CN102507873A

CN102507873A - 多功能便携式空气质量监测仪

Info

Publication number: CN102507873A
Application number: CN2011103462193A
Authority: CN
Inventors: 王睿; 马宏宾; 柯贤锋; 吕宪伟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-06
Filing date: 2011-11-06
Publication date: 2012-06-20

Abstract

目前检测室内空气质量尤其是对有毒气体的检测装置多数为专业仪器，价格昂贵、不具有通用性且携带不方便，不适于在居家环境或在有特定需要的场合使用。另一方面，一些仪器由于功能单一、扩展性能不好而逐渐被淘汰，造成设计及资源的浪费。基于以上考虑，我们设计基于AVR单片机的多功能便携式空气质量监测仪。该监测仪除监控、检测室内温湿度外，可根据不同的需要提供两种模式监测室内气体浓度。当气体浓度超标(针对有毒气体或可燃气体)或低标(针对正常气体或特殊场合需要的气体)时都会报警，提示用户注意通风或对环境中空气状况进行检查处理。另外，这款监测仪具有扩展性，用户可根据需要安装各种不同的气体传感器，只需按照本仪器的说明设定传感器参数即可，监测仪将自动识别新传感器。这一扩展性使得监测仪可用于监测多种不同的气体(特别是有毒气体或易燃性气体)，适用于居室、车间、矿井、野外等各种不同的场合。

Description

多功能便携式空气质量监测仪

技术领域

本发明设计了一种便携式空气质量监测仪，该仪器能有效地监控、检测室内空气质量,增强人们对有害气体的防范意识，保障人们的身体健康。监测仪能在实时监控室内温湿度情况的基础上，同时检测甲醛浓度并在甲醛浓度超标时进行报警提示，提示用户采取措施。同时监测仪提供可扩展的传感器接口，使之能够在仅更换传感器的情况下检测多种其它气体，大大提高了仪器的适用范围。同时监测仪在背光智能调节、电池电量管理等方面具有多项创新环保功能。

背景技术

空气质量状况与人的健康息息相关，尤其是室内环境的空气质量对人的影响最大。然而，我们注意到，当今的家庭居室尤其是刚刚装修的房子内含有很多对人体有害的气体（如甲醛、苯等）；厨房里的液化气泄漏也会造成污染，甚至引发重大火灾；日常生活中也不时存在一些其它危害人类的有害气体。因此，对空气质量的检测对人类的健康和安全具有重要的意义。

然而，经过调查，我们发现：目前能检测室内空气质量尤其是对有毒气体浓度的检测装置多数为专业仪器，价格昂贵、不具有通用性且携带不方便，不适于在居家环境或在有特定需要的场合使用。这些仪器通常只能对某种特定的气体进行检测，当需要检测其它类型的气体时人们就不得不另买其它仪器，而且它们只能提供检测气体功能，这种现状不仅造成了设计及材料的浪费，而且此类仪器在气体超标或低标时无明显提示或报警，从而起不到智能提醒用户采取相应措施的作用。

综上所述，针对空气质量检测问题，现有的检测装置实用价值较低，不具备广泛适用性、多功能性、可扩展性。

发明内容

本专利设计一款新型便携式空气质量监测仪，该仪器能有效地监控、检测室内空气质量,增强人们对有害气体的防范意识，保障人们的身体健康。

监测仪能在实时监控室内温湿度情况的基础上，同时检测甲醛浓度并在甲醛浓度超标时进行报警提示，提示用户采取措施，以保护室内居住环境。甲醛浓度超标是当今居室尤其是新房普遍面对的问题。另外，在工厂、矿井等场合，也面临很多的气体检测及监控的需求，因此本发明具有较为广泛的适用性。

同时，考虑到大部分仪器由于功能单一、扩展性能不好而被淘汰的现状，也为了避免浪费，更好地满足用户自身的需求，仪器具有可扩展性，即用户可以根据需要安装常用的不同类型传感器，如一氧化碳、甲烷等气体传感器等，以检测其它有毒气体或易燃性气体。这一扩展性使得该仪器，可应用于家居、工厂、矿井、野外等各种场合，在不同的领域中得到应用，而不仅仅是家用。例如，安装检测瓦斯传感器便可以用于检测矿井内的瓦斯浓度，避免瓦斯浓度过高而爆炸，保障矿井工人的生命安全。这就大大提高了仪器的适用范围，具有广阔的市场前景和应用前景。

基于以上性能和功能要求，基于ATMEL公司的EVK1100单片机，我们设计的监测仪系统总体框架如图1所示，其主要软硬件部分设计如下：

（1）LCD显示模块：采用EVK1100上的4*20显示屏，在AVRStudio5中ATMEL公司已经编写好了显示屏的基本驱动，在此基础上我们又根据实际需要编写了显示屏的关闭（背光关闭）与开启函数，背光精细调节函数。

（2）导航键与旋钮：导航键采用EVK1100上的JOYSTICK，主要用于用户交互界面中的用户操作，包括菜单翻页、菜单选择、设置等；旋钮采用EVK1100上的电位器，主要用于有毒气体阈值设定。

（3）USB接口、DATAFLASH存储器：DATAFLASH存储器通过USB连接到电脑，主要用于从监测仪导出气体浓度数据文件以及添加新传感器参数信息的编写。同样，在AVRStudio5中已经有USB的协议以及DATAFLASH的驱动，程序中直接调用相应函数。

（4）蜂鸣器报警系统：采用普通的有源蜂鸣器，用三极管驱动，AVR微处理器的GPIO口进行控制，微处理器自带的PWM模块来控制蜂鸣器的鸣叫，调节PWM的占空比来改变鸣叫频率。

（5）实时室内温湿度检测模块：采用DHT11数字式温湿度传感器，该传感器数据传输方式为串行单总线。用AVR单片机的一个GPIO口作为数据总线，编写该温湿度传感器的驱动程序。在程序中调用一次该驱动，即可采集一次温湿度信息。

（6）电源管理模块：为了实现更好的电源管理，除了EVK1100已经提供的电源管理功能外，本发明还针对监测仪的电量检测做了模拟。一般干电池在使用过程中其内阻不断增大，通过图2中电路，用AD转换器检测外接电阻两端电压来确定干电池的电量。其结构图如图2所示。

（7）传感器接口：其设计如图3所示。传感器的使用分为两种工作模式：

Figure 2011103462193100002DEST_PATH_IMAGE001

检测模式的设计：检测模式下，只需按照设定的间隔时间，按照一定的采样频率，读取AD转换器相应AD口的电压值，经数字滤波处理后，再根据换算公式转换成要检测气体的浓度。

监控模式的设计：监控模式下，如图3所示，通过滑动变阻器即EVK1100板上的电位器来设定监控阈值。电位器输出接电压比较器的正相输入端，气体传感器的输出接电位器的反相输入端，电位器的输出接AVR单片机的外部中断口。当气体传感器输出电压大于电位器输出电压时，电位器输出由高电平跳变为低电平，单片机EIC检测中断，启动报警系统。

（8）扩展性设计：监测仪的扩展性主要满足用户安装新传感器的需求，用到的资源有EVK1100上的USB接口、DATAFLASH存储器。通过USB将DATAFLASH连接到电脑，在电脑上编辑传感器参数至DATAFLASH中的指定文件中。

（9）软件设计：软件设计流程图如图4所示，初始化模块完成时间模块RTC的初始化、AD转换器初始化、DATAFLASH初始化、FAT-filesystem初始化、USB模块初始化、LCD初始化、用户界面初始化、JOYSTICK初始化、蜂鸣器初始化、定时计数器初始化。用户界面以及用户设置均建立在JOYSTICK的动作上，JOYSTICK的动作产生中断，中断程序执行用户界面的切换以及相关设置。任务区并非指物理存储上的一个区域，而是指监测仪所有任务的集合。当监测仪完成所有任务后，进入休眠，以降低功耗，进入休眠后主要靠中断来进入任务区，执行相关任务，如气体浓度采集、启动报警器等。

（10）监测仪主要功能软件流程：在检测模式下，监测仪按照一定的采样频率对气体浓度进行采样，并将得到的浓度值记录在存储器中，当浓度超标时给出警报。具体流程如图5所示。监控模式下，监测仪将不对气体浓度进行实时采集，气体浓度超标时，通过电压比较器产生中断，执行警报系统。具体流程如图6所示。监测仪的扩展性主要在于用户可以根据需要添加新传感器，借助EVK1100上的DATAFLASH存储器，用户只需在电脑上将传感器参数编写至DATAFLASH中的指定文件中即可。具体流程如图7所示。

附图说明

图1 系统总框架图

图2 电源智能管理电路结构图

图3 传感器电路图

图4 软件执行流程图

图5 监测仪检测模式图

图6 监测仪监控模式图

图7 监测仪工作流程图

图8 监测仪硬件开发板图

图9 监测仪实际效果图

具体实施方式

（一）仪器的两种工作模式

该仪器提供两种工作模式：检测模式和监控模式。检测模式可以实时地将气体浓度信息显示在LCD上并在气体浓度超标（或低标）时发出警报；监控模式下仪器进入休眠状态，以节省电能，仅在气体浓度超标（或低标）时由硬件电路发出警报。

（1）检测模式的使用方法及其设置情况

首先需要在模式选择菜单里选择检测模式，然后再设置菜单项里设置检测间隔时间以及所检测气体对应的传感器。

设置检测间隔时间后，仪器将每隔一定时间检测一次气体浓度并将数据记录到存储器中。这种模式特别适合检测有毒气体浓度比较高，环境比较恶劣因而人不能长时间滞留的地方，比如化工厂。用户只需设置好间隔时间和传感器，将仪器放在待检测地点即可，一段时间后再取回监测仪。将仪器连接电脑后，将FLASH存储器中的数据导出，并运用电脑上相关的软件进行分析，以较好分析有毒气体含量的变化及其趋势。

（2）监控模式的使用方法及其设置情况

介绍完检测模式后，我们对另一种工作模式监控模式进行说明。

在监控模式下，监测仪将进入休眠工作状态，监测仪将不再对有毒气体浓度做具体检测，只在气体浓度超标（或低标）时给出警报，而报警阈值和报警条件可以人为设定，默认情况下报警阈值为国家标准，报警条件为超标时报警。这种模式特别适合日常家居使用，比如给监测仪接上CO传感器，并让仪器工作在监控模式下，当室内发生煤气泄漏时，监测仪发出警报。

下面说明监控模式的使用方法。首先在模式选择菜单里选择监控模式（Guard），在设置菜单里选择相应传感器以及报警阈值、报警条件，所有设置完成后监测仪即工作在监控模式，仪器进入休眠状态。

（二）仪器的可扩展性

为了减少不必要的浪费，该仪器还具有较好的扩展性，除了甲醛、CO、液化气等气体外，当用户需要检测其它种类气体时，比如酒精气体，这就需要为监测仪添加其它气体传感器。

首先进入添加传感器菜单项，确认后监测仪将连接电脑。此时电脑将识别出一个8兆存储器，打开存储器，在sensor文件夹下有一个sensor_param文件，此文件用来记录新添传感器参数信息。文件中对如何编辑新式传感器参数有详细的说明，并给出了例子。

当编辑完成退出后，这时监测仪提示有新传感器可用，然后到“设置“菜单选项里进入“传感器选择”菜单项。这时会发现仪器上显示出了刚刚添加的新传感器，选择该传感器并对工作模式正确设置后即可用来检测对应的气体。

本仪器提供的扩展性具有一定的局限性，可扩展的只是工作原理相同的传感器。不过根据调查，该种类型的气体传感器有很多种，完全可用于满足人们日常生活中的需求。

（三）仪器的节能环保特性

除了利用监控模式使得仪器休眠而节约能源外，在检测模式下，该仪器屏幕亮度将根据环境光强的改变而自动改变。当外界光强较大时，LCD显示屏亮度降低；外界光强变小时，显示屏亮度变大。这可以减少电池电量消耗，让仪器工作时间更长。

此外，我们还模拟了电池的电量管理，在显示屏末尾有电池的电量信息，该信息会随电量改变而改变。当电量不足时，监测仪将发出警报，提示用户进行充电。报警时声音的频率与气体超标时的报警明显不同，从而避免用户误判。仪器同时也具有电子表的功能，显示屏第一行开头即为时间显示，用户只需在设置菜单里正确设置时间即可。

Claims

1.多功能便携式空气质量监测仪使用AVR单片机（AT32UC3A0512单片机）作为微处理器芯片，配合气体浓度及温湿度传感器，来实现检测、显示、报警等任务。

2.多功能便携式空气质量检测仪能在实时监控室内温湿度情况的基础上，同时检测甲醛浓度并在甲醛浓度超标时进行报警提示，提示用户采取措施，以保护室内环境。

3.仪器提供扩展接口，具有可扩展性，用户可根据需要安装一氧化碳、甲烷、瓦斯等气体传感器等，以监控、检测其它气体（特别是有毒气体或易燃性气体），本特性使得该仪器可应用于居室、车间、矿井等各种不同的场合。

4.多功能便携式空气质量监测仪能够根据环境光强智能调节LCD背光强度。

5.多功能便携式空气质量监测仪能够在电池电量不足时智能报警。

6.多功能便携式空气质量监测仪能将采集检测到的气体数据存入自身携带的DATAFLASH中，并能通过USB与电脑相连接，仪器搭配的软件能够分析数据，得到气体质量分析报告。