基于單片機的過氧化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計

董成汶， 陸榮鑑

(南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，江蘇 南京210037)

木材在生產(chǎn)加工過程中會產(chǎn)生大量木屑，濕熱的車間環(huán)境易于細菌、病毒在木屑中的滋生及繁衍[1-2]。當前正值新冠疫情防控期間，車間管理人員要切實做好木工車間消毒清潔工作。消毒液的主要成分是過氧化氫。過氧化氫是一種無機化合物，化學(xué)式為H2O2。純過氧化氫通常是淺藍色粘稠液體，它可以與水以任何比例混合，成為一種強氧化劑[3]，具有出色的漂白和殺菌作用。過氧化氫作為漂白劑[4]、脫氧劑、氧化劑、消毒劑和交聯(lián)劑，廣泛用于紡織、軍事、化學(xué)、造紙、電子、環(huán)境、醫(yī)療和保健等行業(yè)[5-6]。隨著對過氧化氫研究的不斷深入，其需求不斷增長，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。醫(yī)用過氧化氫含量約為3%，主要用于創(chuàng)口清洗及消毒[7-8]，但當過氧化氫濃度過高時則會對人體和環(huán)境產(chǎn)生各種傷害。高濃度過氧化氫不僅會損傷細胞大分子、毒害細胞[9]，而且國內(nèi)外相關(guān)研究表明，過氧化氫具有一定的致癌性[10]，與各種疾病的發(fā)生有密切的聯(lián)系。為了更加安全有效地控制過氧化氫在生產(chǎn)車間的使用，建立一種準確、快速的過氧化氫檢測方法勢在必行[11-12]。

目前常用的過氧化氫檢測方法主要有以下六種：常規(guī)滴定法[13]、電化學(xué)分析法[14]、分光光度法[15]、熒光/化學(xué)發(fā)光法[16]、折射率法和微波法。本系統(tǒng)采用電化學(xué)分析法。電化學(xué)傳感器在檢測有毒、有害氣體方面因其性能穩(wěn)定、響應(yīng)快速、溫度適用性較寬等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[17-18]。電化學(xué)分析法不僅比其他檢測技術(shù)經(jīng)濟，而且具有較高的準確性及重復(fù)性[19]。

1 總體設(shè)計方案

過氧化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)由電化學(xué)傳感器模塊[20]、信號處理模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通訊及輸出模塊等構(gòu)成[21]。其中信號處理模塊[22]包含減法電路和同相放大電路。通訊及輸出模塊包含液晶顯示、與溫濕度傳感器進行RS485通訊、報警及按鍵電路、模擬輸出等。當過氧化氫傳感器感知到外界過氧化氫氣體濃度時，過氧化氫傳感器會輸出相應(yīng)的電信號[23]，信號經(jīng)處理后被單片機采集進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)帶入電壓與濃度函數(shù)計算濃度信息[24]?？紤]到實際測量過程中溫濕度對過氧化氫分解速率的影響，加入溫濕度傳感器對電壓與濃度函數(shù)進行溫濕度補償修正。對過氧化氫濃度及環(huán)境溫、濕度信息進行模擬輸出并顯示。如果過氧化氫氣體濃度超過設(shè)定閾值則進行報警警告，方便操作人員實時了解當前測試概況。其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電化學(xué)傳感器模塊

就當前國內(nèi)外市場而言，檢測過氧化氫氣體濃度的儀器大多使用電化學(xué)傳感器。電化學(xué)傳感器主要包含電極、過濾器、透氣膜、電解液等[25]。電化學(xué)傳感器模塊是檢測系統(tǒng)與過氧化氫氣體的接口，直接感受過氧化氫氣體濃度這一非電量，并將濃度轉(zhuǎn)化為與之有某種對應(yīng)關(guān)系的電信號。本系統(tǒng)采用的是瑞士著名品牌MEMBRAPOR過氧化氫傳感器，該傳感器具有精度高、體積小、檢測速度快、能夠現(xiàn)場直接檢測和連續(xù)檢測等獨特優(yōu)勢，廣泛用于安全檢測、環(huán)境監(jiān)測、生產(chǎn)過程控制等領(lǐng)域，該傳感器滿足本檢測系統(tǒng)性能需求[26-27]。

驅(qū)動電路采用的是TLC2055運算放大器，TLC2055放大器是一款單電源供電、零漂移的精密運算放大器，同時還具備低功率、低噪聲、低溫漂、高精度等優(yōu)點。過氧化氫傳感器需要合適的偏置電壓來提高傳感器的靈敏度，傳感器偏置電壓的特性決定驅(qū)動電路必須是恒電位驅(qū)動電路，傳感器檢測電路如圖2所示，光化學(xué)傳感器模塊實物如圖3所示。

圖2 傳感器檢測電路圖

圖3 電化學(xué)傳感器模塊實物

2.2 信號處理模塊

信號處理模塊包含減法電路、同相放大電路等。信號處理模塊檢測電化學(xué)傳感器模塊輸出的微弱模擬電壓信號，經(jīng)過減法電路、放大電路等調(diào)整到合適的電壓范圍，方便直接被數(shù)據(jù)處理模塊采集進行后續(xù)分析處理。統(tǒng)一放大器型號有利于降低研發(fā)難度、減少實際生產(chǎn)難度。如果所采用的單片機不具備A/D轉(zhuǎn)換功能，則需在信號處理模塊加入A/D轉(zhuǎn)換功能。

2.2.1 減法電路

外界過氧化氫氣體濃度升高，減法器輸出電壓增大；氣體濃度降低，減法器輸出電壓減小。減法電路的優(yōu)點在于可以直接返回外界過氧化氫濃度變化引起的電壓差而不是當前電壓。

2.2.2 同相放大電路

由后續(xù)測試可知，傳感器返回的信號電壓在1.25～1.5 V之間變化，經(jīng)過減法電路轉(zhuǎn)化成0～0.25 V。本測試系統(tǒng)需要信號經(jīng)過放大后達到0～5 V的變化區(qū)間，所以此放大電路的放大倍數(shù)是20倍。

2.3 電源管理模塊

電源管理模塊包含兩部分：穩(wěn)壓電路和電池充電電路。穩(wěn)定的供電電路設(shè)計，是過氧化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)正常工作的前提條件。在實際測試過程中，當遇到環(huán)境問題、測試條件較差等情況無法提供外接電源時，可以通過電池給測試系統(tǒng)供電完成過氧化氫濃度測試。電池選用的是可充電式鋰電池，供電電壓3.7 V。

2.4 數(shù)據(jù)處理模塊

本檢測系統(tǒng)利用PIC16F1829芯片豐富的資源搭配其外圍調(diào)理電路來實現(xiàn)過氧化氫檢測系統(tǒng)的多項功能。PIC16F1829芯片在此檢測系統(tǒng)中主要實現(xiàn)以下四個功能：(1)將放大電路輸送的電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號；(2)對數(shù)字信號進行模擬輸出；(3)與溫濕度傳感器通訊來獲取溫濕度數(shù)據(jù)；(4)將數(shù)字信號經(jīng)過函數(shù)運算后轉(zhuǎn)成濃度輸出到OLED顯示屏。

2.5 輸出模塊

通訊及輸出模塊包含液晶顯示、模擬輸出、與溫濕度傳感器進行RS485通訊和報警電路等。液晶顯示屏顯示過氧化氫濃度及環(huán)境溫、濕度信息，方便操作人員直觀地掌握實時數(shù)據(jù)。模擬輸出可以將數(shù)據(jù)線性輸出為0～5 V的模擬電壓，供后續(xù)處理。當空間內(nèi)過氧化氫濃度太高超出程序預(yù)先設(shè)定的閾值，系統(tǒng)蜂鳴器發(fā)出報警，提醒操作者關(guān)注當前過氧化氫濃度，及時采取適當措施以避免危險事件發(fā)生。報警電路中包含按鍵電路，按鍵電路的存在可以使操作人員根據(jù)實際需求手動調(diào)整過氧化氫濃度閾值。

PIC單片機與溫濕度傳感器通訊，獲取當前環(huán)境下的溫、濕度信息，從而對測量數(shù)據(jù)進行溫濕度補償[28]。考慮到過氧化氫在空氣中的揮發(fā)會產(chǎn)生大量水分，造成環(huán)境濕度顯著增加。當過氧化氫濃度過高時，此問題更突出，甚至?xí)斐蓽貪穸葌鞲衅鞯臐穸攘砍踢_到飽和，檢測系統(tǒng)不能正常工作。為解決此問題，本團隊從溫濕度傳感器廠家定制了一個專用于測量過氧化氫揮發(fā)環(huán)境下的溫濕度傳感器，一個特殊防過氧化氫腐蝕的薄層覆蓋在傳感器探頭上，外面鐵質(zhì)外殼相比普通的塑料外殼同樣能提高傳感器工作的穩(wěn)定性。溫濕度傳感器如圖4所示。

圖4 溫濕度傳感器實物圖

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序主要實現(xiàn)以下功能：檢測當前環(huán)境下過氧化氫氣體濃度，顯示檢測的濃度并對數(shù)字信號進行模擬輸出，通過與設(shè)定的濃度閥值進行對比來選擇是否產(chǎn)生報警信號。同時單片機通過信號傳輸芯片將數(shù)據(jù)傳送到外部監(jiān)測系統(tǒng)。

利用模塊化編程思想[29-31]，根據(jù)系統(tǒng)功能作用的不同劃分為不同的子模塊，然后根據(jù)各模塊要實現(xiàn)的目標功能完成各子模塊的代碼編寫。主程序中完成對各子模塊程序的調(diào)用。模塊化編寫使得軟件的移植性較好，可讀性較強，同時也便于后期對系統(tǒng)軟件的維護與更新。系統(tǒng)軟件主要包含以下子模塊：系統(tǒng)初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、標定程序模塊、液晶顯示模塊、RS485通訊模塊和報警模塊等。在編寫軟件時必不可少的還要用到延時子程序、中斷處理子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序等。過氧化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)控制軟件采用MPLAB集成開發(fā)環(huán)境編寫，控制代碼采用C語言編寫，主要編寫流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

根據(jù)過氧化氫傳感器輸出的信號電壓和溫濕度傳感器測量的溫濕度數(shù)據(jù)計算過氧化氫濃度是系統(tǒng)軟件編寫的核心，通過溫濕度補償可以有效地減少氣體濃度測量的誤差。實驗記錄不同過氧化氫氣體濃度與對應(yīng)的電壓、溫度和濕度的關(guān)系，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件中進行擬合，求出在不同溫度和濕度條件下濃度與電壓的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)此函數(shù)關(guān)系，可以在系統(tǒng)控制軟件部分寫出不同電壓信號對應(yīng)的過氧化氫濃度的顯示代碼。利用實驗室空調(diào)控制實驗溫度，過氧化氫分解產(chǎn)生的水會增大濕度，信號電壓隨著外界過氧化氫濃度的增大而增大。過氧化氫檢測系統(tǒng)采用的電化學(xué)傳感器輸出信號與氣體濃度之間為線性關(guān)系，所以在曲線擬合中選擇多元線性擬合，電壓信號為自變量x1，濕度為自變量x2，溫度為自變量x3，過氧化氫氣體濃度為因變量y?？紤]到過氧化氫對濕度較敏感，在濕度大于60%RS和濕度小于60%RS的情況下濃度數(shù)據(jù)相差較大，所以在曲線擬合時選擇分段擬合。環(huán)境濕度小于等于60%RS擬合結(jié)果如公式(1)所示：

y=112.527x1-0.328x2-20.658x3+473.678

(1)

其中R2=0.991 98。

環(huán)境濕度大于60%RS擬合結(jié)果如公式(2)所示：

y=65.665x1+3.161x2-34.399x3+692.524

(2)

其中R2=0.993 68。

4 分析與測試

經(jīng)過軟件、硬件部分的調(diào)試，最后實現(xiàn)了過氧化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)的設(shè)計功能。實驗測試在蘇州某公司生物實驗室內(nèi)進行，測試開始時室溫22 ℃，被測對象為以噴霧形式釋放濃度8%的過氧化氫液體。測試開始前對系統(tǒng)硬件及軟件進行異常排查，排查無誤后開始測試。過氧化氫氣體濃度為零時，系統(tǒng)沒有任何反應(yīng)；過氧化氫釋放達一定濃度時，系統(tǒng)開始響應(yīng)，計算過氧化氫氣體濃度；過氧化氫氣體濃度達到最高閾值時，系統(tǒng)蜂鳴器發(fā)出警報；過氧化氫氣體濃度降低到閾值以下時，蜂鳴器不再發(fā)出警報。檢測過程中，過氧化氫檢測系統(tǒng)能夠迅速對外界濃度變化做出響應(yīng)，且當過氧化氫氣體濃度超出警報閾值時，蜂鳴器能夠立即發(fā)出警報警示操作人員，同時操作人員可以通過按動按鍵手動調(diào)整報警閥值。

檢測裝置測試的同時，使用芬蘭進口標準維薩拉過氧化氫檢測儀器進行系統(tǒng)誤差測試。在相同的實驗環(huán)境下測量當前環(huán)境下不同濃度的過氧化氫氣體，待濃度數(shù)值穩(wěn)定后，每隔30s記錄數(shù)據(jù)。取實驗數(shù)據(jù)中過氧化氫濃度為50 PPM、100 PPM、150 PPM、200 PPM和250 PPM時的數(shù)據(jù)帶入計算誤差，結(jié)果如表1所示。比較測試結(jié)果可知，檢測濃度與標準濃度誤差小于7%，在誤差允許范圍內(nèi)，檢測系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定。

表1 誤差分析表

5 結(jié)論

本文設(shè)計的過氧化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)氣體濃度的測量，液晶屏顯示，數(shù)據(jù)通訊，設(shè)置閾值及超閾值報警等功能。與其他電化學(xué)氣體傳感器測量電路相比，采用PIC16F1829芯片進行數(shù)據(jù)處理，在兼顧電路設(shè)計難度的同時，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與檢測精度。

在現(xiàn)有的實驗條件下，通過對本設(shè)計氣體檢測儀測試，結(jié)果表明本方案軟、硬件設(shè)計合理，測量誤差、量程及閾值報警等功能均滿足設(shè)計要求。設(shè)計的檢測儀體積小巧輕便、儀器操作簡單等特點能夠?qū)崿F(xiàn)特殊環(huán)境下氣體檢測和預(yù)警功能，使工業(yè)生產(chǎn)更安全有效地進行，儀器既可以單獨攜帶完成過氧化氫濃度檢測，也可以安裝在其他中大型設(shè)備上協(xié)同完成濃度測量。系統(tǒng)不僅可以檢測空氣中過氧化氫含量，讓醫(yī)護人員及時掌握室內(nèi)消毒水濃度，也可以解決其他需要檢測過氧化氫濃度的需求，具有較強實用性和應(yīng)用前景，能滿足實際檢測需求。