多模式气体质量检测装置设计与研究*

杜承东　陈楠楠

(海军驻上海沪东造船(集团)有限公司军事代表室　上海　200129)



多模式气体质量检测装置设计与研究*

杜承东陈楠楠

(海军驻上海沪东造船(集团)有限公司军事代表室上海200129)

多模式气体质量监测评价装置是可选模式实时测量，并能做出评价的智能化产品。分析了不同模式下的空气标准。据此设计了一套多模式气体质量监测评价仪原理样机，对装置的软硬件电路进行了分析和设计。测试结果表明，所设计的多模式气体质量监测评价仪原理样机测量准确，具有界面友好和便于操作的优点。在自定义模式下，还可根据国家或地方的相关质量标准文件设定阈值，测量其他环境下的空气质量，这就大大拓展了论文装置的使用范畴和通用性。

多模式;气体质量;监测;自定义模式

Class NumberTM146

1　引言

洁净空气是人类赖以生存的必要条件之一，一个人在一个星期内不吃饭或5天内不喝水，尚能维持生命，但超过5分钟不呼吸空气，便会死亡[1]。大气有一定的自我净化能力，但是，随着工业及交通运输业的不断发展，大量的有害物质被排放到空气中，改变了空气的正常组成，使空气质量变坏[2～3]。当我们生活在受到污染的空气之中健康就会受到影响。每天各类媒体都会使用PM2.5、空气污染指数API或SPI等数据报道室外的空气质量水平。但是交通工具、室内、工厂生产场所的空气质量同样不容乐观。现代社会中，人的一生有95%以上时间都在上述场所活动。因此，空气质量引发人们生命健康的问题和矛盾日益突出。

国内外气体监测装置在应用方面，主要区别在于气敏元件的不同。目前国内市场上数量最多的是可燃性气体气敏元件传感器产品，这类装置已普及应用于气体泄漏检测和监控。从工厂企业到居民家庭，其应用十分广泛。

单项物质检测是市场化产品的重要特征之一，具有代表性的国产产品有气象海洋仪器厂生产的WHM5型温湿度表、北京天跃仪器厂生产的INTERSCAN CO分析仪及北京聚道合盛科技有限公司所生产的LD-5激光粉尘仪[4]。同时，化学方法的检测技术也比较常用，《大气污染监测方法》中的盐酸萘乙二胺比色法、酚试剂比色法、盐酸副玫瑰苯胺比色法和重量法可以精确检测氮氧化物、甲醛、二氧化硫和粉尘等污染物。

在国外，气体检测技术更是与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化的产品。美国工业科学公司(ISC)一台携带式气体监控仪可实现四种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术(IST)公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。另外，在军用方面最著名的有美海军在其潜艇上装备的中央大气监测系统(CAMS)，其主要组件是一台质谱分析仪，运用质谱法几乎可检测大气中的任何成分。质谱仪与计算机联用，对大气的监测、控制和净化更加精确，其自动化程度更高[6～10]。

目前在气体检测技术上，主要研究是在满足使用要求的情况下降低成本；在同样的成本下要继续不断地提高系统的灵敏度，报警的及时性，长时间的稳定性，操作的简单性以及维修的简便迅速性。这是气体检测仪器将来的发展趋势。

2　室内空气质量标准和测量方法

2.1室内空气质量标准制定的意义和测量方法

美、英、法、德等发达国家早在20世纪50年代就逐步开展了各种环境下的空气质量标准的制定。而且随着时代的发展，这些国家相关的空气质量标准也在及时的修订完善。近年来，我国民众对大气质量的关注度不断提高，了解到了空气污染与健康的内在联系，但对室内空气给健康带来的威胁还了解不多，重视不够。这种情况在全世界范围内无论发达国家，还是发展中国家都普遍存在。世界卫生组织在2010年首次发布了名为《室内空气质量指南》的报告[5]。该报告意在提醒人们对于居室、交通工具及工厂作业场所等室内空气质量的重视，为世界各国制定相应场所的空气质量标准提供方向性指导。所以从国际方面来看，制定并及时完善各种环境下的空气质量标准是时代发展的趋势。在国内，从20世纪80年代开始，我国政府就开始制定有关环境的空气质量标准，1996年颁布了比较全面的空气质量标准体系，到2012年又颁布了《环境空气质量标准》(GB3095—2012)。所以，空气质量标准的制定和完善是全世界各国政府和人民都十分重视的事情。这不仅关系到当代人们的身体健康问题，还对子孙后代影响深远。同时，人们也应注意到现行空气质量标准的滞后性和不全面性。比如在车内空气质量标准方面，我国至今未实施正式标准，只在近年发布了《乘用车内空气评价指南》。

目前,评价室内空气质量的方法有很多,常用的主要有主客观评价方法、层次分析法、模糊数学评价法、密切值法和BP 网络评价法和灰色评价法。

本文须对环境空气中几项重要的组分进行调查和监测，取得反映环境空气质量的监测数据后，对各单项空气分组做出判断，并采用适当的评价方法，综合几项重要组分进行空气质量评价。单项空气组分的判断和总体空气质量评价构成了多模式下空气质量评价的主要内容。

2.2多模式下控制质量评价原理

本文采用了姚志麒提出的最高值与平均值兼顾的空气质量指数法[5]对环境空气质量进行评价。此方法在室内及交通工具微环境空气质量评价中已有成功应用的先例。该方法首先确定m个污染物。令 i(i= 1，2，…，m)代表各项污染物指标的实测浓度，除以该污染物的评价标准值 ,得到质量分指数Pi，其定义式为

(1)

选出其中最大值Pmax，再求出m个污染物质量分指数的平均值,两者的几何平均数即为空气质量指数A。其数学表达式见式(2)：

(2)

A的数值越大,反映综合污染越严重。评价结果可依表1所示。

表1　空气质量等级判断标准

该评价方法中,质量分数指定义为污染物浓度与标准值之比,其倒数可看作其权重系数,形象地表示了某个污染物浓度与其标准值。此方法形式简单,计算方便。该指数特点为：可随着污染物个数的增减,适用于综合评价几种污染物共同作用下的空气质量。兼顾了各参数中最大值与平均值的影响。由于人的感觉与污染物浓度大小不成线,当某一污染物污染严重时,可能会造成比较大的危害,引入最大项就是为了体现污染最严重的因子对整个空气质量的影响。

2.3评价指标

空气污染物种类繁多，不可能逐一测量，为了在一定程度上反映出空气质量的水平，又要合理地控制成本，尽量挑选不同环境模式下都很重要的评价指标以到达“同装通用” 的目的。此外，空气质量是一个综合性的指标，还要考虑多方面的因子，因此传感器的种类也不能太少。那么，挑选合理的传感器就是所有工作的关键和基础。

经过查阅和收集资料，结合实际情况和借鉴目前国内外常用的IAQ监测指标，本文的监测指标定为温度、湿度、二氧化碳、一氧化碳、甲醛和硫化氢六个参量。参照《公共场所卫生监测技术规范GB17220—1998》、《文化娱乐场所卫生标准(9664—1996)》、《饭馆 (餐厅)卫生标准(GB16153—1996)》、《公共场所卫生监测技术规范GB17220—1998》、《医院候诊室卫生标准(GB 9671—1996)》等，经过筛选整理得到表2。

表2　室内模式空气质量监测指标限度表

参照《公共交通工具卫生标准(GB 9673—1996)》、《乘用车内空气评价指南》等，经过筛选整理得到表3。

表3　交通工具模式空气质量监测指标限度表

参照《工业企业设计卫生标准(TJ36—79)》，经过筛选整理得到表4。

表4　工业环境模式空气质量监测指标限度表

综合表2～表4，得到如表5所示的评价指标体系。

表5　四种模式的监测指标统计表

3　硬件设计

基于STC89C52RC的多模式空气质量监测评价仪是以交通工具、室内、工厂作业等环境中空气有毒有害气体的监测监控为背景，能实现：1)对不同环境模式的选择； 2)对温度、湿度、二氧化碳、一氧化碳、甲醛、硫化氢的实时采集处理、显示及报警； 3)对相应环境空气质量的综合评价等功能。装置设有按键，供不同需求的用户对特定环境要求的选择，并且使用LCD点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。同时设计了声光报警系统，实现了在参数和评价等级超标时及时的报警。

3.1硬件的总体结构和组成

本文研究的多模式空气质量监测评价仪是以STC公司的一款8位超低功耗单片机STC89C52RC为控制核心的自动化装置，系统总体结构如1所示。

整个装置由五个模块组成：

1)传感器群模块：使用DS18b20测量环境中的温度单线传给单片机；RH202测湿度、MG811测二氧化碳、MQ-7测一氧化碳、MQ-138测甲醛、MQ-136测硫化氢，它们形成的电信号调理后依次经过ADC0809的数模转换，再传送给单片机。它们是所有测量数据的基础。

2)最小系统模块：主体为STC89C52RC单片机，它对传感器群采集的数据进行处理分析，并向报警模块发出报警指令。配有复位键，能增强仪器装置的稳健性。

图1　多模式空气质量监测评价仪结构图

3)电源模块：将交流电源进行降压整流，为单片机系统及特殊传感器提供所需的稳定电压。原理图上保留了电源接口电路。保证了装置的可靠性。

4)报警模块：接收单片机的触发指令，按照设定的程序和时间规范报警。实现预警及提示作用。

5)显示模块：采用LCD1602液晶显示测量的数据、评价结论以及控制命令，实现人机界面的友好交互。

6)按键模块：包括确认键、上、下翻页键(阈值设定加、减键复用)。实现在不同环境下对恰当模式的选择及其阈值的设定。

空气中二氧化碳、一氧化碳、甲醛和硫化氢等四种有害气体及湿度分别通过传感器群中的传感器输出一个与之浓度相对应的电压信号,该信号调理后，经过A/D转换电路按一定得采样频率将模拟信号转换为数字信号送入单片机进行数据采集以便进行显示处理，温度传感器直接与单片机相连。单片机对采样值进行数字处理后驱动液晶显示器分别显示出被测室内空气中的二氧化碳、一氧化碳、甲醛和硫化氢的浓度值及温湿度。若被测室内空气中二氧化碳、一氧化碳、甲醛和硫化氢的浓度及温湿度中某种有超过国家标准或设定的危险值时，报警电路对应的发出声光报警信号，在轮次显示完六个量之后，还会显示空气质量评价的等级。

硬件电路原理图的设计采用了专业性强、易学易用的Protel DXP 2004软件。该软件在绘制完原理图经过DRC检查后，就可以发布到PCB制图窗口绘制PCB印制电路PCB板，方便了后期硬件实物的制作。装置电路原理图见附录一。PCB设计图见附录二。

图2　单片机最小系统电路原理图

3.2硬件电路设计

由于须对多种模式下的气体和温湿度进行测量，各个子模块电路较多，主要由最小系统电路、温度测量电路、液晶显示电路、气体及湿敏传感器调理电路、ADC转换电路、声光报警电路、下载接口电路和按键电路组成。图2、图3和图4分别为最小系统电路、液晶显示电路和传感器温度补偿电路差动放大电路，限于篇幅，其它电路这里就不赘述。其中，最小系统电路为多模式气体质量检测装置的控制部件。

图3　液晶显示电路图

图4　温度传感器补偿电路图

4　软件设计与调试

4.1软件设计功能需求

在系统硬件电路确定以后，其主要功能的实现将依赖于软件来实现。对同一硬件电路，配以不同的软件，它所实现的功能也就不同，其设计软件基本要求：

1)可靠性：可靠性是软件设计的重要指标，具有较强的抗干扰能力。

2)易理解性、易维护性：编制的软件要求易阅读，容易发现和纠正错误，容易修改和补充。

3)实时性：系统能够及时响应外部事件的发生并能及时做出处理结果。

4)准确性：保证系统进行计算数据的精度。

多模式空气质量监测评价仪功能需求框图如图5所示，系统软件主要由核心控制器模块、温度传感器采集模块、AD转换模块、液晶模块、按键模块、声光报警模块等模块构成。

图5　多模式空气质量监测评价仪功能需求框图

4.2主程序模块

主程序运行流程图如图6所示。由主程序流程图可以看出，软件要实现的主要功能是：1)选择环境模式； 2)实现对传感器信号的数据采集； 3)进行数据的计算分析、进行空气质量综合评价； 4)送液晶进行显示。程序开始时，先关闭中断，对系统进行初始化，包括单片机的各寄存器、RAM、定时器装载初值、中断设置及各模块初始化等。完成初始化后，液晶显示模式选择界面。按键确定模式后，传感器预热一段时间，CPU等待传感器传入信号及AD转换结束后，完成当前监测参数的正确显示并实时是否超限，从而声光报警，最后运行指标数算法得到平均等级，显示在液晶上。

图6　主程序流程图

4.3仿真研究

为了保证实物制作的顺利进行，先利用软件仿真，仿真成功后再制作硬件。软件仿真大致分三步，首先在Proteus中画电路图，然后根据已有的电路图在Keil中编写程序，修改程序至编译通过，最后将程序下载到Proteus的单片机中进行仿真调试。

打开Proteus软件中的ISIS Professional，在ISIS Professional中首先搜索元件，选中的元件会显示在左边栏，然后逐个地放置元件，并连线，最后完成电路图如图7所示。

图7　Proteus环境下的电路仿真图

在电路仿真图设计完毕，Keil生成Hex文件的情况下，即可将Hex文件加载到Proteus软件单片机仿真模型中进行仿真。通过仿真实验，再对电路和程序做出相应修改，直至功能实现。

首先进行选模式调试。按照功能要求，依次按下S1、S2，如图8所示。依次上下翻页移动，有如下四种模式，如图9～图12所示。

图8　按键S1、S2、S3操作图

图9　工业环境模式

图10　交通工具模式

图11　室内环境模式

图12　用户自定义环境模式

4.4试验验证

图13为实物样机。

图13　实物原理样机图

通过CP2103芯片USB下载器将程序烧录成功后，样机进入工作状态。按照程序设定，首先应显示“Welcome to NUI！choosing…”的欢迎界面。如图14所示。

图14　启动画面

等待5 s之后，出现模式选择界面。通过按下S1、S2切换工业环境(industry)、室内(indoor)、交通工具(vehicle)和自定义(user-defined)四种模式的选择。如图15所示。

图15　模式选择界面

当选择模式确定后，按下S3确认键，则显示“ok ! begin to work” 画面，同时装置开始了预热工作。如图16所示。

在依次显检测指标后，如果采集的数据超过阈值的数据，报警灯闪烁，同时蜂鸣器发声。如图17所示。

例如上图中，CO浓度实测226ppm，超过了100ppm的设定标准，报警模块就马上报警，指示红灯亮，蜂鸣器响。

图16　开始工作界面

图17　显示实时值、阈值并报警

装置轮流显示6个数据量后，最后显示评级等级。如图18所示：空气质量评价等级为E，即严重污染。超限项目为温度(“T”)、一氧化碳(“CO”)和硫化物(“S”)。

图18　显示评级等级并提示超限阈值指标

若是在自定义模式“defined”下，显示完一遍后，出现“Do you want to revise limit…”字样，提示用户可以进行阈值修改。如图19所示。

图19　显示阈值修改界面

按下S3键，即可见，当前为修改温度的阈值界面。如图20所示。通过S1、S2键即可加减修改。按下S3键为确认，并跳转到下一个评价指标，继续修改，直至跳转回到轮流显示界面。

图20　温度阈值修改界面

待所有阈值修改完毕后，就再次进入循环显示界面，如图21所示：当前相对湿度值为24%，阈值为80%。

图21　循环显示界面

5　结语

本文针对多种环境下的空气污染现状，分析了不同环境空气质量标准，研究了相关有害气体传感器的测量原理。并设计了以单片机为核心，以传感器采集电路、液晶显示电路、按键电路及报警电路为基础的空气质量检测评价仪。仿真和试验结果表明，所开发的多模式气体质量检测装置在不同模式下对气体质量测量准确、快速，具有响应速度快、操作简便和工作可靠等优点。

[1]环境空气质量标准[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/881194.htm，2013-6-18.

[2]http://wenwen.soso.com/z/Search.e?sp=S%E5%B7%A5%E5%8E%82%20%E6%B1%A1%E6%9F%93，2013-6-18.

[3]世卫组织首次发布室内空气质量标[EB/OL].http://news.sina.com.cn/o/2010-12-16/075321651714.shtml，2013-6-23.

[4]空气质量检测[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/3336184.htm，2013-6-18.

[5]杨克敌.环境卫生学[M].北京：人民卫生出版社，2004.

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Design and Research of Multiple Modes of Gas Quality Monitoring and Evaluation Instrument

DU ChengdongCHEN Nannan

(Naval Representative Office in Hudong Shipboard Co.,Ltd,Shanghai200129)

Multiple modes of gas quality monitoring and evaluation instrument is an optional model for real-time measurement,and can make the evaluation of intelligent products.Air standard under different models is analyzed.A multi-mode air quality monitoring and evaluation instrument is designed and built,soft and hardware circuit of the instrument is analyzed and designed.The tested results indicate that the instrument has high precise results and friendly interface and easily operation.In the custom mode,it can also set the threshold according to the national or local standards related quality documents measurement of other environmental air quality.And the use of the device and universal category is greatly expanded.

multi-modes,air quality,detection,defined mode

2016年3月9日,

2016年4月25日

杜承东，男，博士，工程师，研究方向：船舶电气。

TM146DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.027