多模式氣體質(zhì)量檢測裝置設(shè)計與研究*

杜承東　陳楠楠

(海軍駐上海滬東造船(集團)有限公司軍事代表室　上海　200129)

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多模式氣體質(zhì)量檢測裝置設(shè)計與研究*

杜承東陳楠楠

(海軍駐上海滬東造船(集團)有限公司軍事代表室上海200129)

多模式氣體質(zhì)量監(jiān)測評價裝置是可選模式實時測量，并能做出評價的智能化產(chǎn)品。分析了不同模式下的空氣標準。據(jù)此設(shè)計了一套多模式氣體質(zhì)量監(jiān)測評價儀原理樣機，對裝置的軟硬件電路進行了分析和設(shè)計。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的多模式氣體質(zhì)量監(jiān)測評價儀原理樣機測量準確，具有界面友好和便于操作的優(yōu)點。在自定義模式下，還可根據(jù)國家或地方的相關(guān)質(zhì)量標準文件設(shè)定閾值，測量其他環(huán)境下的空氣質(zhì)量，這就大大拓展了論文裝置的使用范疇和通用性。

多模式;氣體質(zhì)量;監(jiān)測;自定義模式

Class NumberTM146

1　引言

潔凈空氣是人類賴以生存的必要條件之一，一個人在一個星期內(nèi)不吃飯或5天內(nèi)不喝水，尚能維持生命，但超過5分鐘不呼吸空氣，便會死亡[1]。大氣有一定的自我凈化能力，但是，隨著工業(yè)及交通運輸業(yè)的不斷發(fā)展，大量的有害物質(zhì)被排放到空氣中，改變了空氣的正常組成，使空氣質(zhì)量變壞[2～3]。當我們生活在受到污染的空氣之中健康就會受到影響。每天各類媒體都會使用PM2.5、空氣污染指數(shù)API或SPI等數(shù)據(jù)報道室外的空氣質(zhì)量水平。但是交通工具、室內(nèi)、工廠生產(chǎn)場所的空氣質(zhì)量同樣不容樂觀。現(xiàn)代社會中，人的一生有95%以上時間都在上述場所活動。因此，空氣質(zhì)量引發(fā)人們生命健康的問題和矛盾日益突出。

國內(nèi)外氣體監(jiān)測裝置在應(yīng)用方面，主要區(qū)別在于氣敏元件的不同。目前國內(nèi)市場上數(shù)量最多的是可燃性氣體氣敏元件傳感器產(chǎn)品，這類裝置已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控。從工廠企業(yè)到居民家庭，其應(yīng)用十分廣泛。

單項物質(zhì)檢測是市場化產(chǎn)品的重要特征之一，具有代表性的國產(chǎn)產(chǎn)品有氣象海洋儀器廠生產(chǎn)的WHM5型溫濕度表、北京天躍儀器廠生產(chǎn)的INTERSCAN CO分析儀及北京聚道合盛科技有限公司所生產(chǎn)的LD-5激光粉塵儀[4]。同時，化學方法的檢測技術(shù)也比較常用，《大氣污染監(jiān)測方法》中的鹽酸萘乙二胺比色法、酚試劑比色法、鹽酸副玫瑰苯胺比色法和重量法可以精確檢測氮氧化物、甲醛、二氧化硫和粉塵等污染物。

在國外，氣體檢測技術(shù)更是與計算機技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了智能化、多功能化的產(chǎn)品。美國工業(yè)科學公司(ISC)一臺攜帶式氣體監(jiān)控儀可實現(xiàn)四種氣體監(jiān)測，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實現(xiàn)對特定氣體監(jiān)測。美國國際傳感器技術(shù)(IST)公司應(yīng)用一種“MegaCas"傳感器和微程序控制單元，可檢測100種以上毒性氣體和可燃性氣體，通過其“氣體檢索”功能掃描，能很快確定是哪一種氣體。另外，在軍用方面最著名的有美海軍在其潛艇上裝備的中央大氣監(jiān)測系統(tǒng)(CAMS)，其主要組件是一臺質(zhì)譜分析儀，運用質(zhì)譜法幾乎可檢測大氣中的任何成分。質(zhì)譜儀與計算機聯(lián)用，對大氣的監(jiān)測、控制和凈化更加精確，其自動化程度更高[6～10]。

目前在氣體檢測技術(shù)上，主要研究是在滿足使用要求的情況下降低成本；在同樣的成本下要繼續(xù)不斷地提高系統(tǒng)的靈敏度，報警的及時性，長時間的穩(wěn)定性，操作的簡單性以及維修的簡便迅速性。這是氣體檢測儀器將來的發(fā)展趨勢。

2　室內(nèi)空氣質(zhì)量標準和測量方法

2.1室內(nèi)空氣質(zhì)量標準制定的意義和測量方法

美、英、法、德等發(fā)達國家早在20世紀50年代就逐步開展了各種環(huán)境下的空氣質(zhì)量標準的制定。而且隨著時代的發(fā)展，這些國家相關(guān)的空氣質(zhì)量標準也在及時的修訂完善。近年來，我國民眾對大氣質(zhì)量的關(guān)注度不斷提高，了解到了空氣污染與健康的內(nèi)在聯(lián)系，但對室內(nèi)空氣給健康帶來的威脅還了解不多，重視不夠。這種情況在全世界范圍內(nèi)無論發(fā)達國家，還是發(fā)展中國家都普遍存在。世界衛(wèi)生組織在2010年首次發(fā)布了名為《室內(nèi)空氣質(zhì)量指南》的報告[5]。該報告意在提醒人們對于居室、交通工具及工廠作業(yè)場所等室內(nèi)空氣質(zhì)量的重視，為世界各國制定相應(yīng)場所的空氣質(zhì)量標準提供方向性指導。所以從國際方面來看，制定并及時完善各種環(huán)境下的空氣質(zhì)量標準是時代發(fā)展的趨勢。在國內(nèi)，從20世紀80年代開始，我國政府就開始制定有關(guān)環(huán)境的空氣質(zhì)量標準，1996年頒布了比較全面的空氣質(zhì)量標準體系，到2012年又頒布了《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095—2012)。所以，空氣質(zhì)量標準的制定和完善是全世界各國政府和人民都十分重視的事情。這不僅關(guān)系到當代人們的身體健康問題，還對子孫后代影響深遠。同時，人們也應(yīng)注意到現(xiàn)行空氣質(zhì)量標準的滯后性和不全面性。比如在車內(nèi)空氣質(zhì)量標準方面，我國至今未實施正式標準，只在近年發(fā)布了《乘用車內(nèi)空氣評價指南》。

目前,評價室內(nèi)空氣質(zhì)量的方法有很多,常用的主要有主客觀評價方法、層次分析法、模糊數(shù)學評價法、密切值法和BP 網(wǎng)絡(luò)評價法和灰色評價法。

本文須對環(huán)境空氣中幾項重要的組分進行調(diào)查和監(jiān)測，取得反映環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，對各單項空氣分組做出判斷，并采用適當?shù)脑u價方法，綜合幾項重要組分進行空氣質(zhì)量評價。單項空氣組分的判斷和總體空氣質(zhì)量評價構(gòu)成了多模式下空氣質(zhì)量評價的主要內(nèi)容。

2.2多模式下控制質(zhì)量評價原理

本文采用了姚志麒提出的最高值與平均值兼顧的空氣質(zhì)量指數(shù)法[5]對環(huán)境空氣質(zhì)量進行評價。此方法在室內(nèi)及交通工具微環(huán)境空氣質(zhì)量評價中已有成功應(yīng)用的先例。該方法首先確定m個污染物。令 i(i= 1，2，…，m)代表各項污染物指標的實測濃度，除以該污染物的評價標準值 ,得到質(zhì)量分指數(shù)Pi，其定義式為

(1)

選出其中最大值Pmax，再求出m個污染物質(zhì)量分指數(shù)的平均值,兩者的幾何平均數(shù)即為空氣質(zhì)量指數(shù)A。其數(shù)學表達式見式(2)：

(2)

A的數(shù)值越大,反映綜合污染越嚴重。評價結(jié)果可依表1所示。

表1　空氣質(zhì)量等級判斷標準

該評價方法中,質(zhì)量分數(shù)指定義為污染物濃度與標準值之比,其倒數(shù)可看作其權(quán)重系數(shù),形象地表示了某個污染物濃度與其標準值。此方法形式簡單,計算方便。該指數(shù)特點為：可隨著污染物個數(shù)的增減,適用于綜合評價幾種污染物共同作用下的空氣質(zhì)量。兼顧了各參數(shù)中最大值與平均值的影響。由于人的感覺與污染物濃度大小不成線,當某一污染物污染嚴重時,可能會造成比較大的危害,引入最大項就是為了體現(xiàn)污染最嚴重的因子對整個空氣質(zhì)量的影響。

2.3評價指標

空氣污染物種類繁多，不可能逐一測量，為了在一定程度上反映出空氣質(zhì)量的水平，又要合理地控制成本，盡量挑選不同環(huán)境模式下都很重要的評價指標以到達“同裝通用” 的目的。此外，空氣質(zhì)量是一個綜合性的指標，還要考慮多方面的因子，因此傳感器的種類也不能太少。那么，挑選合理的傳感器就是所有工作的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

經(jīng)過查閱和收集資料，結(jié)合實際情況和借鑒目前國內(nèi)外常用的IAQ監(jiān)測指標，本文的監(jiān)測指標定為溫度、濕度、二氧化碳、一氧化碳、甲醛和硫化氫六個參量。參照《公共場所衛(wèi)生監(jiān)測技術(shù)規(guī)范GB17220—1998》、《文化娛樂場所衛(wèi)生標準(9664—1996)》、《飯館 (餐廳)衛(wèi)生標準(GB16153—1996)》、《公共場所衛(wèi)生監(jiān)測技術(shù)規(guī)范GB17220—1998》、《醫(yī)院候診室衛(wèi)生標準(GB 9671—1996)》等，經(jīng)過篩選整理得到表2。

表2　室內(nèi)模式空氣質(zhì)量監(jiān)測指標限度表

參照《公共交通工具衛(wèi)生標準(GB 9673—1996)》、《乘用車內(nèi)空氣評價指南》等，經(jīng)過篩選整理得到表3。

表3　交通工具模式空氣質(zhì)量監(jiān)測指標限度表

參照《工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標準(TJ36—79)》，經(jīng)過篩選整理得到表4。

表4　工業(yè)環(huán)境模式空氣質(zhì)量監(jiān)測指標限度表

綜合表2～表4，得到如表5所示的評價指標體系。

表5　四種模式的監(jiān)測指標統(tǒng)計表

3　硬件設(shè)計

基于STC89C52RC的多模式空氣質(zhì)量監(jiān)測評價儀是以交通工具、室內(nèi)、工廠作業(yè)等環(huán)境中空氣有毒有害氣體的監(jiān)測監(jiān)控為背景，能實現(xiàn)：1)對不同環(huán)境模式的選擇； 2)對溫度、濕度、二氧化碳、一氧化碳、甲醛、硫化氫的實時采集處理、顯示及報警； 3)對相應(yīng)環(huán)境空氣質(zhì)量的綜合評價等功能。裝置設(shè)有按鍵，供不同需求的用戶對特定環(huán)境要求的選擇，并且使用LCD點陣式液晶屏顯示菜單，有良好的人機對話界面。同時設(shè)計了聲光報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了在參數(shù)和評價等級超標時及時的報警。

3.1硬件的總體結(jié)構(gòu)和組成

本文研究的多模式空氣質(zhì)量監(jiān)測評價儀是以STC公司的一款8位超低功耗單片機STC89C52RC為控制核心的自動化裝置，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如1所示。

整個裝置由五個模塊組成：

1)傳感器群模塊：使用DS18b20測量環(huán)境中的溫度單線傳給單片機；RH202測濕度、MG811測二氧化碳、MQ-7測一氧化碳、MQ-138測甲醛、MQ-136測硫化氫，它們形成的電信號調(diào)理后依次經(jīng)過ADC0809的數(shù)模轉(zhuǎn)換，再傳送給單片機。它們是所有測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

2)最小系統(tǒng)模塊：主體為STC89C52RC單片機，它對傳感器群采集的數(shù)據(jù)進行處理分析，并向報警模塊發(fā)出報警指令。配有復位鍵，能增強儀器裝置的穩(wěn)健性。

圖1　多模式空氣質(zhì)量監(jiān)測評價儀結(jié)構(gòu)圖

3)電源模塊：將交流電源進行降壓整流，為單片機系統(tǒng)及特殊傳感器提供所需的穩(wěn)定電壓。原理圖上保留了電源接口電路。保證了裝置的可靠性。

4)報警模塊：接收單片機的觸發(fā)指令，按照設(shè)定的程序和時間規(guī)范報警。實現(xiàn)預(yù)警及提示作用。

5)顯示模塊：采用LCD1602液晶顯示測量的數(shù)據(jù)、評價結(jié)論以及控制命令，實現(xiàn)人機界面的友好交互。

6)按鍵模塊：包括確認鍵、上、下翻頁鍵(閾值設(shè)定加、減鍵復用)。實現(xiàn)在不同環(huán)境下對恰當模式的選擇及其閾值的設(shè)定。

空氣中二氧化碳、一氧化碳、甲醛和硫化氫等四種有害氣體及濕度分別通過傳感器群中的傳感器輸出一個與之濃度相對應(yīng)的電壓信號,該信號調(diào)理后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路按一定得采樣頻率將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機進行數(shù)據(jù)采集以便進行顯示處理，溫度傳感器直接與單片機相連。單片機對采樣值進行數(shù)字處理后驅(qū)動液晶顯示器分別顯示出被測室內(nèi)空氣中的二氧化碳、一氧化碳、甲醛和硫化氫的濃度值及溫濕度。若被測室內(nèi)空氣中二氧化碳、一氧化碳、甲醛和硫化氫的濃度及溫濕度中某種有超過國家標準或設(shè)定的危險值時，報警電路對應(yīng)的發(fā)出聲光報警信號，在輪次顯示完六個量之后，還會顯示空氣質(zhì)量評價的等級。

硬件電路原理圖的設(shè)計采用了專業(yè)性強、易學易用的Protel DXP 2004軟件。該軟件在繪制完原理圖經(jīng)過DRC檢查后，就可以發(fā)布到PCB制圖窗口繪制PCB印制電路PCB板，方便了后期硬件實物的制作。裝置電路原理圖見附錄一。PCB設(shè)計圖見附錄二。

圖2　單片機最小系統(tǒng)電路原理圖

3.2硬件電路設(shè)計

由于須對多種模式下的氣體和溫濕度進行測量，各個子模塊電路較多，主要由最小系統(tǒng)電路、溫度測量電路、液晶顯示電路、氣體及濕敏傳感器調(diào)理電路、ADC轉(zhuǎn)換電路、聲光報警電路、下載接口電路和按鍵電路組成。圖2、圖3和圖4分別為最小系統(tǒng)電路、液晶顯示電路和傳感器溫度補償電路差動放大電路，限于篇幅，其它電路這里就不贅述。其中，最小系統(tǒng)電路為多模式氣體質(zhì)量檢測裝置的控制部件。

圖3　液晶顯示電路圖

圖4　溫度傳感器補償電路圖

4　軟件設(shè)計與調(diào)試

4.1軟件設(shè)計功能需求

在系統(tǒng)硬件電路確定以后，其主要功能的實現(xiàn)將依賴于軟件來實現(xiàn)。對同一硬件電路，配以不同的軟件，它所實現(xiàn)的功能也就不同，其設(shè)計軟件基本要求：

1)可靠性：可靠性是軟件設(shè)計的重要指標，具有較強的抗干擾能力。

2)易理解性、易維護性：編制的軟件要求易閱讀，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，容易修改和補充。

3)實時性：系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)外部事件的發(fā)生并能及時做出處理結(jié)果。

4)準確性：保證系統(tǒng)進行計算數(shù)據(jù)的精度。

多模式空氣質(zhì)量監(jiān)測評價儀功能需求框圖如圖5所示，系統(tǒng)軟件主要由核心控制器模塊、溫度傳感器采集模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、液晶模塊、按鍵模塊、聲光報警模塊等模塊構(gòu)成。

圖5　多模式空氣質(zhì)量監(jiān)測評價儀功能需求框圖

4.2主程序模塊

主程序運行流程圖如圖6所示。由主程序流程圖可以看出，軟件要實現(xiàn)的主要功能是：1)選擇環(huán)境模式； 2)實現(xiàn)對傳感器信號的數(shù)據(jù)采集； 3)進行數(shù)據(jù)的計算分析、進行空氣質(zhì)量綜合評價； 4)送液晶進行顯示。程序開始時，先關(guān)閉中斷，對系統(tǒng)進行初始化，包括單片機的各寄存器、RAM、定時器裝載初值、中斷設(shè)置及各模塊初始化等。完成初始化后，液晶顯示模式選擇界面。按鍵確定模式后，傳感器預(yù)熱一段時間，CPU等待傳感器傳入信號及AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，完成當前監(jiān)測參數(shù)的正確顯示并實時是否超限，從而聲光報警，最后運行指標數(shù)算法得到平均等級，顯示在液晶上。

圖6　主程序流程圖

4.3仿真研究

為了保證實物制作的順利進行，先利用軟件仿真，仿真成功后再制作硬件。軟件仿真大致分三步，首先在Proteus中畫電路圖，然后根據(jù)已有的電路圖在Keil中編寫程序，修改程序至編譯通過，最后將程序下載到Proteus的單片機中進行仿真調(diào)試。

打開Proteus軟件中的ISIS Professional，在ISIS Professional中首先搜索元件，選中的元件會顯示在左邊欄，然后逐個地放置元件，并連線，最后完成電路圖如圖7所示。

圖7　Proteus環(huán)境下的電路仿真圖

在電路仿真圖設(shè)計完畢，Keil生成Hex文件的情況下，即可將Hex文件加載到Proteus軟件單片機仿真模型中進行仿真。通過仿真實驗，再對電路和程序做出相應(yīng)修改，直至功能實現(xiàn)。

首先進行選模式調(diào)試。按照功能要求，依次按下S1、S2，如圖8所示。依次上下翻頁移動，有如下四種模式，如圖9～圖12所示。

圖8　按鍵S1、S2、S3操作圖

圖9　工業(yè)環(huán)境模式

圖10　交通工具模式

圖11　室內(nèi)環(huán)境模式

圖12　用戶自定義環(huán)境模式

4.4試驗驗證

圖13為實物樣機。

圖13　實物原理樣機圖

通過CP2103芯片USB下載器將程序燒錄成功后，樣機進入工作狀態(tài)。按照程序設(shè)定，首先應(yīng)顯示“Welcome to NUI！choosing…”的歡迎界面。如圖14所示。

圖14　啟動畫面

等待5 s之后，出現(xiàn)模式選擇界面。通過按下S1、S2切換工業(yè)環(huán)境(industry)、室內(nèi)(indoor)、交通工具(vehicle)和自定義(user-defined)四種模式的選擇。如圖15所示。

圖15　模式選擇界面

當選擇模式確定后，按下S3確認鍵，則顯示“ok ! begin to work” 畫面，同時裝置開始了預(yù)熱工作。如圖16所示。

在依次顯檢測指標后，如果采集的數(shù)據(jù)超過閾值的數(shù)據(jù)，報警燈閃爍，同時蜂鳴器發(fā)聲。如圖17所示。

例如上圖中，CO濃度實測226ppm，超過了100ppm的設(shè)定標準，報警模塊就馬上報警，指示紅燈亮，蜂鳴器響。

圖16　開始工作界面

圖17　顯示實時值、閾值并報警

裝置輪流顯示6個數(shù)據(jù)量后，最后顯示評級等級。如圖18所示：空氣質(zhì)量評價等級為E，即嚴重污染。超限項目為溫度(“T”)、一氧化碳(“CO”)和硫化物(“S”)。

圖18　顯示評級等級并提示超限閾值指標

若是在自定義模式“defined”下，顯示完一遍后，出現(xiàn)“Do you want to revise limit…”字樣，提示用戶可以進行閾值修改。如圖19所示。

圖19　顯示閾值修改界面

按下S3鍵，即可見，當前為修改溫度的閾值界面。如圖20所示。通過S1、S2鍵即可加減修改。按下S3鍵為確認，并跳轉(zhuǎn)到下一個評價指標，繼續(xù)修改，直至跳轉(zhuǎn)回到輪流顯示界面。

圖20　溫度閾值修改界面

待所有閾值修改完畢后，就再次進入循環(huán)顯示界面，如圖21所示：當前相對濕度值為24%，閾值為80%。

圖21　循環(huán)顯示界面

5　結(jié)語

本文針對多種環(huán)境下的空氣污染現(xiàn)狀，分析了不同環(huán)境空氣質(zhì)量標準，研究了相關(guān)有害氣體傳感器的測量原理。并設(shè)計了以單片機為核心，以傳感器采集電路、液晶顯示電路、按鍵電路及報警電路為基礎(chǔ)的空氣質(zhì)量檢測評價儀。仿真和試驗結(jié)果表明，所開發(fā)的多模式氣體質(zhì)量檢測裝置在不同模式下對氣體質(zhì)量測量準確、快速，具有響應(yīng)速度快、操作簡便和工作可靠等優(yōu)點。

[1]環(huán)境空氣質(zhì)量標準[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/881194.htm，2013-6-18.

[2]http://wenwen.soso.com/z/Search.e?sp=S%E5%B7%A5%E5%8E%82%20%E6%B1%A1%E6%9F%93，2013-6-18.

[3]世衛(wèi)組織首次發(fā)布室內(nèi)空氣質(zhì)量標[EB/OL].http://news.sina.com.cn/o/2010-12-16/075321651714.shtml，2013-6-23.

[4]空氣質(zhì)量檢測[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/3336184.htm，2013-6-18.

[5]楊克敵.環(huán)境衛(wèi)生學[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2004.

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Design and Research of Multiple Modes of Gas Quality Monitoring and Evaluation Instrument

DU ChengdongCHEN Nannan

(Naval Representative Office in Hudong Shipboard Co.,Ltd,Shanghai200129)

Multiple modes of gas quality monitoring and evaluation instrument is an optional model for real-time measurement,and can make the evaluation of intelligent products.Air standard under different models is analyzed.A multi-mode air quality monitoring and evaluation instrument is designed and built,soft and hardware circuit of the instrument is analyzed and designed.The tested results indicate that the instrument has high precise results and friendly interface and easily operation.In the custom mode,it can also set the threshold according to the national or local standards related quality documents measurement of other environmental air quality.And the use of the device and universal category is greatly expanded.

multi-modes,air quality,detection,defined mode

2016年3月9日,

2016年4月25日

杜承東，男，博士，工程師，研究方向：船舶電氣。

TM146DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.027