室內(nèi)有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

莫洪

摘 要：目前人們除了關(guān)心室外大氣污染以外，也開始將關(guān)注點(diǎn)放在了室內(nèi)空氣污染方面，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測出室內(nèi)空氣的有害氣體，筆者提出了一種室內(nèi)有害氣體的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，可以對(duì)室內(nèi)有害氣體參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測。該系統(tǒng)集成了有害氣體的檢測傳感器，同時(shí)設(shè)置了集成電路，其在運(yùn)行中可以對(duì)有害氣體如甲烷、一氧化碳、甲醛等濃度進(jìn)行檢測，當(dāng)有害氣體濃度達(dá)到一定的限定值后，監(jiān)測系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)，提醒人們及時(shí)對(duì)此做出處理。筆者在文中對(duì)該系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)簡要論述，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)探討。

關(guān)鍵詞：有害氣體；監(jiān)測系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；研究

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

目前市面上有許多種類的室內(nèi)有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，但是大多數(shù)儀器都存在操作較為復(fù)雜，成本較高等缺點(diǎn)，導(dǎo)致了該系統(tǒng)難以普及到家庭之中，僅有部分專業(yè)機(jī)構(gòu)才會(huì)安裝該系統(tǒng)。然而目前許多家庭在買房后對(duì)房間進(jìn)行裝修，卻難以對(duì)裝修材料散發(fā)出的有害氣體引起注意，長此以往很容易患上慢性疾病，因此安裝室內(nèi)有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)是十分必要的。筆者對(duì)此提出一種適合家庭的經(jīng)濟(jì)、便捷的有害氣體監(jiān)測設(shè)備，其采用傳感器作為核心，具有較高的性價(jià)比，能夠在日常生活中保護(hù)用戶人身健康。

1.研究背景分析

隨著人們生活水平的提高，加之房產(chǎn)“熱潮”愈演愈烈，許多家庭開始瘋狂購房，并對(duì)其進(jìn)行裝修，然而市面上的裝修材料質(zhì)量良莠不齊，很容易在室內(nèi)散發(fā)出有害氣體。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因?yàn)槭覂?nèi)空氣污染而死亡的人數(shù)已達(dá)到11.1萬人，可謂是一個(gè)非常龐大的群體。一般來說，室內(nèi)有害氣體的來源包括兩方面：一是現(xiàn)代化社會(huì)需求大，工業(yè)發(fā)展十分迅速，各類石油、化工、消防、火電廠、醫(yī)藥等廠房向大氣排放各種有害氣體，這些氣體嚴(yán)重影響了廠房工人和附近居民的身體健康，對(duì)此，工廠一定要改變原來的排污方式，保證居民的居住環(huán)境綠色、健康；二是現(xiàn)代化社會(huì)的物質(zhì)水平提高，人們對(duì)室內(nèi)的裝修要求提高，然而各種新式的裝修材料中正隱藏著大量的有毒氣體?；谝陨系脑颍壳吧鐣?huì)中部分家庭空氣質(zhì)量較差，而僅僅依靠自己的感官是無法判斷其是否有害，對(duì)此多數(shù)科研人員進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出了一套室內(nèi)有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)。過去的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴的特點(diǎn)，導(dǎo)致了該監(jiān)測系統(tǒng)并未在普通家庭得到普及。因此，筆者對(duì)原系統(tǒng)重新進(jìn)行改良，設(shè)計(jì)了一套適合普通家庭使用的有害氣體檢測系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.1 整體架構(gòu)

（1）整個(gè)系統(tǒng)的框架由六大模塊組成，每個(gè)模塊都有自己對(duì)應(yīng)的功能：

控制模塊，該模塊采用的是ATmega16單片機(jī)設(shè)備，它可以大大地提高系統(tǒng)代碼的運(yùn)行效率，比一般的控制模塊提高約10倍以上的數(shù)據(jù)吞吐率。

（2）顯示電路，其選用了LCD12864顯示屏，為中文字庫型系統(tǒng)，適用于中國居民使用，電路可以將處理后的結(jié)果顯示在屏幕上，給用戶直觀的感受。

（3）電源模塊以及報(bào)警模塊，電源模塊采用USB供電，具有方便使用、節(jié)約用電的效果；報(bào)警模塊則采用普通的蜂鳴器和發(fā)光二極管，在有害氣體濃度超出指標(biāo)時(shí)進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警模式為發(fā)光和聲響交替，能夠起到提醒用戶的作用。

（4）傳感模塊，其內(nèi)部安裝有感應(yīng)不同氣體濃度的傳感器，可以對(duì)空氣中有害氣體的濃度進(jìn)行感應(yīng)，傳感器再將得到的信息傳遞給單片機(jī)，而單片機(jī)會(huì)把信息傳遞給報(bào)警器和顯示屏幕，讓整個(gè)系統(tǒng)得以循環(huán)運(yùn)行。

（5）獨(dú)立鍵盤模塊，該模塊設(shè)立了3個(gè)鍵來檢測有害氣體的濃度狀況并將其，另外還設(shè)有其他的鍵可重啟整個(gè)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)可以反復(fù)地進(jìn)行。

（6）GSM模塊，該模塊選用了SIM900A芯片，其主要功能是在濃度達(dá)到限定值后，將已設(shè)定好的通知短信發(fā)送給用戶，以此來通知用戶空氣中有害氣體的濃度達(dá)到限定值，并做出相應(yīng)的處理。

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)分為6個(gè)模塊，各個(gè)模塊相互獨(dú)立又相互聯(lián)系。系統(tǒng)啟用后，傳感器開始工作將收集到的信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)將信息處理了以后再將信息顯示在顯示屏上，如果超標(biāo)的話，報(bào)警器會(huì)開始工作，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功能得以實(shí)現(xiàn).

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由6個(gè)模塊組成，分別為：控制芯片、顯示、傳感器、獨(dú)立鍵盤、供電以及GSM等，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的控制核心采用了ATmega16單片，并且融合了MQ-7、MQ-138和MQ-2等系統(tǒng)來分別監(jiān)測一氧化碳、甲醛以及甲烷的濃度，通過濃度來判斷該氣體目前對(duì)人體的危害程度。在濃度判斷結(jié)束后，系統(tǒng)將會(huì)把采集的數(shù)據(jù)傳遞給單機(jī)片，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)后，單機(jī)片會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，處理后會(huì)將結(jié)果傳到顯示屏，如果濃度達(dá)到限定值，則報(bào)警器就會(huì)響，以此來提醒用戶室內(nèi)空氣中的有害氣體濃度已經(jīng)超標(biāo)，有助于人們及時(shí)做出處理（開窗通風(fēng)，暫時(shí)離開）。報(bào)警器采用普通的有源蜂鳴器設(shè)備，指示燈則選用發(fā)光二極管，供電模塊采用USB接口，GSM模塊采用SIM900系統(tǒng)，這些設(shè)備相對(duì)便捷，方便人們操作，以上的功能模式即組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)主要針對(duì)傳感器檢測到有害氣體濃度后對(duì)低電平進(jìn)行的處理環(huán)節(jié)。在程序初始化的階段后，用戶可以在機(jī)器的外部通過表示有何種有害氣體的監(jiān)測按鈕，選擇自己想要監(jiān)測的氣體，并且系統(tǒng)監(jiān)測后會(huì)在LED屏幕上顯示監(jiān)測后處理過的數(shù)據(jù)，得到室內(nèi)有害氣體的濃度情況和室內(nèi)空氣等級(jí)質(zhì)量數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)測濃度超過初始設(shè)定的限定值后，報(bào)警器發(fā)光閃爍并發(fā)出報(bào)警聲響，同時(shí)也將發(fā)出文字報(bào)警短信。在處理室內(nèi)空氣的有害氣體后，按下復(fù)原鍵就可以將該裝置恢復(fù)到初始狀態(tài)，使得系統(tǒng)初始化，根據(jù)用戶的需要再次進(jìn)行工作。

4.系統(tǒng)測試與應(yīng)用

本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路與電路原理較為簡單，測試時(shí)主要是為了檢測測試器電路狀況和其工作情況。筆者將其安置在一個(gè)密閉的盒子內(nèi)，先將其中通入一定濃度的甲烷，進(jìn)行測定后復(fù)原，再輸入比之前量更多的甲烷，以此類推幾次試驗(yàn)后，再用同樣的方式對(duì)其他的有害氣體進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的監(jiān)測時(shí)間較短，復(fù)原較快，并且能夠快速而且準(zhǔn)確地判讀空氣中有害氣體的濃度并做出分析，同時(shí)顯示在顯示屏上，報(bào)警系統(tǒng)也可以正常地進(jìn)行工作。感應(yīng)器系統(tǒng)如圖2所示，其能夠?qū)崿F(xiàn)良好工作，且由于性能較高，成本較低，因此值得推廣應(yīng)用。

結(jié)語

本系統(tǒng)對(duì)于室內(nèi)有害氣體的監(jiān)測具有良好的效果，并且操作十分便捷，成本較低，適用于各收入層次的家庭。因?yàn)樵撓到y(tǒng)對(duì)煙霧比較敏感，因此在煙霧較多的環(huán)境中難以進(jìn)行正確判斷，有時(shí)可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，而這也是該系統(tǒng)的不足之處。但從整體來看，筆者通過多次對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)各方面都是比較穩(wěn)定的，可以正常地進(jìn)行工作，運(yùn)行的速度也能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，該設(shè)備的電路模塊便攜性高，有益于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和升級(jí)。總而言之，該室內(nèi)有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，具有實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格低廉、操作簡單、易于普及等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)室內(nèi)的有害氣體濃度做出正確的判斷，從而保證了用戶的健康生活。

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