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1 引言 人們健康意識和環(huán)保意識的逐漸增強使環(huán)境參數及其對身體的影響日益受到關(guān)注。然而現實(shí)生活中人們常常身處煤氣、香煙、酒精等有害氣體的包圍之中，但因沒(méi)有合適的測量?jì)x器或因專(zhuān)業(yè)的測量?jì)x器過(guò)于昂貴而不能方便地得知身邊環(huán)境中的各種參數值，因而無(wú)法知曉環(huán)境參數是否會(huì )對身體或環(huán)境構成危害。這里介紹一種多功能環(huán)境測量?jì)x的設計方法，該測量?jì)x廉價(jià)、實(shí)用、便攜，并有語(yǔ)音播報測量值及有害氣體越限報警等多種功能。 2 總體結構與工作原理 該測量?jì)x以凌陽(yáng)16位單片機SPCE061A為控制核心，光線(xiàn)、溫度、濕度、氣體傳感器將獲得的環(huán)境信息量轉換為模擬電信號，經(jīng)A／D轉換器轉換為對應的數字信號后交由CPU處理；CPU實(shí)時(shí)計算測量值并將結果送液晶顯示器顯示，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音播報。 設有鍵盤(pán)、紅外接收電路、人工復位和自動(dòng)上電復位以及硬件看門(mén)狗電路。SPCE061A內部帶有A／D、D／A轉換模塊，可以方便地實(shí)現模／數轉換和語(yǔ)音播報功能。系統總體結構如圖1所示。 3 硬件電路設計 3．1 溫度光線(xiàn)模塊 溫度傳感器采用R450型負熱電阻，光線(xiàn)傳感器采用高靈敏度光敏電阻，該溫度傳感器和光線(xiàn)傳感器線(xiàn)性化較好，尤其在室內環(huán)境下，且阻值隨外界物理量的變化較明顯，因而可省去中間放大電路直接與單片機10A端口相連。光線(xiàn)溫度測量模塊電路如圖2所示。整個(gè)電路由6 V電池供電，2 V的穩壓管為A/D轉換電路提供2 V基準電壓．可調電阻R1用來(lái)校準由溫漂和電源電壓降低引起的基準電壓的降低，R4與R6串聯(lián)，光線(xiàn)強度的變化通過(guò)風(fēng)分壓值的變化反應，并輸入到單片機的 IOAO端口，進(jìn)行A/D轉換。IOA端口設置為懸浮輸入口，在單片機中定義變量iLM，光線(xiàn)測量得到的電壓數據存放在iLM中，并根據iLM判斷光線(xiàn)太強、太弱還是柔和。每1 ms取1次A/D轉換數據，共取10次是為在100 Hz的自然光的一個(gè)周期中都能取到數據。取10次測量平均值查表得到光強。溫度測量與光線(xiàn)測量原理基本相同。該模塊電路原理如圖2所示。 3．2 氣體測量模塊 新型半導體氣體傳感器TGS2600能夠靈敏地感知空氣中的低濃度污染物的異味，如空氣中的低濃度香煙污染物和其他異味，對H2、CO等有較高的敏感度。該傳感器能檢測到幾個(gè)ppm級H2含量，傳感器基本測量電路如圖3所示。此傳感器要求有兩個(gè)電壓輸入：加熱器電壓VH和電路電壓VC1。加熱器電壓VH加于集成加熱器上以保持傳感器在一個(gè)特定的最佳感應溫度。電路電壓VC1被加載以便于測量與氣敏元件串聯(lián)的負載電阻電壓Vout。輸出電壓經(jīng)IOA4端口直接輸入單片機進(jìn)行A／D轉換。 3．3 濕度測量模塊 由于濕度傳感器HS1101是電容式的，所以要測量其電容值，利用單片機無(wú)法直接讀到，但利用SPCE061A的Feed-back功能可測得HS1 101所在RC電路的工作頻率，這樣就可計算其電容值。為減小誤差，利用固定電容C6和電阻Rs構成另一個(gè)Feedback電路作為濕度傳感器 HS1101的基準，如圖4所示。根據圖4中的參數，為使濕度傳感器HS1101的工作頻率盡量接近10 kHz，選擇一只620 kΩ的電阻和HS1101形成Feedback1；390 pF的電容作為基準和另一只620 kΩ電阻形成Feedback2。 3．4 紅外發(fā)射接收模塊 紅外發(fā)射接收采用38 kHz載波，具有功耗低、抗干擾、距離遠等特點(diǎn)。獨立的遙控器可以使人們在室內任何地方控制測試儀的播報、開(kāi)關(guān)機等功能。發(fā)射器由一塊凌陽(yáng)61板和一塊紅外發(fā)射電路組成。主程序調用鍵盤(pán)掃描程序讀取鍵值，如果是KEY1鍵按下，則調用KEY1發(fā)射程序，發(fā)射序列二進(jìn)制1000 0000；KEY2鍵按下，則發(fā)射序列1000 0001；KEY3鍵按下則發(fā)射序列1000 0010。接收電路通過(guò)IOA7端口輸入單片機，主程序在每次測量完成后對IOA7端口進(jìn)行掃描看是否有低電平起始信號到來(lái)，若有則繼續接收，否則主程序繼續向下執行。系統上電后若接收到KEY1鍵發(fā)射序列．則開(kāi)始測量顯示；若接收到KEY2鍵發(fā)射序列，則播報當前溫度光線(xiàn)濕度值和有害氣體濃度值。 KEY3鍵可使系統進(jìn)入睡眠狀態(tài)以降低功耗。 3．5 鍵盤(pán)顯示單元 顯示單元選用128x64字符點(diǎn)陣液晶顯示屏SPLC501模塊組件，主要由LCD顯示器、 LCD控制板和偏壓產(chǎn)生電路組成。分4行依次顯示當前溫度值、光線(xiàn)強度、有害氣體濃度、濕度等信息，如圖5所示。鍵盤(pán)模塊主要用于設定報警門(mén)限值。 KEY1鍵為確定／取消功能，KEY2鍵為上調功能，KEY3鍵為下調功能。當KEY1鍵按下后溫度值會(huì )不斷閃爍，按下KEY2或KEY3鍵設定溫度閾值，設定好后再次按下KEY1鍵則光強值不斷閃爍，對光強閾值進(jìn)行設定，按同樣的方法設定氣體濃度和濕度閾值，當設定好后停止按鍵，2 s后系統自動(dòng)重新開(kāi)始測量。 4 軟件設計 軟件采用模塊化設計方法，由主程序及鍵盤(pán)處理、數據采集、報警、語(yǔ)音、液晶顯示和紅外接收等子程序組成。系統主程序流程如圖6所示，該程序是控制和管理的核心，系統上電后進(jìn)行初始化，完成后系統開(kāi)始正常運轉，進(jìn)行環(huán)境各參數的測定顯示及判斷超限報警等操作，然后檢測紅外接收是否有信號輸入并執行顯示和語(yǔ)音播報等功能。 該系統溫度提醒上限為27℃，下限為16℃，光線(xiàn)強度分為20個(gè)等級，7級以下為光線(xiàn)太弱，16級以上為太強，太弱太強都會(huì )有語(yǔ)音提醒。有害氣體濃度分為 100個(gè)等級，20級以下為無(wú)害區，系統不會(huì )報警。20級以上系統會(huì )不斷進(jìn)行語(yǔ)音提醒，直到氣體濃度重新下降到20級以下。濕度在40％以下時(shí)不會(huì )提醒，在40％以上時(shí)系統會(huì )間斷提醒。在4個(gè)語(yǔ)音播報提醒的子程序中設定氣體播報為最高優(yōu)先級，因為有害氣體對人體危害最大，且最易出事故。另外系統外留有繼電器輸出接口，可控制外部應急設備，像排氣扇，燈光，加濕器等設備。根據不同地區不同環(huán)境參數的要求，系統簡(jiǎn)單易行的參數設定功能可滿(mǎn)足各種不同的環(huán)境需求，如蔬菜大棚，工廠(chǎng)車(chē)間等。此系統編譯環(huán)境為unSP IDE 2．0，使用匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言混合編寫(xiě)，其中，中斷服務(wù)程序、A／D轉換及液晶顯示等相關(guān)底層程序由匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，其余像測量程序及語(yǔ)音播報等程序由C語(yǔ)言完成，程序量約22 KB。 5 結束語(yǔ) 按照上述原理研制出樣機。整個(gè)系統由測量、繼電器輸出控制、電池供電、紅外遙控器及顯示等5個(gè)模塊組成。經(jīng)實(shí)際測試，該系統對香煙、甲烷、酒精有非常靈敏的檢測報警能力，對溫度、濕度及光線(xiàn)的測定也均達到實(shí)用要求。該測量?jì)x可根據要求改變設定值，適合應用于家庭、溫室及公共場(chǎng)所的環(huán)境測量與安全報警，隨著(zhù)人們對生活質(zhì)量要求的提高，這種多功能便攜式測試儀將會(huì )有更廣闊的應用前景。此設計的創(chuàng )新點(diǎn)在于集室內環(huán)境與安全報警為一體，液晶顯示和語(yǔ)音播報非常具有人性化特點(diǎn)，此外，紅外遙控功能使得使用更為方便。 |
