便攜式甲醛快速檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
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楊旭輝 劉國(guó)漢 李工農(nóng) 鄭礴 盧啟海 馬宏偉
（甘肅省科學(xué)院傳感技術(shù)研究所甘肅省傳感器與傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1．甘肅蘭州730000；蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2，甘肅蘭州730000）
摘要：甲醛( HCHO)是高揮發(fā)性、有毒的有機(jī)化合物，對(duì)人體危害非常大。目前國(guó)內(nèi)甲醛檢測(cè)主要是用放置在實(shí)驗(yàn)室的昂貴設(shè)備完成的，存在檢測(cè)成本高、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、操作不便等缺陷。針對(duì)該問題，基于三電極電化學(xué)甲醛氣體傳感器開發(fā)了便攜式甲醛氣體快速檢測(cè)儀。經(jīng)測(cè)試，該儀器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、便攜性好、使用方便和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，非常適合甲醛檢測(cè)機(jī)構(gòu)和個(gè)人用戶使用，具有很好的推廣價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。
關(guān)鍵詞：有機(jī)化合物甲醛氣體傳感器檢測(cè)儀器儀表信號(hào)采集調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換寄存器數(shù)字濾波測(cè)試
O引言
甲醛( HCHO)是高揮發(fā)性有機(jī)化合物，是一種無色、具有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體，具有較高的毒性。目前，應(yīng)用于家庭裝修的材料中不可避免地含有甲醛，嚴(yán)重危害著人們的身體健康。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有很多檢測(cè)方法可以檢測(cè)甲醛濃度，但由于國(guó)家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)( GB/T 18883 - 2002)中限定居室空氣中甲醛的最高容許濃度為0.10 mg/m3，因此目前對(duì)這種低濃度甲醛的測(cè)定基本上采用分光光度法和氣相色譜法。用這幾種方法檢測(cè)甲醛時(shí)，首先要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣、樣品預(yù)處理，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)。這些檢測(cè)方法雖然檢測(cè)準(zhǔn)確，但是每次檢測(cè)消耗的藥品多、成本高、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，而且操作人員必須具備較高的相關(guān)專業(yè)知識(shí)。
因此，研究一種便攜性好、響應(yīng)速度快、使用方便的快速檢測(cè)儀表，用于室內(nèi)低濃度甲醛快速準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)是非常有必要的。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
便攜式甲醛快速檢測(cè)儀應(yīng)該具有如下特性：便攜性、低功耗、測(cè)量迅速、顯示簡(jiǎn)單、使用方便。系統(tǒng)可以劃分為如下幾個(gè)功能模塊：傳感器、恒電位儀電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊和電源模塊等。儀表的功能框圖如圖1所示。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
便攜式甲醛快速檢測(cè)儀硬件電路主要包括：甲醛傳感器、恒電位儀、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊和電源電路等。
2.1甲醛傳感器
項(xiàng)目組在充分調(diào)研了甲醛傳感器之后，決定選用瑞士MEMBRAPOR公司的三電極電化學(xué)甲醛氣體傳感器，型號(hào)為CH20/C - 10。該傳感器的測(cè)量范圍為0—10 x10-6；最大負(fù)載為50×10-6；分辨率為0.05×10-6；線性輸出。
2.2恒電位儀
三電極電化學(xué)傳感器包含工作電極(W)、參比電極(R)和對(duì)電極(C)。W的作用是在電極表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；R是惰性電極，理論上沒有電流流過，用來維持工作電極與參比電極間電壓的恒定；C用來輸出反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號(hào)，由測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大。
恒電位儀就是用來維持工作電極和參比電極間電位差恒定的電子線路。它首先保證系統(tǒng)在沒有工作的情況下參比電極與工作電極之間有一個(gè)恒定的電位差；其次，在系統(tǒng)工作時(shí)，能根據(jù)工作電極電位的微小變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)參比電極的電位，使得工作電極和參比電極之間仍有恒定的電位差。本文所設(shè)計(jì)的三電極電化學(xué)甲醛傳感器CH20/C - 10的恒電位儀及基于單電源的前級(jí)放大電路如圖2所示。
當(dāng)系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管J177導(dǎo)通，傳感器參比電極R和工作電極W處于短路狀態(tài)，使傳感器一直保持在“準(zhǔn)備工作”狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)通電以后，場(chǎng)效應(yīng)管J177斷開，U，通過電極C向工作電極W提供電流，使工作電極和參比電極之間電壓恒定，傳感器處于恒電位狀態(tài)下工作。
電流信號(hào)由工作電極W輸出，經(jīng)電阻R4、Rio、Cs、U，組成的低通放大電路后，輸出與氣體濃度成比例的電壓信號(hào)Uo。．。
2.3信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
恒電位儀已經(jīng)將氣體傳感器的輸出信號(hào)變成了微弱的電流信號(hào)，還需要將其放大成0~5 V電壓信號(hào)才能被數(shù)據(jù)采集電路使用。使用信號(hào)調(diào)理電路主要是對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，以得到干擾信號(hào)較小、幅值滿足A/D轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍要求的輸出信號(hào)。
2.4數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)
由于該便攜式甲醛快速檢測(cè)儀數(shù)據(jù)采集通道只有1路；測(cè)量甲醛時(shí)采樣頻率無需太高；數(shù)據(jù)處理速度也無需太快，并且為了降低系統(tǒng)功耗、減小系統(tǒng)體積、提高系統(tǒng)的便攜性，選用單片機(jī)STC89C52系統(tǒng)作為數(shù)字電路處理核心，并選用功耗較低的10位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7810設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路。
AD7810是10位串行輸出A/D轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換時(shí)間為2us，在低功耗方式下，若吞吐率為1 kS/s，其功耗可低至27 uW。數(shù)據(jù)采集電路連接圖如圖3所示，其中AD7810的1、7、6腳分別與STC89C52的P．，4.P．，和Pl.。腳相連。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
由于單片機(jī)采用的是STC89C52系統(tǒng)，因此軟件的開發(fā)和調(diào)試使用了Keil C工具。程序下載使用了STC - ISP下載編程燒錄軟件。
系統(tǒng)的軟件工作流程是讀取A/D轉(zhuǎn)換器寄存器、數(shù)據(jù)處理和顯示。該任務(wù)可以劃分為以下幾個(gè)子模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。硬件初始化、定時(shí)器初始化、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示等任務(wù)在主程序中完成；數(shù)據(jù)采集任務(wù)在單片機(jī)定時(shí)器中斷處理程序中完成。系統(tǒng)軟件主流程和中斷處理程序如圖4所示。
數(shù)據(jù)采集模塊主要是讀取A/D轉(zhuǎn)換器。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)選用了AD7810為A/D轉(zhuǎn)換器，該芯片有兩種工作模式：高速模式和自動(dòng)低功耗模式。由于數(shù)據(jù)采集速率要求較低，AD7810處于低功耗工作模式時(shí)其速率可達(dá)100 kS/s，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求，因此，選擇自動(dòng)低功耗模式作為AD7810的工作方式。
數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)字濾波、甲醛濃度值的換算等子模塊。軟件模塊采用限幅平均濾波法進(jìn)行濾波，該方法是限幅濾波法和遞推平均濾波法的結(jié)合。即先按照從小到大的順序?qū)⒉杉?0個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，得：Ao <A，<A2<……<A8<A9，然后再取出中間數(shù)：a=(A。+As)/2。取[a -9，a+9]為取值范圍（經(jīng)過計(jì)算可知9約為0.1X106的變化量，故這里是將甲醛濃度在1 s內(nèi)允許變化范圍擴(kuò)大到了0.2×10-6）。把不屬于該范圍的數(shù)據(jù)去掉，然后對(duì)剩下的數(shù)據(jù)取平均值作為本次數(shù)據(jù)采集的最終值。
甲醛的電化學(xué)反應(yīng)在宏觀上表現(xiàn)得非常緩慢，1s內(nèi)的變化量非常小。上述算法將1s的變化范圍限定在了±0.2×10-6，一旦采樣值超出該范圍，則認(rèn)為是由干擾信號(hào)引起的，可將其濾除。
4系統(tǒng)測(cè)試
系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)產(chǎn)品原型進(jìn)行了測(cè)試。為了防止A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)換算成甲醛濃度值時(shí)引進(jìn)誤差，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了直接顯示A/D轉(zhuǎn)換值的程序。將甲醛濃度分別配置為1.0×10-6和3.0x10-6，測(cè)試時(shí)間均為30 min，每過1min記錄一次測(cè)量值，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。
1.0×10-6和3.0×10-6經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的理論計(jì)算值分別為297和452，而圖5所示圖像采集的數(shù)值中，1—30個(gè)點(diǎn)的平均值分別為296和449.8，略低于理論值。從圖5中可以看出，在起初的0~1min以內(nèi)，所采集的A/D值變化非常明顯，然后在5min左右的時(shí)間內(nèi)，所采集的A/D值有比較明顯的上升，隨著測(cè)試時(shí)間的推移，曲線逐漸趨于平穩(wěn)，接近于直線。
出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因分析如下：雖然傳感器響應(yīng)時(shí)間<60 s，但因?yàn)榧兹怏w擴(kuò)散到傳感器表面以及傳感器電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)都需要時(shí)間（從上圖數(shù)據(jù)可知，該時(shí)間約為5 min）。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，化學(xué)反應(yīng)越來越劇烈，測(cè)量結(jié)果越來越趨近于理論值。
通過上述分析可知，便攜式甲醛快速測(cè)試儀的設(shè)計(jì)符合要求，所測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。
5結(jié)束語
隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們對(duì)居家環(huán)境的安全性考慮的越來越多，研究一種價(jià)格低廉、使用方便的便攜式甲醛快速檢測(cè)儀是非常有必要的。本文基于三電極電化學(xué)甲醛氣體傳感器開發(fā)了便攜式甲醛氣體快速檢測(cè)儀。測(cè)試結(jié)果表明，該儀器可進(jìn)行一鍵式測(cè)量，檢測(cè)靈敏度為0. 05×10“，響應(yīng)時(shí)間約5 min，具有測(cè)量準(zhǔn)確、便攜性好等特點(diǎn)，非常適合用戶進(jìn)行室內(nèi)外甲醛的快速檢測(cè)，具有很好的推廣價(jià)值和市場(chǎng)前景。
