室内空气污染物监测设计和工作原理

随着社会的进步和生活水平提高，人们对居住环境提出了越来越高的要求，除了舒适的热环境外，空气的健康清新、调控安全便捷也引起了人们越来越广泛的关注。目前绝大部分建筑物中仅配有简单的通风换气设备，无法实现人性化的智能调控。如何实现室内空气污染物的监测与报警以及智能调节，已成为智能家居领域的研究热点。

1 系统结构和工作原理

1．1 系统结构

该系统由传感器模块、无线模块、单片机控制模块、步进电机模块、短信模块5部分组成，结构框图如图1所示。

1．2 工作原理

传感器模块检测到气体浓度超标时发出报警信号，通过无线发射、接收后传送到单片机控制模块，启动控制程序，并向电机模块及短信模块发出工作信号，整个过程依赖于主控制模块程序的运行，通过添加传感器模块及编写不同程序可以实现多种控制功能。

2 硬件部分

2．1 传感器模块

选取3种常见的气体及相应的传感器：甲烷(传感器MQ5)，氨气(传感器MQ137)，二氧化碳(传感器(MG811)。3种传感器具有高灵敏度、高稳定性、使用寿命长、驱动电路简单等优点，适合于家庭中使用。

电路部分选用LM393比较器，其工作电源电压范围宽，单电源(2～36 V)；消耗电流小，输入失调电压小，VIO=±2mV；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；当监测气体浓度达到既定值时A、B两端电压变化，经LM393比较，输出低电平，由单片机控制部分采集。电路如图2所示。

2．2 无线模块
    无线发射电路以MICRF102为核心，MICRF102采用SOP(M)-8封装，芯片内包括由基准振荡器、相位检波器、分等构成的合成器；发射偏置控制；RF功率放大器；无线调谐控制和变容二极管等电路，实现数据输入一无线输出。
    无线接收电路以MICRF007为核心，MICRH107采用SOP9(M)-8封装，芯片电路可分为UHF下变换器、OOK解调器和基准控制3部分。
2．3 单片机控制模块
    采用STC89C52单片机，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，单芯片上拥有8位CPU，内带4 K字节EEPROM存储空间，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。单片机接收来自传感器模块的低电平信号，通过程序运行后转换为电机模块及短信模块的控制信号，控制整个系统的运行。
2．4 电机模块
    此部分选用28BY J48型号步进电机，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；驱动芯片使用ULN2003，驱动转速较低，适合排气扇打开使用。模块收到信号后工作，通风换气。此部分电路如图3所示。

2．5 短信模块
    选用西门子公司的TC35短信模块，TC35型模块是终端的主要功能部件，由GSM基带处理器、电源专用集成电路、射频电路和闪速存储器等部分组成，负责处理GSM蜂窝设备中的音频、数据和信号。终端系统的工作电压为5 VDC。由于TC35的突发耗电电流峰值可达3 A，故外加稳压器件必须达到足以提供该额定电流的条件。在该终端中，采用LM2596型开关电源完成12 V到5 V的转换，作为TC35终端的电源。必须注意的是，由LM2596完成开关电源转换需要大功率的电感器和电容器，以提高储能能力，满足TC35的耗电要求。

2．6 电源模块
    系统需提供5 V(甲烷、氨气传感器模块，电机模块，短信模块等部分)、6 V(二氧化碳传感器模块)直流电源，设计电源模块电路，通过220 V转9 V变压器及三端稳压器7805、7806产生所需的电源电压以供传感器、电机、单片机使用。辅助电源原理图如图4，变压器产生9 V左右的交流电，辅助电源的输入端电源由变压器辅助线圈提供，经过整流桥整流和电容后滤成9 V作为三端稳压器输入电源。

3 软件部分

    该部分为短信模块的调试运行。TC35模块采用AT贺氏指令。单片机通过AT指令对TC35模块进行初始化和短消息的接收发送。对短消息的控制共有3种模式：BLOCk模式、PDU模式和Text模式。本系统使用PDU模式进行短消息的接收和发送。
3．1 初始化指令
    1)设置短消息发送格式AT+CMGF=1；2)设置短消息中心AT+CSCA=“[phone]”(短消息中心，不同地区不同，此为南京)；3)设置短消息到达自动提示AT+CNMI=1，1，0，0，1，。
3．2 发送短消息
    先发送短消息数据的长度，AT+CMGS=。等待TC35模块返回ASCII字符“>”，则可以将PDU数据输入，PDU数据以作为结束符。
3．3 接收短消息
    短消息到来后，单片机接收到指令+CMTI：“SM”，INDEX(信息存储位置)。读取PDU数据的AT命令为AT+CMGR=INDEX，则模块返回刚刚收到的PDU格式的短消息内容。
3．4 PDU数据示例
    如需要发送汉字“煤气泄漏”到手机[phone]，则首先发送数据串AT+CMGS=0，然后等待ASCII字符“>”，然后输入PDU数据00 11 00 0D 91 685163151883F5 00 08A9 0A71646C146CC46FOF1A。
    (以上几步中操作成功则模块返回OK)
    软件部分流图如图5所示。

4 系统运行

    传感器模块检测到相应气体后通过无线模块向控制中心发送信号，电机模块收到控制中心信号开始运行，排气扇工作，实现气体交换。短信模块收到控制中心指令后启动，向指定用户发送短信警报，以便用户及时采取措施。整个系统各部分工作互不影响，很好的实现的既定功能。

5 结束语

    文中设计的以STC89C52单片机为控制中心的室内空气智能调节系统，在软硬件的结合下，可以达到所要求的性能指标，运行稳定可靠。测试表明，传感器部分具有较高的灵敏度，可以成功检测到低浓度的气体。对于电机的类型，依不同需求而定，监测的气体也可以通过跟换传感器而增减，短信模块可以作为家用电话使用，因而此系统具有广阔的应用前景和实用价值。