邢世樣，邢 鑫，葉遠(yuǎn)鋒，代瓊琳，李海紅

（北京郵電大學(xué) 理學(xué)院，北京100876）

1 引 言

近十幾年來(lái)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)飛速發(fā)展，越來(lái)越多的信息采集和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用了無(wú)線數(shù)據(jù)傳送技術(shù)，它與有線數(shù)據(jù)傳送相比主要有布線成本低、安裝簡(jiǎn)便、便于移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)［1-2］.本文將物理實(shí)驗(yàn)中利用多種傳感器對(duì)空氣各參量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸相結(jié)合，綜合應(yīng)用了物理實(shí)驗(yàn)、通信實(shí)驗(yàn)和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的知識(shí)，開發(fā)出適于信息工程、計(jì)算機(jī)等專業(yè)本科生的綜合實(shí)驗(yàn)［3-4］.

本文利用熱敏電阻與溫度的變化關(guān)系測(cè)量空氣溫度，利用濕敏電容的電容值與濕度的變化關(guān)系測(cè)量空氣的相對(duì)濕度，利用單晶硅的壓阻效應(yīng)測(cè)量大氣壓強(qiáng)，利用光敏電阻隨光照強(qiáng)度阻值的變化關(guān)系測(cè)量光照強(qiáng)度，利用氣敏材料的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w的體積濃度的變化關(guān)系測(cè)出空氣中可燃性氣體的體積濃度.利用所測(cè)的溫度、濕度、氣壓3個(gè)物理量，用改進(jìn)的Edlen公式計(jì)算出空氣折射率.最后，利用單片機(jī)將所測(cè)得的物理量的數(shù)據(jù)收集并經(jīng)由GPRS（general packet radio service，通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)）模塊發(fā)送到監(jiān)控中心（計(jì)算機(jī)），實(shí)現(xiàn)了空氣物理量的遠(yuǎn)程測(cè)量、傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及報(bào)警.

2 空氣物理參量的測(cè)量

2.1 空氣溫度的測(cè)量

2.1.1 熱敏電阻測(cè)溫原理

熱敏電阻是基于半導(dǎo)體材料的阻值隨溫度變化而變化的電阻元件［5-7］.與一般常用的金屬電阻相比，它有很大的電阻溫度系數(shù)值，可以簡(jiǎn)便靈敏地檢測(cè)出微小溫度的變化.根據(jù)其不同的物理特性，可分為負(fù)溫度系數(shù)（NTC）、正溫度系數(shù)（PTC）和臨界溫度系數(shù)（CTR）3種熱敏電阻.本文選用NTC型熱敏電阻，其電阻Rt與溫度t的關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)公式表示為

2.1.2 儀器校準(zhǔn)

利用水銀溫度計(jì)自行設(shè)計(jì)了溫度測(cè)量傳感器的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置見圖1.選取的校準(zhǔn)溫度范圍為0～53.5℃，最終測(cè)得溫度t（℃）與熱敏電阻的阻值R（kΩ）的關(guān)系曲線見圖2，并利用數(shù)學(xué)軟件Matlab擬合出溫度t與電阻R的函數(shù)關(guān)系.

圖1 溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 溫度校準(zhǔn)曲線

2.2 空氣濕度的測(cè)量

2.2.1 HS1101濕敏電容的工作原理

當(dāng)空氣濕度發(fā)生變化時(shí)，濕敏電容的電容值隨之線性改變，將濕敏電容置于555振蕩電路中，電容值的變化導(dǎo)致電路輸出電壓頻率的變化，將輸出頻率送給單片機(jī)，求得相應(yīng)的相對(duì)濕度值［8］.

2.2.2 儀器校準(zhǔn)

采用實(shí)驗(yàn)室提供的專業(yè)溫濕度儀HT-8321進(jìn)行校準(zhǔn)，用加濕器來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，并且通過(guò)調(diào)節(jié)距離控制濕度穩(wěn)定.用濕度儀測(cè)出此時(shí)的濕度并記錄此時(shí)的濕敏電容輸出的頻率值，從而得到濕度與濕敏電容的輸出頻率的關(guān)系曲線，如圖3所示.

圖3 濕敏電容的輸出頻率與濕度的關(guān)系

2.3 光照強(qiáng)度的測(cè)量

2.3.1 光敏電阻的工作原理

光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)［9］.半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少.當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴，電子-空穴對(duì)的出現(xiàn)使電阻率變小.光照愈強(qiáng)，光生電子-空穴對(duì)就越多，阻值就愈低.當(dāng)光敏電阻兩端加上電壓后，流過(guò)光敏電阻的電流隨光照強(qiáng)度增大而增大.入射光消失，電子-空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值，電流也逐漸減小.基于此原理設(shè)計(jì)的光照傳感器電路，當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，由于電阻的改變會(huì)使電壓也發(fā)生改變，從而輸出信號(hào).

2.3.2 儀器校準(zhǔn)

光強(qiáng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.使用實(shí)驗(yàn)室提供的光照計(jì)對(duì)自制的光敏傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，得出了光照強(qiáng)度E（lx）與光敏電阻阻值R（kΩ）的關(guān)系曲線，如圖5所示.

圖4 光強(qiáng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 光強(qiáng)校準(zhǔn)曲線

2.4 空氣壓強(qiáng)的測(cè)量

采用BMP085數(shù)字式氣壓傳感器測(cè)量氣壓.BMP085硅壓阻式氣壓傳感器是基于單晶硅的壓阻效應(yīng)而設(shè)計(jì)的.由3個(gè)基本部分組成：a.基體，直接承受被測(cè)應(yīng)力；b.波紋膜片，將被測(cè)應(yīng)力傳遞到芯片；c.芯片，檢測(cè)被測(cè)應(yīng)力.芯片是在硅彈性膜片上，用半導(dǎo)體制造技術(shù)在確定晶向制作相同的4個(gè)感壓電阻，將它們連成惠斯通電橋構(gòu)成了基本的壓力敏感元件.當(dāng)膜片受到外界壓力作用，電橋失去平衡時(shí)，可得到與被測(cè)壓力成正比的輸出電壓，從而達(dá)到測(cè)量壓力的目的.

鑒于該數(shù)字傳感器是高精密型器件，采用廠家提供的數(shù)據(jù)，氣壓傳感器的測(cè)量范圍為300～1 100hPa，精度為0.5hPa.

2.5 空氣中可燃性氣體體積濃度的測(cè)量

2.5.1 MQ-2可燃性氣體體積濃度傳感器工作原理

MQ-2半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）.當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w體積濃度的增加而增大.利用電路測(cè)量電導(dǎo)率的變化，計(jì)算出氣體體積濃度變化.

2.5.2 MQ-2可燃性氣體傳感器的使用范圍

MQ-2半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器對(duì)液化氣、丁烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其他可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想.這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器.

使用液態(tài)丁烷校準(zhǔn)傳感器.由產(chǎn)家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)得知，其精確檢測(cè)相對(duì)體積濃度為：3×10-4～5×10-2.收集一定量的丁烷作為飽和值，同時(shí)假設(shè)在空氣中當(dāng)可燃性氣體的相對(duì)體積濃度到達(dá)3%時(shí)，存在安全隱患，將此作為報(bào)警的閾值點(diǎn)，即當(dāng)空氣中可燃性氣體的相對(duì)體積濃度到達(dá)3%時(shí)，裝置就會(huì)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)報(bào)警器發(fā)出警報(bào).

2.6 空氣折射率的計(jì)算

基于單片機(jī)系統(tǒng)的控制，利用高精度的溫濕度傳感器和壓力傳感器，分別對(duì)空氣的溫度t，相對(duì)濕度H和大氣壓強(qiáng)p進(jìn)行測(cè)量，并以它們?yōu)閰⒘?，代入到改進(jìn)的Edlen公式中計(jì)算出空氣折射率n 為［10-11］從式（2）可看出，在空氣成分一定的情況下，空氣的折射率與空氣的溫度、濕度及壓強(qiáng)等因素有關(guān).

3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?/h2>

本裝置使用MSP430F149單片機(jī)，該單片機(jī)特點(diǎn)為低功耗，適合本實(shí)驗(yàn)環(huán)境.單片機(jī)控制GPRS模塊負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，GPRS模塊采用華為公司生產(chǎn)的GTM900C模塊.該模塊主要由射頻天線、內(nèi)部Flash及SRAM等部分組成，支持短消息、傳真、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù).它可以向用戶監(jiān)測(cè)終端發(fā)送監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以向手機(jī)發(fā)送警報(bào)短信.GPRS的工作原理與手機(jī)聯(lián)網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)的原理相同.系統(tǒng)程序框圖如6所示，流程圖如圖7所示.

圖6 系統(tǒng)程序框圖

圖7 系統(tǒng)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)儀器與裝置

實(shí)驗(yàn)儀器及元件包括MSP430149型單片機(jī)、GTM900C型GPRS模塊、HTF3223溫濕度模塊、BMP085氣壓傳感器、光敏電阻、MQ-2型煙霧傳感器、顯示屏及移動(dòng)電源等.最終完成的裝置實(shí)物圖如圖8所示.

圖8 裝置實(shí)物圖

5 數(shù)據(jù)測(cè)量與分析

5.1 溫度和濕度的實(shí)地測(cè)量

用該裝置對(duì)不同環(huán)境進(jìn)行實(shí)地測(cè)量.同時(shí)，使用實(shí)驗(yàn)室提供的高端專業(yè)溫濕度儀HT-8321進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，結(jié)果如表1所示.

表1 同一地點(diǎn)本裝置與高端溫濕度儀HT-8321溫濕度測(cè)量比對(duì)

從表1數(shù)據(jù)可以看出，本裝置與專業(yè)溫濕度儀的最大測(cè)溫偏差為0.5℃，最大測(cè)量濕度偏差為2.7%.因此，本實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量精度滿足實(shí)驗(yàn)要求.

5.2 北京冬季室外24h空氣各物理參量的變化情況及相關(guān)關(guān)系

利用本裝置進(jìn)行戶外從22：00至次日22：00共24h的測(cè)量，每隔30min取1個(gè)測(cè)量組，做出對(duì)應(yīng)的隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖，如圖9所示.

圖9 室外24h溫濕度、光照強(qiáng)度及氣壓變化曲線

1）從圖9（a）中可以得出冬季室外一天中溫濕度的變化情況.經(jīng)查閱文獻(xiàn)，人體的舒適濕度為30%～40%.由圖可得，早晨7～8時(shí)，雖然氣溫較低，但相對(duì)濕度在35%左右，因此人體感覺舒適.在中午時(shí)分，氣溫有所回升，但濕度下降到25%以下，此時(shí)人體的舒適度會(huì)比早上稍差.

2）從一天中光照強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線圖9（b）可以看出，冬季的北京強(qiáng)光照時(shí)間較短，處于9：00至13：00時(shí)段.從一天中氣壓隨時(shí)間的變化曲線圖9（c）可以看出，在深夜至凌晨時(shí)段氣壓較低，而隨著白天的來(lái)臨，氣壓回升較快.

3）利用Edlen公式計(jì)算得空氣折射率為1.000 279～1.000 288.經(jīng)查閱文獻(xiàn)［12］空氣的折射率約為1.000 271.考慮到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中存在日光燈等干擾光源，故此實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確.

6 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)集成多種傳感器件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣溫度、濕度、折射率等6個(gè)物理參量的測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)容多，裝置高度集成化，適于不同環(huán)境的測(cè)量與監(jiān)控.通過(guò)與實(shí)驗(yàn)室提供的高精度儀器測(cè)量結(jié)果比對(duì)，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確.本裝置實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸與報(bào)警，當(dāng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，可及時(shí)將危險(xiǎn)信息發(fā)送到指定手機(jī)或電腦用戶.本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)綜合了物理實(shí)驗(yàn)、通信實(shí)驗(yàn)以及單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，為信息工程、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的本科生搭建了綜合實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái).此外，本測(cè)量裝置小巧簡(jiǎn)易，測(cè)量方便，成本低廉，在大學(xué)物理或通信實(shí)驗(yàn)室內(nèi)非常容易實(shí)現(xiàn)，是一個(gè)學(xué)生樂于參與的開放性實(shí)驗(yàn).

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