低功耗室內(nèi)甲醛監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

米萍珍，謝躍東，楊 琛

（1.太原理工大學(xué) 國(guó)家工程訓(xùn)練中心，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)研究所，山西 太原 030024）

甲醛是一種具有刺激氣味的無(wú)色氣體，也是一種潛在的致癌物質(zhì)，對(duì)人體健康有較大的危害，許多疾病的誘發(fā)都與甲醛有關(guān)，如哮喘病等。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T16127-1995《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：居室空氣中甲醛的最高允許濃度為0.08 mg/m3，而公共場(chǎng)所甲醛的最高允許濃度[1]0.10 mg/m3。

甲醛的檢測(cè)方法有很多，常用的有分光光度法、色譜法、定電位電解法3大類(lèi)。分光光度法是基于甲醛與某化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)生成顯色物質(zhì)，再利用分光光度計(jì)比色測(cè)定甲醛濃度，根據(jù)選用化學(xué)試劑不同來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。這類(lèi)方法缺點(diǎn)是檢測(cè)精度不高，反應(yīng)時(shí)間普遍較長(zhǎng)，操作不方便。色譜法是一種直接的高效液相色譜法（HPLC法），是以含有DNPH的酸性水溶液為吸收劑，甲醛與 DNPH反應(yīng)生成腙，產(chǎn)物經(jīng)二氯甲烷提取、濃縮、干燥、甲醇溶解，ODS-C18柱分離后，常用紫外檢測(cè)器于254nm處檢測(cè)，一般保留時(shí)間t=13.07±0.05 min，檢測(cè)限為8×10-3mg/L。色譜法不僅用于室內(nèi)空氣檢測(cè)，是發(fā)展很好的檢測(cè)方法。但由于依賴(lài)的檢測(cè)儀器色譜儀價(jià)格非常昂貴，并且操作繁瑣，沒(méi)有被大范圍采用。

單片機(jī)具有通用性強(qiáng)、體積小、價(jià)格低、穩(wěn)定可靠等突出優(yōu)點(diǎn)，在智能產(chǎn)品、測(cè)控系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[2]。文中利用飛思卡爾面向低成本手持領(lǐng)域內(nèi)開(kāi)發(fā)的RS08系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的甲醛測(cè)試儀可現(xiàn)場(chǎng)直接顯示甲醛濃度值。并且通過(guò)上位機(jī)軟件自動(dòng)校正，當(dāng)其濃度值超過(guò)規(guī)定的室內(nèi)居住標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)開(kāi)始蜂鳴器報(bào)警提醒人們暫時(shí)不要入住。

1 硬件介紹

甲醛測(cè)試儀主要由以下幾部分構(gòu)成：即MCU外圍電路、電源管理、傳感器信號(hào)處理電路構(gòu)成。

在硬件設(shè)計(jì)方面，MCU對(duì)信號(hào)處理完畢后會(huì)進(jìn)入空閑模式，并且關(guān)閉LCT1049的電源，此時(shí)整個(gè)部分工作的只有LCD和電源模塊，此時(shí)電路功耗最低，整個(gè)系統(tǒng)功耗在100 μA以下。其中MCU部分自帶液晶驅(qū)動(dòng)模塊，可以對(duì)段式液晶直接驅(qū)動(dòng)，這樣會(huì)進(jìn)一步的降低系統(tǒng)成本，充分利用單片機(jī)資源[3]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 甲醛測(cè)試儀結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of formaldehyde tester

1.1 甲醛傳感器原理

甲醛傳感器采用Dart sensor公司生產(chǎn)的電化學(xué)式甲醛氣體傳感器是真正能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)的傳感器，而不需要任何的氣體采樣或者采用氣泵抽取。這種傳感器是從已經(jīng)成功應(yīng)用的呼吸式酒精傳感器基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的。適合于絕大多數(shù)的環(huán)境（－20～+50℃）監(jiān)測(cè)使用[4]。利用這款傳感器有5大設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

1）低成本 設(shè)計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)單以及很少的部件使得其成本得以降低，從而形成更有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格。

2）長(zhǎng)壽命 它使用的是在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有 30多年使用經(jīng)驗(yàn)的呼吸酒精傳感器的元件。而呼吸酒精傳感器的精度，穩(wěn)定性和長(zhǎng)久性都是已經(jīng)得到了驗(yàn)證的。

3）響應(yīng)快速 一條短小且低阻抗的擴(kuò)散路徑使其響應(yīng)時(shí)間很少。

4）電源要求低 燃料電池原理意味著它并不需要電源激勵(lì)，僅僅在信號(hào)的處理和顯示時(shí)需要電能，所以?xún)H僅一個(gè)簡(jiǎn)單的小電池單元即可。

5）穩(wěn)定性 非常好的穩(wěn)定性，允許在使用過(guò)程中非常長(zhǎng)的校準(zhǔn)周期。

1.2 電流放大電路設(shè)計(jì)

甲醛傳感器的微電流檢測(cè)方法在很大程度上受著噪聲的影響，對(duì)前級(jí)的噪聲、溫漂、零漂必須做到很好的抑制。運(yùn)放必須選取低漂移、高阻抗電流放大器。這里采用是 linear公司推出的高性能、低功耗零漂移運(yùn)算放大器 LTC1049；由于其輸入失調(diào)電壓小、高共模抑制比、低功耗的特點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用在低功耗手持設(shè)備上面[5]。

其主要技術(shù)參數(shù)如下：

最小供給電流：200 μA；

最大失調(diào)電壓：10 μV；

溫漂：0.1 μV/℃；

電源范圍：4.75～16 V；

最大失調(diào)電流：100 pA；

共模抑制比：130 dB。

甲醛傳感器輸出的微弱電流信號(hào)通過(guò) LTC1049進(jìn)行電流放大，LTC1049其內(nèi)部是采用了斬波穩(wěn)零放大電路，可以起到很好的抑制噪聲的同時(shí)，提高了輸入阻抗，在電流型放大電路中普遍被采用。其中P溝道MOS管是在閑置的情況下用來(lái)為甲醛傳感器卸荷，C4采用4.7 μF鉭電容可以很好起到的抑制噪聲和防止運(yùn)放自激的作用，LM285是1.235 V基準(zhǔn)用來(lái)提供共模信號(hào)，并且可以抑制電源的紋波波干擾。最后輸出信號(hào)放大為穩(wěn)定的電壓信號(hào)被單片機(jī)的 AD采集。LTC1049接口電路如圖2所示。

1.3 電源管理部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用單片紐扣電池供電，MCU處理模塊和電流放大電路采用各自供電方式。當(dāng)處于待機(jī)模式下，MCU關(guān)閉傳感器電源，然后MCU自行進(jìn)入低功耗模式。電源電路如圖3所示。

1.4 低功耗8位單片機(jī)MC9RS08LE4

圖2 信號(hào)放大電路Fig.2 Signal amplification circuit

圖3 電源管理電路Fig.3 Power management circuit

MC9RS08LE4屬于飛思卡爾專(zhuān)門(mén)為超低成本的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 RS08系列。該單片機(jī)主要包括一個(gè)高效的RS08的CPU內(nèi)核、片上RAM、非易失性?xún)?nèi)存，兩個(gè)16位的TPM模塊、串行通信接口、一個(gè)8通10位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、8引腳鍵盤(pán)中斷模塊、以及液晶段式驅(qū)動(dòng)模塊等。并且RS08待機(jī)時(shí)在低功耗模式下工作耗電流為 280 μA@1 MHz；MC9RS08LE4 工作在 2.5～5.0 V 電壓下，有正常工作模式、等待模式、停止模式3種運(yùn)行方式。當(dāng)單片機(jī)工作在停止模式時(shí)系統(tǒng)的待機(jī)功耗為μA級(jí)[6]。

MC9RS08LE4內(nèi)部集成了段式液晶驅(qū)動(dòng)模塊，通過(guò)軟件可以靈活的配置液晶引腳為8×14或者4×18模式的段式驅(qū)動(dòng)模塊。測(cè)量結(jié)果通過(guò)外接的LCD顯示，這里選用價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單的段式液晶顯示，LCD控制邏輯可以通過(guò)軟件以?xún)?nèi)存位的操作形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。報(bào)警器件采用蜂鳴器，當(dāng)測(cè)量值超過(guò)報(bào)警值時(shí)，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警。

1.5 數(shù)據(jù)處理

由于考慮到室內(nèi)甲醛濃度一般會(huì)比較小，所以監(jiān)測(cè)儀的量程設(shè)定為2 ppm。其最大輸入電流為400 nA經(jīng)過(guò)放大后輸出電壓范圍1.25～3 V。并且傳感器極易受到外界電磁波干擾的影響，所以在調(diào)試是要盡量放在離干擾源比較遠(yuǎn)的地方。

系統(tǒng)上電后甲醛濃度的測(cè)量值經(jīng)過(guò)一個(gè)緩慢的變化才能平穩(wěn)，傳感器的上電反應(yīng)時(shí)間一般為1～3分鐘。之后傳感器可以平穩(wěn)的測(cè)量空氣中的甲醛濃度[7]。本系統(tǒng)中甲醛傳感器的分辨率為 0.02 ppm，由于甲醛傳感器受外界環(huán)境的影響比較大，文中先采用二次校正之后，再用分段線(xiàn)性插值的方法在其他點(diǎn)提高精度。

二次校正的方法是指在傳感器的校正過(guò)程中分別測(cè)量?jī)纱螛?biāo)氣，然后根據(jù)兩次實(shí)際測(cè)量中進(jìn)行線(xiàn)性化。由于甲醛是一種有有害氣體，空氣中一定濃度的甲醛含量都會(huì)對(duì)人疼提造成傷害，所以采用這種方法是簡(jiǎn)單可行的。文中采用上述方法對(duì)傳感器的一致性會(huì)很有幫助的。第一次采用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)氣0.8ppm的濃度對(duì)傳感器進(jìn)行校正，讓傳感器在整體的范圍內(nèi)呈線(xiàn)性。不同的溫度變化下對(duì)甲醛傳感器的濃度影響是比較大的。甲醛傳感器濃度變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 甲醛傳感器濃度變化曲線(xiàn)Fig.4 Curve of formaldehyde concentration sensor

2 軟件設(shè)計(jì)

全部軟件程序由主程序、校正程序、數(shù)據(jù)采集子程序、報(bào)警程序組成。主程序是控制和管理的核心。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化和中斷處理操作。初始化主要完成對(duì)報(bào)警值的設(shè)定和初次檢查，同時(shí)斷開(kāi)各電器的電源。初始化完成后，系統(tǒng)開(kāi)始正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行甲醛濃度檢測(cè)和報(bào)警等操作，主程序的流程圖如圖5所示。

為了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行校正，系統(tǒng)上電后第一次由串口向上位機(jī)發(fā)送校正信息，上位機(jī)去頂后開(kāi)始校正。由于傳感器信號(hào)會(huì)受到噪聲干擾從而影響測(cè)量精度，文中采用中值濾波法，即對(duì)參數(shù)連續(xù)采樣N次，然后把N次采樣值從大到小或從小到大，按遞增或遞減順序排序，再取其中間值作為本次采樣值。中值濾波對(duì)于去掉偶然因素引起的波動(dòng)或采樣不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差比較有效，在N次采樣中只要有一次是正確的，即可提高精度。

3 結(jié) 論

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of program

本文對(duì)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)低功耗手持室內(nèi)甲醛濃度測(cè)量進(jìn)行了比較全面的描述和分析，該測(cè)量系統(tǒng)操作方便、性?xún)r(jià)比高、運(yùn)行可靠、測(cè)量精度高，還可以根據(jù)具體的需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?。該系統(tǒng)作為室內(nèi)空氣甲醛氣體采集方案工作穩(wěn)定，能以較高的精度動(dòng)態(tài)地檢測(cè)甲醛傳感器的信號(hào)，并且由于采用了電池供電的低功耗設(shè)計(jì)，使得對(duì)室內(nèi)甲醛的測(cè)量更加便捷。

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