空气物理参量的测量和数据远程传输及报警

邢世样，邢 鑫，叶远锋，代琼琳，李海红

（北京邮电大学 理学院，北京100876）

1 引 言

近十几年来，随着移动通信技术飞速发展，越来越多的信息采集和远程控制系统采用了无线数据传送技术，它与有线数据传送相比主要有布线成本低、安装简便、便于移动的优点［1-2］.本文将物理实验中利用多种传感器对空气各参量的测量实验与数据的远程传输相结合，综合应用了物理实验、通信实验和单片机实验的知识，开发出适于信息工程、计算机等专业本科生的综合实验［3-4］.

本文利用热敏电阻与温度的变化关系测量空气温度，利用湿敏电容的电容值与湿度的变化关系测量空气的相对湿度，利用单晶硅的压阻效应测量大气压强，利用光敏电阻随光照强度阻值的变化关系测量光照强度，利用气敏材料的电导率随空气中可燃气体的体积浓度的变化关系测出空气中可燃性气体的体积浓度.利用所测的温度、湿度、气压3个物理量，用改进的Edlen公式计算出空气折射率.最后，利用单片机将所测得的物理量的数据收集并经由GPRS（general packet radio service，通用无线分组业务）模块发送到监控中心（计算机），实现了空气物理量的远程测量、传输、实时监测以及报警.

2 空气物理参量的测量

2.1 空气温度的测量

2.1.1 热敏电阻测温原理

热敏电阻是基于半导体材料的阻值随温度变化而变化的电阻元件［5-7］.与一般常用的金属电阻相比，它有很大的电阻温度系数值，可以简便灵敏地检测出微小温度的变化.根据其不同的物理特性，可分为负温度系数（NTC）、正温度系数（PTC）和临界温度系数（CTR）3种热敏电阻.本文选用NTC型热敏电阻，其电阻Rt与温度t的关系可用经验公式表示为

2.1.2 仪器校准

利用水银温度计自行设计了温度测量传感器的校准实验，实验装置见图1.选取的校准温度范围为0～53.5℃，最终测得温度t（℃）与热敏电阻的阻值R（kΩ）的关系曲线见图2，并利用数学软件Matlab拟合出温度t与电阻R的函数关系.

图1 温度校准实验装置

图2 温度校准曲线

2.2 空气湿度的测量

2.2.1 HS1101湿敏电容的工作原理

当空气湿度发生变化时，湿敏电容的电容值随之线性改变，将湿敏电容置于555振荡电路中，电容值的变化导致电路输出电压频率的变化，将输出频率送给单片机，求得相应的相对湿度值［8］.

2.2.2 仪器校准

采用实验室提供的专业温湿度仪HT-8321进行校准，用加湿器来调节室内湿度，并且通过调节距离控制湿度稳定.用湿度仪测出此时的湿度并记录此时的湿敏电容输出的频率值，从而得到湿度与湿敏电容的输出频率的关系曲线，如图3所示.

图3 湿敏电容的输出频率与湿度的关系

2.3 光照强度的测量

2.3.1 光敏电阻的工作原理

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应［9］.半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少.当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子-空穴对的出现使电阻率变小.光照愈强，光生电子-空穴对就越多，阻值就愈低.当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照强度增大而增大.入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小.基于此原理设计的光照传感器电路，当光照强度变化时，由于电阻的改变会使电压也发生改变，从而输出信号.

2.3.2 仪器校准

光强校准实验装置如图4所示.使用实验室提供的光照计对自制的光敏传感器进行校准，得出了光照强度E（lx）与光敏电阻阻值R（kΩ）的关系曲线，如图5所示.

图4 光强校准实验装置

图5 光强校准曲线

2.4 空气压强的测量

采用BMP085数字式气压传感器测量气压.BMP085硅压阻式气压传感器是基于单晶硅的压阻效应而设计的.由3个基本部分组成：a.基体，直接承受被测应力；b.波纹膜片，将被测应力传递到芯片；c.芯片，检测被测应力.芯片是在硅弹性膜片上，用半导体制造技术在确定晶向制作相同的4个感压电阻，将它们连成惠斯通电桥构成了基本的压力敏感元件.当膜片受到外界压力作用，电桥失去平衡时，可得到与被测压力成正比的输出电压，从而达到测量压力的目的.

鉴于该数字传感器是高精密型器件，采用厂家提供的数据，气压传感器的测量范围为300～1 100hPa，精度为0.5hPa.

2.5 空气中可燃性气体体积浓度的测量

2.5.1 MQ-2可燃性气体体积浓度传感器工作原理

MQ-2半导体可燃气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）.当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体体积浓度的增加而增大.利用电路测量电导率的变化，计算出气体体积浓度变化.

2.5.2 MQ-2可燃性气体传感器的使用范围

MQ-2半导体可燃气体传感器对液化气、丁烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其他可燃蒸汽的检测也很理想.这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器.

使用液态丁烷校准传感器.由产家提供的数据手册得知，其精确检测相对体积浓度为：3×10-4～5×10-2.收集一定量的丁烷作为饱和值，同时假设在空气中当可燃性气体的相对体积浓度到达3%时，存在安全隐患，将此作为报警的阈值点，即当空气中可燃性气体的相对体积浓度到达3%时，装置就会自动驱动报警器发出警报.

2.6 空气折射率的计算

基于单片机系统的控制，利用高精度的温湿度传感器和压力传感器，分别对空气的温度t，相对湿度H和大气压强p进行测量，并以它们为参量，代入到改进的Edlen公式中计算出空气折射率n 为［10-11］从式（2）可看出，在空气成分一定的情况下，空气的折射率与空气的温度、湿度及压强等因素有关.

3 数据传输的原理

本装置使用MSP430F149单片机，该单片机特点为低功耗，适合本实验环境.单片机控制GPRS模块负责发送和接收数据，GPRS模块采用华为公司生产的GTM900C模块.该模块主要由射频天线、内部Flash及SRAM等部分组成，支持短消息、传真、数据业务和语音业务.它可以向用户监测终端发送监测到的实时环境数据，同时也可以向手机发送警报短信.GPRS的工作原理与手机联网发送数据的原理相同.系统程序框图如6所示，流程图如图7所示.

图6 系统程序框图

图7 系统程序流程图

4 实验仪器与装置

实验仪器及元件包括MSP430149型单片机、GTM900C型GPRS模块、HTF3223温湿度模块、BMP085气压传感器、光敏电阻、MQ-2型烟雾传感器、显示屏及移动电源等.最终完成的装置实物图如图8所示.

图8 装置实物图

5 数据测量与分析

5.1 温度和湿度的实地测量

用该装置对不同环境进行实地测量.同时，使用实验室提供的高端专业温湿度仪HT-8321进行比对测量，结果如表1所示.

表1 同一地点本装置与高端温湿度仪HT-8321温湿度测量比对

从表1数据可以看出，本装置与专业温湿度仪的最大测温偏差为0.5℃，最大测量湿度偏差为2.7%.因此，本实验装置的测量精度满足实验要求.

5.2 北京冬季室外24h空气各物理参量的变化情况及相关关系

利用本装置进行户外从22：00至次日22：00共24h的测量，每隔30min取1个测量组，做出对应的随时间变化趋势图，如图9所示.

图9 室外24h温湿度、光照强度及气压变化曲线

1）从图9（a）中可以得出冬季室外一天中温湿度的变化情况.经查阅文献，人体的舒适湿度为30%～40%.由图可得，早晨7～8时，虽然气温较低，但相对湿度在35%左右，因此人体感觉舒适.在中午时分，气温有所回升，但湿度下降到25%以下，此时人体的舒适度会比早上稍差.

2）从一天中光照强度随时间变化的曲线图9（b）可以看出，冬季的北京强光照时间较短，处于9：00至13：00时段.从一天中气压随时间的变化曲线图9（c）可以看出，在深夜至凌晨时段气压较低，而随着白天的来临，气压回升较快.

3）利用Edlen公式计算得空气折射率为1.000 279～1.000 288.经查阅文献［12］空气的折射率约为1.000 271.考虑到实验环境中存在日光灯等干扰光源，故此实验结果较为准确.

6 结束语

本实验通过集成多种传感器件，实现了对空气温度、湿度、折射率等6个物理参量的测量，测量内容多，装置高度集成化，适于不同环境的测量与监控.通过与实验室提供的高精度仪器测量结果比对，测量结果准确.本装置实现了数据远程传输与报警，当用于环境监测时，可及时将危险信息发送到指定手机或电脑用户.本实验设计综合了物理实验、通信实验以及单片机实验，为信息工程、计算机等专业的本科生搭建了综合实验开发平台.此外，本测量装置小巧简易，测量方便，成本低廉，在大学物理或通信实验室内非常容易实现，是一个学生乐于参与的开放性实验.

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