二、单元模块设计
（一）有害气体浓度信息的多点采集及处理
系统主要用于检测室内主要有害气体的浓度，分别是CO/烟雾传感器、CO2传感器、VOC传感器和甲醛传感器。图10-9是传感器的基本测试电路。该传感器需要施加两个电压：加热电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的采样RL值，CO2、甲醛、VOC和CO/烟雾传感器采样电阻RL分别为10kΩ、56kΩ、2kΩ和4.7kΩ。
图10-9 传感器的基本测试电路
传感器使用前需进行标定，限于篇幅，本节仅对CO2传感器的标定方法和过程进行简单介绍，其他几种传感器的标定详见相关文献。
CO2传感器加热电压VH为5V，测试电压为9V，电阻RL为10K。探测范围：0～10000ppm[1]；工作环境：环境温度为-20～+50℃，湿度≤95%RH。
1.CO2浓度标定
表10-1为所使用的CO2传感器说明文档上所提供的标定数据。
表10-1 CO2浓度标定数据
CO2标定曲线如图10-10所示。
图10-10 CO2标定曲线
根据CO2的浓度y（ppm）与传感器的电压x（V）关系进行标定，由数据、标定曲线和实际情况优化可得CO2的标定函数：
（1）当x=0～0.25V时，y=0。
（2）当x=0.25～1.02V时，y=-1731.3×（x-1.01）2+1000。
（3）当x=1.02～5V时，y=-2494.7x 3+13496x 2-13589x+3544.4。
2.CO2标定函数液晶显示修正
液晶显示的CO2浓度值与CO2标定函数的理论值存在着误差，需要通过试验测试数据来修正。利用CO2传感器的输出量为电压量，在传感器采集电路中加不同的测试电压，并记录不同电压时液晶CO2显示的浓度值。根据实验测试数据画出修正曲线，从而得到修正函数，结合CO2标定函数可以达到一定的修正效果。
表10-2为当传感器电压处于0.25～1.02V之间时修正测试数据，图10-11为相应的修正曲线。
表10-2 0.25～1.02V修正测试数据
图10-11 0.25～1.02V修正曲线
由于0.25～1.02V修正曲线的R 2=0.9996，所以两变量间是相关的。
表10-3为当传感器电压处于1.02～5V间时修正测试数据，图10-12为相应的修正曲线。
由于1.02～5V修正曲线中R 2=0.9995，所以曲线为线性相关。
最后优化的CO2浓度值液晶显示函数由CO2标定函数和CO2修正函数两部分组成。CO2的浓度为y1（ppm），CO2修正液晶显示浓度为y（ppm），传感器的采集电压为x（V），则：
表10-3 1.02～5V修正测试数据
图10-12 1.02～5V修正曲线
（1）当x=0～0.25V时，y=0。
（2）当x=0.25～1.02V时，y1=-1731.3×（x-1.01）2+1000；y=1.0248×y1-28.075。
（3）当x=1.02～5V时，y1=-2494.7x 3+13496x 2-13589x+3544.4；y=0.9913×y1-90.849。
3.测试数据误差分析
误差分析：从表10-4可知，CO2的相对误差绝对值在0～3之间。造成误差的主要因素有：随着电池的电能消耗，AD转化的参考电压变化；标定函数的误差。
表10-4 CO2实验数据
（二）无线发射和接收通信
系统采用n RF24L01射频模块，n RF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4～2.5GHz ISM频段。融合了增强型Shock Burst技术，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。具有自动应答和自动再发射功能和片内自动生成报头和CRC校验码。配置为接收模式时，可以接收6路相同频率、不同地址的数据，每个数据通道拥有自己的地址并且可以通过寄存器来进行分别配置。n RF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3mA。发射部分安装在各个气体浓度监测点，传感器采集到的信号经过AD转换后将信息输入单片机，由单片机通过SPI接口写入无线模块的发射部分，接收模块通过无线模块的4个通道地址接收发射模块发来的信息，安装在主机模块的单片机对信息进行读取，并进行信息处理。信息发射接收结构框图如图10-13所示。
图10-13 信息发射接收结构框图
（三）对流式补偿系统
对流式补偿系统是为快速实现室内换气和实现自然气流而设计的，它由两个风扇及电机驱动电路组成。在空调换气的基础上，对流式补偿系统使用了两个风扇配合进行排气换气工作，一个用于排出室内污染空气；另一个用于引入室外空气。具体的排气和吸气由风扇的转向确定。该系统有冬夏两种模式，通过温度传感器电路来决定模式的选择，根据不同季节室内外温度的不同与室内外大气压力的不同来进行风扇转向的控制，根据室内主要有害气体浓度的不同，来进行风扇速度的控制，系统的运行使得室内空气的流动顺从大气压力下空气的自然流动方向，形成有组织进风与有组织排风的一个对流式补偿系统，即机械排风与机械进风同时进行。当额外需要室内外气体进行交换时，也可通过按键来控制系统进行工作。通过对流式补偿系统，更有效地进行排气换气，保证室内空气的通风率。
（四）室内和室外的温度采集
室内、室外两个温度传感器DS18B20，该类传感器全数字温度转换及输出，最高12位分辨率，精度可达±0.5℃，检测温度范围为-55～+125℃（-67～+257℉）。传感器所采集到的温度值后，利用温度差来决定对流式补偿系统的模式选择，即决定风扇的转向选择。当室外温度小于室内温度时，采用冬季模式排风。当室外温度大于室内温度时，采用夏季模式排风。
（五）风扇电机的转向控制和速度控制
该部分主要由两个直流电机和电机驱动芯片L298组成。L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标准TTL逻辑电平，驱动继电器、线圈等电感性负载。模式的选择决定了电机的转向，排气时顺时针转，吸气时逆时针转。当室内主要有害气体浓度值超标时，主机部分通过对室内外两个温度传感器所采集的温度差信息进行分析，利用电机驱动芯片通过软件编程实现电机转向的选择；通过对气体污染浓度信息的分析，利用PWM调制法调节风扇的速度，实现气体浓度不同时的转速要求（分4个转度档，转度档由超标气体的个数决定）。该部分电路原理图如图10-14所示。
图10-14 风扇驱动电路原理图