蘭 羽，盧慶林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

0 引言

甲醛被世界衛(wèi)生組織公認(rèn)為致癌和致畸形的劇毒物質(zhì)［1］，準(zhǔn)確快速地檢測(cè)環(huán)境中甲醛氣體濃度的研究，具有重要的實(shí)際意義。目前，檢測(cè)甲醛的方法有變色酸法、薄層色譜法、比色法、光度分析法、高效液相色譜法和氣相色譜法等。前3種方法多用來(lái)簡(jiǎn)單的定性檢測(cè)；變色酸法簡(jiǎn)便，但其容易受酚和其他醛類物質(zhì)干擾，故在應(yīng)用上受到限制；薄層色譜法特異性強(qiáng)，但步驟較為煩瑣；氣相色譜法和高效液相色譜法，對(duì)儀器設(shè)備和工作人員的操作水平要求較高，很難普及［2］?？茖W(xué)合理地制定空氣中甲醛含量的準(zhǔn)確測(cè)定方法，研制靈敏度高、抗干擾強(qiáng)的甲醛檢測(cè)技術(shù)和儀器十分必要，推廣應(yīng)用前景廣闊。這些方法大多數(shù)是成本高、自動(dòng)化程度低和過(guò)程復(fù)雜，很難做到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)［3］。電化學(xué)氣敏傳感器對(duì)醇類、醛類和酮類等有機(jī)氣體探測(cè)，具有范圍廣、響應(yīng)速度快、靈敏度高和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)［4］。而電化學(xué)CH2O甲醛傳感器對(duì)1～10mL／m3以內(nèi)的甲醛氣體有較好的線性度和靈敏度，它將甲醛濃度轉(zhuǎn)換為成比例的電信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理，最終由液晶顯示出來(lái)。

1 電化學(xué)CH2O甲醛傳感器

電化學(xué)甲醛傳感器主要應(yīng)用于職業(yè)安全防護(hù)、室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)、工業(yè)流程控制、醫(yī)藥和食品行業(yè)甲醛消毒車(chē)間等；具有響應(yīng)速度快、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、靈敏度高及外圍驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)［5］。

電化學(xué)CH2O甲醛傳感器工作原理：電化學(xué)CH2O甲醛傳感器的內(nèi)部電解溶液與甲醛氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使電極氧化，進(jìn)而產(chǎn)生微弱的電流信號(hào)，被測(cè)氣體濃度與該電流信號(hào)成線性關(guān)系。被測(cè)甲醛氣體接觸到傳感器表面，通過(guò)透氣孔和透氣膜擴(kuò)散到感應(yīng)電極處，與電解溶液發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生電流信號(hào)。為了維持電流信號(hào)的穩(wěn)定性，需恒壓源維持感應(yīng)電極與參考電極間電壓的穩(wěn)定。

電化學(xué)CH2O甲醛傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。在系統(tǒng)中，以電化學(xué)CH2O甲醛傳感器為數(shù)據(jù)采集模塊，其所檢測(cè)的電流信號(hào)經(jīng)電位器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換為單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。電化學(xué)CH2O甲醛傳感器主要性能參數(shù)［6］：檢測(cè)范圍，1～10mL／m3；分辨率，0.05mL／m3；溫度范圍，-20～45℃；響應(yīng)時(shí)間，＜50s；氣體濃度為每mL／m3輸出電流2μA左右。

圖1 電化學(xué)CH2O甲醛傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

以家用甲醛濃度檢測(cè)的性能要求為背景，按照體積小、質(zhì)量輕和性價(jià)比高的原則，設(shè)計(jì)了一種便攜式甲醛檢測(cè)儀。系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為主控核心，電化學(xué)CH2O甲醛傳感器為數(shù)據(jù)采集模塊。AT89C52芯片具有高抗擾、功能強(qiáng)大、超低功耗、便于智能化和便攜化等優(yōu)點(diǎn)［7］。系統(tǒng)硬件電路主要包括主控電路、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、液晶顯示和報(bào)警等功能模塊電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主控芯片為單片機(jī)AT89C52，設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)如圖3所示。其由AT89C52芯片、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。系統(tǒng)為了盡量降低功耗，采用了內(nèi)部時(shí)鐘方式，在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（晶振）就構(gòu)成了自激振蕩器，并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。圖3中，電容器穩(wěn)定頻率和快速起振，晶振CYS選擇的是12 MHz［8］。復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位，其由按鍵S，10 μF電容和10kΩ電阻構(gòu)成，按下開(kāi)關(guān)S系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。因?yàn)橄到y(tǒng)需要記錄測(cè)試發(fā)生的時(shí)間，所以需要時(shí)鐘芯片來(lái)記錄在不同時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

系統(tǒng)采用電化學(xué)CH2O甲醛傳感器，其輸出的電流信號(hào)很微弱，控制芯片無(wú)法識(shí)別，需要放大電路將信號(hào)放大到A／D轉(zhuǎn)換器能夠處理的程度，并進(jìn)行電流轉(zhuǎn)到電壓的轉(zhuǎn)換。調(diào)理電路采用了集成運(yùn)放OPA177芯片，構(gòu)成的電路如圖4所示?？紤]到傳感器測(cè)量有2%的誤差，運(yùn)放的誤差要小于這個(gè)值，OPA177符合這個(gè)要求。傳感器接入開(kāi)環(huán)電路時(shí)測(cè)量值會(huì)產(chǎn)生微小的偏置量，表現(xiàn)為傳感器接入時(shí)會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，致使輸出端信號(hào)存在偏置。在放大器不工作的情況下，可以在傳感器信號(hào)輸出端放置小電阻來(lái)解決偏置問(wèn)題。系統(tǒng)選用了阻值為620Ω的小電阻。最好的解決方法是讓放大器持續(xù)供電。電容用來(lái)去噪，使信號(hào)更完好。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 A／D轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)采用ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有8位分辨率、雙通道A／D轉(zhuǎn)換、工作頻率為250kHz、轉(zhuǎn)換時(shí)間為32μs和一般功耗僅為15mW等優(yōu)點(diǎn)［9］，適合于本系統(tǒng)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。CH2O采集的信號(hào)加在ADC0832的CH0端，正常情況下，ADC0832的CS，CLK，DO，DI與單片機(jī)的接口為4條數(shù)據(jù)線。DO，DI并聯(lián)在一起作數(shù)據(jù)接AT89C52的P3.1口，片選端由P3.1口控制，當(dāng)ADC0832片選端CS=1時(shí)，芯片禁用；當(dāng)CS=0時(shí)，芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，DO／DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第1個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿之前DI端必須是高電平，表示起始信號(hào)，在第2，3個(gè)脈沖下降沿之前，DI端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2.4 時(shí)鐘芯片接口電路

因?yàn)橄到y(tǒng)需要記錄測(cè)試發(fā)生的時(shí)間，所以需要時(shí)鐘芯片來(lái)記錄在不同時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用了DS1302時(shí)鐘芯片，其工作時(shí)功耗很低，廣泛應(yīng)用于便攜式儀器、傳真和電話器等產(chǎn)品領(lǐng)域［10］。DS1302芯片時(shí)鐘電路如圖6所示。DS1302芯片內(nèi)含一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷和31B的靜態(tài)RAM，可以通過(guò)串行接口與單片機(jī)通信。而通信時(shí)，僅需要3個(gè)口線：SCLK（串行時(shí)鐘）；I／O 數(shù)據(jù)線；RES（復(fù)位）。時(shí)鐘／RAM的讀／寫(xiě)數(shù)據(jù)以1B或多達(dá)31B的字符組方式通信。

圖6 時(shí)鐘電路

2.5 顯示模塊

系統(tǒng)顯示模塊采用液晶LCD12864，它是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，主要由行驅(qū)動(dòng)器／列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示也可以顯示8×4個(gè)漢字（16×16點(diǎn)陣）。液晶LCD12864顯示模塊與單片機(jī)的接口方法分為直接訪問(wèn)方式和間接控制方式［11］。直接訪問(wèn)方式是把液晶模塊作為內(nèi)存或I／O設(shè)備直接接在單片機(jī)的總線上，單片機(jī)以訪問(wèn)內(nèi)存或I／O設(shè)備的方式操作液晶顯示模塊的工作。系統(tǒng)采用間接控制方式，該方式不使用單片機(jī)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，而是利用它的I／O口來(lái)實(shí)現(xiàn)與顯示模塊的聯(lián)系，即將液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的P0口連接作為數(shù)據(jù)總線，另外3根時(shí)序控制信號(hào)線通常利用單片機(jī)的P2口中未被使用的I／O口來(lái)控制。這種訪問(wèn)方式不占用內(nèi)存空間，它的接口電路與時(shí)序無(wú)關(guān)，其時(shí)序完全靠軟件編程實(shí)現(xiàn)。LCD12864與單片機(jī)的接線原理如圖7所示。

圖7 LCD顯示原理

2.6 按鍵及報(bào)警模塊

系統(tǒng)采用獨(dú)立式按鍵，設(shè)有上選、下選、確定和返回4個(gè)按鍵即可滿足系統(tǒng)要求。按鍵電路設(shè)計(jì)中采用外接上拉電阻，低電平表示按下，4個(gè)按鍵分別接單片機(jī)的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3口，電路如圖8所示。

圖8 按鍵電路

按鍵是直接用I／O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，每個(gè)獨(dú)立式按鍵占有一根I／O口線，各根I／O口線之間不會(huì)相互影響。在此電路中，按鍵輸入采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開(kāi)時(shí)，I／O口線有確定的高電平（AT89C52的P1口內(nèi)部接有上拉電阻），所以就不需要再外接上拉電阻。系統(tǒng)采用的是三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器，其工作電壓為3～15V，驅(qū)動(dòng)電流為10mA。蜂鳴器由三極管和電阻組成的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，AT89C52的P1.5口接三極管基極輸入端，當(dāng)P1.5為高電平“1”時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的通電而報(bào)警；當(dāng)P1.5為低電平“0”時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止報(bào)警。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程，包括數(shù)據(jù)采集、自檢、數(shù)據(jù)處理和數(shù)字顯示等功能。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)把采集到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成甲醛濃度值并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)進(jìn)行超標(biāo)判斷。軟件部分包括主程序以及數(shù)據(jù)采集、超標(biāo)報(bào)警、鍵盤(pán)檢測(cè)、LCD顯示和按鍵處理等子程序。系統(tǒng)主程序負(fù)責(zé)調(diào)度系統(tǒng)的各應(yīng)用程序模塊，并與系統(tǒng)的外部設(shè)備及時(shí)交換信息，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件資源的整體管理。系統(tǒng)主程序流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主程序流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)在某小區(qū)對(duì)新裝修的房子進(jìn)行了甲醛濃度檢測(cè)，選擇8個(gè)不同的測(cè)試點(diǎn)，環(huán)境溫度為24℃，同時(shí)甲醛濃度的真值采用DM100甲醛檢測(cè)儀測(cè)得。檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

從表1可以看出，設(shè)計(jì)的甲醛檢測(cè)儀與DM100檢測(cè)儀相對(duì)誤差小于3%。誤差主要有以下原因：外界環(huán)境影響；甲醛傳感器自身存在1%～2%的檢測(cè)誤差。電化學(xué)CH2O甲醛傳感器檢測(cè)范圍為1～10mL／m3，在1～10mL／m3只有甲醛對(duì)其敏感，并且傳感器輸出電流與甲醛濃度成線性關(guān)系。而在10～100mL／m3濃度時(shí)，不僅甲醛，還有其他醇類、苯類、芳族化合物對(duì)其也敏感，即此時(shí)很難區(qū)分檢測(cè)到的氣體是甲醛還是其他氣體，所以本檢測(cè)儀真正有效范圍為1～10mL／m3。

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為控制核心，電化學(xué)CH2O甲醛傳感器為數(shù)據(jù)采集器。經(jīng)測(cè)試表明，系統(tǒng)相對(duì)誤差小于3%，檢測(cè)范圍為1～10mL／m3。系統(tǒng)具有使用簡(jiǎn)潔、性價(jià)比高、性能穩(wěn)定、精度較高和便攜等優(yōu)點(diǎn)。可應(yīng)用于民用建筑室內(nèi)甲醛氣體的檢測(cè)，對(duì)各種建材中甲醛含量是否超標(biāo)的檢測(cè)，以及電廠、化工和地下管線等施工環(huán)境的甲醛檢測(cè)，以防止甲醛中毒事故的發(fā)生。

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