用于家庭室内空气质量检测设备的设计

　　世界卫生组织近期在其总部瑞士日内瓦发布了一份名为《室内空气质量指南》的有关室内空气检测标准的报告。这是世卫组织首次公布对身体健康产生影响的室内空气有毒物质的量化标准。

　　报告称，在欧洲地区，每年至少有400人死于一氧化碳中毒，14%的肺癌患者是由于吸入了居室中的氡造成的。有足够证据表明空气中的苯与白血病有着因果关系。报告还呼吁各国重视那些*容易被污染了的室内空气影响健康的群体。世卫组织报告称，室内空气的污染源主要来自四个方面，比如水泥，涂料、油漆、家具等建筑和建材材料、家电等室内设备，还有取暖和做饭过程中产生的烟尘废气等等。

　　早在2002年12月18日，我国就正式发布了*部《室内空气质量标准》，并于2003年3月1日起正式实施。然而《标准》颁布至今，社会上的认知程度并不高，大多数受访市民均表示"不知道有此《标准》"，绝少有市民主动向有关单位提出要求检测室内空气质量，多是在家人患病之后才知道致病的"罪魁祸首"。

　　市面上大多数的检测仪器为专业设备，检测*但操作复杂，费用高昂。一款小型的家用室内空气检测装置就显得很有市场前景。
 

　　系统整体规划

　　本系统主要由气体采集单元与控制器单元组成。气体采集单元主要为气体传感器及其附属部件，控制器单元分为功能层、软件层、中间层和硬件层四部分。

　　硬件层由嵌入式处理器与外围器件(存储器系统、通用设备接口和I/O接口等)组成。处理器采用STM32F103处理器，其使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设。它包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口： 2个I2C和SPI、3个USART、1个USB和1个CAN。

　　硬件层和软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层(Hard ware Abstract Layer，HAL)或板级支持包(Board Support Package，BSP)。它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序和硬件无关，其一般具有相关硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置等相关功能。

　　软件层由实时操作系统(Real Time Operating System，RTOS)、文件系统和图形用户接口(Graphical User Interface，GUI)等模块组成。本文采用免费的€%eC/OS II 操作系统。€%eC/OS II是一种简单高效、源代码公开的实时嵌入式操作系统，具有良好的扩展性和可移植性，被广泛应用到各种嵌入式处理器上。其主要特点为：优先级可剥夺;可处理和调度56个用户任务，任务的优先级可以动态调整;提供任务间通信、同步使用的信号量、邮箱和消息队列;具有良好的可裁剪性，可尽量减小系统的ROM和RAM大小。

　　功能层由基于操作系统的应用程序组成，用来完成相关的控制功能。
 

　　硬件系统规划

　　硬件系统主要分为气体采集电路与控制器电路两部分。气体采集电路包括气体传感器模块、信号采集模块和信号整理模块。控制器电路包括电源模块、时钟模块、调试模块、复位模块、按键模块、液晶显示模块、报警模块。还可以外扩SDRAM存储器和FLASH存储器。
 

　　气体采集电路是本系统的重点单元，也是*核心的部分。

　　目前，气体传感器按照检测原理的不同，主要分为金属氧化物半导体式传感器、催化燃烧式传感器、定电位电化学气体传感器、红外式传感器等。

　　催化燃烧式传感器的原理是目前*广泛使用的检测可燃气体的原理之一，具有输出信号线形好、指数可靠、价格便宜、无与其它非可燃气体的交叉干扰等特点。催化燃烧式传感器采用惠斯通电桥原理，感应电阻与环境中的可燃气体发生无焰燃烧，使温度式感应电阻的阻值发生变化，打破电桥平衡，使之输出稳定的电流信号，再经过后期电路的放大、稳定和处理*终显示可靠的数值。

　　红外式传感器主要是利用各种元素对某个特定波长的吸收原理，具有抗中毒性好，反应灵敏，对大多数碳氢化合物都有反应等特点。目前大多为集成模块，使用简单，但成本较高。

　　定电位电化学传感器是目前测毒类现场广泛使用的一种技术。定电位电化学气体传感器的结构：在一个塑料制成的筒状池体内，安装工作电*(WE)、对电*(CE)和参比电*(RE)，在电*之间充满电解液，顶部封装多孔四氟乙烯隔膜。前置放大器与传感器电*连接，在电*之间施加一定的电位，使传感器处于工作状态。被检气体与电解质内的工作电*发生氧化或还原反应，在对电*发生还原或氧化反应，电*的平衡电位发生变化，变化值与被测气体浓度成正比。

　　例如：电化学一氧化碳气体传感器，电解池中为酸性电解液，催化剂为铂、钌、镍等金属微粒，当一氧化碳气体扩散到工作电*处，在催化剂作用下产生了氧化还原反应：

　　工作电*(阳*)CO+H2O→CO2+2H+2e式(1)

　　对电*(阴*)1/2O2+2H+2e→H2O 式(2)

　　此时工作电*上的一氧化碳发生氧化放出电子，对电*则发生还原反应获取电子，工作电*与对电*的电位发生变化，产生电流，电流大小与电*电位和气体浓度等因素有关。

　　电化学传感器需要控制电路来进行工作。这个控制电路被称为恒电势电路。
 

　　恒电势电路

　　恒电势电路的主要用途是在参比电*和工作电*之间保持一个电压，以便控制电化学反应并送出一个与工作电*的电流成比例的输出信号。当传感器暴露于目标气体如一氧化碳时，在工作电*上的反应是一氧化碳被氧化，生成的二氧化碳向传感器外扩散。传感器内产生出氢离子和电子。氢离子通过电解质向计数电*迁移，这一过程会留下负电荷，堆积在工作电*。电子从工作电*流出经过电阻R6到放大器的反向输入端，放大器配置成一个跨阻放大器，将工作电*送来的信号电流变换为一个与所加气体的浓度成比例的电压。

　　例如，10 ppm的一氧化碳气体样品产生的典型信号电流近似为500 nA，将产生5 mV的输出电压。向对电*迁移的氢离子将提升参考电*和工作电*的电势，在参考电*上的这个微小电势提升能被控制放大器测量到，放大器会对对电*吸收或释放适当的电流以平衡工作电*所需的电流。用P型场效应晶体管作为一个开关，以防止电路未供电时传感器被*化。如果传感器被*化，这将使传感器花费很长时间才能达到稳定平衡。仅当电源关断时场效应晶体管才生效，此时它短路工作电*和参考电*，来确保工作电*维持在与参考电*同等的电势上。

　　金属氧化物半导体式传感器的原理是将敏感材料(*具代表性的是 SnO2)在空气中加热到一定高的温度，氧被吸附在带一个负电荷的晶体表面。然后，晶体表面的供与电子被转移到吸附的氧上，结果在一个空间电荷层留下正电荷。这样，表面势能形成一个势垒，从而阻碍电子流动。在传感器的内部，电流流过 SnO2 微晶的结合部位(晶粒边界)。在晶粒边界，吸附的氧形成一个势垒阻止载流子自由移动，传感器的电阻即缘于这种势垒。还原性气体出现时，带有负电荷的氧的表面浓度降低，导致晶粒边界的势垒降低。降低了的势垒使传感器的阻值减小了。

　　金属氧化物半导体式传感器利用被测气体的吸附作用，改变半导体的电导率，通过电流变化的比较，激发报警电路。半导体式传感器测量时受环境影响较大，输出线形不稳定。但因其反应十分灵敏，所以目前广泛使用在测量气体的微漏方面。例如目前较常用的测量毒性气体的MQ138型半导体式气体传感器。

　　传感器表面电阻Rs阻值随待测气体浓度的变化而变化，通过与其串联的负载RL上有效电压信号VRL的输出来反应空气中待测气体的浓度。二者之间的关系为：

　　Rs/RL = (Vc-VRL) / VRL 式(4)

　　其中：Rs为传感器表面电阻，RL为负载电阻，Vc为回路电压， VRL为输出电压。

　　STM32F103本身自带的2路12位A/D转换器可作为模拟气体信号的输入。由于该A/D转换器的输入电压范围为：0～2.4V，即传感器输出电压VRL≤2.4V。MQ138气体传感器Rs的变化范围为10k€%R～200k€%R，所以RL可取为30k€%R。

　　对不同传感器做一些具体改动就可以满足要求。控制器电路部分本文就不做详细介绍，具体电路可参考芯片手册等相关资料。
 

　　软件系统规划

　　本软件系统由五个部分组成：引导文件、€%eC/OS II操作系统文件、GUI图形显示系统文件、系统配置文件、应用子任务程序块(User文件夹包括所有子任务的.c文件和相应的.h文件)。

　　本系统采用€%eC/OS II 操作系统。€%eC/OS II是一个实时可剥夺型操作系统内核，该操作系统支持*多64个任务，但每个任务的优先级必须互不相同，优先级数字小的任务比优先级数字大的任务具有更高的优先级，并且该操作系统总是调度优先级*高的就绪态任务运行。

　　€%eC/OS II不支持时间片轮转调度(当两个或两个以上的任务有同样优先级，内核允许一个任务运行事先确定的一段时间，叫作时间额度，然后切换给另一个任务，也叫作"时间片调度")。€%eC/OS II中每个任务的优先级都是不一样的，并且是*的。

　　移植就是指使一个实时操作系统能够在其它的微处理器平台上运行。由于€%eC/OS II主要代码都是由标准的C语言写成的，所以一般来说移植过程并不复杂。

　　€%eC/OS II的源代码按照移植要求分为需要修改部分和不需要修改部分。其中需要修改源代码的文件包括头文件OS_CPU.H、C语言文件OS_CPU.C以及汇编格式文件OS_CPU_A.ASM。
 

　　数据采集和处理是软件系统的核心程序，其软件流程图如下：

　　数据处理子程序流程图

　　五、总结。本文主要讨论的是对日常家庭室内空气质量自我检测的解决方案。其简单且方便，但准确性欠佳。可以从气体传感器的选择以及采集后数据的算法两方面加以改善，以提高*性。

　　百检第三方检测机构致力于为企业及个人提供便捷、高效的检测服务。简化检测流程，提升检测服务效率，利用互联网+检测电商，为客户提供多样化选择,从根本上降低检测成本提升时间效率，打破行业局限和行业瓶颈，打造出行业创新新平台。公司主要业务范围包括食品、农产品、环境土壤、环保以及行业标准培训、零售商服务等，为您提供优质、便捷、专业的检测服务。

检测流程