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(shù)及其對身體的影響日益受到關注。然而現(xiàn)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(shù)值，因而無法知曉環(huán)境參數(shù)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(jīng)A／D轉換器轉換為對應的數(shù)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(xiàn)模／數(shù)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(lián)，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(shù)據(jù)存放在iLM中，并根據(jù)iLM判斷光線太強、太弱還是柔和。每1 ms取1次A/D轉換數(shù)據(jù)，共取10次是為在100 Hz的自然光的一個周期中都能取到數(shù)據(jù)。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(lián)的負載電阻電壓Vout。輸出電壓經(jīng)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(jù)圖4中的參數(shù)，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(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)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(jù)不同地區(qū)不同環(huán)境參數(shù)的要求，系統(tǒng)簡單易行的參數(shù)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(jīng)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(jù)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。