陕西理工学院毕业设计
引言
医院与我们的健康息息相关，医院病房主要是弱势群体聚集的地方，空气质量并不怎么好，这让细菌、病菌滋生繁殖，造成更多人生病，这是一个重要的问题。病房的空气污染源主要有PM2.5，细菌，二氧化氮，二氧化硫和异味等，而大多数人85%～90% 的时间是在室内度过的，这使得他们
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很容易遭受室内空气污染从而引发疾病。空气中的细颗粒物( PM2.5) 是地球大气成分中含量很少的组成部分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。由于环境的污染、气候的异常，PM2.5造成呼吸道疾病频繁发生，影响身体健康。据相关部门调查显示，2012年北京、上海因PM2.5污染分别造成早死人数为2349和2980人，分别占当年死亡总人数的比例为1.9%、1.6%，经济损失分别为
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18.6、23.7亿元。可见，PM2.5对人类的危害极大。医院中的病房，房间数有限，每间房住的不止一个人，尤其是冬季，不开窗户，病房内空气质量当然很糟糕。患者长期活动居住的场所就是病
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房，保持室内通风和清洁，是非常有必要的。特别是对于心、肺、脑等疾病患者，需要严格控制空气中PM2.5的浓度，湿度和温度等，避免传染病扩散，细菌繁殖等。病房适宜的温度冬季为18～22 ℃，夏季19～24 ℃，相对湿度为50%～60%，应根据季节等适当地调节室内温湿度，使病人感到心境愉悦。调节病房内温湿度，减少空气中的灰尘量，利于病体康复。因此，病房内空气质量更显重要，对病房室内进行环境监测，是一项很有意义的工作，对于患者治疗与康复是有很大益处的。
医院空气质量监测的目的是降低医院感染率，提高消毒灭菌数量。保持病房等室内清洁卫生，提高医务人员预防和控制医院感染的认知，使他们意识到控制医院空气质量的重要性，树立医院空气监测与控制的自觉性，总之，医院病房空气质量的定期监测，对预防感染和病人的恢复有很大益处，对提高医院医疗水平、确保医护质量、降低医院感染率等都有着重要意义。
本文设计的目的是制作一个简易的病房环境监测装置，既可以用来检测人们平时的生活环境，也可以帮助医院病房检测PM2.5、温度和湿度等环境值，及时提醒医护人员采取相应措施，使更多的医院病房空气质量得到保证，为病人创造一个优良的治疗和康复环境。
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1课题背景及研究概况
1.1课题的背景
粉尘又称可吸入颗粒物，它能进入人的呼吸道，直径为10um，对人的眼睛、鼻腔和上呼吸道都非常有害。可吸入粉尘能长驱进入肺泡且沉积时间长，可导致心肺病、心血管疾病。粉尘容易携带病菌，传播散入空气中，极易传播疾病。生产中许多及其工作环境对粉尘浓度也有要求，工厂中的很多粉尘携带有毒化学物质，人们长久呼吸或长久散落皮肤上容易导致癌症的产生。美国专家研究发现，在室内空气中存在500多种挥发性有机物，其中致癌物质就有20多种，致病病毒200多种。危害较大的主要有：氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”，也成为全世界各国共同关注的问题。所以粉尘携带这些有毒物质对人体健康和生产会产生巨大的危害性，近年来，医院感染发生率呈上升趋势，美国为5%～10%，国内统计数字为9.7%～16.45%。医院重症监护病房（ICU）患者基础病情严重，机体免疫力下降，侵入性诊疗操作较多，容易导致医院感染的发生，医院感染还和ICU室内空气质量密切相关。国外调查显示，ICU空气中浮
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游菌数为7.0×10～1.8×10cfu/m有发生经空气感染的危险。在治疗周期中动态掌握病房室内空气
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状况，进行及时有效的清洁等，对于病人的康复有重要意义。
现在人们生活空气质量每况愈下，空气质量监测系统是非常有必要的，尤其是家庭、工厂，医院等场所，有很大实用性。 1.2国内外研究现状
在国内大多采用先进的测试技术，有的是β射线原理[5]，其吸收量只与吸收物质的重量有关，而与吸收物质的物化性质无关完全等同于称重法，可直接读粉尘浓度。并且配不同的采样入口装置，可实现对总粉尘、可吸入粉尘、呼吸性粉尘进行监测。使用称重法比较，其相关系数大于97%，相对偏差小于10%。仪器采用的射线源符合核安全标准，可长期稳定工作。
袖珍式激光粉尘仪光源是激光管，原理主要是采用前向光散射。该仪器适用于公共场所可吸入颗粒物浓度的快速测定以及环境保护，医疗卫生等方面粉尘浓度检测、工矿企业生产现场粉尘浓度的监测。
美国EPA（美国环保局）从1987 年开始了对PM10 的网络化观测，从1999年开始了PM2.5 的观测；欧洲EMEP（欧洲空气污染物长程飘移监测和评价）从1998 年开始PM10 的网络化观测，目
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前已有十几个国家参与，部分国家也对PM2.5 进行观测。
2011 年12 月，中国环境监测总站开始进行PM2.5自动监测方法适用性比对测试工作，并制定了《PM2.5自动监测方法适用性比对测试实验方案》。参考美国EPA 对PM2.5 自动监测仪器的认证方法，以我国手工监测标准方法为基准，对不同厂家、不同原理的环境空气自动监测仪进行单机比对测试，以全面了解PM2.5监测中的β射线法、β射线法联用湿度补偿、振荡天平（TEOM）法、震
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荡天平联用膜补偿测量法（TEOMFDMS）和光散射法。
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2系统方案论证与选择
本设计系统主要是为了监测病房空气质量状况等环境值，下面介绍具体方案的选择。 2.1主控制器模块选择 方案一：
采用复杂可编程逻辑器件CPLD 作为主控制器。CPLD可以实现规模较大、各种复杂的逻辑功能。规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，最适合作为大规模控制系统的控制核心。 方案二：
采用STC89C52单片机作为整个系统的核心，用其控制计算PM2.5浓度以实现其既定的性能指标。单片机的优势是控制简单、方便、快捷。它可以发挥其资源丰富、强大的控制功能及可位寻址操作功能等。STC89C52单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也已满足，另外价格也非常低廉。
本设计不需要复杂的逻辑功能，并且单片机是软件方法实现，CPLD是硬件实现。而且从使用及经济的角度考虑我放弃了方案一，选择方案二，所以采用了单片机来作为主控器。 2.2按键的选择 方案—：
采用矩阵式键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接，所以当按键比较多时可以降低占用单片机的I/O口数目，缺点是电路比较复杂，编程难度也较大。 方案二：
采用独立式按键电路，在由单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用的最多的是独立式键盘。每个按键单独占有一根I/O接口线，每个I/O口的工作状态互不影响。缺点主要是当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多，优点为电路设计简单，编程也相对容易实现。
综合考虑两种方案，由于系统资源是有限的，所以采用了第二种方案。 2.3显示模块的选择 方案一：
用数码管进行显示。数码管由于显示速度快，价格便宜，使用简单，显示效果更佳清晰得到广泛应用。只是由于要显示英文及其他复杂字符，用数码管显示内容单一无法满足课题要求，所以我放弃了此方案。 方案二：
用LCD液晶进行显示。LCD由于发光点小而密集，显示内容丰富、清晰，显示信息量大而且驱动电压低，编程也相对较容易。
综合考虑对于此系统选用1602液晶能够很好的满足多种显示要求，因此我选择了方案二。 2.4总体方案设计
本设计采用由STC89C52单片机最小系统、GP2Y1010AUOF粉尘传感器、DHT11数字温湿度传感器、ADC0832模数转换器模块、LCD1602液晶模块、电源模块、蜂鸣器报警模块和按键模块组成。单片机实时通过ADC0832转换芯片采集GP2Y1010AUOF粉尘传感器的粉尘的浓度，通过单片机的数据转换处理后在液晶屏上显示空气中的质量，当测量空间中的粉尘浓度大于设置粉尘浓度时，蜂鸣器发出报警，其中粉尘的浓度报警值可以通过按键进行设置。系统总体框图如图2.1所示。
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粉尘传感器 ADC0832 LCD1602液晶显示 数字温湿度传感器 单片机 STC89C52 按键模块 污染等级LED提示 电源模块 蜂鸣器报警 图2.1总体结构框图
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3系统主要器件
3.1 GP2Y1010AU0F传感器
GP2Y1010AU0F是一个采用光学传感系统的灰尘传感器。该设备由红外线发光二极管（IRED）和一个光电管成对角布置而成。它通过检测空气中的尘埃的反射光。特别是，它能够有效地检测到像
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香烟烟雾等非常细的粒子。此外，他可以通过脉冲模拟输出区分房子内的烟雾和灰尘。传感器内部原理图如图3.1所示。
图3.1 内部原理图
粉尘传感器性能参数如表3.1所示。
表3.1 粉尘传感器性能参数表
主要参数 灵敏度 输出电压 供电电流 体积规格 兼容性 供应电压Vcc 输入终端电压 适应温度
技术条件 0.5V/(0.1mg/m3) 0.9V(TYP) 11mA 46.0×30.0×17.6
兼容 -0.3～+7.0 -0.3～Vcc -10～65
备注 无灰尘 单位mm 无铅RoHS指令
单位V VLED单位V 单位
不接电容电阻接线示意图如图3.2所示。
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