1 引言
人們健康意識和環(huán)保意識的逐漸增強使環(huán)境參數及其對身體的影響日益受到關注,。然而現實生活中人們常常身處煤氣、香煙,、酒精等有害氣體的包圍之中,，但因沒有合適的測量儀器或因專業(yè)的測量儀器過于昂貴而不能方便地得知身邊環(huán)境中的各種參數值，因而無法知曉環(huán)境參數是否會對身體或環(huán)境構成危害,。這里介紹一種多功能環(huán)境測量儀的設計方法,，該測量儀廉價、實用,、便攜,，并有語音播報測量值及有害氣體越限報警等多種功能。
2 總體結構與工作原理
該測量儀以凌陽16位單片機SPCE061A為控制核心,，光線,、溫度、濕度,、氣體傳感器將獲得的環(huán)境信息量轉換為模擬電信號,，經A／D轉換器轉換為對應的數字信號后交由CPU" title="CPU">CPU處理；CPU實時計算測量值并將結果送液晶顯示器顯示,，同時進行語音播報,。
設有鍵盤、紅外接收電路,、人工復位和自動上電復位以及硬件看門狗電路,。SPCE061A內部帶有A／D、D／A轉換模塊,，可以方便地實現模／數轉換和語音播報功能,。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。
3 硬件電路設計
3．1 溫度光線模塊
溫度傳感器采用R450型負熱電阻,，光線傳感器采用高靈敏度光敏電阻,，該溫度傳感器和光線傳感器線性化較好，尤其在室內環(huán)境下,，且阻值隨外界物理量的變化較明顯,，因而可省去中間放大電路直接與單片機10A端口相連。光線溫度測量模塊電路如圖2所示,。整個電路由6 V電池供電,，2 V的穩(wěn)壓管為A/D轉換電路提供2 V基準電壓．可調電阻R1用來校準由溫漂和電源電壓降低引起的基準電壓的降低，R4與R6串聯，光線強度的變化通過風分壓值的變化反應,，并輸入到單片機的 IOAO端口,，進行A/D轉換。IOA端口設置為懸浮輸入口,，在單片機中定義變量iLM,，光線測量得到的電壓數據存放在iLM中，并根據iLM判斷光線太強,、太弱還是柔和,。每1 ms取1次A/D轉換數據，共取10次是為在100 Hz的自然光的一個周期中都能取到數據,。取10次測量平均值查表得到光強,。溫度測量與光線測量原理基本相同。該模塊電路原理如圖2所示,。
3．2 氣體測量模塊
新型半導體氣體傳感器TGS2600能夠靈敏地感知空氣中的低濃度污染物的異味,，如空氣中的低濃度香煙污染物和其他異味，對H2,、CO等有較高的敏感度,。該傳感器能檢測到幾個ppm級H2含量，傳感器基本測量電路如圖3所示,。此傳感器要求有兩個電壓輸入：加熱器電壓VH和電路電壓VC1,。加熱器電壓VH加于集成加熱器上以保持傳感器在一個特定的最佳感應溫度。電路電壓VC1被加載以便于測量與氣敏元件串聯的負載電阻電壓Vout,。輸出電壓經IOA4端口直接輸入單片機進行A／D轉換,。
3．3 濕度測量模塊
由于濕度傳感器HS1101是電容式的，所以要測量其電容值,，利用單片機無法直接讀到,，但利用SPCE061A的Feed-back功能可測得HS1 101所在RC電路的工作頻率，這樣就可計算其電容值,。為減小誤差,，利用固定電容C6和電阻Rs構成另一個Feedback電路作為濕度傳感器 HS1101的基準，如圖4所示,。根據圖4中的參數,，為使?jié)穸葌鞲衅鱄S1101的工作頻率盡量接近10 kHz，選擇一只620 kΩ的電阻和HS1101形成Feedback1,；390 pF的電容作為基準和另一只620 kΩ電阻形成Feedback2,。
3．4 紅外發(fā)射接收模塊
紅外發(fā)射接收采用38 kHz載波，具有功耗低,、抗干擾、距離遠等特點。獨立的遙控器可以使人們在室內任何地方控制測試儀的播報,、開關機等功能,。發(fā)射器由一塊凌陽61板和一塊紅外發(fā)射電路組成。主程序調用鍵盤掃描程序讀取鍵值,，如果是KEY1鍵按下,，則調用KEY1發(fā)射程序，發(fā)射序列二進制1000 0000,；KEY2鍵按下,，則發(fā)射序列1000 0001；KEY3鍵按下則發(fā)射序列1000 0010,。接收電路通過IOA7端口輸入單片機,，主程序在每次測量完成后對IOA7端口進行掃描看是否有低電平起始信號到來，若有則繼續(xù)接收,，否則主程序繼續(xù)向下執(zhí)行,。系統(tǒng)上電后若接收到KEY1鍵發(fā)射序列．則開始測量顯示；若接收到KEY2鍵發(fā)射序列,，則播報當前溫度光線濕度值和有害氣體濃度值,。 KEY3鍵可使系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)以降低功耗。
3．5 鍵盤顯示單元
顯示單元選用128x64字符點陣液晶顯示屏SPLC501模塊組件,，主要由LCD顯示器,、 LCD控制板和偏壓產生電路組成。分4行依次顯示當前溫度值,、光線強度,、有害氣體濃度、濕度等信息,，如圖5所示,。鍵盤模塊主要用于設定報警門限值。 KEY1鍵為確定／取消功能,，KEY2鍵為上調功能,，KEY3鍵為下調功能。當KEY1鍵按下后溫度值會不斷閃爍,，按下KEY2或KEY3鍵設定溫度閾值,，設定好后再次按下KEY1鍵則光強值不斷閃爍，對光強閾值進行設定,，按同樣的方法設定氣體濃度和濕度閾值,，當設定好后停止按鍵，2 s后系統(tǒng)自動重新開始測量,。
4 軟件設計
軟件采用模塊化設計方法,，由主程序及鍵盤處理,、數據采集、報警,、語音,、液晶顯示和紅外接收等子程序組成。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示,，該程序是控制和管理的核心,，系統(tǒng)上電后進行初始化，完成后系統(tǒng)開始正常運轉,，進行環(huán)境各參數的測定顯示及判斷超限報警等操作,，然后檢測紅外接收是否有信號輸入并執(zhí)行顯示和語音播報等功能。
該系統(tǒng)溫度提醒上限為27℃,，下限為16℃,，光線強度分為20個等級，7級以下為光線太弱,，16級以上為太強,，太弱太強都會有語音提醒。有害氣體濃度分為 100個等級,，20級以下為無害區(qū),，系統(tǒng)不會報警。20級以上系統(tǒng)會不斷進行語音提醒,，直到氣體濃度重新下降到20級以下,。濕度在40％以下時不會提醒，在40％以上時系統(tǒng)會間斷提醒,。在4個語音播報提醒的子程序中設定氣體播報為最高優(yōu)先級,，因為有害氣體對人體危害最大，且最易出事故,。另外系統(tǒng)外留有繼電器輸出接口,，可控制外部應急設備，像排氣扇,，燈光,，加濕器等設備。根據不同地區(qū)不同環(huán)境參數的要求,，系統(tǒng)簡單易行的參數設定功能可滿足各種不同的環(huán)境需求,，如蔬菜大棚，工廠車間等,。此系統(tǒng)編譯環(huán)境為unSP IDE 2．0,，使用匯編語言與C語言混合編寫，其中,，中斷服務程序,、A／D轉換及液晶顯示等相關底層程序由匯編語言編寫,，其余像測量程序及語音播報等程序由C語言完成，程序量約22 KB,。
5 結束語
按照上述原理研制出樣機,。整個系統(tǒng)由測量、繼電器輸出控制,、電池供電、紅外遙控" title="紅外遙控">紅外遙控器及顯示等5個模塊組成,。經實際測試,，該系統(tǒng)對香煙、甲烷,、酒精有非常靈敏的檢測報警能力,，對溫度、濕度及光線的測定也均達到實用要求,。該測量儀可根據要求改變設定值,，適合應用于家庭、溫室及公共場所的環(huán)境測量與安全報警,，隨著人們對生活質量要求的提高,，這種多功能便攜式測試儀將會有更廣闊的應用前景。此設計的創(chuàng)新點在于集室內環(huán)境與安全報警為一體,，液晶顯示和語音播報非常具有人性化特點,，此外，紅外遙控功能使得使用更為方便,。