一種便攜式室內空氣質量快速檢測儀設計*

郭威彤， 宋海聲， 楊鴻武， 裴 東

(西北師范大學 物理與電子工程學院，甘肅 蘭州 730070)

一種便攜式室內空氣質量快速檢測儀設計*

郭威彤， 宋海聲， 楊鴻武， 裴 東

(西北師范大學 物理與電子工程學院，甘肅 蘭州 730070)

設計一種涉及室內甲醛(HCHO)、氨(NH3)和苯(C6H6)三種有害氣體濃度的便攜式快速檢測儀。該儀器采用新型電化學傳感器與基于FPGA的新型高精度信號處理電路得到對應氣體的初始濃度值，并結合室內環(huán)境氣壓和溫濕度實時監(jiān)測情況，修正初始濃度值，對濃度超標氣體進行聲光報警。該儀器具有檢測速度快、精度高和攜帶方便等優(yōu)點，為大眾家庭實時快速檢測室內空氣質量提供一種簡單可靠的方法與手段。

室內空氣質量； 電化學傳感器； 信號處理； 檢測儀

0 引 言

隨著經濟發(fā)展和社會進步，人們越來越崇尚優(yōu)越的居室環(huán)境，各種類型的建材和家電設備進駐室內，使得室內污染物復雜多樣。室內空氣污染給社會、家庭和個人造成巨大的損失，全球每年因室內空氣污染而導致死亡的人數(shù)達約280萬，因此，室內空氣污染已被列為全球四個最關鍵的環(huán)境問題之一[1]。室內污染物主要包括甲醛(HCHO)、氨(NH3)、苯(C6H6)系物、總揮發(fā)性有機物、放射性氡等[2]。甲醛和苯都是致癌物，可造成哮喘、心腦血管病、糖尿病、白血病、胎兒畸形、兒童智力大大降低等。氨是一種堿性物質，它對所接觸的皮膚組織都有腐蝕和刺激作用，長期接觸氨可能會出現(xiàn)皮膚色素沉積或手指潰瘍，嚴重者可發(fā)生肺水腫、成人呼吸窘迫綜合癥。

鑒于室內污染物對人體的極大危害，研究快速、準確可靠、簡便易行的檢測室內污染物的方法與設備就越發(fā)顯得重要和緊迫。目前研制的室內有害氣體檢測儀中，通?？蓪崿F(xiàn)對室內單一或兩種有害氣體的檢測，且價格昂貴，且需要專業(yè)人員進行操作[3]。在諸多檢測方法中，傳感器法操作方便、體積小，尤其是電化學傳感器檢測靈敏度高、攜帶方便、適于現(xiàn)場測試，其價格也隨著材料技術與微電子技術的不斷發(fā)展而降低，適用于在普通家庭中推廣。

針對室內空氣中對人體傷害最嚴重的三種污染物甲醛、氨和苯，本文設計了一種基于電化學式傳感器和FPGA功能模塊構成的便攜式室內空氣質量快速檢測儀。開發(fā)這種操作簡單、靈敏度高、準確可靠、成本低、攜帶方便、能在現(xiàn)場實時、持續(xù)檢測的室內污染氣體濃度檢測儀意義重大并顯得非常迫切。

1 系統(tǒng)設計

該便攜式室內空氣質量快速檢測儀的系統(tǒng)結構如圖1所示，主要包括這三種氣體傳感器模塊、電流/電壓轉換器、低通濾波、A/D轉換器、FPGA處理器、液晶顯示及聲光報警、功能按鍵、氣壓及溫濕度檢測、USB打印輸出接口等電路和電源模塊組成。

圖1 系統(tǒng)結構圖

甲醛、氨和苯三種電化學傳感器輸出的微弱電流經高精度電流/電壓轉換電路變?yōu)殡妷盒盘枺俳浀屯V波后連接至A/D轉換器；FPGA控制A/D轉換器工作得到這三種氣體濃度的初始值；FPGA控制氣壓和溫濕度檢測電路工作并得到當前環(huán)境的氣壓和溫濕度值，F(xiàn)PGA根據修正算法對這三種氣體濃度的初始值進行修正并在液晶屏中顯示；修正后的值與國家頒布的《室內空氣質量標準》中的標準值進行比較并聲光報警指示氣體濃度是否超標[4]；設置的選擇鍵和確認鍵用于任意選擇被測對象，設置的打印鍵用于通過USB打印輸出接口打印檢測到的室內空氣質量相關信息；電源模塊負責整個系統(tǒng)供電。

2 電路設計

2.1 傳感器與信號處理電路

傳感器與信號處理電路如圖2所示，主要包括傳感器模塊、電流/電壓轉換及低通濾波電路。甲醛傳感器選用Membrapor公司的CH2O/S-10-S;氨傳感器選用Winsensor公司的ME4-NH3;苯傳感器選用Winsensor公司的ME4-C6H6，這三種傳感器都是電流輸出型器件并都是三個引腳端，分別是對電極CE端、參比電極RE端和工作電極SE端。電路中的R1,R2,R3,C1,C2與運放IC1構成了恒電位儀電路，當傳感器工作時，恒電位儀電路發(fā)揮自動調節(jié)作用，從傳感器的SE端輸出與濃度呈正比的電流信號，斷電后場效應管Q1的源極和漏極短接，使傳感器的工作電極和參比電極短接，其主要作用是在斷電時確保傳感器的RE端和SE端電勢相等，防止傳感器啟動時間過長。

圖2 傳感器與信號處理電路

傳感器輸出的微弱電流信號通過R5進入運放IC2的正相輸入端，R5,R9和R14與運放IC2構成第一級電路，R10,R11,R12和R13組成失調電壓調節(jié)電路連接到運放IC2的反相輸入端，R15,R16和R17與運放IC3構成第二級電路，這兩級電路通過由R6,R7和R8組成的T型反饋電阻網絡將輸入信號與輸出信號連接。通過調節(jié)R11可以改變電流/電壓轉換電路的失調電壓，使輸入為零時電流/電壓轉換電路的輸出為零；由于甲醛傳感器模塊、氨氣傳感器模塊和苯傳感器模塊輸出的電流范圍不同，可以通過改變R6,R7和R8的大小實現(xiàn)電流/電壓轉換電路的輸出電壓范圍一致。電流/電壓轉換后的電壓信號進入二階反相放大有源低通濾波器，由運放IC4，電阻器R18,R19,R20，電位器R21組成，通過調節(jié)R21可以改變放大倍數(shù)。

2.2 FPGA功能模塊設計

FPGA功能模塊主要包括基于FPGA控制的采集電路、液晶顯示電路、聲光報警電路、按鍵電路、氣壓及溫濕度檢測電路、USB接口驅動電路，其電路設計如圖3所示。

圖3 FPGA功能模塊電路

FPGA選用EP2C5T144C8[5]，A/D轉換器選用AD7865-2[6]，液晶顯示選用基于LCD240128器件的液晶模塊[7]，聲光報警包括三個LED指示燈和一路揚聲器，按鍵電路含有三個按鍵，氣壓檢測選用器件BMP085[8]，溫濕度檢測選用數(shù)字溫濕度傳感器AM2302[9]，USB接口驅動電路選用器件SL811HST[10]。

三種氣體傳感器對應的電壓信號進入高速A/D轉換器，AD7865-2由FPGA控制工作將模擬電壓信號轉換為數(shù)字信號，并將數(shù)據輸出到FPGA中進行后續(xù)處理。FPGA控制液晶模塊顯示甲醛、氨及苯的濃度、環(huán)境氣壓及溫濕度值。FPGA控制聲光報警電路指示所檢測的氣體濃度是否超標，當所測氣體濃度超標，指示燈對應顯示為紅色，同時揚聲器發(fā)出間隔報警聲；否則，指示燈顯示為綠色。FPGA接受選擇鍵、確認鍵和打印鍵的狀態(tài)信息，選擇鍵用于選擇被測對象，確認鍵用于確認所選擇的被測對象，打印鍵用于控制打印被測氣體的濃度值、國家標準值和當前環(huán)境的溫濕度值。FPGA控制氣壓和溫濕度檢測電路進行室內環(huán)境氣壓和溫濕度的測量，用于修正初始濃度值，提高測量精度。FPGA控制USB接口驅動電路輸出并打印相關測量信息。

2.3 電源模塊設計

整個系統(tǒng)采用交流220 V供電，交流電壓經變壓、整流、濾波和LM1086-5器件穩(wěn)壓后得到+5 V電源。通過器件LM1086-2.5將+5 V轉換為+2.5 V電源；通過器件LM1086-3.3將+5 V轉換為+3.3 V電源；通過器件MAX660將+5 V轉換為-5 V電源；通過器件LM337將-5 V轉換為-2.5 V電源?！?，±2.5，+3.3 V五種直流電源能夠滿足整個系統(tǒng)的電源要求。

2.4 軟件設計

這種便攜式室內空氣質量快速檢測儀的工作主流程圖如圖4所示。根據我國《室內空氣質量標準》要求，室內甲醛濃度的標準值為0.10 mg/m3，室內氨濃度的標準值為0.20 mg/m3，室內苯濃度的標準值為0.11 mg/m3。儀器工作的環(huán)境濕度必須處于15 %～95 %RH范圍內，并且無凝結。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

3 實驗測試

對樣機分別在正常環(huán)境、福爾馬林環(huán)境、氨水環(huán)境和苯環(huán)境中對進行測試，測試結果如表1所示。通過測試結果可以及時了解并掌握各種環(huán)境中的甲醛、氨、苯的濃度，以便采取有效的應對措施。

表1 測試結果

4 結 論

結合環(huán)境氣壓和溫濕度對氣體濃度測量的影響，本文設計一種便攜式室內空氣質量快速檢測儀，可實現(xiàn)對室內污染物甲醛、氨、苯濃度的準確檢測，并具有聲光報警與打印輸出等功能。經測試與應用表明：該檢測儀性能優(yōu)良，并且具有攜帶方便、體積小、穩(wěn)定性高、成本低廉、操作簡單等優(yōu)點，為現(xiàn)場實時、持續(xù)監(jiān)測室內環(huán)境質量提供了一種優(yōu)良的實現(xiàn)方法。

[1] 李 萍.基于ARM的室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的設計[D].成都：西南交通大學,2010.

[2] 劉文凱.室內環(huán)境空氣質量監(jiān)測技術規(guī)范研究[D].北京:清華大學,2004.

[3] 呂 品.室內空氣質量控制中關鍵檢測技術的研究[D].大連:大連理工大學,2008.

[4] GB/T 18883—2002.室內空氣質量評價標準[S].

[5] 班 超.FPGA高精度時間測量[D].北京:北京郵電大學,2013.

[6] 鐘小勇，張小紅.便攜式鋼絲繩在線檢測儀研究[J].儀表技術與傳感器，2012(3):24-29.

[7] 武藝泳.熱牽伸輥新型智能溫控系統(tǒng)研究與設計[D].鄭州:鄭州大學,2013.

[8] 梁勝展，郭雪梅，余曉填.基于BMP085氣壓傳感器及BP算法的高度測量研究與實現(xiàn)[J].傳感技術學報,2013,26(5):654-659.

[9] 王曉飛，張伏江，梁福平.基于多CPU和PCI的高速海量溫濕度測量系統(tǒng)設計[J].儀表技術與傳感器，2013(11):56-58.

[10] 李華鋒.USB主控制器及其在智能儀器打印接口上的實現(xiàn)[D].武漢:華中科技大學,2007.

郭威彤( 1982-) ，女，滿族，甘肅武威人，碩士，主要研究方向為信號處理。

Design of a portable rapid detection instrument

for indoor air quality*GUO Wei-tong, SONG Hai-sheng, YANG Hong-wu, PEI Dong

(College of Physics and Electronic Engineering,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,China)

A portable rapid detection instrument for four harmful gases which involve indoor formaldehyde,ammonia and benzene is designed.The instrument is designed with a novel electrochemical sensor to get value of initial concentration of corresponding gas and new type high-precision signal processing circuit based on FPGA.Combine indoor ambient pressure,temperature and humidity conditions,correct value of initial concentration, and the audible and visual alarm begin to work when concentration exceed the standard.The instrument has advantages of fast detection speed,high precision and easy to carry,and provide a simple and reliable method for public to real time and quickly detect indoor air quality.

indoor air quality; electrochemical sensor; signal processing; detection instrument

2014—08—21

甘肅省自然科學基金資助項目(1208RJZA191); 甘肅省青年基金資助項目(1208RJYA078)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0092—03

TP 277

B

1000—9787(2015)04—0092—03