1. 研究目的与意义
随着社会的不断发挥与进步，人们的生活水平得到了很大的提高，在这样的形势下人们对于居住环境的要求越来越高，家居环境中也时常伴随着有害物体的存在，人们普遍重视的是有害气体造成的污染，和对于人体的伤害。其常见的类型是甲醛。甲醛是一种破坏性比较强的有毒物质，其会直接损害人体的细胞蛋白质，人体的呼吸道不仅会受到影响，长期待在甲醛较重的空间内还会对人体皮肤带来伤害，其会麻痹人的神经，进而导致肺水肿或肾衰竭等现象的出现。温度和湿度也会给人体带来健康影响，相关研究表示，人体比较适合的健康温度是十八摄氏度至二十四摄氏度，湿度是百分之四十五至百分之六十五，在这样的环境下，人体会觉得十分舒适。当空气湿度在百分之四十五以下的时候，人体的鼻子和肺部呼吸道上面的纤毛运动会降低，使得灰尘极其容易黏在黏膜上，从而引发流感病毒等疾病。当空气的湿度在百分之六十五以上的时候，人体当中的松果激素量就会急速增加，导致甲状腺素和肾上腺素的浓度减少，最终使得人没有精神。对一定空间的环境进行监测，实现环境温度测量、湿度测量、烟雾测量、甲醛等有害气体测量等功能，当数值超过一定阈值，触发报警功能，并采取相应措施。完成环境监测系统的软硬件设计和调试工作。
2. 课题关键问题和重难点
本文基于单片机实现温湿度、二氧化碳浓度、甲醛浓度以及烟雾的实时监测。当二氧化碳浓度、甲醛浓度以及烟雾超过设定范围,系统会发出警报提醒外界并进行干预控制。本系统包括温湿度检测模块、气体（二氧化碳、甲醛）浓度检测模块、应急措施（警报器、风扇）模块。
本课题的关键：
1. 各个传感器型号的选择：温湿度（AHT10）、气体（GY--SGP30)、烟雾（MQ--2）；
3. 国内外研究现状（文献综述）
本次课题为基于51单片机的环境监测系统的设计与实现，是为测量温度、湿度、二氧化碳浓度、甲醛浓度、烟雾，并在二氧化碳、甲醛或者烟雾超标之后进行应急措施，例如激发警报器和开启风扇等等。
1.温度
测量温度需要用到温度传感器，并且是用于开发51单片机的，其大概分为四类：NTC热敏电阻、铂RTD、热电偶、半导体。
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| NTC热敏电阻 | 铂RTD | 热电偶 | 半导体 |
| 温度范围（常规） | -100～ 325℃ | -200～ 650℃ | 200～ 1750℃ | -70～ 150℃ |
| 精准度（常规） | 0.05～1.5℃ | 0.1～1.0℃ | 0.5～5.0℃ | 0.5～5.0℃ |
| 线性度 | 指数函数 | 相当线性 | 多数呈非线性 | 线性 |
| 所需电源 | 恒定电压或电流 | 恒定电压或电流 | 自供电 | 4～30VDC |
| 响应时间 | 较快，0.12～10秒 | 一般较慢，1～50秒 | 较快，0.10～10秒 | 较慢，5～50秒 |
| 对电噪声的敏感度 | 相当不敏感，仅对高电阻敏感 | 相当不敏感 | 敏感/冷端补偿 | 很大程度上取决于布局 |
| 成本 | 低到高 | 绕线式------高 薄膜---------低 | 低 | 中 |
而本次课题所选用的温湿度传感器AHT--10之中的温度传感器就是半导体温度传感器，它的优势总共有三点：易于使用；坚固耐用；安装方便。但是其劣势就是精度和响应时间比之其他三类略有不足。
2.湿度
湿度传感器基于不同的原理有多种类别：电容式、电阻式、重力测量式、微波式等；而基于敏感材料的不同又可分为：半导体氧化物、高分子材料、多孔的有机或无机材料等。湿敏元件是最简单的湿度传感器，其主要分为电阻式和电容式两大类。
湿敏电阻：湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。
湿敏电容 ：湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。而本次课题中所用的湿度传感器就是湿敏电容，它的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。
③二氧化碳/甲醛
本次课题所选用的气体传感器GY--SGP30是一款数字多气体传感器，可轻松集成到空气净化器、指令控制通风和物联网应用中。该传感器的CMOSens技术在单个芯片上提供完整的传感器系统，并带有11C接口、温度控制的微型加热板和两个预处理的室内空气质量信号。作为第一个在一个芯片上具有多个传感元件的金属氧化物气体传感器，SGP30提供了有关空气质量的更详细信息。
其相对于其他气体传感器的优势在于：
（1）将二氧化碳的甲醛合而为一，减少所占空间；
（2）长期的稳定性很好；
（3）功耗很低，仅为40mA；
（4）可以同时输出二氧化碳和甲醛浓度。
④烟雾
烟雾半导体传感器分为两种：MQ--2和MP--2，其共同特点为：在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度；对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高；长寿命、低成本；简单的驱动电路即可。其不同点在于MQ--2体积和功耗较大，但是价格较低；而MP--2体积和功耗较小且一致性好，但价格较高。
本次课题选用的是价格较低的MQ--2。
⑤应急措施
本次课题之中的应急措施为警报器和风扇。
警报器选用的是电磁式有源蜂鸣器，优点在于只要通电就会响，配合上继电器就可以看作为简便警报器；
风扇选用的是直流电机小风扇，同上面的蜂鸣器一般，配合上继电器即可。
【参考文献】
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[6] 史洁; 赵裕明; 李晓东; 张宏龙.基于51单片机的烟雾报警器的设计.黑龙江科技信息2013（15）11.
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杜豫平.基于51单片机的温湿度检测器设计.电子世界2011（15）12
4. 研究方案
1.系统功能结构
本系统根据所用电子元件基本分为三个模块：温湿度检测模块、气体检测模块和应急措施模块，而且气体检测模块又分为二氧化碳/甲醛检测和烟雾检测，应急措施模块分为警报器和风扇。
图1 环境监测系统结构
5. 工作计划
2022-2023-1学期：
第15-16周：完成选题，查阅相关中英文资料，进行相关技术的学习。
第17周：与导师沟通进行课题总体规划。
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