一、項目概述

1.1 引言

愛特梅爾公司是全球領先的半導體設計和制造商，專門提供微控制器及補充產品如電容性觸摸感應IC、ASIC、非易失性存儲器和無線射頻 (RF) 器件。該公司擁有業界最廣泛的知識產權核心 (IP) 技術資源之一，能為電子工業提供全面的解決方案。愛特梅爾公司專注于消費電子、工業、汽車、安全、通信和計算市場。通過提供工具與支持，愛特梅爾幫助不同領域的客戶以更小巧、更高智能、更高成本效益和更多元化的電子產品，穩占市場領導地位。EVK1100是ATMEL開發的一個基于AVR32 AT32UC3A單片機控制器的評估套件和開發系統，它配備一系列豐富的外設、內存，并且可充分開發AVR32設備的全部潛能。本設計就是基于愛特梅爾公司的EVK1100開發平臺，設計的室內環境“安全衛士”，該設計用于檢測居室內常見有害氣體濃度含量，并在有害氣體含量超標時報警，以便使人們及時采取措施，防止危害擴大，為室內環境保駕護航。

1.2 項目背景/選題動機

隨著人們生活水平的提高，全裝修住宅的日益擴展，其室內環境質量控制越來越引起社會各界的廣泛關注，同時人們也需要安全、舒適的家居。室內空氣品質與居住者的身心健康狀態和工作效率等均直接相關。CCTV《今日說法》曾報道過由于室內污染而未及時發現引起重視，最終導致白血病的惡性事件。室內污染的空氣能增加造成人們長期和短期的健康問題的機會。而家庭居室是大多數人除了工作場所以外經常生活的地方，由此對室內環境的安全性檢測變得尤為重要，市場上現有對室內環境的檢測儀器，存在有體積大、價格貴、功能少、檢測氣體單一等問題而未被廣泛應用，根據市場調查顯示居民非常需要一種家用對室內溫濕度和室內甲醛的檢測的儀器。本文正是基于此種需要而設計的一種家用集室內環境污染物（甲醛、CO、CO2）檢測、光照度、溫度和濕度檢測為一體的多參數便攜式檢測儀。

甲醛是一種無色、具有強烈氣味的刺激性氣體，是室內空氣的代表性污染物之一。甲醛是原漿毒物，對人體健康有重要影響，研究表明甲醛能與蛋白質結合，吸入高濃度甲醛后，會出現呼吸道的嚴重刺激和水腫、眼刺痛、頭痛，也可發生支氣管哮喘。皮膚直接接觸甲醛，可引起皮炎、色斑、壞死。經常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出現粘膜充血、皮膚刺激癥、過敏性皮炎、指甲角化和脆弱、甲床指端疼痛，孕婦長期吸入可能導致新生嬰兒畸形，甚至死亡，男子長期吸入可導致男子精子畸形、死亡，性功能下降，嚴重的可導致白血病，氣胸，生殖能力缺失，全身癥狀有頭痛、乏力、胃納差、心悸、失眠、體重減輕以及植物神經紊亂等。而各種人造板材(刨花板、纖維板、膠合板等)中由于使用了脲醛樹脂粘合劑，因而含有甲醛。新式家具的制作，墻面、地面的裝飾鋪設，都要使用粘合劑。凡是大量使用粘合劑的地方，總會有甲醛的釋放。此外，某些化纖地毯、油漆涂料也含有一定量的甲醛。甲醛還可來自化妝品。化妝品、清潔劑、殺蟲劑、消毒劑、防腐劑、印刷油墨、紙張、紡織纖維等多種化工輕工產品。由此，對于居室內甲醛含量的測定變得尤為重要。

CO2在正常空氣中的含量約為0.03％～0.04％。當室內空氣與室外空氣交換良好時，室內空氣中CO2的濃度通常不會達到人的主觀感覺不適的狀態。但是，當室內CO2濃度大于1.5%時，會引起呼吸困難和呼吸頻率加快、改變血液pH值、減弱人體的活動能力等。當濃度大于3%時，會引起頭痛、眩暈和惡心，當濃度大于6％～8％時，可導致昏迷和死亡。CO2作為居室中常見的污染物，當濃度達0.07%時，少數敏感的人就會感覺到不良氣味，并產生不適感。CO2濃度的高低可以用來表示室內空氣清潔程度，以及通風換氣是否良好，居室內?CO2濃度應保持在0.07%以下，最高不應超過0.1%。

室內CO主要來源于吸煙、含碳燃料的不完全燃燒等。當不存在室內源時，室內CO的含量與室外持平，維持在3~10ml/m3。由于CO不能透過皮膚，因此，它對人體健康的影響主要通過呼吸系統來實現。CO能與血紅蛋白結合形成羥基血紅蛋白(COHb)，但是CO與血紅蛋白的結合能力遠遠大于O2的結合能力，是O2的200倍，當O2與CO同時存在時，血紅蛋白優先與CO結合，制約了O2在血液中的傳播。CO可對心臟、肺和神經系統產生有害影響，當COHb的濃度為10％時，主要引起心血管疾病，導致中樞神經紊亂；當濃度為2.5％時，可加重胸痛病人的癥狀。

本文的設計正是基于此種需要而設計的適用于居室內常見有害氣體濃度測定的儀器，該儀器能夠指導人們對室內空氣質量的變化及時采取應對措施，從而保護人體健康。能同時檢測室內空氣環境中常見污染氣體（甲醛、CO2、CO）及溫濕度的現場檢測，且操作簡便、設計合理。

二、需求分析

2.1 功能要求

甲醛是在室內和室外都廣泛存在的一種空氣污染物，除此之外室內空氣污染物主要還有CO和CO2等。甲醛是室內最常見的和最具代表性的醛類化合物，室內甲醛濃度則取決于建筑材料的性能和和測試時的環境條件，通常范圍在0.02～0.50mg/m3或更高。用作室內裝飾的膠合板、細木工板、中密度纖維板和刨花板等人造板材中含有甲醛，新裝修的居室甲醛最高可達9.09mg/m3。基于此，本文所設計的檢測儀器要求能夠檢測室內甲醛、一氧化碳、二氧化碳等室內常見有害氣體濃度，同時要能夠對與人體健康密切相關的室內環境溫濕度狀況進行實時檢測與顯示，并通過按鍵設定檢測氣體上限報警值和選擇待檢測氣體種類，通過液晶顯示待測氣體濃度。當所測氣體濃度超標時及時進行聲光報警。

除用于家庭居室之外，該儀器還可用于辦公室、賓館、飯店、商場、高檔酒店等場所或其他一些對空氣質量要求較高的場所常見有害氣體含量測定。隨著甲醛傳感器價格降低、家居全裝修增多，人們對生活質量要求的提高，這種多功能測試儀將會有更廣泛的應用前景。

2.2 性能要求

儀器性能要求主要是根據實際情況（居室內空氣質量達標值與溫濕度狀況）確定檢測性能指標要求。居室空氣中甲醛的最高允許濃度為0.08 mg/m3，公共場所甲醛的最高允許濃度為0.10 mg/m3。

1、甲醛：測量范圍：0～10ppm 分辨率 ： ±0.05 ppm

2、CO2檢測：測量范圍：0~2，000ppm ，檢測精度：±30ppm

3、CO檢測，測量范圍：0～1000ppm，分辨率：±0.5ppm

4、溫度測量：測量范圍：-10 ~ 60℃，檢測精度：±1℃

5、濕度測量：測量范圍：0 ~ 95%RH，檢測精度：±5%RH

6、交流供電、聲光報警、LCD顯示被測氣體實際濃度值

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

該儀器電路由單片機及外圍電路和信號采集電路組成。儀器硬件電路如圖所示。其中AVR MCU單片機是檢測儀的核心， 它控制傳感器信號的采集、信號的A/D轉換、數據的進一步處理以及濃度顯示、超標報警、檢測氣體參數的調整等整個過程。在實際應用時， 可以根據所測氣體與氣敏元件反應后所得到的電壓值的關系來編程，當對氣體進行測試時， 通過測得的電壓值就可以得出所測氣體的濃度。

工作原理：由傳感器檢測待測氣體，并轉換為相應電信號，由于傳感器采集的電壓信號是模擬信號必須轉換為便于處理數字信號，才能進行進一步分析、處理，所以將該變化的電壓信號輸入A/D轉換電路，經A/D轉換之后， 再將得到的數字信號送入單片機， 由單片機進行相應的處理并送入LCD顯示相應的濃度值， 同時可以通過按鍵設定報警濃度上限。這樣，可以在所測氣體濃度超過設定值時啟動報警器進行報警。

圖 1 系統硬件結構框圖

3.1.1 甲醛檢測模塊

甲醛檢測模塊采用基于電化學原理的甲醛傳感器CH20/S-10，其原理為室內空氣中的甲醛氣體被采樣后，在電極作用下發生氧化反應，產生的擴散電極電流與空氣中的甲醛濃度成正比，將檢測到的電流值通過放大電路放大并轉換為相應的電壓值，后經A/D轉換送單片機，由單片機現場實時控制檢測并顯示室內甲醛濃度值，當其濃度值小于國家規定的標準值（通過按鍵可修改）時綠燈亮，當超過規定值時紅燈亮，同時進行蜂鳴報警，開始提醒人們及時采取有效措施，從而對人們的居住生活環境起到了監控保護作用。

3.1.2 溫濕度傳感器

考慮到室內環境溫濕度對人體健康有重要影響，因此在電路中增加了溫濕度檢測模塊，該模塊主要檢測室內環境的溫度和濕度。溫濕度傳感器采用LTM-8901，該傳感器是全新的數字化溫濕度傳感器，適合室內環境的溫濕度測量范圍，無需A/D轉換，可直接和單片機連接，使系統故障率低，便于維護。濕度測量時是傳統濕敏元件與濕度變送器的融合體。本身具有很強的抗靜電、抗干擾、抗反接等保護能力，而且具有很強的結露恢復能力，并對腐蝕氣體有一定的低御能力。LTM-8901內置濾波、保護電路、極低的功耗，溫度補償已在生產檢驗時校準完成。這種智能化修正方式，實現溫濕度全量程的精確測量。如系統硬件結構框圖所示，數字傳感器LTM8901通過光耦器件4N35和驅動電路接單片機的并行I/0端，實現輸入輸出隔離，以提高系統的抗干擾能力，光耦器件4N35對于LTM8901其速度基本上滿足要求。

3.1.3 CO和CO2檢測模塊

首先CO2的檢測使用二氧化碳傳感器TGS4161，該傳感器是一個新型的固體二氧化碳傳感器，它具有小型化和低功耗等特性，二氧化碳濃度為350~10000ppm時，均可用TGS4161進行檢測，從而使其適合室內空氣的控制設備。二氧化碳的敏感原件由兩個固體電解質組成，結合一個印制在基板上的RuO2加熱器。通過檢測兩個電極之間電動勢的變化來測試二氧化碳氣體的濃度。傳感器電容的頂部含有沸石目的是防止其它氣體的干擾。

其次，對于CO的檢測，采用的是7E/F三電極電化學傳感器，該型傳感器輸出線性范圍寬，線性穩定，額定輸出為0.1uA/ppm， 最小分辨率為0.5ppm，測量的最小范圍和最大范圍分別為0～20ppm和0～1000ppm。

CO的測量范圍是：0～150mg/m3

CO的最大測量范圍轉換為ppm是：Ymax=150/1.25=120（ppm）

轉換為傳感器輸出的最大電流為：Imax=0.1×120=12（uA）

輸出的電流分辨率為：Ii=0.1×0.5=0.05（uA）

由此可得出其檢測精度為：ε= 0.5ppm/120ppm×100%=0.42%

3.1.4 室內光照度檢測

此模塊為新增加模塊，一方面考慮到室內光照對人體健康的影響，設計了光照度檢測模塊；另一方面在智能化家庭居室中該模塊可以和室內智能照明系統連接，當室內光照度降到某一極限值時自動開啟照明系統，而當光線較強時自動關閉室內照明系統，更環保、更節能。同時愛特梅爾（Atmel）公司提供的開發平臺EVK1100是一個基于AVR32 AT32UC3A單片機控制器的評估套件和開發系統。EVK1100本身配備一系列豐富的外設、內存，其中開發板上及配有光照、溫度等傳感器，本模塊的設計即采用該開發板上配有的光照傳感器。開發板上該部分采用光敏二極管實現，光敏二極管較硅光電池有許多優點，有很高的帶寬，價格便宜，特別是光電流與光照度之間呈較好的線性關系，因此它在光耦合隔離器、光學數據傳輸裝置和測試技術中得到廣泛的應用。除此之外，也能使EVK1100開發板上已有資源得到充分利用！

3.1.5 電源模塊

由于該設計中所用芯片驅動電壓大小不同，所以設計了電源模塊，完成各部分所需電壓的轉換，保證芯片的正常工作。系統各個模塊需要使用5V、3.3V、1.8V等，特別是主芯片AT32UC3A所需要的電壓。因此該系統設計采用一個電源轉換模塊將電源板輸出的穩定12V電源轉換為所需要的電壓。其中采用MAXl659將+12V轉換為+5V和+5V_P，并通過程序控制該芯片的工作．從而控制了后續所需的+5V_P電壓的任何電路；用MAXl658芯片將+5V轉換為+3.3V_P，并控制該芯片的工作，控制后面需要+3.3V_P電壓的任何電路；采用MIC-5207芯片將+5V轉換為+3.3、+1.8V，供后面電路提供電源。每一個轉換后的電壓都用了一個發光二極管的亮滅來檢查這些芯片是否正常工作，亮表示工作正常，反之則表示此轉換器有問題（損壞）。

3.1.6 鍵盤控制單元

系統的鍵盤控制單元有5個按鍵組成，分別為：系統設置鍵、選擇確定鍵、氣體種類設置鍵、氣體濃度上限加10鍵、氣體濃度上限減10鍵，這幾個按鍵用于選擇待檢測氣體和設置目標氣體的報警上限值。其中“系統設置鍵”用于告訴系統進入中斷，設置氣體濃度超限值；“氣體種類設置鍵”用于選擇設置上下限氣體的種類；“氣體濃度上限加10鍵”用于設定目標氣體的上限濃度加10ppm；“氣體濃度上限減10鍵”用于設定目標氣體的濃度上限減10ppm；“確定鍵”用于確定系統設置完成。

3.1.7 聲光報警單元

聲光報警單元由蜂鳴器與發光二極管組成。當所測量氣體濃度達到報警上限時，相應的紅色發光二極管點亮，同時蜂鳴器發出急促不連續響聲，實現聲光報警，提醒用戶及時采取相應措施。

3.1.8 LCD液晶顯示模塊

EVK1100開發板上配有4×20的字符型液晶顯示模塊DIP204-4e （PWM可調節背光） 。主要有LCD顯示器、控制器、驅動器等電路組成。液晶模塊主要用于顯示待測氣體實際濃度值和檢測的具體時間顯示。

3.1.9 時鐘模塊

此系統需要記錄測量發生的時間，所以需要時鐘芯片來記錄在不同時間的監測數據，因此我們在系統中加入了時鐘芯片。對時鐘芯片的要求首先是低功耗，其次是編程簡單，縮短程序開發時間，實際上也就縮短了系統用于實際生產所用的開發周期以及成本，在本設計中，我們選擇了DS1302時鐘芯片。時鐘芯片 DS1302內含一個實時時鐘/日歷和31字節靜態RAM，可以通過串行接口與單片機通信。而通信時，僅需要3個口線：（1）RES（復位），（2）I/O數據線，（3）SCLK（串行時鐘）。時鐘/RAM的讀/寫數據以一字節或多達31字節的字符組方式通信。其工作時功耗很低，廣泛應用于電話，傳真，便攜式儀器等產品領域。DS1302主要性能有：實時時鐘能計算2100年之前的秒、分、時、日、日期、星期、月、年的能力，還有閏年的調整能力；讀/寫時鐘或RAM數據時，有單字節和多字節傳送兩種方式；與DS1202/TTL兼容。DS1302引腳概述：X1，X2：振蕩源，外接32.768KHZ晶振；SCLK：串行時鐘輸入端。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件設計部分主要包括：硬件主電路設計、數據采集、模數轉換電路設計、液晶顯示電路設計、外圍擴充存儲器接口電路、時鐘電路、復位電路、鍵盤接口電路等功能模塊電路設計，所以主要硬件資源配置包括MCU、A/D轉換、鍵盤控制、時鐘電路、LCD顯示、外圍擴展數據RAM等的配置。

本設計選用的硬件平臺為ATMEL 提供EVK1100開發平臺，它是一個基于AVR32 AT32UC3A單片機控制器的評估套件和開發系統。它配備一系列豐富的外設、內存，并且可充分開發AVR32設備的全部潛能。

支持AT32UC3A

以太網端口

傳感器：光照、溫度、電位器

4x20藍色LCD（PWM變頻背光）

JTAG連接器、Nexus、USART、USB 2.0接口，TWI接口、SPI。

圖2 EVK1100開發平臺

溫度和光照檢測部分可以選用硬件平臺本身配置的資源，這樣使板上資源更合理的得到應用由于EVK1100開發平臺中LCD液晶顯示部分采用的是4×20的字符型液晶顯示模塊DIP204-4e （PWM可調節背光），所以在所要顯示信息量大時，采用按鍵控制分時顯示。

3.3系統軟件架構

該儀器的軟件系統可采用C語言編程， 開發軟件是AVR Studio5，這個是Atmel自己開發的development tools，AVR Studio 5集成GCC編譯器，對AVR32的編譯支持很好。Atmel AVR Studio 5是廣受歡迎的愛特梅爾集成開發環境（IDE）的增強版本，支持所有8位和32位AVR MCU，能夠顯著提高開發人員的效率，并可使客戶的應用程序在愛特梅爾8位和32位AVR MCU之間實現無縫移植。AVR Studio 5能夠簡化源代碼的編輯和調試，具備輔助代碼編寫功能的編輯器、用于快速創建新項目的向導工具， AVR Software Framework源代碼庫、GNU C/C++編譯器、功能強大的模擬器，以及適用于愛特梅爾所有AVR編程器及在線調試器的前端可視化工具。AVR Studio 5將現有8位AVR Studio 4 和32位AVR32 Studio的功能融合， 支持所有8位和32位AVR MCU。此外，愛特梅爾的AVR Studio 5還可集成第三方的嵌入開發工具插件。編譯好程序后通過單片機預留的JTAG接口通過配套的調試器AVR Dragon來對單片機進行在系統編程， 以實現實時調試。軟件設計采用模塊化設計。設計時可將程序分成幾個主要的功能模塊， 包括主程序和各個模塊子程序。

軟件部分采用模塊化設計，全部軟件由主程序、A/D轉換子程序、鍵盤處理子程序、報警模塊子程序、時鐘模塊、液晶顯示子程序等組成。主程序是控制和管理的核心。系統上電后進行初始化和中斷處理操作。初始化主要完成對報警值的設定和初次檢查，同時斷開各電器的電源。初始化完成后，系統開始正常運轉。進行待選氣體濃度檢測和報警等操作，主程序的流程圖如下圖所示。

3.4 系統軟件流程

3.4.1 主程序模塊

主程序實現的功能：與硬件相結合實現便攜式居室空氣質量檢測儀器的各個功能。主要是檢測與顯示，時間調整與顯示，數據存儲，超標報警，功能子函數的調用等（見圖3）。

圖3主程序流程圖

3.4.2 A/D轉換模塊

A/D轉換模塊的主要功能就是將經放大器放大的模擬電壓信號轉化為MCU能夠處理的數字信號，并傳送給MCU，進行下一步處理。

圖 4 A/D轉換處理子程序流程圖

3.4.3 按鍵控制模塊

按鍵能夠實現人機對話機制，通過按鍵的操作，對系統進行發送操作指令，后經與MCU串行通信，然后在液晶上顯示。按鍵查詢式的流程圖見下圖：

圖 5 按鍵檢測子程序流程圖

圖 6 溫濕度數據采集子程序流程圖

3.4.4 時鐘模塊

時鐘模塊主要是用于時間顯示和與MCU通信經LCD顯示時間。時鐘模塊子程序流程圖見下圖：

圖 7 時鐘模塊操作子程序流程圖

3.4 系統預計實現結果

整個系統設計完成后能夠對居室內常見有害氣體甲醛、一氧化碳、二氧化碳等進行濃度檢測，并在含量超標時實現聲光報警功能。其中檢測到的氣體濃度和預先設定值作比較，判斷超標否，預先設定值通過鍵盤進行操作設置。同時該儀器還可對居室內溫濕度、光照度進行檢測，實時顯示室內溫濕度情況，對于住戶及時了解室內居住環境狀況提供重要的參考信息。在顯示濃度的同時對檢測到信息進行保存，同時顯示測量時間，便于用戶對不同時間的測量值進行比較。