多参数智能家居便携式检测仪设计实现

一、项目概述

1.1 引言

爱特梅尔公司是全球领先的半导体设计和制造商，专门提供微控制器及补充产品如电容性触摸感应IC、ASIC、非易失性存储器和无线射频 (RF) 器件。该公司拥有业界最广泛的知识产权核心 (IP) 技术资源之一，能为电子工业提供全面的解决方案。爱特梅尔公司专注于消费电子、工业、汽车、安全、通信和计算市场。通过提供工具与支持，爱特梅尔帮助不同领域的客户以更小巧、更高智能、更高成本效益和更多元化的电子产品，稳占市场领导地位。EVK1100是ATMEL开发的一个基于AVR32 AT32UC3A单片机控制器的评估套件和开发系统，它配备一系列丰富的外设、内存，并且可充分开发AVR32设备的全部潜能。本设计就是基于爱特梅尔公司的EVK1100开发平台，设计的室内环境“安全卫士”，该设计用于检测居室内常见有害气体浓度含量，并在有害气体含量超标时报警，以便使人们及时采取措施，防止危害扩大，为室内环境保驾护航。

1.2 项目背景/选题动机

随着人们生活水平的提高，全装修住宅的日益扩展，其室内环境质量控制越来越引起社会各界的广泛关注，同时人们也需要安全、舒适的家居。室内空气品质与居住者的身心健康状态和工作效率等均直接相关。CCTV《今日说法》曾报道过由于室内污染而未及时发现引起重视，最终导致白血病的恶性事件。室内污染的空气能增加造成人们长期和短期的健康问题的机会。而家庭居室是大多数人除了工作场所以外经常生活的地方，由此对室内环境的安全性检测变得尤为重要，市场上现有对室内环境的检测仪器，存在有体积大、价格贵、功能少、检测气体单一等问题而未被广泛应用，根据市场调查显示居民非常需要一种家用对室内温湿度和室内甲醛的检测的仪器。本文正是基于此种需要而设计的一种家用集室内环境污染物（甲醛、CO、CO2）检测、光照度、温度和湿度检测为一体的多参数便携式检测仪。

甲醛是一种无色、具有强烈气味的刺激性气体，是室内空气的代表性污染物之一。甲醛是原浆毒物，对人体健康有重要影响，研究表明甲醛能与蛋白质结合，吸入高浓度甲醛后，会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，也可发生支气管哮喘。皮肤直接接触甲醛，可引起皮炎、色斑、坏死。经常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出现粘膜充血、皮肤刺激症、过敏性皮炎、指甲角化和脆弱、甲床指端疼痛，孕妇长期吸入可能导致新生婴儿畸形，甚至死亡，男子长期吸入可导致男子精子畸形、死亡，性功能下降，严重的可导致白血病，气胸，生殖能力缺失，全身症状有头痛、乏力、胃纳差、心悸、失眠、体重减轻以及植物神经紊乱等。而各种人造板材(刨花板、纤维板、胶合板等)中由于使用了脲醛树脂粘合剂，因而含有甲醛。新式家具的制作，墙面、地面的装饰铺设，都要使用粘合剂。凡是大量使用粘合剂的地方，总会有甲醛的释放。此外，某些化纤地毯、油漆涂料也含有一定量的甲醛。甲醛还可来自化妆品。化妆品、清洁剂、杀虫剂、消毒剂、防腐剂、印刷油墨、纸张、纺织纤维等多种化工轻工产品。由此，对于居室内甲醛含量的测定变得尤为重要。

CO2在正常空气中的含量约为0.03％～0.04％。当室内空气与室外空气交换良好时，室内空气中CO2的浓度通常不会达到人的主观感觉不适的状态。但是，当室内CO2浓度大于1.5%时，会引起呼吸困难和呼吸频率加快、改变血液pH值、减弱人体的活动能力等。当浓度大于3%时，会引起头痛、眩晕和恶心，当浓度大于6％～8％时，可导致昏迷和死亡。CO2作为居室中常见的污染物，当浓度达0.07%时，少数敏感的人就会感觉到不良气味，并产生不适感。CO2浓度的高低可以用来表示室内空气清洁程度，以及通风换气是否良好，居室内 CO2浓度应保持在0.07%以下，最高不应超过0.1%。

室内CO主要来源于吸烟、含碳燃料的不完全燃烧等。当不存在室内源时，室内CO的含量与室外持平，维持在3~10ml/m3。由于CO不能透过皮肤，因此，它对人体健康的影响主要通过呼吸系统来实现。CO能与血红蛋白结合形成羟基血红蛋白(COHb)，但是CO与血红蛋白的结合能力远远大于O2的结合能力，是O2的200倍，当O2与CO同时存在时，血红蛋白优先与CO结合，制约了O2在血液中的传播。CO可对心脏、肺和神经系统产生有害影响，当COHb的浓度为10％时，主要引起心血管疾病，导致中枢神经紊乱；当浓度为2.5％时，可加重胸痛病人的症状。

本文的设计正是基于此种需要而设计的适用于居室内常见有害气体浓度测定的仪器，该仪器能够指导人们对室内空气质量的变化及时采取应对措施，从而保护人体健康。能同时检测室内空气环境中常见污染气体（甲醛、CO2、CO）及温湿度的现场检测，且操作简便、设计合理。

二、需求分析

2.1 功能要求

甲醛是在室内和室外都广泛存在的一种空气污染物，除此之外室内空气污染物主要还有CO和CO2等。甲醛是室内最常见的和最具代表性的醛类化合物，室内甲醛浓度则取决于建筑材料的性能和和测试时的环境条件，通常范围在0.02～0.50mg/m3或更高。用作室内装饰的胶合板、细木工板、中密度纤维板和刨花板等人造板材中含有甲醛，新装修的居室甲醛最高可达9.09mg/m3。基于此，本文所设计的检测仪器要求能够检测室内甲醛、一氧化碳、二氧化碳等室内常见有害气体浓度，同时要能够对与人体健康密切相关的室内环境温湿度状况进行实时检测与显示，并通过按键设定检测气体上限报警值和选择待检测气体种类，通过液晶显示待测气体浓度。当所测气体浓度超标时及时进行声光报警。

除用于家庭居室之外，该仪器还可用于办公室、宾馆、饭店、商场、高档酒店等场所或其他一些对空气质量要求较高的场所常见有害气体含量测定。随着甲醛传感器价格降低、家居全装修增多，人们对生活质量要求的提高，这种多功能测试仪将会有更广泛的应用前景。

2.2 性能要求

仪器性能要求主要是根据实际情况（居室内空气质量达标值与温湿度状况）确定检测性能指标要求。居室空气中甲醛的最高允许浓度为0.08 mg/m3，公共场所甲醛的最高允许浓度为0.10 mg/m3。

1、甲醛：测量范围：0～10ppm 分辨率 ： ±0.05 ppm

2、CO2检测：测量范围：0~2，000ppm ，检测精度：±30ppm

3、CO检测，测量范围：0～1000ppm，分辨率：±0.5ppm

4、温度测量：测量范围：-10 ~ 60℃，检测精度：±1℃

5、湿度测量：测量范围：0 ~ 95%RH，检测精度：±5%RH

6、交流供电、声光报警、LCD显示被测气体实际浓度值