求一款多功能环境测量仪的设计方案

　　1 引言
　　人们健康意识和环保意识的逐渐增强使环境参数及其对身体的影响日益受到关注。然而现实生活中人们常常身处煤气、香烟、酒精等有害气体的包围之中，但因没有合适的测量仪器或因专业的测量仪器过于昂贵而不能方便地得知身边环境中的各种参数值，因而无法知晓环境参数是否会对身体或环境构成危害。这里介绍一种多功能环境测量仪的设计方法，该测量仪廉价、实用、便携，并有语音播报测量值及有害气体越限报警等多种功能。
　　2 总体结构与工作原理
　　该测量仪以凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心，光线、温度、湿度、气体传感器将获得的环境信息量转换为模拟电信号，经A／D转换器转换为对应的数字信号后交由CPU处理；CPU实时计算测量值并将结果送液晶显示器显示，同时进行语音播报。
　　设有键盘、红外接收电路、人工复位和自动上电复位以及硬件看门狗电路。SPCE061A内部带有A／D、D／A转换模块，可以方便地实现模／数转换和语音播报功能。系统总体结构如图1所示。
　　
　　3 硬件电路设计
　　3．1 温度光线模块
　　温度传感器采用R450型负热电阻，光线传感器采用高灵敏度光敏电阻，该温度传感器和光线传感器线性化较好，尤其在室内环境下，且阻值随外界物理量的变化较明显，因而可省去中间放大电路直接与单片机10A端口相连。光线温度测量模块电路如图2所示。整个电路由6 V电池供电，2 V的稳压管为A/D转换电路提供2 V基准电压．可调电阻R1用来校准由温漂和电源电压降低引起的基准电压的降低，R4与R6串联，光线强度的变化通过风分压值的变化反应，并输入到单片机的 IOAO端口，进行A/D转换。IOA端口设置为悬浮输入口，在单片机中定义变量iLM，光线测量得到的电压数据存放在iLM中，并根据iLM判断光线太强、太弱还是柔和。每1 ms取1次A/D转换数据，共取10次是为在100 Hz的自然光的一个周期中都能取到数据。取10次测量平均值查表得到光强。温度测量与光线测量原理基本相同。该模块电路原理如图2所示。
　　
　　3．2 气体测量模块
　　新型半导体气体传感器TGS2600能够灵敏地感知空气中的低浓度污染物的异味，如空气中的低浓度香烟污染物和其他异味，对H2、CO等有较高的敏感度。该传感器能检测到几个ppm级H2含量，传感器基本测量电路如图3所示。此传感器要求有两个电压输入：加热器电压VH和电路电压VC1。加热器电压VH加于集成加热器上以保持传感器在一个特定的最佳感应温度。电路电压VC1被加载以便于测量与气敏元件串联的负载电阻电压Vout。输出电压经IOA4端口直接输入单片机进行A／D转换。
　　
　　3．3 湿度测量模块
　　由于湿度传感器HS1101是电容式的，所以要测量其电容值，利用单片机无法直接读到，但利用SPCE061A的Feed-back功能可测得HS1 101所在RC电路的工作频率，这样就可计算其电容值。为减小误差，利用固定电容C6和电阻Rs构成另一个Feedback电路作为湿度传感器 HS1101的基准，如图4所示。根据图4中的参数，为使湿度传感器HS1101的工作频率尽量接近10 kHz，选择一只620 kΩ的电阻和HS1101形成Feedback1；390 pF的电容作为基准和另一只620 kΩ电阻形成Feedback2。
　　
　　3．4 红外发射接收模块
　　红外发射接收采用38 kHz载波，具有功耗低、抗干扰、距离远等特点。独立的遥控器可以使人们在室内任何地方控制测试仪的播报、开关机等功能。发射器由一块凌阳61板和一块红外发射电路组成。主程序调用键盘扫描程序读取键值，如果是KEY1键按下，则调用KEY1发射程序，发射序列二进制1000 0000；KEY2键按下，则发射序列1000 0001；KEY3键按下则发射序列1000 0010。接收电路通过IOA7端口输入单片机，主程序在每次测量完成后对IOA7端口进行扫描看是否有低电平起始信号到来，若有则继续接收，否则主程序继续向下执行。系统上电后若接收到KEY1键发射序列．则开始测量显示；若接收到KEY2键发射序列，则播报当前温度光线湿度值和有害气体浓度值。 KEY3键可使系统进入睡眠状态以降低功耗。
　　3．5 键盘显示单元
　　显示单元选用128x64字符点阵液晶显示屏SPLC501模块组件，主要由LCD显示器、 LCD控制板和偏压产生电路组成。分4行依次显示当前温度值、光线强度、有害气体浓度、湿度等信息，如图5所示。键盘模块主要用于设定报警门限值。 KEY1键为确定／取消功能，KEY2键为上调功能，KEY3键为下调功能。当KEY1键按下后温度值会不断闪烁，按下KEY2或KEY3键设定温度阈值，设定好后再次按下KEY1键则光强值不断闪烁，对光强阈值进行设定，按同样的方法设定气体浓度和湿度阈值，当设定好后停止按键，2 s后系统自动重新开始测量。
　　
　　4 软件设计
　　软件采用模块化设计方法，由主程序及键盘处理、数据采集、报警、语音、液晶显示和红外接收等子程序组成。系统主程序流程如图6所示，该程序是控制和管理的核心，系统上电后进行初始化，完成后系统开始正常运转，进行环境各参数的测定显示及判断超限报警等操作，然后检测红外接收是否有信号输入并执行显示和语音播报等功能。
　　
　　该系统温度提醒上限为27℃，下限为16℃，光线强度分为20个等级，7级以下为光线太弱，16级以上为太强，太弱太强都会有语音提醒。有害气体浓度分为 100个等级，20级以下为无害区，系统不会报警。20级以上系统会不断进行语音提醒，直到气体浓度重新下降到20级以下。湿度在40％以下时不会提醒，在40％以上时系统会间断提醒。在4个语音播报提醒的子程序中设定气体播报为最高优先级，因为有害气体对人体危害最大，且最易出事故。另外系统外留有继电器输出接口，可控制外部应急设备，像排气扇，灯光，加湿器等设备。根据不同地区不同环境参数的要求，系统简单易行的参数设定功能可满足各种不同的环境需求，如蔬菜大棚，工厂车间等。此系统编译环境为unSP IDE 2．0，使用汇编语言与C语言混合编写，其中，中断服务程序、A／D转换及液晶显示等相关底层程序由汇编语言编写，其余像测量程序及语音播报等程序由C语言完成，程序量约22 KB。
　　5 结束语
　　按照上述原理研制出样机。整个系统由测量、继电器输出控制、电池供电、红外遥控器及显示等5个模块组成。经实际测试，该系统对香烟、甲烷、酒精有非常灵敏的检测报警能力，对温度、湿度及光线的测定也均达到实用要求。该测量仪可根据要求改变设定值，适合应用于家庭、温室及公共场所的环境测量与安全报警，随着人们对生活质量要求的提高，这种多功能便携式测试仪将会有更广阔的应用前景。此设计的创新点在于集室内环境与安全报警为一体，液晶显示和语音播报非常具有人性化特点，此外，红外遥控功能使得使用更为方便。