键模块 ................................... 30

§3.3本章小结 ....................................... 31

第4章仿真调试 ............................................................................. 32

§4.1系统硬件调试 ................................... 32

§4.1.1 常见的硬件故障 ............................. 32

§4.1.2硬件调试方法 ............................... 32

§4.2 系统软件调试 .................................. 33

§4.3本章小结 ....................................... 34

结论 .............................................................................................. 35

§1主要结论 ......................................... 35

§2展望 ............................................. 35

参考文献 .......................................................................................... 37

致谢 .............................................................................................. 38

附录 .............................................................................................. 39

附录一 .............................................. 39

附录二 .............................................. 40

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前言

一、课题研究的目的及意义

空气质量的好坏反映了空气污染程度，它是依据空气中污染物浓度的高低来判断的。来自固定和流动污染源的人为污染物排放大小是影响空气质量的最主要因素之一。空气质量检测种类包括装修污染、办公室内空气检测、作业场所有害物质检测、食堂油烟检测、锅炉大气及工业窑炉检测及工厂排放工业废气检测。

当今，人类正面临“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”之后，又出现了“室内空气污染”为主的第三次环境污染。美国专家检测发现，在室内空气中存在500多种挥发性有机物，其中致癌物质就有20多种，致病病毒200多种。危害较大的主要有：氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。大量触目惊心的事实证实，室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”，也成为全世界各国共同关注的问题。据统计，全球近一半的人处于室内空气污染中，室内环境污染已经引起35.7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺病和15%的气管炎、支气管炎和肺癌。

本课题主要研究设计基于量化检测的“空气质量检测仪”系统，此系统旨在实现室内空气温度、湿度、有害气体的预警监测，有利于进行全方位的评价室内空气质量，为人类营造一个健康的室内生存空间。空气质量检测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量。

二、国内外的研究状况

气体传感器测定甲醛成为近年来甲醛检测研究的新热点。早在1983年，压电类甲醛传感器就已问世。这种传感器可以不需要对样品进行任何处理就可以测定，但易受水分子的影响而使晶体震动频率发生漂移，故基本无实用性。为适应室内空气甲醛现场快速检测的要求，目前已开发出不少甲醛快速测定仪，这些仪器可直接在现场测定甲醛浓度，操作方便，适用于室内和公共场所空气中甲醛浓度的现场测定，也适用于环境测试舱法测定木质板材中的甲醛释放量。但这些仪器的工作原理、响应性能、适应范围等都不同。

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在测试甲醛、苯等害气体方面，国外比较出名的有:美国ESC公司生产的Z一300甲醛检测仪、英国PPM公司生产的PPM-400甲醛检测仪;国内的有:江苏安普电子工程有限公司生产的400型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪抑一308等。

这些仪器可实现对有害气体的检测功能，适用于专业检测机构或实验研究机构。准确测定甲醛、苯、氨等有害气体的设备昂贵(如英国PPM公司生产的PPM400甲醛仪约两万多元)，测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定，需要专业人员进行操作，很难连续测定；目前国内外产品的设计差异主要集中在监测传感器和控制单片机芯片的选用，操作方面国外的产品操作界面方便，功能加完备。

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第1章本课题的主要研究内容、方法及总体

设计

§1.1 课题设计的内容

以单片机为核心，选择合适的传感器，实现对空气质量的检测。

§1.2课题设计的方法

查阅相关资料，应用电脑软件进行仿真、调试，制作硬件设备，在实际环境中测试并进行修改、调试，直至达到课题要求。

§1.3总体方案设计

本设计集VOC气体及温湿度监测，显示与报警于一体，利用MCU进行数据采集保证了前台数据的及时、准确，有利于进行全方位的评价。仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。

§1.3.1系统框图

图1-1 系统总框图 3

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§1.3.2功能设定

（1）显示部分采用LCD1602显示屏，循环显示各项测量值的上下限及实际

浓度、实际温度、湿度。并在按键选择情况下连续显示一个测量值的变化。

（2）当有害气体浓度超出安全范围时进行声光报警。

（3）按键操作可进行测量值范围的调整，及手动和自动测量的转换。

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第2章空气质量检测仪的硬件设计

§2.1 空气质量检测仪系统简介

基于STC90C51的室内便携式智能空气质量监测仪是以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景，能够实现对室内温度，湿度，VOC气体的实时采集处理、显示、报警等功能。仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。同时设计了声光报警系统，实现在参数超标时及时的报警。室内智能空气品质监测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量。

§2.1.1 系统硬件结构及原理

本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以STC工公司的一款8位超低功耗单片机STC90C51为控制核心。室内空气中有害气体通过传感器输出一个与气体浓度相对应的电压信号,该信号经过A/D转换电路按一定得采样频率将模拟信号转换为数字信号送入单片机进行数据采集以便进行显示处理，温湿传感器直接与单片机相连。单片机对采样值进行数字处理后驱动液晶显示器分别显示出被测室内空气中的VOC气体浓度值及温湿度。若被测室内空气中VOC气体的浓度有超过国家标准或设定的危险值或温湿度超出设定范围时报警电路对应的发出声光报警信号。

§2.2 STC90C51单片机简介

随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。根据上述几方面及本课题的实际情况，单片机型号的

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选择主要从以下两点考虑:

一是要有较强的抗干扰能力。由于一般室内电子电器产品比较多，这对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。

二是要有较高的性价比。由于高度的通用性和出色的稳定性，本系统采用宏晶公司产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机的STC90C51作为控制器。片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

§2.2.1STC90C51主要性能参数：

1、与MCS.51产品指令系统完全兼容

2、 4k字节在系统编程(ISP)Flash闪速存储器

3、 1000次擦写周期

4、 4.0-5.5V的工作电压范围

5、全境态工作模式：0Hz-33MHz

6、三级程序加密锁

7、 128×8字节内部RAM

8、 32个可编程I／O口线

9、 2个16位定时器／计数器

10、6个中断源

11、全双工串行UART通道

12、低功耗空闲和掉电模式

13、中断可从空闲模唤醒系统

14、看门狗(wDT)及双数据指针

15、掉电标识和快速编程特性

16、灵活的在线系统编程

STC90C51芯片管脚如图2-1。

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图2-1 STC90C51引脚布置

§2.2.2时钟电路模块

时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个30pF的瓷片电容组成。时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。其电路如图2-2所示：

图2-2 时钟电路模块

§2.2.3复位电路模块

复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这状态开始工作，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位电路以重新启动。本设计采用的是按键复位电路。其电路如图2-3所示：

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图2-3 复位电路模块

§2.3传感器的选用

§2.3.1气体传感器

1．气体传感器基础知识

按照气敏特性来分，气体传感器主要分为：半导体型、电化学型、固体电解质型、接触燃烧型、光化学型等气体传感器，又以前两种最为普遍。

(1)半导体型气体传感器的优缺点

半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。

(2)半导体传感器需要加热的原因

半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器可以加速氧化过程，这也是为什么有些低端传感器总是不稳定，其原因就是没有加热或加热电压过低导致温度太低反应不充分。

(3)电化学气体传感器的工作原理

电化学气体传感器是通过监测电流来监测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以监测许多有毒气体和氧气，后者还能监测血液中的氧浓度。电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性。不足之处是有寿命的限制一般为两年。

二 : 新房空气质量检测市场巨大

房子本是安全的港湾，但有时却是“杀手”。我国首例新房装修甲醛超标致人死亡案件就发生在福州，女孩在入住新房后患白血病不治身亡。中国建筑装饰协会发布的抽检数据显示，去年至今甲醛平均超标率为70%-80%，检测最高值超国家标准4.2倍。如何让您家装修后的房子更安全?环境物证鉴定或许是个好选择。

据央视报道，5月5日，中国建筑装饰协会发布了去年至今对家居环境和室内装饰材料的抽样检测数据，数据显示，甲醛平均超标率为70%-80%，检测最高值超国家标准4.2倍。TVOC(总挥发性有机化合物)超标率为75%，最高值超国家标准5倍。室内空气污染程度比室外空气污染程度严重2倍-3倍，某些严重情况下甚至高达100多倍。在室内可检测的污染物达300多种，其中致癌物质20多种。68%的人体疾病都与室内空气污染有关。

厦门市民胡女士的新房终于交房了，装修事宜也提上了议程。每天都有许多家装公司来电，希望胡女士请他们来装修新房。胡女士提出，希望在装修合同中加入一条：交房前，家装公司需提供新房室内空气污染检测鉴定报告，检测结果合格后，再向装修公司支付尾款。厦门某装修公司总经理方育林介绍，随着人们环保意识的增强，像胡女士这样的客户越来越多。

现状:一套房子测出2种结果

据方育林介绍，目前业内的普遍做法是找一些具有检测能力的室内环保检测中心来做，但关于检测结果的争议仍时常存在。

“有的时候，同一套房子，不同的检测中心做出来的数据不一样。客户不满意，认为装修公司买通检测中心，对结果不买账的情况时有发生。这样一来，双方都要投入大量人力物力，对于企业和客户来说，都是很大的损失。”

对于如何解决这一问题，方育林认为，检测结果的权威和公信力是解决问题的关键。“如果检测机构具有更高的公信力，其出具的报告具有国家认可的资质和法律效力，这样企业和客户双方都可以减少不必要的纠纷。”方育林认为，这样的做法也有利于提高家装行业的环保意识，使之从材料选择到施工上更加注重环保，规范行业的健康发展。

那么，目前厦门市是否有这样的机构呢?作为资深业内人士，方育林坦言自己并不清楚，记者走访了几家家装公司，均表示对此不了解。

应对:环境物证鉴定包括3大类

家，原本应是安全的港湾，如今却也暗藏危机。早在2007年，刘开远就意识到了这一点。其所在的正大司法鉴定所率先在厦门开展环境物证鉴定工作。环境物证鉴定业务包括水污染、空气污染、声音污染3大类，家装导致的室内污染是其中重要的一项内容。

2007年4月经福建省司法厅批准，其经营的正大司法鉴定所新增环境物证鉴定类司法鉴定，成为厦门市第一家开展环境检测司法鉴定业务的机构。“一套80平方米的房子，做甲醛污染检测鉴定大约需要2000元。”然而，自2008年开展业务至今，刘开远的正大司法鉴定所尚未接到一单环境物证类司法鉴定委托。

据厦门市司法局司法鉴定仲裁管理处黄副调研员介绍，目前，厦门共有两家具备开展环境物证检测鉴定业务资质的机构，但业务开展都遭遇困境，“可以说，目前厦门在环境物证司法鉴定方面，还是一片空白”。

症结:市民维权意识还不强

对于环境物证鉴定业务发展止步不前的原因，黄副调研员认为是多方面的。一方面，环境物证鉴定此前仍处于摸索阶段，对于司法鉴定机构而言，环境物证检测鉴定业务对人员、设备等方面要求很高，部分司法鉴定机构开展业务后，在鉴定人员、设备和实验室建设上达不到标准，因而业务开展陷入困难;另一方面，市民环保意识近年来虽逐步增强，但对于利用司法鉴定意见这一证据来维护自身合法权益的意识还不强，而且市民对于包括环境物证鉴定在内的司法鉴定认识也比较少。

黄副调研员希望，除了现有的两家司法鉴定机构外，其他有实力的科研单位能够加入到这一行列中来，共同推动环境物证司法鉴定队伍的能力建设。

前景:共建实验室助市民维权

尽管环境物证鉴定业务开展艰难，但刘开远对于行业前景仍十分看好。“环境污染的危害大多数时候是潜在的、不易察觉的。环境物证司法鉴定可以帮助人们在危害尚不明显时及早发现、处理。环境物证司法鉴定具备司法效力，也能够帮助人们节约环境污染类纠纷的诉讼成本，维护合法权益。前期投入虽然比较大也比较漫长，但假以时日，定会得到更多市民的认可。”

日前，福建正大司法鉴定所与厦门鉴科检测技术有限公司签约，合作建设实验室，共同组建高素质的科研和鉴定队伍。

据了解，该实验室配备各类检测技术人才40名，检测人员经验丰富。实验室拥有总值超过800万元的样品前处理和检测设备。实验室于2011年11月获得了中国计量认证CMA资质认可，可向社会出具有证明作用的数据和结果的检测报告。

通过这次合作，双方希望能够发挥各自的优势，通过司法鉴定人和科研人员严谨、规范的鉴定行为，同时借助高端设备检测的精确数据，提高司法鉴定意见的权威和社会公信力。“希望能够通过合作，推动环境物证司法鉴定在厦门及周边地区的发展，更好地为厦门及周边地区的市民提供服务。”

案例

新房甲醛超标致人死亡

受害者获赔17万元

2006年8月9日，福建福州市马尾区法院宣判了我国首例由于新房装修甲醛超标致人死亡案件。由于装饰公司和地板销售公司为马尾区市民林先生装修的新房甲醛严重超标，林先生的幼女在入住新房后患白血病不治身亡，法院一审判决，两家公司承担同等连带责任，共同赔偿原告人民币17万多元。这是国内首例由于新房甲醛污染死亡的案例。

2004年5月，林先生将其位于福州市马尾区的新房承包给某装修公司进行装修。当年7月3日，林先生将新房的地板装修工程包给某地板贸易有限公司。当年8月下旬，林先生夫妇与其4岁的女儿搬入新房。2005年6月11日，林先生的女儿突然出现持续高烧、咳嗽等症状，经福建医科大学附属第一医院诊断为急性白血病，因治疗无效于当年8月27日死亡。

根据福州市环境监测站于2005年7月22日作出的监测报告显示，新房装修一年后空气中的甲醛含量仍然严重超标，为每立方米0.39mg，超过国家标准4倍。林先生认为两公司的装修行为严重污染了家中空气，直接导致女儿患病和死亡。

链接

环境物证检测司法鉴定

环境物证检测司法鉴定是指依法取得有关环境物证检测司法鉴定资格的鉴定机构和鉴定人受办案机关或当事人委托，依据环境保护法律法规和有关国家、部门、行业标准以及有关环境科学知识，对影响环境的物理指标、化学指标和生态系统等进行检验、鉴别和判断并提供鉴定意见的活动。环境检测服务项目包括：水污染、空气污染、声音污染3大类。水检测项目：COD、BOD5、SS、pH值、氨氮、磷酸盐、苯系物、有机氯农药、石油类、各种重金属、微生物、挥发性有机物、半挥发性有机物、多环芳烃、多氯联苯、生活饮用水、海水、微囊藻毒素等。空气检测项目：甲醛、氨、苯系物、总挥发性有机物、二氧化氮、菌落总数、臭氧、一氧化碳、二氧化硫、铬酸雾、重金属、油烟、非甲烷总烃、可吸入颗粒物、氮氧化物、烟尘、挥发性有机物、甲烷等。声音检测项目：厂界噪声、建筑噪声、社会生活噪声、环境噪声、道路交通噪声、铁路边界噪声、工作场所噪声等。

三 : 空气质量随手测：Airburg 空气堡 EMO空气质量测试仪

在帝都生活的人，天气预报可以不看，但是空气质量是每天都要关心一下的。但是天朝的空气质量报告和天气预报一样，都是相当靠（mei）谱（zhun）的，所以个人get一些技能，还是很必要的。

虽然现在的空气净化器都带空气指示，但是王婆卖瓜的效果就……，因此我们还是要用第三方的数据来擦亮眼睛。之前关注的专业空气监测器要不就是价格太高动辄上千或大几百块，要不就是样子奇丑无比。偶然机会逛张大妈发现了一篇对比评测

发现了Airburg(空气堡) 的EMO空气监测器，价格实惠（198大元，京东有售），外观相当不错，以图为证。

小巧好看的那个就是EMO。

airburg 空气质量随手测：Airburg 空气堡 EMO空气质量测试仪