智能室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與研究

摘要:設(shè)計(jì)一種基于 A Tmega16 超低功耗單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀， 論述了監(jiān)測(cè)儀及各傳感器的工作原理以及各項(xiàng)功能，在ATmega16微處理器的硬件支持下，監(jiān)測(cè)儀很好的進(jìn)行對(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，結(jié)合無線傳輸模塊進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的無線傳輸，使得設(shè)備的智能性更加得以提高，本監(jiān)測(cè)儀測(cè)量精確，操作簡(jiǎn)單方便，可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞:A Tmega16單片機(jī)監(jiān)測(cè)儀室內(nèi)環(huán)境

中圖分類號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X(2012)03(c)-0000-00

本文以室內(nèi)空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)監(jiān)控為主題，介紹了一種通用性很強(qiáng)的智能室內(nèi)

環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置。它的核心是 A Tmega16低功耗單片機(jī) ，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣中有毒有害氣體濃度參數(shù)的采集處理、存儲(chǔ)、顯示、通信、報(bào)警等功能。本文對(duì)監(jiān)測(cè)儀及其傳感器的組成結(jié)構(gòu)、工作方式、整體結(jié)構(gòu)及軟件構(gòu)成做了說明。

1 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的工作原理

室內(nèi)空氣中有害氣體通過智能傳感器進(jìn)行檢測(cè)，輸出電流信號(hào)，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換，得出電壓模擬量，最后經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部 A/ D將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字處理后，LCD顯示器分別顯示出被測(cè)室內(nèi)空氣中各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的濃度值。若被測(cè)氣體濃度超過預(yù)設(shè)的警戒值時(shí)，報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.1 微控制器 ATmega16

微控制器是便攜式室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的核心，它完成監(jiān)控儀的功能設(shè)定、測(cè)量對(duì)象的選擇、數(shù)據(jù)通信、輸出、顯示、報(bào)警等功能。ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 ATmega16 有如下特點(diǎn):16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個(gè)通用I/O 口線，32 個(gè)通用工作寄存器，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。

1.2 氣敏傳感器

氣敏傳感器是一種檢測(cè)特定氣體的傳感器。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。它的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測(cè)、瓦斯氣體的檢測(cè)、煤氣的檢測(cè)、氟利昂的檢測(cè)、呼氣中乙醇的檢測(cè)、人體口腔口臭的檢測(cè)等等。可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。

聲表面波器件之波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測(cè)氣體相互作用（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測(cè)量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。

1.3 Zigbee無線傳輸

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

1.4 I/ V轉(zhuǎn)換電路

氣體傳感器輸出為標(biāo)準(zhǔn)的 4～20mA 的電流信號(hào)，為了可以由單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，滿足后續(xù)電路的需要采用兩個(gè)運(yùn)算放大器組成 I/ V 轉(zhuǎn)換電路，采用 LM324集成芯片。同時(shí)有效地抑制了輸入信號(hào)間的共模干擾和串模干擾。

1.5 通信電路

本監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)了兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，一種是以Zigbee模塊為主的無線傳輸模式，另一種是以MAX232為主的串口通信電路。采用MAX232 集成IC芯片與ATmega16單片機(jī) 的 RXD 和 TXD引腳 構(gòu)成串行通訊口，它具有遠(yuǎn)距離、低功耗、高可靠性的調(diào)制解調(diào)芯片，使用該芯片編程容易、外圍電路簡(jiǎn)單，通信距離可達(dá)15 米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它常用通信芯片的距離，并且小信號(hào)傳送穩(wěn)定可靠，克服了模擬傳送中小信號(hào)失真大的缺點(diǎn)，滿足使用要求。

2 系統(tǒng)軟件

AD轉(zhuǎn)換程序

ATmega16單片機(jī)內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換，以下是AD轉(zhuǎn)換程序。

uint mega16_ad()

{ DDRA=~BIT(PA0);

PORTA=~BIT(PA0);

ADCSR|=BIT(ADSC);

while(!(ADCSR(BIT(ADIF))));

addata=addata+ADCH*256;

return addata;}

3 結(jié)語

氣體檢測(cè)在環(huán)境保護(hù)和工業(yè)應(yīng)用方面都有重要價(jià)值，本文提出的對(duì)于檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境污染的方法，還有待于在實(shí)際運(yùn)用中進(jìn)一步完善與提高，比如采用更先進(jìn)的微信號(hào)檢測(cè)技術(shù)可以提高精度，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等理論可以實(shí)現(xiàn)多組分氣體檢測(cè)等等，以便切實(shí)為改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

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