基于51单片机的室内空气检测文献综述

福州大学至诚学院

本科生毕业设计（论文）文献综述

题 目： 基于单片机的室内空气 质量监测系统设计

姓 名： 陈志勇

学 号： 211114112

系 别： 电气工程及其自动化

专 业： 自动化

年 级： 2011级

指导教师： （签名）

年 月 日

1、研究背景与意义

全球经济的快速发展和工业水平的提高，人类所面临的大气污染问题日益严峻，空气质量的好坏受到越来越多的关注。随着生活水平的提高、居住条件的改善，人们对生活环境质量的要求也越来越高，拥有一个健康无污染的室内环境就成为很多人的共同愿望。特别是近几年，国内各大城市对PM2.5持续居高不下，这引起了广泛的关注。而对于室内环境来说，工业排放的可吸附颗粒物、装修房间排放的甲醛、及厨房排放的油烟等是其污染的主要来源。这些烟尘、甲醛等有害物质的含量远远超出了正常的标准，严重影响了人们的身体健康。

信息技术的发展改变了人们日常办公的方式和环境，更多的人可以选择在室内完成一天的工作。尤其是生活在城市中的群体，有一半以上的时间都是在室内环境中度过。在这种环境下，即使空气中的污染物的浓度不太高，长期处在室内并呼吸受到污染过的空气，健康也势必会受到影响，污染空气带来的伤害也是无法估量的。有时，室内污染比室外污染更加严重，因此对室内空气污染的预防与治理具有重大意义，它直接影响到人们的生活环境和身体健康。

事实上，人类超过一半的疾病都是由于空气污染造成的，全世界每年死于空气污染的人数以数百万计。因此，近年来，人们越来越意识到改善空气质量的重要性。一方面，控制污染源，减少污染物的产生；另一方面，采取措施，减少已存在的污染物。解决室内环境的污染问题，有很多种方法可以选择。因此，本文采用静电式来净化室内空气，一定程度上可以改善室内空气质量。该设计系统能够检测空气环境质量，比如温度、湿度，更重要的是能检测空气中掺杂的一定浓度粉尘、烟雾、甲醛等杂质气体，当浓度超过设定值时进行报警，并启动高压静电模块，将这些杂质颗粒吸附在高压静电的极板上。

2 研究动态

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。

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。

电源模块

按键模块温湿度传感器模块

空气质量传感器模块灰尘传感器模块单片机系统高压静电模块LCD显示模块报警模块

3 设计方案

通过51单片连接空气质量传感器、灰尘传感器、温湿度传感器块、电源模块、按键模块以及高压静电模块和报警模块来控制处理以上的问题，大体框图如下：

3.1

单片机系统简介

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。

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。 STC90C51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

图2-1 STC90C51引脚布置

3.1.1时钟电路

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

3.1.2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：

图2-3 复位电路模块

下面介绍一下数字温湿度传感器模块，灰尘传感器模块，显示模块以及静电除尘装置：

3.2.1 数字温湿度传感器模块

本设计采用的是DHT11数字温湿度传感器，它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。

DHT11传感器实物图

2、引脚说明

引脚号 引脚名称 类型 引脚说明 1 3

VCC 电源 正电源输入，3V-5.5V DC

输出 单总线，数据输入/输出引脚 空 空脚，扩展未用 地 电源地

NC 2 Dout 4 GND 3、电源引脚

DHT11的供电电压为 3－5.5V。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。

4、串行接口(单线双向)

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, 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。

3.2.2灰尘传感器模块

灰尘传感器是用光学方法测量悬浮于气相介质或者液相介质中的微小微粒特性的传感器装置，具有光测技术非接触式测量、不扰动被测对象等特点。

灰尘传感器的特性：

灰尘传感器可以感知烟草产生的烟气和花粉,房屋粉尘等1微米以上的微小粒子;

体积小,重量轻,便于安装; 5V的输入电路,便于信号处理;

内藏气流发生器,可以自行吸引外部大气;

灰尘传感器保养简单,可以长期保持传感器的特性. 灰尘传感器的原理

微粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象，与此同时，还吸收部分照射光的能量。当一束平行单色光入射到被测颗粒场时，会受到颗粒周围散射和吸收的影响，光强将被衰减。如此一来便可求得入射光通过待测浓度场的相对衰减率。而相对衰减率的大小基本上能线性反应待测场灰尘的相对浓度。光强的大小与经光电转换的电信号强弱成正比，通过测得电信号就可以求得相对衰减率。 灰尘传感器的应用

灰尘传感器被广泛应用于大气测量、火灾、烟气测量及工业锅炉、窑炉、化工厂排烟测量等领域。也可以用于各种布袋除尘器的破损检测及各种类型除尘器除尘效率的测量，为这些领域的自动化控制提供可靠的信号。 灰尘传感器的主要参数

1、光学原理，能够探测1微米以上的粉尘粒子；

2、两种输出模式，解决不同灵敏度使用要求，洁净环境Vout输出高电平信号（4V）； 3、5VDC供电；

4、探测粒子范围：最大到8000pcs/283ml（1um以上粒子）；

DSM501灰尘传感器 主要参数：

1、光学原理，能够探测1微米以上的粉尘粒子；

2、两种输出模式，解决不同灵敏度使用要求，洁净环境Vout输出高电平信号（4V）；

3、5VDC供电；

4、探测粒子范围：最大到15000pcs/283ml（1um以上粒子）；

3.2.3 显示模块

LPH7366 是NOKIA 公司生产的可用于其5110、6150，6100 等系列移动电话的液晶显示模块，国内厂家也生产有类似的兼容产品。该产品除应用于移动电话外，也可广泛应用于各类便携式设备的显示系统。与其它类型的产品相比，该模

块具有以下特点：

●84x48 的点阵LCD，可以显示4 行汉字，

●采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9 条。支持多种串行通信协议（如AVR 单片机的ＳＰI、MCS51 的串口模式０等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。

●可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换。

●LCD 控制器／驱动器芯片已绑定到LCD 晶片上，模块的体积很小。

●采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200μA 以下，且具有掉电模式。 LPH7366 的这些特点非常适合于电池供电的便携式通信设备和测试设备中

3.2.4 静电除尘装置

静电除尘器的工作原理：含有粉尘颗粒的气体，在接有高压直流电源的阴极线(又称电晕极)和接地的阳极板之间所形成的高压电场通过时，由于阴极发生电晕放电、气体被电离。 静电除尘技术

静电除尘器的工作原理：含有粉尘颗粒的气体，在接有高压直流电源的阴极线(又称电晕极)和接地的阳极板之间所形成的高压电场通过时，由于阴极发生电晕放电、气体被电离，此时，带负电的气体离子，在电场力的作用下，向阳板运动，在运动中与粉尘颗粒相碰，则使尘粒荷以负电，荷电后的尘粒在电场力的作用下，亦向阳极运动，到达阳极后，放出所带的电子，尘粒则沉积于阳极板上，而得到净化的气体排出防尘器外。

根据目前国内常见的静电除尘器型式可概略地分为以下几类：按气流方向分为立式和卧式，按沉淀极极型式分为板式和管式，按沉淀极板上粉尘的清除方法分为干式湿式等。 简图如下：

静电除尘器的优点

⑴ 净化效率高，能够铺集0.01微米以上的细粒粉尘。在设计中可以通过不同的操作参数，来满足所要求的净化效率。

⑵ 阻力损失小，一般在20毫米水柱以下，和旋风除尘器比较，即使考虑供电机组和振打机构耗电，其总耗电量仍比较小。

⑶ 允许操作温度高，如SHWB型电路尘器最好允许操作温度250℃，其他类型还有达到350~400℃或者更高的。 ⑷ 处理气体范围量大。

⑸ 可以完全实现操作自动控制。 电除尘器的缺点:

⑴ 设备比较复杂，而且电压较高，使用时要一定的危险。

⑵ 对粉尘比电阻有一定要求，所以对粉尘有一定的选择性，不能使所有粉尘都的获得很高的净化效率。

⑶ 受气体温、温度等的操作条件影响较大，同是一种粉尘如在不同温度、湿度下操作，所得的效果不同，有的粉尘在某一个温度、湿度下使用效果很好，而在另一个温度、湿度下由于粉尘电阻的变化几乎不能使用电除尘器了。

参考文献：

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