一种基于PIC单片机的手持式空气质量监测仪

王 杰

(东北石油大学，黑龙江 大庆 163318)

一种基于PIC单片机的手持式空气质量监测仪

王 杰

(东北石油大学，黑龙江 大庆 163318)

随着环境污染日益严重，治理环境显得越来越重要，空气质量检测仪成为了研究的热点。本文基于单片机PIC16F887设计了手持式空气质量监测仪，选择不同类型的传感器，设计了硬件电路和软件程序，最后对其应用效果进行了模拟对比分析。

PIC16F887；电路设计；软件设计；应用效果分析

随着环境污染日益严重，室内空气质量越来越差，污染物如粉尘、甲醛和氨等广泛存在，严重危害人类的健康；因此，室内污染物测量受到了广泛关注，如何快速、准确、可靠地对室内污染物进行测量成为了研究的热点。当前，在对室内污染物进行测量时，主要依靠实验室化学分析方法，该方法也存在一定的局限性，实时性较低，必须依赖于PC，在实际应用过程中，无法满足人们对测量仪器的经济性、快速性和适应性的要求。随着科学技术的发展，出现了高集成度和低功耗的集成芯片，其功能越来越强大，功耗越来越低[1]。化学传感器的出现，使监测仪发生了重大的改变，其主要应用光学原理和电化学原理[2]，实现了现场采样和检测，并能对数据实时进行分析。

目前，我国研究的空气质量分析仪，虽然价格较低，但是其功能不够完善，比较单一，而且可靠性低；因此，如何将计算机技术应用于空气质量监测仪，并利用新型的检测方法和原理，实现监测仪的在线化和自动化发展，成为了今后的研究热点[3]。本文设计了基于PIC单片机的手持式空气质量监测仪，对上述问题展开了研究。

1 空气质量监测仪的原理和总体结构

基于PIC单片机的手持式空气质量监测仪应用了各类新型的传感器，如各电化学型传感器、温湿度传感器以及可吸入颗粒传感器，应用这些传感器采集相关的信号，并对这些信号进行转换，实现相关数据的分析，并将分析结果显示在 LCD 液晶屏幕上。一旦室内的某种有害气体超出设定的阈值，监测仪会自动发出警报，提醒用户应该采取措施，通过串口发出控制指令。本监测仪空气中有害气体浓度阈值的设定根据GB/T 18883-2002《室内空气质量标准》等国家标准进行。仪器预留了相应的通信串口，可应用预留的串口连接到计算机，和空调、空气净化仪等相连，实现远程的控制。如果空气情况超标，就会起动高级设备对气体进行处理。手持式空气质量监测仪的总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

监测仪的主控芯片选择美国Microchip公司生产的PIC16F887， 它采用纳瓦技术的8位CMOS闪存单片机系列，处理能力十分强大，片上的外设非常丰富。它的特性如下：8位RISC结构CPU；看门狗电路定时器WDT和3路定时器Timer0/1/2；14路10位分辨率A/D转换通道；35个方向可单独控制的I/O引脚，灌/拉电流可达25 mA；256 B EEPROM；出厂精度标准为±1%的高精度内部振荡器；标准编程接口，能实现加密保护。

空气质量监测仪的技术指标如下。

1)甲醛(HCHO)浓度检测(传感器：HCHO—101 )：量程为0～10 ppm(mg/m3);精度为0.01 ppm，报警阈值为0.3 ppm。

2)CO浓度检测(传感器：ME2—CO)：量程为0～2 000 ppm(%)；精度为1 ppm；报警阈值为1 200 ppm。

3)温度湿度检测(传感器：温湿度传感器芯片 SH-203)：温度为0～45 ℃；湿度为5%～95%

4)粉尘浓度检测(PM2.5)(传感器：ZH01)：量程为0～1 000 μg/m3；精度为1 μg/m3；报警阈值为150 μg/m3。

5)氨气检测(传感器：ME3-NH3)：量程为0～50 ppm；精度为0.5 ppm；限量值≤ 0.2 mg/m3。

2 空气质量监测仪的硬件设计

2.1 气体传感器处理电路

2.1.1 甲醛接口电路

甲醛传感器采用HCHO—101，当甲醛气体进入传感器内部之后，会和其内部的溶液发生化学反应，消耗电极表面，迁移部分电子，产生电流，电流特别小，为μA级别，难以检测，所以需要经过放大电路对其进行放大。为了维持传感器输出信号的稳定性，采用J175 进行基准电压标定。检测到甲醛存在时，传感器输出电流信号，电阻 R9对电流信号进行转换，形成 PCO—ADC0电压信号，与 PIC16F887 的 AD 入口相连，电压信号经过标度变换成为甲醛浓度值数据，显示在液晶模块，并实时更新。

2.1.2 氨气传感器的信号处理电路

氨气传感器采用ME3—NH3，当传感器检测到氨气存在时，输出信号经过信号放大处理电路和OPA333 运算放大器的处理，使输出的信号由mV 级放大到V级。在电路中应用J177 开关，能使传感器的工作电极和参比电极在不工作时处于短路状态，减少传感器的预热时间，降低耗损，延长使用寿命。选用的芯片信号放大器为AD8572，该芯片具有超低漂移、失调及偏置电流特性，电路中R9、C9、Q1 、R10和AD8572 内部的A运放构成了恒电位电路。2.1.3 CO传感器的信号处理电路

CO传感器采用ME2—CO，由于传感器的输出信号为μA级别，为了避免干扰信号，提高测量的精度，将传感器与该部分组成一体，RT1为热敏电阻，对温度进行校准和补偿，R1、RT1和R2放大输出信号，C3和R3过滤杂波[4]。电路的输出电压和传感器的输出电流关系为：U=I×(R1+R2/RT1)。

2.1.4 温湿度模块的选用及其接口电路

温湿度传感器采用芯片SH—203，由于该模块应用二线数字串行接口DATA和SCK输出，需要和处理器的2个I/O口相连，接口电路比较简单，串行传输仅需1根时钟线和1根数据线就能实现。

2.1.5 电源电路

为手持式空气质量监测仪低功耗和不同应用场合的工作需求，本系统采用4.2 V锂离子电池供电，设计了专用充电芯片，能接受USB口500 mA的充电。电源管理原理图如图2所示。

图2 电源管理原理图

2.2 人机界面及报警电路

液晶显示界面选择128×64型的点阵LCD，该液晶自带汉字库，通过并行数据口对其进行控制。键盘设计3个功能键：“-”、“+”和“模式”，通过I/O口与主控芯片PIC16F887相连，按键通过电平中断的方式进行响应。如果测定的污染物含量超过设定的阈值，蜂鸣器和报警灯就会发出声光报警。

3 空气质量监测仪的软件设计

开发软件时，选择的软件平台为Keil uVision4，可以使用 C 语言或者是汇编语言对程序进行编写，然后转换成机器码，单片机PIC16F887识别，转换成HEX 文件进行下载。软件根据模块化设计，软件模块设计包括初始化程序、数据采集处理模块、数据显示报警模块和中断检测处理模块。

3.1 初始化程序

空气质量监测仪通电之后，设置系统看门狗和时钟，I/O引脚初始化，归零各个变量；设置定时器，读取标定信息。主程序图如图3所示。

图3 主程序图

3.2 数据采集及处理

AD 转换是采用PIC16F887单片机内部的14路10位分辨率A/D转换通道， 在Timer0的中断程序中读入

A/D转换的值。空气质量监测仪使用一段时间之后，气体传感器会慢慢老化，造成一定的问题，如零点漂移；因此，为了确保软件转换结果的正确性，须进行相应的补偿设置。数据处理流程为初始化、调用AD子程序、数字滤波、数据缓存、数据处理、LCD显示和结束。

3.3 数据显示报警模块

本监测仪选用的液晶模块为128×64 型的点阵LCD液晶模块。空气质量环境仪显示的内容有氨气、甲醛、温湿度、PM2.5和一氧化碳的浓度值，并定时刷新。如果测定的气体浓度值超出了一定的阈值，监测仪会报警，采取相应措施降低某种污染物的浓度值，气体浓度值恢复正常，监测仪界面也恢复正常。

3.4 中断检测及处理

单片机PIC16F887的中断程序进行设计时，先对中断源进行判断，然后做出相应的响应，进行中断操作。中断程序流程图如图 4所示。

图4 中断程序流程图

4 试验结果与分析

空气质量监测仪设计完成后，需对其使用效果进行验证。在试验过程中，采用气体浓度标定箱模拟室内的空气环境，然后选用空气质量监测仪和标准台式空气质量监测器同时对模拟箱中的甲醛、CO、氨气和PM2.5进行检测。通过对检测结果进行分析可知，设计的空气质量监测仪即时响应结果较好，数据测量准确，仪器分辨率可达0.01 ppm。本文中只列出了甲醛浓度的检测数据(见表1)。

表1 甲醛浓度检测数据

通过试验测定可知，设计的基于单片机PIC16F887的空气质量监测仪性能高，功耗低，操作简单，性能稳定，测量数据准确，成本低，可应用在空气污染检测场合，市场应用广泛，实用价值较高。

[1] Lai J H K，Yik F W H. Perception of importance and performance of the indoor environment quality of hig-rise residential buildings[J]. Building and Environment，2009，44(2)：352-360.

[2] 刘义和. 室内环境检测存在的问题及防治对策探析[J]. 科学之友，2010，10(5)：140-141.

[3] 汪志国，齐文启. 环境监测仪器发展现状与趋势分析[J]. 现代科学仪器，2007，9(4)：32-35.

[4] 赵继文，何玉彬．传感器与应用电路设计[M]. 北京：科学出版社，2002.

责任编辑马彤

AHandheldAirQualityMonitorbasedonPICMCU

WANG Jie

(Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China)

With the increasingly serious environmental pollution, the concentration of various gases timely monitoring environment is more important for environmental governance, so air quality detector becomes a hot research area. This paper designs handheld air quality monitor based on PIC16F887 microcontroller, choosing different types of sensors and designs hardware and software programs. Finally a comparative analysis of simulation results based on their applications is presented.

PIC16F887，circuit design，software design，application effect analysis

TP 274

：B

王杰(1991-)，男，硕士研究生，主要从事电气工程及其自动化等方面的研究。

2015-02-04