空气有害气体监测演示系统

徐智博，孙敬姝，吴春姬，李志有，梁 浩，周洪雷

(吉林大学 物理学院，吉林 长春 130012)

1 引 言

大气空气质量好坏关乎每个人，如果空气质量变差，势必会对人们的身体健康造成危害[1-2]. 随着现代各行各业迅猛发展，空气中一些有害废气的排放也日趋严重，因此有必要对环境空气质量进行实时监测，以提前制定应对措施. 目前，影响空气质量的污染源主要是工厂的废气排放[3-4]和汽车尾气的排放[5-6]等，空气污染物的主要成分有碳氧化物(如CO)、氮氧化物(如NO，NO2)、硫氧化物(如SO2)和一些微小、可吸入颗粒等[7-8]，因此，监测空气质量其实质就是对这些有害气体浓度的监测.

本文研制的环境空气质量监测演示实验系统，能帮助人们了解环境空气质量监测原理及测量方法，还可以小型化，方便人们携带并实时监测空气质量.

2 系统设计

环境空气质量监测演示系统由测量部分、显示部分和报警部分组成，其整体结构框图如图1所示.

图1 系统整体结构框图

2.1 测量部分

测量部分由微处理器、ADC(模数转换器)和气体传感器模块组成. 各有害气体的测量采用ZYMQ系列气体传感器模块，此系列传感器模块探测浓度体积范围广、灵敏度高、响应及恢复时间短、寿命长、稳定可靠且价格低廉，适于演示实验. 本系统最多可以接入3种传感器模块，且支持热插拔，系统会自动判断传感器模块是否接入，并进行相应显示. 为了便于演示，本演示实验选取烟雾、一氧化碳和甲醛3种空气中常见污染物进行实时监测.

微处理器选用TI公司推出的CC2530单片机. 该单片机虽然使用标准8051指令集，但却拥有增强的8051 CPU内核，1个指令周期仅用1个时钟周期，而不是传统8051的12个，并且多余的总线状态也已被取消，因此比传统8051执行得更快[9].

ADC选用CC2530单片机内自带的ADC模块. CC2530单片机内部集成模拟多路转换器，有8个AD转换通道，最多可对8路输入信号进行测量，且8个通道可分别进行程控配置，最高可配置为14位的模数转换和12位的有效数字位数，当配置为14位的模数转换精度时，AD转换1次的时间为132 μs. AD转换结束时还可自动触发片内DMA，可节省大量CPU操作.

2.2 显示部分

显示部分由PC机软件和小液晶显示屏组成. 当微处理器测量完成后便向PC机和小液晶屏同步发送测量结果以实时显示. 2种显示设备可以只接入1种，也可以全部接入，就是说某一种显示设备是否接入，完全不会影响另一种显示设备的正常运转，使得显示方式更加灵活. 利用PC机软件可记录历史数据，并可绘制历史数据曲线，适宜于对环境空气质量数据的自动记录和长时间监测对比. 小液晶屏只能显示实时测量数据，适宜于便携式测量.

2.3 报警部分

报警部分由蜂鸣器和3个LED组成，每个LED对应1种气体. 微处理器在把检测结果输出到显示模块的同时，还会判断各有害气体浓度值是否超过所设定的阈值，当低于阈值时，蜂鸣器不响且LED不亮. 当超过所设定的阈值后，蜂鸣器响，然后可通过对应LED是否闪烁判断是哪种气体超标.

2.4 气体传感器预热时间控制

为保障监测数据的准确性，气体传感器上电后需要预热. 烟雾气体传感器预热时间不应小于24 h，一氧化碳和甲醛气体传感器预热时间不应小于48 h. 但在实际使用中，如此长的预热时间不利于教学演示. 因此本系统为每个气体传感器配备了温度传感器以实时监测其温度值，并对预热是否完成进行判断.

当气体传感器接入系统后进入预热阶段，同时显示部分显示为“heating”表示正在预热. 系统每隔时间t对气体传感器的温度和有害气体的体积浓度检测1次，若连续n次检测的温度值的波动小于ΔT并且体积浓度值的波动小于ΔC时，说明气体传感器已基本稳定，此时便认为预热已经完成，否则继续进行预热检测. 其中t,n,ΔT,ΔC的值可通过系统管理员权限更改，这样不仅大幅缩减了预热时间，还可以对测量准确度等级进行灵活调整，以满足不同测量的需要.

3 演示实验

实验装置如图2所示. 锥形瓶A内存放被测的有害气体并密封保存. 锥形瓶B模拟大气环境，初始时，瓶内为空气. 将传感器模块置于瓶B的底部，通过数据线将监测结果传出，进行显示或报警. 两锥形瓶之间通过三通导管相连，三通导管的另一端接气体注射器，气体注射器可将瓶内气体抽出或注入空气，用以改变瓶内气体体积. 三通导管的左右两端分别有1个止气夹控制气体之间是否相通，止气夹打开时两边气体相通，关闭时两边气体不相通.

图2 实验装置

实验步骤如下：

1) 0时刻，2个止气夹处于关闭状态，此时锥形瓶内被测气体体积浓度接近于0且基本稳定.

2) 0～t1时间内，关闭夹1，打开夹2，并用注射器将瓶B内的空气抽出一部分，使其为负压状态. 此时，监测结果保持不变.

3)t1时刻，关闭夹2，打开夹1，由于瓶B内气压低于瓶A，使得瓶A内的有害气体被迅速抽到瓶B内，监测结果迅速上升，此时报警功能启动，蜂鸣器响且对应LED闪烁.

4)t1～t2时间内，2个止气夹全部关闭，监测结果保持不变.

5)t2时刻，关闭止气夹1，打开夹2，将气体注射器内的空气缓慢注射到瓶B内，这时从监测到的数据可见，瓶内气体体积浓度并不是立即下降，而是先略有上升，然后才逐渐降低. 这是因为向瓶内注射气体时，首先是把导管内残留的有害气体注射到了瓶内，使瓶内气体体积浓度略有升高，随着空气注射到瓶内，气体体积浓度才缓慢地降低.

6) 实验数据通过PC机软件绘制成曲线如图3所示.

4 结束语

本系统演示了对环境空气质量变化实时监测的原理和过程，监测结果迅速、准确，并提供了友好的人机交互界面和报警系统，利用上位机进行显示和存储，演示效果直观，且操作方便，适合于演示实验教学.

参考文献：

[1] 赵涵红. 室内空气质量标准的检测方法分析[J]. 化工管理，2013(6)：190.

[2] 鲍荣华，吴初国. 着力改善环境质量，推进生态文明建设[J]. 国土资源情报，2013(2)：17-20.

[3] 范明辉. 我国环境空气质量标准的政策学习与政策变迁分析[D]. 大连：大连理工大学，2013.

[4] 杜兵. 包头市空气和水环境质量分析[D]. 呼和浩特：内蒙古大学，2013.

[5] 黄志辉，汤大钢. 中国机动车有毒有害空气污染物排放估算[J]. 环境科学研究，2008，21(6)：166-170.

[6] 黄嵘，潘骏，伏晴艳，等. 上海市交通环境空气质量监测与发展探讨[A]. 2011中国环境科学学会学术会议论文集(第4卷)[C].2011.

[7] 杨雪. 浅谈环境空气质量新旧标准的差异[J]. 科技信息，2013(15)：431.

[8] 黄博雅. 我国有毒空气污染物防治立法研究[D]. 北京：中国地质大学，2012.

[9] Texas Instruments. CC253x System-on-Chip Solution for 2.4 GHz IEEE802.15.4 and ZigBee® Applications User’s Guide [DB/OL]. 2009.