洁净空气是人类赖以生存的必要条件之一。轮机人员工作的环境空间狭小、空气流动性差、有害化学物质易挥发，加之柴油燃烧废气在舱内有部分残留，导致机舱空气质量并不理想。

由于机舱环境的特殊性，实时掌握机舱空气质量信息对提供主动、积极、有效的防护决策，保障轮机人员身体健康至关重要。

在此背景下，本文设计、制作了机舱多模式空气质量监测评价仪。本仪器以多种传感器的组合作为探测器，以单片机为控制核心，实现空气监测、评价、显示及报警功能；可以根据需求自由选择模式，有效显示不同工作舱室下污染物浓度及空气质量状况。通过本装置，能够有效地评价机舱空气质量，为监测各种工作舱室中空气品质、科学防护提供有力依据和有效决策。

本文研究的空气质量监测评价仪是以 STC 公司的一款 8 位超低功耗单片机 STC89C52RC 为控制核心的自动化装置，系统总体结构如图 1 所示。

图 1 评价仪结构图 Fig. 1 Monitoring and evaluation instrument chart

整个装置由6个模块组成。

1） 传感器群模块：传感器是数据测量的基础，使用 DS18b20 测量环境中的温度单线传给单片机，RH202 测湿度、MG811 测 CO₂、MQ-7 测 CO、MQ-138 测甲醛、MQ-136 测 H₂S，它们形成的电信号调理后依次经过 ADC0809 的数模转换，再传送给单片机。

2） 最小系统模块：主体为 STC89C52RC 单片机，对传感器群采集的数据进行处理分析，并向报警模块发出报警指令，配有复位键，能增强仪器装置的稳健性。

3） 电源模块：将交流电源进行降压整流，为单片机系统及特殊传感器提供所需的稳定电压。原理图上保留了电源接口电路，保证了装置的可靠性。

4） 报警模块：接收单片机的触发指令，按照设定的参数报警，实现预警及提示作用。

5） 显示模块：采用 LCD1602 液晶显示测量的数据、评价结论以及控制命令，实现人机界面的友好交互。

6） 按键模块：包括确认键、上、下翻页键（阀值设定加、减键复用），在不同环境下对恰当模式的选择及其阀值的设定。

从实用及成本的角度出发，本仪器选用 CO（MQ-7 型）、H₂S（MQ-136 型）、甲醛（MQ-138 型）半导体气体传感器和 CO₂（MG811 型）固体电解质气体传感器；选用数字温度传感器以简化硬件设计、方便单片机读取数据、节约成本；选用美国达拉斯（Dallas）公司的 DSl8b20 单线数字温度传感器芯片。

湿度传感器主要考虑测量范围，由于并不需要选用全湿程（0～100% RH）测量，因此在控制成本的考虑下，选用了 HR202 型湿敏电阻器。

若要提高测量准确度，还可对其灵敏度进行实验校准。以 MQ-7 气体传感器为例。它的阻值随气体环境的变化而变化。厂商推荐在 CO 浓度为 200 ppm 的空气中，使用 10 kΩ（5～47 kΩ）的 R_L，对传感器进行校准。在实际测量时，合适的报警值应是在探测设备考虑到温湿度的影响下确定的。灵敏度校准过程如下：

1） 连接传感器到应用电路；

2） 打开电源，保持预热时间超过 48 h；

3） 调节负荷电阻 R_L，直至得到在 90 s 时，确定的 CO 含量所对应一个信号值；

4） 调节另一个负荷电阻 R_L，直至得到在 60 s 时，确定的 CO 含量所对应一个信号值。

其他传感器的校准方法与 MQ-7 类似。

原理样机设计总体要求是：在功能区域合理布局的基础上，能抑制噪声，具有抗干扰性并保证电路工作的可靠性。原理样机设计中依照要求做了以下工作：

1） 直流稳压电源输出端跨接大的电解电容，在每个集成芯片电源输入端放置0.01 μF（104）的瓷片电容；

2） 晶振紧挨单片机芯片，其他电路模块中的器件紧凑地布置在一起；

3） 以单片机最小系统为电路板中心，外围电路模块以适当距离布置在其周围；

4） 在设计逻辑电路时，地线构成了闭环形式；

5） 本电路板设计的主要地线宽度为 2 mm，元件引脚上的地线为 1.5 mm；

6） 保持足够的距离，如滤波的输入与输出、电源线与弱信号线等；

7） 除了地线，能用细线的不用粗线。

PCB 印制电路板设计如图 2 所示。原理样机的具体布置设计如图 3 所示。

图 2 PCB 电路板 Fig. 2 PCB circuit board

图 3 实物原理样机图 Fig. 3 The Physical picture of prototype

多模式空气质量监测评价仪功能需求框图如图 4 所示。

图 4 功能需求框图 Fig. 4 A block diagram of the functional requirements

系统软件主要由核心控制器模块、温度传感器采集模块、AD 转换模块、液晶模块、按键模块、声光报警模块等构成，各模块功能概述如表 1 所示。

表 1(Tab. 1)

表 1 各功能模块功能描述 Tab. 1 The functional description of functional modules 功能模块 功能描述 核心控制器模块 1. 系统时基分配； 2. 中断事件响应； 3. 人机接口控制； 4. 各模块协调工作 温度传感器采集模块 对室内温湿度测点进行实时监测 AD 转换模块 1. 完成多路信号循环采样； 2. 完成与核心处理器间的数据传输 液晶模块 动态显示信息 按键模块 1. 模式选择； 2. 各个评价指标阀值调整

表 1 各功能模块功能描述 Tab.1 The functional description of functional modules

根据软件设计的基本要求，本文采取了如下措施：

1） 分文件管理和程序模块化；

2） 软件设计采用 C 语言，C51 支持浮点运算，可以保证数据计算的精度；

3） 使用定时器中断事件，提高了系统的实时处理事件能力；

4） 软、硬件配合抗干扰，提高系统的可靠性。

软件要实现的主要功能包括：模式选择；实现对传感器信号的数据采集；进行数据的计算分析、进行空气质量综合评价；送液晶进行显示。程序开始时，先关闭中断，对系统进行初始化，包括单片机的各寄存器、RAM、定时器装载初值、中断设置及各模块初始化等。完成初始化后，液晶显示模式选择界面，可以根据不同环境的测量需求进行模式的切换。选择模式后，传感器预热一段时间，CPU 等待传感器传入信号及 AD 转换结束后，完成当前监测参数的正确显示并判断是否超限发出声光报警，最后运行指标数算法得到平均等级，显示在液晶屏上。

主程序运行流程如图 5 所示。

图 5 主程序流程图 Fig. 5 The main program flow chart

本仪器针对机舱空气质量评价特点，对环境机舱环境中几项重要的组分进行监测，取得反映环境空气质量的监测数据后，对各单项空气分组做出判断，综合几项重要组分进行空气质量评价。单项空气组分的判断和总体空气质量评价构成了空气质量评价的主要内容。

本仪器采用了姚志麒提出的最高值与平均值兼顾的空气质量指数法对环境空气质量进行评价。该方法首先确定 m 个污染物。令 i（i = 1，2，…，m）代表各项污染物指标的实测浓度，除以该污染物的评价标准值 ，得到质量分指数 P_i，其定义式为：

选出其中最大值 P_max，再求出 m 个污染物质量分指数的平均值，两者的几何平均数即为空气质量指数 A。其数学表达式为：

A 的数值越大，反映综合污染越严重。评价结果如表 2 所示。

表 2(Tab. 2)

表 2 空气质量等级判断标准 Tab. 2 The criteria of air quality grade 质量分指数 空气质量等级 评价 ≤ 0.5 A 清洁 0.5～ B 未污染 1.0～ C 轻污染 1.5～ D 中污染 2.0～ E 重污染

表 2 空气质量等级判断标准 Tab.2 The criteria of air quality grade

该评价方法中，质量分数指定义为污染物浓度与标准值之比，其倒数可看作其权重系数，形象地表示了某个污染物浓度与其标准值。

由于船舶机舱空气质量缺乏相应的国家标准，本仪器在前期进行机舱环境调研的基础上，结合《公共场所卫生监测技术规范 GB17220-1998》等相关国家标准和实际情况，给出了主、辅机舱评价指标，如表 3 所示。

表 3(Tab. 3)

表 3 主、辅机舱模式空气质量监测指标限度表 Tab. 3 The limits table of main and auxiliary cabin air quality monitoring mode index 项目，单位 标准值 温度/℃ 18～50 相对湿度/% 40～65 二氧化碳/% ≤ 0.35 一氧化碳/mg·m-3 ≤ 15 硫化氢/ppm ≤ 10 甲醛/mg·m-3 ≤ 0.2

表 3 主、辅机舱模式空气质量监测指标限度表 Tab.3 The limits table of main and auxiliary cabin air quality monitoring mode index

若要对指标进行修正，或者设定工作舱室、无人舱室、库房等其他舱室的空气质量情况，可根据具体空气指标限度，在自定义模式下对标准值和限度进行修改。

本文针对船舶机舱空气质量监测需求，提出完整监测评价仪的设计方案。仪器可实现对不同机舱环境模式下空气质量的自动量化检测、实时评价和报警等功能。装置软硬件设计合理，单片机软件采用模块化的程序设计方法，各模块相互独立；硬件电路设计充分考虑到元件选用、电磁兼容及抗干扰技术，提高了系统的可靠性。其中单片机部分既可独立运行，也可以通过 Uart 模块接口与 PC 机进行通讯，同时自定义模式能够“同装通用”，这为不同的用户提供了功能拓展空间。