- 多参数智能家居便携式检测仪设计实现

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

该仪器电路由单片机及外围电路和信号采集电路组成。仪器硬件电路如图所示。其中AVR MCU单片机是检测仪的核心， 它控制传感器信号的采集、信号的A/D转换、数据的进一步处理以及浓度显示、超标报警、检测气体参数的调整等整个过程。在实际应用时， 可以根据所测气体与气敏元件反应后所得到的电压值的关系来编程，当对气体进行测试时， 通过测得的电压值就可以得出所测气体的浓度。

工作原理：由传感器检测待测气体，并转换为相应电信号，由于传感器采集的电压信号是模拟信号必须转换为便于处理数字信号，才能进行进一步分析、处理，所以将该变化的电压信号输入A/D转换电路，经A/D转换之后， 再将得到的数字信号送入单片机， 由单片机进行相应的处理并送入LCD显示相应的浓度值， 同时可以通过按键设定报警浓度上限。这样，可以在所测气体浓度超过设定值时启动报警器进行报警。

图 1 系统硬件结构框图

3.1.1 甲醛检测模块

甲醛检测模块采用基于电化学原理的甲醛传感器CH20/S-10，其原理为室内空气中的甲醛气体被采样后，在电极作用下发生氧化反应，产生的扩散电极电流与空气中的甲醛浓度成正比，将检测到的电流值通过放大电路放大并转换为相应的电压值，后经A/D转换送单片机，由单片机现场实时控制检测并显示室内甲醛浓度值，当其浓度值小于国家规定的标准值（通过按键可修改）时绿灯亮，当超过规定值时红灯亮，同时进行蜂鸣报警，开始提醒人们及时采取有效措施，从而对人们的居住生活环境起到了监控保护作用。

3.1.2 温湿度传感器

考虑到室内环境温湿度对人体健康有重要影响，因此在电路中增加了温湿度检测模块，该模块主要检测室内环境的温度和湿度。温湿度传感器采用LTM-8901，该传感器是全新的数字化温湿度传感器，适合室内环境的温湿度测量范围，无需A/D转换，可直接和单片机连接，使系统故障率低，便于维护。湿度测量时是传统湿敏元件与湿度变送器的融合体。本身具有很强的抗静电、抗干扰、抗反接等保护能力，而且具有很强的结露恢复能力，并对腐蚀气体有一定的低御能力。LTM-8901内置滤波、保护电路、极低的功耗，温度补偿已在生产检验时校准完成。这种智能化修正方式，实现温湿度全量程的精确测量。如系统硬件结构框图所示，数字传感器LTM8901通过光耦器件4N35和驱动电路接单片机的并行I/0端，实现输入输出隔离，以提高系统的抗干扰能力，光耦器件4N35对于LTM8901其速度基本上满足要求。

3.1.3 CO和CO2检测模块

首先CO2的检测使用二氧化碳传感器TGS4161，该传感器是一个新型的固体二氧化碳传感器，它具有小型化和低功耗等特性，二氧化碳浓度为350~10000ppm时，均可用TGS4161进行检测，从而使其适合室内空气的控制设备。二氧化碳的敏感原件由两个固体电解质组成，结合一个印制在基板上的RuO2加热器。通过检测两个电极之间电动势的变化来测试二氧化碳气体的浓度。传感器电容的顶部含有沸石目的是防止其它气体的干扰。

其次，对于CO的检测，采用的是7E/F三电极电化学传感器，该型传感器输出线性范围宽，线性稳定，额定输出为0.1uA/ppm， 最小分辨率为0.5ppm，测量的最小范围和最大范围分别为0～20ppm和0～1000ppm。

CO的测量范围是：0～150mg/m3

CO的最大测量范围转换为ppm是：Ymax=150/1.25=120（ppm）

转换为传感器输出的最大电流为：Imax=0.1×120=12（uA）

输出的电流分辨率为：Ii=0.1×0.5=0.05（uA）

由此可得出其检测精度为：ε= 0.5ppm/120ppm×100%=0.42%

3.1.4 室内光照度检测

此模块为新增加模块，一方面考虑到室内光照对人体健康的影响，设计了光照度检测模块；另一方面在智能化家庭居室中该模块可以和室内智能照明系统连接，当室内光照度降到某一极限值时自动开启照明系统，而当光线较强时自动关闭室内照明系统，更环保、更节能。同时爱特梅尔（Atmel）公司提供的开发平台EVK1100是一个基于AVR32 AT32UC3A单片机控制器的评估套件和开发系统。EVK1100本身配备一系列丰富的外设、内存，其中开发板上及配有光照、温度等传感器，本模块的设计即采用该开发板上配有的光照传感器。开发板上该部分采用光敏二极管实现，光敏二极管较硅光电池有许多优点，有很高的带宽，价格便宜，特别是光电流与光照度之间呈较好的线性关系，因此它在光耦合隔离器、光学数据传输装置和测试技术中得到广泛的应用。除此之外，也能使EVK1100开发板上已有资源得到充分利用！

3.1.5 电源模块

由于该设计中所用芯片驱动电压大小不同，所以设计了电源模块，完成各部分所需电压的转换，保证芯片的正常工作。系统各个模块需要使用5V、3.3V、1.8V等，特别是主芯片AT32UC3A所需要的电压。因此该系统设计采用一个电源转换模块将电源板输出的稳定12V电源转换为所需要的电压。其中采用MAXl659将+12V转换为+5V和+5V_P，并通过程序控制该芯片的工作．从而控制了后续所需的+5V_P电压的任何电路；用MAXl658芯片将+5V转换为+3.3V_P，并控制该芯片的工作，控制后面需要+3.3V_P电压的任何电路；采用MIC-5207芯片将+5V转换为+3.3、+1.8V，供后面电路提供电源。每一个转换后的电压都用了一个发光二极管的亮灭来检查这些芯片是否正常工作，亮表示工作正常，反之则表示此转换器有问题（损坏）。

3.1.6 键盘控制单元

系统的键盘控制单元有5个按键组成，分别为：系统设置键、选择确定键、气体种类设置键、气体浓度上限加10键、气体浓度上限减10键，这几个按键用于选择待检测气体和设置目标气体的报警上限值。其中“系统设置键”用于告诉系统进入中断，设置气体浓度超限值；“气体种类设置键”用于选择设置上下限气体的种类；“气体浓度上限加10键”用于设定目标气体的上限浓度加10ppm；“气体浓度上限减10键”用于设定目标气体的浓度上限减10ppm；“确定键”用于确定系统设置完成。

3.1.7 声光报警单元

声光报警单元由蜂鸣器与发光二极管组成。当所测量气体浓度达到报警上限时，相应的红色发光二极管点亮，同时蜂鸣器发出急促不连续响声，实现声光报警，提醒用户及时采取相应措施。

3.1.8 LCD液晶显示模块

EVK1100开发板上配有4×20的字符型液晶显示模块DIP204-4e （PWM可调节背光） 。主要有LCD显示器、控制器、驱动器等电路组成。液晶模块主要用于显示待测气体实际浓度值和检测的具体时间显示。

3.1.9 时钟模块

此系统需要记录测量发生的时间，所以需要时钟芯片来记录在不同时间的监测数据，因此我们在系统中加入了时钟芯片。对时钟芯片的要求首先是低功耗，其次是编程简单，缩短程序开发时间，实际上也就缩短了系统用于实际生产所用的开发周期以及成本，在本设计中，我们选择了DS1302时钟芯片。时钟芯片 DS1302内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机通信。而通信时，仅需要3个口线：（1）RES（复位），（2）I/O数据线，（3）SCLK（串行时钟）。时钟/RAM的读/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。其工作时功耗很低，广泛应用于电话，传真，便携式仪器等产品领域。DS1302主要性能有：实时时钟能计算2100年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年的能力，还有闰年的调整能力；读/写时钟或RAM数据时，有单字节和多字节传送两种方式；与DS1202/TTL兼容。DS1302引脚概述：X1，X2：振荡源，外接32.768KHZ晶振；SCLK：串行时钟输入端。