室內(nèi)有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陳兆剛

(淮安市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，江蘇淮安　223001)

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室內(nèi)有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陳兆剛

(淮安市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，江蘇淮安223001)

摘要:針對(duì)室內(nèi)主要的污染氣體，設(shè)計(jì)了室內(nèi)有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前的主要有害氣體檢測(cè)傳感器進(jìn)行了集成，并設(shè)計(jì)了集成電路。系統(tǒng)采用CC2420射頻接發(fā)器組建無線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)選用AT90CAN128型號(hào)的AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊控制和信號(hào)采集，并利用LabVIEW設(shè)計(jì)了上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)虛擬儀器的顯示。最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定，其結(jié)果符合技術(shù)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞:有害氣體;監(jiān)測(cè);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，室內(nèi)環(huán)境污染日益嚴(yán)重，使得人們?cè)絹碓街匾暿覂?nèi)的空氣質(zhì)量［1］。目前室內(nèi)空氣污染主要由室內(nèi)裝修所用涂料、油漆和人造板材及家具釋放的總揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)、苯系物、甲醛等污染物所致［2］?？諝馕廴緡?yán)重?fù)p害人的身體健康，給人造成急性或是慢性及潛在的危害，因此對(duì)室內(nèi)有害氣體的檢測(cè)顯得尤為重要。目前主要的有害氣體檢測(cè)設(shè)備分為便攜式和固定式有害氣體檢測(cè)儀，分別在移動(dòng)性和連續(xù)性檢測(cè)方面有一定的優(yōu)勢(shì)［3］。目前人們對(duì)聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的檢測(cè)和處理的需求日益增加，而市面上所提供的系統(tǒng)及方案不是存在一定的局限性，就是成本太高，因此實(shí)現(xiàn)多種有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成化、智能化、小型化就具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［4］。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究設(shè)計(jì)的室內(nèi)有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要由檢測(cè)部分與控制部分組成。其中檢測(cè)部分處于監(jiān)測(cè)環(huán)境中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的整體評(píng)估，并能在一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)多種有害氣體的濃度變化?？刂撇糠?，主要負(fù)責(zé)信號(hào)的傳輸與數(shù)據(jù)的顯示。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)保證其精度高于傳感器，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。各種有害氣體的測(cè)量精度，由所選的傳感器的分辨率決定。傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過處理后，通過RF無線射頻發(fā)射器以無線方式發(fā)射出來，再經(jīng)RF無線接收端接收并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上位機(jī)程序中進(jìn)行計(jì)算、顯示。

圖1　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

2　傳感器電路設(shè)計(jì)

從20世紀(jì)30年代開始，為便捷地檢測(cè)廠礦與家庭的煤氣、天然氣等有害氣體，對(duì)氣體傳感器的研究逐漸在國(guó)外興起［5］。當(dāng)前市面上存在多種氣體傳感器，用于對(duì)氣體進(jìn)行定性、定量檢測(cè)，常用傳感器型號(hào)及參數(shù)見表1。

電路作為檢測(cè)系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，影響著整個(gè)系統(tǒng)的精度與可靠性。傳感器等效電路如圖2所示。

表1　所選傳感器型號(hào)及參數(shù)

傳感器的工作電路，其功能一是保證傳感器正常工作時(shí)的電位與極性;二是將輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào);三是進(jìn)行信號(hào)處理，如濾波。

甲醛電化學(xué)傳感器的工作電路如圖3所示。

圖3　甲醛電化學(xué)傳感器的工作電路圖

工作電路由電容、電阻、場(chǎng)效應(yīng)管與運(yùn)算放大器LM741等組成。當(dāng)系統(tǒng)工作電源打開后，場(chǎng)效應(yīng)管Q1斷開，運(yùn)算放大器U1A的端口1對(duì)C管腳提供電流，U1B的端口7對(duì)S管腳提供電流。

其他傳感器電路與圖3基本一致，只是傳感器要求的負(fù)載電阻不同。由于傳感器輸出的信號(hào)為μA級(jí)別的電流信號(hào)，需要選擇具有高抗、低漂、失調(diào)電壓小等性能的運(yùn)算放大器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。根據(jù)企業(yè)實(shí)際需求，運(yùn)算放大器選用LM741。為保證信號(hào)極性的可靠性，運(yùn)算放大器選用雙電源供電，同時(shí)還應(yīng)考慮低功耗與放大倍數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)的傳感器電路的集成化，可以靈活適應(yīng)監(jiān)測(cè)氣體的種類變化的需求。

3　通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本測(cè)量系統(tǒng)采用Chipcon As公司的CC2420 2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器，其應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4　CC2420應(yīng)用電路

通常，一個(gè)無線通訊節(jié)點(diǎn)需要包括3大模塊:處理模塊、通訊模塊、電源模塊［6］，如圖5所示。

圖5　通訊節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

其中，RS－232接口滿足RF接收模塊中的處理器AT90CAN128與PC之間的串口通訊需求。系統(tǒng)通訊程序如圖6所示。

4　上位機(jī)程序設(shè)計(jì)及標(biāo)定

對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)顯示，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示的多樣化。虛擬儀器的使用，可以降低整個(gè)系統(tǒng)的硬件成本，突破顯示儀表的固定化瓶頸，有利于監(jiān)控系統(tǒng)后期的升級(jí)，同時(shí)降低整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。本系統(tǒng)上位機(jī)程序采用LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)和曲線的實(shí)時(shí)顯示，如圖7所示。

上位機(jī)程序采用多線程設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)時(shí)，通過串口界面配置串口號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸波特率、數(shù)據(jù)位等，示例的系統(tǒng)界面如圖8所示。界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)在右側(cè)的窗口可切換顯示不同種類有毒氣體的氣體濃度變化曲線，直觀展示室內(nèi)有毒氣體濃度的變化情況。

圖6　通訊程序流程圖

圖7　原理框架圖

圖8　系統(tǒng)界面圖

測(cè)量系統(tǒng)在使用前需要進(jìn)行標(biāo)定，本系統(tǒng)集成的多個(gè)傳感器的標(biāo)定方法大致相同。通用的標(biāo)定方法:選取市面上已通過審核的高精度氣體檢測(cè)儀，與本系統(tǒng)同時(shí)置于檢測(cè)環(huán)境之中，對(duì)響應(yīng)時(shí)間、示值誤差、穩(wěn)定性、重復(fù)性、報(bào)警誤差進(jìn)行檢驗(yàn)與校準(zhǔn)。相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2　技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)對(duì)于甲醛測(cè)量的靈敏度為0.05mg/L，將系統(tǒng)置于測(cè)量環(huán)境中，時(shí)間為5min，讀取測(cè)量數(shù)值，并與標(biāo)準(zhǔn)甲醛測(cè)量傳感器進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3。

表3　重復(fù)測(cè)量誤差

對(duì)本系統(tǒng)其他測(cè)量項(xiàng)的標(biāo)定，采用類似的方法，結(jié)果均符合表2的技術(shù)指標(biāo)的要求，因此本系統(tǒng)符合測(cè)量需求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)幾種有毒氣體的監(jiān)測(cè)。

5　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集成了多種有毒氣體傳感器，體積小，成本低，可檢測(cè)多種有毒氣體，并能將監(jiān)測(cè)的結(jié)果實(shí)時(shí)地在虛擬終端上直觀顯示出來，為解決室內(nèi)有毒氣體的監(jiān)測(cè)提供了可行方案。但本系統(tǒng)尚有不足之處，首先采用了LabVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)系統(tǒng)，依賴一定的操作平臺(tái)，其次本系統(tǒng)未對(duì)室內(nèi)有毒氣體濃度空間分布概況進(jìn)行分析。

參考文獻(xiàn):

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The design of indoor harmful gas monitoring system

CHEN Zaogang
(Huaian Products Quality Supervision and Inspection，Jiangsu Huaian，223001，China)

Abstract:Aiming at indoor harmful gas detection，it develops the monitoring system.This system integrates current major hazardous gas detection sensors，designs special circuit system，uses CC2420 RF transceiver to build a wireless network device，applies AT90CAN128 models AVR MCU control communications as signal acquisition，develops PC system based on LabView，realizes the virtual instrument display data mode.At last it verifies the system effectiveness.

Key words:harmful gases; monitor; system design

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.021

作者簡(jiǎn)介:陳兆剛(1977—)，男，江蘇淮安人，淮安市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所工程師，主要從事檢驗(yàn)方法的研究。

收稿日期:2015－04－13

中圖分類號(hào):TP63; TP3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):2095－509X(2015) 06－0082－04