蘭 羽，盧慶林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術學院電氣工程學院，陜西 咸陽 712000）

0 引言

甲醛被世界衛(wèi)生組織公認為致癌和致畸形的劇毒物質［1］，準確快速地檢測環(huán)境中甲醛氣體濃度的研究，具有重要的實際意義。目前，檢測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種方法多用來簡單的定性檢測；變色酸法簡便，但其容易受酚和其他醛類物質干擾，故在應用上受到限制；薄層色譜法特異性強，但步驟較為煩瑣；氣相色譜法和高效液相色譜法，對儀器設備和工作人員的操作水平要求較高，很難普及［2］。科學合理地制定空氣中甲醛含量的準確測定方法，研制靈敏度高、抗干擾強的甲醛檢測技術和儀器十分必要，推廣應用前景廣闊。這些方法大多數是成本高、自動化程度低和過程復雜，很難做到現場實時檢測［3］。電化學氣敏傳感器對醇類、醛類和酮類等有機氣體探測，具有范圍廣、響應速度快、靈敏度高和穩(wěn)定性高等優(yōu)點［4］。而電化學CH2O甲醛傳感器對1～10mL／m3以內的甲醛氣體有較好的線性度和靈敏度，它將甲醛濃度轉換為成比例的電信號，經調理電路、模數轉換后送單片機處理，最終由液晶顯示出來。

1 電化學CH2O甲醛傳感器

電化學甲醛傳感器主要應用于職業(yè)安全防護、室內環(huán)境檢測、工業(yè)流程控制、醫(yī)藥和食品行業(yè)甲醛消毒車間等；具有響應速度快、價格低廉、性能穩(wěn)定、靈敏度高及外圍驅動電路簡單的特點［5］。

電化學CH2O甲醛傳感器工作原理：電化學CH2O甲醛傳感器的內部電解溶液與甲醛氣體發(fā)生化學反應，使電極氧化，進而產生微弱的電流信號，被測氣體濃度與該電流信號成線性關系。被測甲醛氣體接觸到傳感器表面，通過透氣孔和透氣膜擴散到感應電極處，與電解溶液發(fā)生氧化反應，產生電流信號。為了維持電流信號的穩(wěn)定性，需恒壓源維持感應電極與參考電極間電壓的穩(wěn)定。

電化學CH2O甲醛傳感器內部結構如圖1所示。在系統(tǒng)中，以電化學CH2O甲醛傳感器為數據采集模塊，其所檢測的電流信號經電位器轉換為電壓信號，再經A／D轉換為單片機識別的數字信號。電化學CH2O甲醛傳感器主要性能參數［6］：檢測范圍，1～10mL／m3；分辨率，0.05mL／m3；溫度范圍，-20～45℃；響應時間，＜50s；氣體濃度為每mL／m3輸出電流2μA左右。

圖1 電化學CH2O甲醛傳感器的內部結構

2 系統(tǒng)硬件電路設計

以家用甲醛濃度檢測的性能要求為背景，按照體積小、質量輕和性價比高的原則，設計了一種便攜式甲醛檢測儀。系統(tǒng)以單片機AT89C52為主控核心，電化學CH2O甲醛傳感器為數據采集模塊。AT89C52芯片具有高抗擾、功能強大、超低功耗、便于智能化和便攜化等優(yōu)點［7］。系統(tǒng)硬件電路主要包括主控電路、數據采集、信號調理、模數轉換、液晶顯示和報警等功能模塊電路。系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 硬件結構

2.1 單片機最小系統(tǒng)的實現

系統(tǒng)主控芯片為單片機AT89C52，設計的最小系統(tǒng)如圖3所示。其由AT89C52芯片、晶振電路和復位電路構成。系統(tǒng)為了盡量降低功耗，采用了內部時鐘方式，在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（晶振）就構成了自激振蕩器，并在單片機內部產生時鐘脈沖信號。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］。復位電路采用按鍵復位，其由按鍵S，10 μF電容和10kΩ電阻構成，按下開關S系統(tǒng)自動復位。因為系統(tǒng)需要記錄測試發(fā)生的時間，所以需要時鐘芯片來記錄在不同時間的監(jiān)測數據。

圖3 單片機最小系統(tǒng)

2.2 信號調理電路

系統(tǒng)采用電化學CH2O甲醛傳感器，其輸出的電流信號很微弱，控制芯片無法識別，需要放大電路將信號放大到A／D轉換器能夠處理的程度，并進行電流轉到電壓的轉換。調理電路采用了集成運放OPA177芯片，構成的電路如圖4所示?？紤]到傳感器測量有2%的誤差，運放的誤差要小于這個值，OPA177符合這個要求。傳感器接入開環(huán)電路時測量值會產生微小的偏置量，表現為傳感器接入時會發(fā)生放電現象，致使輸出端信號存在偏置。在放大器不工作的情況下，可以在傳感器信號輸出端放置小電阻來解決偏置問題。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。電容用來去噪，使信號更完好。

圖4 信號調理電路

2.3 A／D轉換

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

圖5 模數轉換電路

2.4 時鐘芯片接口電路

因為系統(tǒng)需要記錄測試發(fā)生的時間，所以需要時鐘芯片來記錄在不同時間的監(jiān)測數據。系統(tǒng)采用了DS1302時鐘芯片，其工作時功耗很低，廣泛應用于便攜式儀器、傳真和電話器等產品領域［10］。DS1302芯片時鐘電路如圖6所示。DS1302芯片內含一個實時時鐘／日歷和31B的靜態(tài)RAM，可以通過串行接口與單片機通信。而通信時，僅需要3個口線：SCLK（串行時鐘）；I／O 數據線；RES（復位）。時鐘／RAM的讀／寫數據以1B或多達31B的字符組方式通信。

圖6 時鐘電路

2.5 顯示模塊

系統(tǒng)顯示模塊采用液晶LCD12864，它是一種圖形點陣液晶顯示器，主要由行驅動器／列驅動器及128×64全點陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示也可以顯示8×4個漢字（16×16點陣）。液晶LCD12864顯示模塊與單片機的接口方法分為直接訪問方式和間接控制方式［11］。直接訪問方式是把液晶模塊作為內存或I／O設備直接接在單片機的總線上，單片機以訪問內存或I／O設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的數據系統(tǒng)，而是利用它的I／O口來實現與顯示模塊的聯(lián)系，即將液晶顯示模塊的數據線與單片機的P0口連接作為數據總線，另外3根時序控制信號線通常利用單片機的P2口中未被使用的I／O口來控制。這種訪問方式不占用內存空間，它的接口電路與時序無關，其時序完全靠軟件編程實現。LCD12864與單片機的接線原理如圖7所示。

圖7 LCD顯示原理

2.6 按鍵及報警模塊

系統(tǒng)采用獨立式按鍵，設有上選、下選、確定和返回4個按鍵即可滿足系統(tǒng)要求。按鍵電路設計中采用外接上拉電阻，低電平表示按下，4個按鍵分別接單片機的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口線構成的單個按鍵電路，每個獨立式按鍵占有一根I／O口線，各根I／O口線之間不會相互影響。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時，I／O口線有確定的高電平（AT89C52的P1口內部接有上拉電阻），所以就不需要再外接上拉電阻。系統(tǒng)采用的是三極管驅動的蜂鳴器，其工作電壓為3～15V，驅動電流為10mA。蜂鳴器由三極管和電阻組成的驅動電路來驅動，AT89C52的P1.5口接三極管基極輸入端，當P1.5為高電平“1”時，三極管導通，蜂鳴器的通電而報警；當P1.5為低電平“0”時，三極管截止，蜂鳴器停止報警。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計采用匯編語言和C語言混合編程，包括數據采集、自檢、數據處理和數字顯示等功能。實際應用時，系統(tǒng)把采集到的數字信號轉換成甲醛濃度值并進行實時顯示，同時進行超標判斷。軟件部分包括主程序以及數據采集、超標報警、鍵盤檢測、LCD顯示和按鍵處理等子程序。系統(tǒng)主程序負責調度系統(tǒng)的各應用程序模塊，并與系統(tǒng)的外部設備及時交換信息，從而實現系統(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)測試

系統(tǒng)在某小區(qū)對新裝修的房子進行了甲醛濃度檢測，選擇8個不同的測試點，環(huán)境溫度為24℃，同時甲醛濃度的真值采用DM100甲醛檢測儀測得。檢測數據如表1所示。

表1 測試數據

從表1可以看出，設計的甲醛檢測儀與DM100檢測儀相對誤差小于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%的檢測誤差。電化學CH2O甲醛傳感器檢測范圍為1～10mL／m3，在1～10mL／m3只有甲醛對其敏感，并且傳感器輸出電流與甲醛濃度成線性關系。而在10～100mL／m3濃度時，不僅甲醛，還有其他醇類、苯類、芳族化合物對其也敏感，即此時很難區(qū)分檢測到的氣體是甲醛還是其他氣體，所以本檢測儀真正有效范圍為1～10mL／m3。

5 結束語

系統(tǒng)以AT89C52單片機為控制核心，電化學CH2O甲醛傳感器為數據采集器。經測試表明，系統(tǒng)相對誤差小于3%，檢測范圍為1～10mL／m3。系統(tǒng)具有使用簡潔、性價比高、性能穩(wěn)定、精度較高和便攜等優(yōu)點?？蓱糜诿裼媒ㄖ覂燃兹怏w的檢測，對各種建材中甲醛含量是否超標的檢測，以及電廠、化工和地下管線等施工環(huán)境的甲醛檢測，以防止甲醛中毒事故的發(fā)生。

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