1 引言
人們健康意識和環保意識的逐漸增強使環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的測量儀器過于昂貴而不能方便地得知身邊環境中的各種參數值，因而無法知曉環境參數是否會對身體或環境構成危害。這里介紹一種多功能環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，為使濕度傳感器HS1101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 紅外發射接收模塊
紅外發射接收采用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。發射器由一塊凌陽61板和一塊紅外發射電路組成。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發射程序，發射序列二進制1000 0000；KEY2鍵按下，則發射序列1000 0001；KEY3鍵按下則發射序列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，若有則繼續接收，否則主程序繼續向下執行。系統上電后若接收到KEY1鍵發射序列．則開始測量顯示；若接收到KEY2鍵發射序列，則播報當前溫度光線濕度值和有害氣體濃度值。 KEY3鍵可使系統進入睡眠狀態以降低功耗。
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。系統主程序流程如圖6所示，該程序是控制和管理的核心，系統上電后進行初始化，完成后系統開始正常運轉，進行環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行顯示和語音播報等功能。
該系統溫度提醒上限為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，系統不會報警。20級以上系統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。根據不同地區不同環境參數的要求，系統簡單易行的參數設定功能可滿足各種不同的環境需求，如蔬菜大棚，工廠車間等。此系統編譯環境為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。此設計的創新點在于集室內環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。