第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
一直以来，能源一直是人类社会发展进步的基石，随着 18 世纪工业革命的出现，每年对石油、煤等化石能源需求量不断增加[1]。但随之带来了严重的空气污染问题，空气成分发生巨大变化，污染物含量增加，并随之产生温室效应、臭氧空洞和雾霾等大气污染问题。空气污染问题的频发，给人民的生活和工作都带来了极大的影响。
空气污染问题在 18 世纪工业革命时就已经出现了，随着第二次世界大战的爆发，生产力水平快速提高，大气污染事件时有发生，全球各地都发生过不同程度的空气污染事件。在 1930 年的比利时马斯河谷工作区，曾经发生过最早的大气污染事件。由于空气中 SO2含量远远超过正常含量，在短短七天导致了 60 多人死亡[2]。还有美国洛杉矶地区在 1943 年发生的化学烟雾事件，由于氮氧化物的超标排放，最终导致四百多人因为呼气衰竭死亡[2]。在我国长三角地区，严重的雾霾天气频发。严重的雾霾天气不仅使得人们的呼吸道疾病频发，而且还会导致大气的能见度降低，增加人们的出行风险，给我们日常出行和生活都带来不便。
我国将空气污染物分成四类，包括物理污染、化学污染、生物污染以及放射性污染。其中物理污染主要指 PM2.5 和 PM10 等。化学污染主要包括一氧化碳（CO）、甲醛（CH2O）等具有挥发特性的化合物和无机气体。生物污染是由各种真菌和细菌引起的污染。放射性污染一般指由放射性物质引起的污染。这些空气污染物会对人体的呼吸系统、内分泌系统造成巨大影响[3]。
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1.2 国内外研究现状及发展趋势
工业革命以后，西方发达国家的工业水平快速发展，对煤炭等能源的需要不断增加，带来的工业排放也不断增加，空气污染问题日益严重，以美国和欧盟为首的西方国家率先认识到空气污染问题带来的严重危害。最初采取人工检测的方式，通过采集空气污染物样本，将样本和对应的化学试剂进行反应，通过判断样本试剂的颜色和深度来确定污染物的种类和浓度[9]。但这种监测方式的检测精度不高，耗费时间，还可能会对监测人员的人身安全产生影响。因此，欧美国家逐渐放弃这种方式，通过开发自动化空气监测系统，监测空气污染物[10]。
从 1970 开始，美国逐步开始搭建自己的大气监测管理系统（APMS），经过多年的不断完善，现在已经形成了涵盖地方乡镇、市、洲的三级监测机制。到2013 年底，美国全境共有 4000 多个监测站点，通过选取具有代表意义的检测站点组成子网系统，配合大气监测网络，扩大空气质量监测范围，提供监测精度[11]。目前美国主要采取空气污染物进行分类监测方式，通过不同站点完成不同空气污染物的检测，这种监测方式可以更加合理的检测空气污染物的分布情况，更符合实际的检测需求，但这种方式的组网成本过高，需要大量的设备和维护资金[12]。
欧洲国家的空气质量监测系统主要分成两个部分，一部分是由各个国家依据自己的实际情况，建立的区域空气质量检测系统。另一部分是由各个成员国共同建立的跨国空气质量检测系统。这两套系统对欧盟地区的空气质量监测有着重要作用，可以更好地检测和管理空气污染。目前欧洲建立了监测网络（EMAP），可以形成乡镇、城市和跨国的监测网络[13]。和美国一样，欧洲针对不同污染物建立了单独的监测站点，这些检测站点可以保证监测数据在采集、传输和处理的各个环节的稳定。到 2010 年，欧洲共建有各种空气污染物的监测站点数如图 1-1所示。针对不同的空气污染物，欧盟采取不同的检测方式。例如采用非色散红外光谱的方式检测一氧化碳（CO），采用紫外荧光法进行二氧化硫的检测，针对颗粒物 PM2.5 和 PM10，主要通过以β射线和震荡天平法为基础的自动监测方式。
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第二章 空气质量检测设备传感器构成
2.1 气体传感器概述
2.1.1 气体传感器的分类
气体传感器是能够把气体浓度和成分等信息转换为电信号来进行测量的。其在大气监测、化工、环保等行业被广泛地应用着。在大气监测领域，常被用来进行甲醛检测、火灾报警以及气体尾气的检测。在化工行业，常用于烟气的检测，用于确定烟气成分和浓度，判别是否达到污染物排放标准。在环保行业，随着人们生活质量的提高，有毒有害气体的检测的需求逐渐增大。传统的气体分析仪器大多造价昂贵，同时操作较为复杂。气体传感器成本较低、使用简单、体积小，适用于各个场所安装使用。气体传感器根据工作原理不同，主要可以划分为电化学型、半导体型、接触燃烧型和光学型四大类。
1、电化学传感器
电化学传感器进行检测时，气体会在电极上发生的氧化还原反应，产生电流信号，而且气体浓度和电流信号的大小正相关，通过测量电流的大小，可以计算出对应的气体浓度的大小。电化学传感器多用于检测含有氧元素的气体，CO、NO2、NO、O2、SO2等。电化学传感器成本较低，线性输出，灵敏度高，功耗小。但是其寿命较短，一般两年左右，同时检测某种气体时会受其他气体的干扰[19]。
2、半导体气体传感器
半导体气体传感器检测气体时，气体的浓度高低和半导体材料的电导率有关，其可以利用半导体材料电导率与气体浓度的关系来检测气体浓度。具有使用简单、成本较低、灵敏度高和使用寿命长等特点，主要用于检测 CH4等气体。但其对温度要求高，功率也高，长时间放置会发生氧化还原，传感器无法正常工作[20]。
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2.2 气体传感器构成
依据上面三个选型原则，结合本文实际的检测要求和应用情况，最终选用了两个气体传感器和一个颗粒物检测传感器，气体传感器分别检测户外空气中所含的二氧化硫(SO2)以及一氧化碳(CO)这两种气体的浓度数值，颗粒物传感器用于检测空气中的 PM2.5 和 PM10 含量。
2.2.1 电化学传感器
电化学传感器最初是被用来检测氧气的含量，后来随着技术不断进步，电化学传感器性能得到很大的提升，开始被广泛用于一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)等多种有毒气体的检测应用中。电化学传感器中应用最广泛的就是恒电位电解式电化学传感器，而恒电位电解式传感器中使用最多的就是三极电化学传感器[28]。本文使用的一氧化碳传感器、二氧化硫传感器都是三电极恒电位电解式电化学传感器。
三电极电化学传感器一共有三个电极，他的内部结构如图 2-4 所示：三个电极分别是感应电极 W(工作电极)、参考电极 R 和对电极 C。当被测气体通过气孔进入两个极板之间，在感应电极 W 和对电极 C 之间会发生氧化或还原反应，对电极 C 得到电子，工作电极 W 失电子，从而在工作电极和对电极之间形成一个电势差，从而产生电流信号[29]。然后通过设计外部电路检测出电流信号大小，并且电流信号大小和气体的浓度呈一定的对应关系。当产生电流以后，对电极 C的电位发生变化，为了保证氧化或还原反应正常进行，需要保持对电极 C 的电位不变，因此需要另外加入参考电极 R，通过维持参考电极 R 的不变，维持对电极电位恒定，传感器能够不断的进行反应。
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第三章 空气质量检测设备硬件设计 ............................ 16
3.1 检测设备总体设计方案 ................................ 16
3.2 检测设备的硬件设计方案 ............................ 17
第四章 空气质量检测设备软件设计 ............................. 32
4.1 检测设备软件设计总流程 ........................................... 32
4.2 子模块程序设计 ........................................ 33
第五章 空气质量检测设备测试与分析 .................................... 43
5.1 设备硬件和软件测试 ................................. 43
5.2 传感器的出场标定 ....................................... 45
第五章 空气质量检测设备测试与分析
5.1 设备硬件和软件测试
硬件系统的正常工作是设备功能实现的基础，在进行硬件模块组装前需要进行硬件测试。芯片引脚的短接、虚焊和引脚的对应位置错放，元器件的极性正负，都可能会引起硬件模块的供电的异常，造成器件的损坏甚至是火灾的发生[35]。因此对硬件系统进行测试至关重要，结合以往的硬件测试经验，需对硬件模块的以下几个方面进行测试：
1、电源测试：采用直流稳压电源为各个硬件模块进行供电，使用数字万用表测量电路板的电压是否满足设计需求。
2、时钟信号：用示波器观察各个硬件模块所需的时钟信号，检测各时钟信号是否满足模块所需的时钟精度。
3、引脚信号：用数字万用表和示波器检测各硬件模块的引脚信号的时序是否正常。
4、接口功能测试：对各硬件模块之间的接口进行测试，验证其是否可以正常工作。
硬件测试过程中，记录相关的硬件错误信息，然后对现有的硬件电路方案进行修改并重新进行硬件测试，直到硬件设计完全满足需求。完成硬件模块测试后，进行各硬件模块之间的组装，按照设备的设计方案，最终组装的基于多传感的空气质量检测设备如图 5-1 所示。
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第六章 总结和展望
6.1 总结
本论文设计的基于多传感器的空气质量检测设备以MK64FNM0VLQ12为嵌入式核心，实现对户外空气中的 SO2、CO、温湿度和颗粒物进行综合检测。当这些参数超出设定值，启动语音警报，提醒人们提前避险。本文完成的工作如下：
1、依据传感器分类、颗粒物的常用检测方法和空气质量检测设备的设计要求等多方面考虑，选取符合的气体传感器，并对其原理和性能进行分析。
2、分析设备的总体设计方案，分别从硬件、软件和气室方案三个方面进行设计，保证功能实现。硬件方面，对最小系统电路、电源管理电路、无线传输电路、数据存储电路、LCD 显示电路和语音报警等相关电路进行设计，为软件的实现提供基础。
3、完成检测设备软件设计，实现气体检测、温湿度检测、无线传输电路、LCD 显示、SD 卡存储和语音报警等功能。
4、完成检测设备的气室方案设计，包括气室单元设计、气路元器件的选择和气路连接方式设计，为气体检测提供基础。
5、利用完成的空气质量检测设备对需要检测的气体浓度和温湿度进行检测，使用国有站点的数据作为参考值，分析设备的检测性能，验证设备的功能。
参考文献（略）