室内空气质量控制系统方案设计.docx

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室内空气质量控制系统方案设计

4总结9

5致谢10

1前言

空气是人类赖以生存的最基本条件，但是人们常忽略所呼吸空气的质量，绝大多数人85%~90%的时间在室内度过，这使得他们很容易遭受有这些空气污染引起的疾病。

特别是医院病房，由于医院病房有限，每间病房住4个、甚至6个以上的病人，由于排出二氧化碳气体太多、导致空气质量不好，特别是冬季，不开窗户，空气质量更加糟糕。

特别是对于心、肺、脑等疾病患者，病房内空气质量更显重要。

二氧化碳对人体具有相当的危害，室内空气二氧化碳浓度在0.07%（1400mg/m）时，人体感觉良好。

二氧化碳含量为0.1%（2000mg/m3）时，个别人有不舒服感；0.15%（3000mg/m3）内空气状况明显恶化；浓度达到0.3%（6000mg/m3）以上时，出现明显头痛、头晕、心烦意乱等症状；8%（160000mg/m3）以上可引起死亡。

室内CO2主要来自人体呼出气。

室内CO2水平受人均占有面积、吸烟等因素影响。

在我国北方，冬天关闭窗户，加上通风不足，室内二氧化碳浓度可达2.0%（4000mg/m3）以上。

我国公共场所卫生标准规定二氧化碳浓度不超过0.07%-0.15%（以场所而定）。

室内空气中CO2卫生标准规定日平均最高允许浓度0.10%（2000mg/m3）（GB/T17094-1997）。

为满足房间内内空气质量的要求，本文设计了一个廉价的房间内的二氧化碳监控终端，实时检测空气中二氧化碳的含量，并根据数据反馈利用本系统改善空气质量。

2室内空气质量控制系统方案设计

室内空气质量控制系统设计可以用以下两种方法来实现。

以面我对两种方案进行一个简单的介绍，并针对本次设计所提出来的两种方案进行一个简单的对比与选择。

2．1方案比较

本次设计我初步拟定了两套方案，其具体介绍如下。

2．1．1方案一

以C8051F330单片机为核心的实现方案，系统框图如图2.1所示。

图2.1方案一系统框图

工作过程：

当打开上位机运行系统后，电路开始工作，并启动检测控制终端开始工作，监测控制终端实时的测量空气中的二氧化碳含量。

并将数据反馈给上位PC机显示，并同时反馈给系统，系统控制引风机工作，改善空气质量。

当空气质量满足要求时，数据再次反馈，控制引风机是否停止工作。

RS232/485电路用于实现PC机与监测/控制终端之间的通信，将PC机输出的RS232信号电平转换成RS485信号电平；监测/控制终端用于检测各个病房内的二氧化碳浓度，将二氧化碳浓度显示在数码管上，并根据设定的浓度控制排风风扇或电动窗使病房内的二氧化碳浓度保持在许可的范围内。

在没有上位PC机情况下，终端可以独立控制病房二氧化碳的浓度。

本文主要设计该监控系统中的监控终端。

2．1．2方案二

以PLC为核心的实现方案，系统框图如图2.2所示。

图2.2方案二系统框图

工作过程：

当系统工作时，传感器将外界的空气中的二氧化碳含量转换为电信号，并将信号传输给喜好处理模块。

在信号处理模块中，将传感器接收到的信号处理成PLC的输入信号。

PLC在单位时间内对信号进行计数，再将信号数与设定的基本值比较，并从PLC输出端给数码管进行浓度的显示。

若测量值大于给定值时，LED报警灯闪烁发出报警信号，并控制引风机工作。

2．2方案比较与选择

由图2.1和图2.2可知，两图在系统框图的设计上除了所使用的核心元件不一样以外，显示的模块也不一样，并且控制端有所不同。

其一，经信号处理模块处理后的信号大小有所不同，这就决定两者放大器的所使用不相同；其二，在设计软件上不同，且以PLC为核心元件的程序编写上会比较复杂；其三，从经济性上讲采用单片机更节约成本。

值得我们注意的是，PLC成本比单片机的成本要高出很多，且PLC的输出端口数越多PLC的价格就越贵；其四，从实时性上讲单片机的更具优越性，因为PLC在使用中有很大的机械延时，对于一个浓度监测系统来讲快速、实时性是我们一定要注重的因素。

基于以上因素的考虑，本次设计我们选择方案一。

3单元模块介绍

本节主要介绍设计中系统各单元模块的具体功能、核心器件、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系。

3．1上位PC机

上位PC机主要用于数据的现实便于工作的时候查看，并记录数据。

3．2单片机电路

在本单片机采用SiliconLaboratories公司的增强型51内核SoC单片机C8051F330，该单片机具有25MHz的时钟频率，8通道ADC、电流输出DAC、串行通信口等资源。

单片机电路由C8051F330单片机与C2下载接口组成，该单片机只有20引脚，因此价格低廉，通过C2接口可以实现在系统编程与调试。

为节省引脚，使用芯片内部的24.5MHz振荡器作为时钟源，单片机采用+3.3V电源。

单片机电路如图3.2所示。

图3.2单片机电路模块电路图

3．3数码管显示模块

该电路由串转并移位寄存器74HC595、4位数码管和4个LED灯组成。

一块HC595输出段码，另一块输出4位位选与LED驱动。

该模块主的任务就是利用数码管完成二氧化碳浓度的显示。

其电路图如图3.2所示。

图3.3数码管显示电路图

　4位数码管显示CO2浓度（ppm值）、设置浓度值以及一些控制参数。

4位LED灯显示工作状态：

正常工作状态、设置参数状态、控制输出状态、超限状态。

74HC595的三根信号线与单片机的P1.5~P1.7引脚连接，采用模拟SPI接口信号互相通信。

3．4风扇控制电路模块

风扇控制电路该电路采用双向晶闸管作为交流开关驱动交流电机，并采用光隔离晶闸管驱动器MOC3063实现交流220V单片机引脚之间电气隔离。

与继电器相比，该电路没有触点，使用寿命更长。

图3.4风扇控制电路电路图

3.5RS485通信接口电路

RS485通信电路用于监控终端与上位PC机之间实现半双工通信，向上位PC机发送CO2浓度数据，与上位PC机组成监控系统。

该接口电路如图3.5所示。

图3.5RS485通信接口电路图

3．6按键与二氧化碳传感器电路

按键与二氧化碳电路如图3.6所示。

图3.6电源模块电路图

由于单片机内部具有上拉电阻，因此按键电路中省略了上拉电阻，输出低电平有效。

二氧化碳传感器6004与单片机的P1.0引脚连接，P1.0用选择器设置为ADC输入正端。

ADC输入负端连接GND。

3．7电源模块

开关电源将AC220V转换成12V，通过JDY12接口输入电源电路，经过三端稳压器7805输出+5V直流，再经过低压差三端稳压器AS2810输出3.3V，图中0欧姆电阻用于隔离模拟信号与数字信号，避免模拟信号受到干扰。

本模块主要用于输出5V的直流电源保证单片机的正常运行。

其电路如图3.7所示。

图3.7电源模块电路图

4总结

系统的控制具有运行可靠、功能齐全、投资低等特点。

同时，利用单片自身的数据处理功能使整个控制系统的结构线路更为简单、控制更为方便、系统更易于维护。

在系统中，我们利用光电传感器对信号进行检测，并将经过信号处理模块单元处理后的信号送入单片机P1^0端进行单位时间内的计数。

再由单片机根据所检测的信号数量与二氧化碳比值关系进行数据处理和数据显示。

同时，系统采用了LED灯闪烁报警功能，能实时的对系统在出现故障的情况下进行反应。

从而实现工作是否正常运行做出了一定的监测。

为系统能够安全、正常运行提供了基础。

本次设计当然还存在一些或多或少的问题，特别是与传感器的实际工作情况还有一定的差距还有很多现实性的干扰没能考虑进去。

由于时间有限，所设计的东西只能在理想状态下正常工作，这是我下来之后所要对自己设计的东西进行改进的地方。

5致谢

在本次课程设计过程中，郭老师对该设计的构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导，使我和我的同伴最终得以顺利完成本次课程设计。

在此我致上诚挚的谢意。

在设计过程中所涉猎的各种软件（如visio、protel、protuse、keil）也使我的知识构架更为丰富。

同时，通过这次做课程设计我也及时发现自己知识点上的漏洞，真正起到了查漏补缺的效果。

这次课程设计能够顺利完成，我也非常感谢在我身边默默帮助与支持的朋友。

因为从他们身上我不仅学得了很多实用的专业知识，同时也学到了团队合作精神的重要性获得了更为坚实的友谊，学会了从不同的角度去思考和看待问题。

在学习中,郭老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。

在此，感谢郭老师的支持和帮助，致以衷心的感谢和崇高的敬意。

6参考文献

[1]徐科军主编.传感器与检测技术.北京：

电子工业出版社，2008

[2]谭浩强主编.C程序设计（第三版）.北京：

清华大学出版社，2005

[3]谢自美主编.电子线路设计·实验·测试.武汉：

华中科技大学出版社，2006.8

[4]张毅刚主编.单片机原理及应用.北京：

高等教育出版社.2009

[5]康华光主编.电子技术基础模拟部分.北京：

高等教育出版社，2006

[6]袁鹏平主编.Protel99电路设计实用教程.北京：

化学工业出版社.2006.10

[7]杨天怡主编.微机计算机控制技术.重庆：

重庆大学出版社

[8]刘靖编.单片机控制技术.北京：

北京理工大学出版社.2008.06

附录1：

系统电路图

附录2：

系统程序

#include"C8051F330.h"

定义数码管译码数组；

定义数码管位选数组；

定义LED灯数组；

定义保存在FLASH中数据的数组；

定时时间标记变量；

定义其他全局数组与变量；

函数原型声明；

voidmain（void）

{

定时器0初始化

引脚初始化；

//按钮、LED灯、ADC、DAC

等引脚初始化

ADC初始化；

IDAC初始化；

FLASH初始化；

其他初始化语句；

从FLASH读数组语句；//将保存的数据读到数组，

每次单片机上电后，就使用该数组中的数据

while

（1）

{

按键处理语句；

{

功能选择，控制周期、设定值、回差值、报警值

等输入；

将数组写入FLASH语句；

//将按键输入的数据

保存到数组

}

//数码管与LED灯显示语句：

if（display_time==1）

{

数码管扫描显示语句；

//采用1片74HC595扫描数码管段

发送LED灯字节；//采用一片7CHC595驱动

数码管位与LED灯

发送位选字节；

发送段码字节；

发送锁存信号；//将数据锁存在74HC595

display_time==0；

}

//ADC转换与数字滤波语句：

if（sample_time==1）

{

ADC转换浓度值、数字滤波语句；

sample_time==0;

}

//ADC输出控制值判断、控制输出信号，控制固

态继电器（晶闸管）：

if（control_time==1）

{

浓度值判断语句；

控制固态继电器语句；

控制电动窗户开度语句；

control_time=0;

}

//IDAC转换语句：

if（DAC_time==1）

{

IDAC数据输出语句；

DAC_time=0;

}

}

//定时器0中断服务程序，用于产生显示、ADC转换、IDAC与控制周期等标记

voidtimer0（）interrupt1

{

staticunsignedcharn,m,k,h;

n++;m++，k++；h++;

if（n==display_time0）//display_time0为显示周期

{n=0;display_time=1;

}

if（m==sample_time0）//sample_time0为ADC转换周期

{m=0;sample_time=1;

}

if（k==control_time0）//control_time0为控制周期

{k=0;control_time=1;

}

if（h==DAC_time0）//DAC_time0为DAC输出

{h=0;DAC_time=1;

}

}