摘 要

室内的空气质量情况跟我们所有人的生活和工作都密不可分，一旦室内一些有毒有害气体的浓度超过限度时，会给我们的健康造成极为恶劣的影响。为了能让在室内的人们及时准确地了解室内一些有害气体的浓度（如甲醛，苯，氨气），以我国最新的空气污染质量国标 GB50325-2010为标准，本文开发设计了一款基于STC59C52单片机以及ZE08-CH2O甲醛传感器、MS110苯传感器、MQ-135氨气传感器的低功耗的，易操作的室内空气质量检测仪。该检测仪具有监控实时准确，操作简单易懂，工作时间长的特点和实时监测室内的甲醛浓度，苯浓度，氨气浓度以及温湿度数据的功能，并且能在液晶点阵显示屏 LCD1602上实时显示出来；除此之外当被测气体浓度超过国家规定标准值时，测试仪会亮红灯并触发蜂鸣器报警，以此提醒人们注意危险并采取相应措施。

关键词：室内空气质量，STC89C52，检测仪，传感器

ABSTRACT

Today's society is full of tall buildings, many people have to spend most of their time indoors, so indoor air quality is closely related to all of our lives and work. Once the indoor concentration of some toxic and harmful gases exceeds the limit, it will have a very bad impact on our health. In order to enable indoor people to timely and accurately understand the concentration of indoor harmful gases (such as formaldehyde, benzene, ammonia), based on the latest national air pollution quality standard GB50325-2010, this graduation design I designed a low-power, easy-to-operate indoor air quality detector based on STC59C52 microcontroller. The detector has the function of real-time monitoring indoor formaldehyde concentration, benzene concentration, ammonia concentration, temperature and humidity data, and can be displayed on LCD1602. In addition, when the measured gas concentration exceeds the national standard value, the tester will turn on the red light and trigger buzzer alarm to remind people to pay attention to the danger and take corresponding measures. The purpose of this design is to develop a real-time, accurate, easy to understand and long working time household air quality detector.

Key words:Indoor air quality, STC89C52,Detector,sensor

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 主要研究内容及设计任务 2

第2章 系统总体方案设计 4

2.1 系统方案选择 4

2.2 系统总体结构设计 4

第3章 室内空气质量检测仪硬件设计 6

3.1 系统硬件选择 6

3.2 STC89C52控制器 6

3.2.1 STC89C52单片机特点 6

3.2.2 STC89C52最小系统 8

3.3 数据采集模块 8

3.3.1 ZE08-CH20甲醛传感器 8

3.3.2 MS-1100苯传感器 10

3.3.3 MQ-135氨气传感器 10

3.3.4 DHT-11温湿度传感器 11

3.4 矩阵按键输入模块 12

3.5 LCD1602显示模块 12

3.6 ADC0832模数转换模块 13

第3章 室内空气质量检测仪软件设计 15

4.1 甲醛浓度检测程序设计 15

4.2 苯和氨气浓度检测程序设计 17

4.3 温湿度检测程序设计 19

4.4 键盘控制程序设计 21

4.5 报警程序设计 22

第5章 系统的搭建与调试 24

5.1 系统的整体硬件连接 24

5.2 甲醛浓度的检测与报警 24

5.3 苯浓度的检测与报警 26

5.4 氨气浓度的检测与报警 27

第6章 系统结果分析 30

6.1 系统结果硬件误差分析 30

6.2 系统结果软件误差分析 30

第7章 总结与展望 31

致谢 32

参考文献 33

附录 34

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

如今，我国人民的物质生活基本条件已经得到充分的满足。与此同时，人们的目光也开始从生活的基本需求转向更高层次的享受，其中一个表现就是变得更加重视生活环境的污染情况。在前一段召开的十九大中，我们国家领导人也提出了在创造更多的物质财富与精神财富来满足人民不断增长的美好生活需求的同时，更要提供更多的优质生态产品以满足人民日益增长的优美生态环境需要。在目睹过英国工业革命污染和美国发展带来的环境污染给公民造成的伤害后^[1]，我国也更加深刻的体会到了以环境污染为代价的发展速度是毫无意义的，必须要给人们的生活提供一个美丽、绿色、协调的自然环境。污染问题是发展过程中所不可避免的，生活环境的恶劣必将给人们的工作和身体造成重要影响。

在人们接触的环境中，室内空的气质量对人身体健康的影响可谓是最密切，最重要。如今，很多城市特别是一些一线大城市生活节奏加快，人们每天在公司，住所两点一线的模式下度过，就算在周末也大多选择在家中休息，减少外出。再加上现在社会智能化和文化多元化发展迅速，许多室内娱乐项目崛起并且受到人们的青睐，因此，现代社会的人们很少一部分时间是在室外度过的，这样的社会现实就把室内环境的质量问题摆在一个至关重要的位置。由于室内环境直接密切影响着人们的身体健康，所以我们必须加大力度去关注室内的环境质量。

无论在国内还是国外都有很多鲜活的例子表明，室内空气污染会给人们带来各种病症，例如头痛头晕、五官不适、嗜睡烦躁、注意力下降甚至是呼吸道癌症等，但无论是大病小病，这些症状都会严重影响到人们的正常生活和工作。根据2016 年世界银行发布的报告^[2]， 空气污染已经是继肥胖症、吸烟、饮食之后的全球第4大致死原因，是导致癌症、呼吸道疾病以及心脏病的重要原因之一。每一年全世界都约有550万人因室内外空气污染引起的疾病而丧生。与此同时，室内外空气污染还给全球造成了超过5万亿美元的经济损失。其中，我国是遭受空气污染影响最严重的国家，我国每年因环境污染而造成的劳动力损失，健康损失以及污染治理费用占我国国民生产总值的5%左右。

在这种背景下，室内空气质量检测仪就有了它存在的必要，并且有着很大的市场挖掘空间。因此，在本文中我们要设计出一种能够有效准确监测室内常见污染气体（甲醛，苯，氨气）及温湿度的系统，使人们可以了解到自己所处环境的空气质量状况，从而采取一些措施来保证自己的健康安全。总而言之，室内空气污染问题与人们的日常生活健康息息相关，需要我们重点关注和研究，具体十分重大的意义和应用前景。

1.2 国内外研究现状

人类对室内空气质量的研究始于20 世纪初。但人们^[3]真正的开始重视空气污染这一课题，是在当今社会石油、煤炭等化石燃料的大量消耗，大气环境遭受到越来越严重的污染后。如今不论是室内还是室外，空气质量都呈现出逐年下降的趋势。1978 年，首届“室内空气与气候国际会议”在丹麦哥本哈根召开，并且现在该会议仍然每隔2年举行一次。这也体现出全世界人民正慢慢开始意识到室内空气污染问题的重要性以及净化室内空气环境的紧迫性。在觉察到室内空气质量恶化的问题后，从19世纪 80 年代开始，国内外科学家就开始进行对室内有害气体检测技术的开发钻研，并且开始着手制造检测室内空气质量的仪器。室内空气质量检测仪主要经历了实验室测试阶段和便携式检测仪现场测试阶段两大发展过程。

我国的室内空气质量问题的研究在世界范围内相对来说要慢一些。20世纪70年代，对二氧化碳等室内污染气体的研究是我们研究室内空气污染的开端。进而到了1980年，我国预范医学科学院开始着手进行室内空气质量情况与人体健康状况之间关系的分析。该研究表明室内空气中的二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮等有害物质对我们人体的心肺机能有着很大的负面影响。我国于2002年12月38日第一次正式颁布室内空气质量标准，并自2003年3月1 日起正式在全国范围内实施。

美国ESC公司的 Z/ZDL 系列便携式气体检测仪是目前市面上最受认可的室内空气质量检测仪产品，该检测仪可以实时检测室内的甲醛、一氧化碳、氨气等有害气体，这些气体的测量范围分别能达到 0-34ppm、0-2000ppm、0-200ppm，分辨率均为 0.1ppm；另外一种比较完善的仪器是美国 TSI 公司的室内空气环境综合检测仪：7565 型 NP-8A 型检测仪，它可以检测温湿度，一氧化碳浓度、二氧化碳浓度等参数；最近这几年加拿大、德国等国家也陆续研制出了一些功能成熟的空气质量检测仪，这些都对我国的室内空气质量检测仪研究有很非常重要的参考价值。

相比与国外，我国对室内空气质量检测仪的研发仍还处于一个初级的阶段，还需要进行完善。例如^[5]由北京华云仪器研究所制造的手持式甲醛检测仪，该仪器测量精度虽然也

达到 0.1ppm（与国外检测仪相同水平），但是极限测量值只有3ppm，远不能达到要求；另外长春小天鹅公司研制生产的GDYK-208S 空气甲醛检测仪也具有同样的问题（极限测量值1ppm）。这些国内的仪器精度满足要求，抗干扰能力强，仪器可靠性好，但是测量极限值太小，并且操作流程十分复杂，必须经过专业的训练才可以使用，因此不适合推广到普通家庭使用。

1.3 主要研究内容及设计任务

本次设计的目的是设计一种针对室内甲醛、苯、氨气等有害气体的操作简便的室内空气质量检测仪。仪器的主要特点应包括价格低廉，性价比高，体积小巧，准确性高，实时性好，操作简单，即用户可以通过一些十分简单的操作，来实现对仪器的控制和使用。

本次毕业设计设计的室内空气质量检测系统应具有的功能有：

（1）  收集室内甲醛浓度数据并能够准确实时显示，当浓度过大（阈值默认为国家室内空气质量标准，也可自主设置）时报警。

（2） 收集室内苯浓度数据并能够准确实时显示，当浓度过大（阈值默认为国家室内空气质量标准，也可自主设置）时报警。

（3） 收集室内氨气浓度数据并能够准确实时显示，当浓度过大（阈值默认为国家室内空气质量标准，也可自主设置）时报警。

（4）可以使用按键切换显示的气体类型以及调整甲醛，氨气，苯气体报警阈值的大小。

根据国家室内空气质量标准GB50325-2010，甲醛的标准浓度为0.10mg/m³，苯为0.11mg/m³，氨气为0.20mg/m³。考虑到国家标准中各种气体的标准浓度以及家用检测仪的质量要求，本次设计的检测仪测量精度为0.10mg/m³。

1. 系统总体方案设计

针对国内一些检测仪出现的问题，本次设计的室内空气质量检测仪除了具有上述基本功能以外，应该还具有适宜家庭使用的特点，即数据准确，性价比较高，体积小巧，操作简单易懂以及系统续航能力强的特点，所以根据这些要求，下面我将对系统整体的测量方案以及结构进行选择和设计。

2.1 系统方案选择

目前，国内外科学家已经研究出多种室内空气质量的检测方法。（1）比色法^[6]：这种方法的优点是原理简单且经济成本低，但是灵敏度很差，选择性不佳，而且采样时间长，会导致系统的应答时间过长，不能够对待测气体浓度的迅速变化立即作出反应；（2）极谱法：这种方法不仅需要使用有毒试剂，还需要较长的准备采集时间，因此不适用于实时监测，另外对操作人员要求也比较高，不符合本次设计仪器的要求；（3）光谱学测量技术：这种技术的特点是其灵敏度需要物理的通路来保证，所以为了达到仪器所要求的灵敏度，这种检测仪一般仪器巨大，搬运困难且价格很高；（4）传感器检测法：现今各种气体传感器灵敏度高、携带也方便，因此适用于实时监测。与此同时，随着微电子技术和传感技术的迅速发展，一些高性能的气体传感器越来越多，其价格也十分低廉，体积也越来越小，这些特点都为其在以后的日常生活中被广泛应用奠定了夯实的基础。因此，从检测方法的经济性，环保性，可行性，精度等角度综合考量，在本次设计中，我们采用传感器检测法来对各种有害气体的浓度进行测量。

2.2 系统总体结构设计

从设计的逻辑性和便捷性出发，我将系统的开发分为硬件和软件两大步骤。同时为了系统能够有条不紊的运行以及便于在后续调试的过程找出问题的所在，我又把硬件根据功能划分成不同的模块，即模块化处理。本次设计的室内空气质量检测仪的核心是微处理器，系统模块化后主要包括微处理器、甲醛检测模块、苯检测模块、氨气检测模块、温湿度检测模块、液晶显示器、按键、蜂鸣器这几个部分。检测仪系统结构框图如下图所示。

图2-1 检测仪系统框图

其工作过程为：首先是各种传感器（包括温湿度传感器）上电后采集空气中的气体数据并转换为电信号输出，然后再经过模数模块变为数字信号便于单片机接收；接着STC89C52单片机接收到浓度数据后在软件中依据所测得的温湿度信息对浓度数据进行处理转换为我们想要的浓度单位值便于与国家标准进行比较，并把数据送入液晶屏显示；转换后的浓度值与《室内空气质量标准》（GB50325-2010）中的国家标准值进行比较并判断浓度值是否属于正常水平或超标，且系统会在超标时自动报警；另外设计三个按键用于切换显示被测对象。

第3章 室内空气质量检测仪硬件设计

3.1 系统硬件选择

系统灵敏度的高低与测量范围的大小，其核心在于硬件电路的选择，硬件电路选择和设计的好坏将直接关乎整个电路系统的性能优劣。本次设计的室内空气质量检测仪系统硬件由微处理器、甲醛探测模块、苯探测模块、氨气探测模块、温湿度探测模块、按键输入模块、液晶显示模块和报警模块等部分组成。

首先我们对整个系统的核心——微处理器进行选择。由于本次设计的检测系统，其所采集的浓度数据并不复杂，因此系统对微处理器的运算速度要求不是特别的高。最终我选择了STC89C52系列的单片机。因为其在功能上完全满足空气质量检测仪的要求，在处理速度方面虽然不如其他单片机如STM32，ARM等，但从产品的经济性和量化生产角度考虑，STC89C52是最佳的选择。

其次，我们需要对各个气体探测模块进行选择，通过对比市面上的各种气体传感器，最后从精度以及经济性角度综合考虑，我在本次设计中采用的甲醛浓度传感器为ZE08-CH2O,苯浓度传感器MS-1100，氨气浓度传感器为MQ-135，温湿度传感器为DHT-11。气体传感器的精度均为0.01ppm，在室温，一个大气压的条件下，经换算得传感器的精度为0.01309mg/m³，符合本次设计的精度要求。

另外由于在所选气体传感器中，苯和氨气的传感器需要用到模数转换模块，所以还需要选择合适的模数转换器。A/D转换模块比较常用的有ADC0832（8位）和AD7705（16位）这两种类型，由于本次设计的最终结果其精度要达到0.01mg/m³，所以8位的转换模块其转换精度已经满足条件，所以最终选择ADC0832。

下面将逐一介绍各个模块电路的原理及其功能。

3.2 STC89C52控制器

3.2.1 STC89C52单片机特点

STC89C52RC^[10]是市面上最常见的一款的8位微控制器，具有功耗低，性能优良，价格低廉的特点，十分适合本次设计的家用仪器。其相比与89C51系列的单片机来说，又扩展了128B的FLASH（即具有256B的RAM）和一些外设（如定时器2），这为软件编程提供了很大的便利。STC89C52虽然使用的是经典的MCS-51内核，但就单芯片来说，其所具备的8位CPU 和256B的系统可编程Flash已经足够满足一些小型仪器在运算速度和数据处理上的功能需求。另外STC89C52单片机只有40个引脚，一般采用DIP的封装形式，芯片体积小巧。但是也因为这个原因再加上又要满足不同的功能要求，89C52单片机的很多引脚都有着不同的第二功能需要使用者注意。STC89C52的引脚图和实物图分别如下图所示。

图3-1 STC89C52引脚图

图 3-2 STC89C52实物图

3.2.2 STC89C52最小系统

单片机的最小系统可以理解为单片机的骨架，即单片机能够运行所需要的基本结构，是每个单片机都必不可少的组成部分，其他额外功能的扩展，都是在这个框架的基础上而延伸的。一般来说，单片机^[11]的最小系统由电源、单片机、晶振电路和复位电路组成。其电路图如图3-3所示。

图3-3 单片机最小系统

3.3 数据采集模块

本次设计涉及的数据采集模块有ZE08-CH2O甲醛传感器、MS-1100苯传感器、MQ-135氨气传感器以及DHT-11温湿度传感器。下面将一一介绍这几种传感器的原理、功能、硬件连接和使用方法。

3.3.1 ZE08-CH20甲醛传感器

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