便攜式甲醛快速檢測儀的設計和實現(xiàn)
楊旭輝 劉國漢 李工農(nóng) 鄭礴 盧啟海 馬宏偉
（甘肅省科學院傳感技術研究所甘肅省傳感器與傳感技術重點實驗室1．甘肅蘭州730000；蘭州大學信息科學與工程學院2，甘肅蘭州730000）
摘要：甲醛( HCHO)是高揮發(fā)性、有毒的有機化合物，對人體危害非常大。目前國內(nèi)甲醛檢測主要是用放置在實驗室的昂貴設備完成的，存在檢測成本高、檢測時間長、操作不便等缺陷。針對該問題，基于三電極電化學甲醛氣體傳感器開發(fā)了便攜式甲醛氣體快速檢測儀。經(jīng)測試，該儀器具有靈敏度高、響應速度快、穩(wěn)定性強、便攜性好、使用方便和價格低廉等特點，非常適合甲醛檢測機構和個人用戶使用，具有很好的推廣價值和廣闊的市場前景。
關鍵詞：有機化合物甲醛氣體傳感器檢測儀器儀表信號采集調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換寄存器數(shù)字濾波測試
O引言
甲醛( HCHO)是高揮發(fā)性有機化合物，是一種無色、具有強烈刺激性氣味的氣體，具有較高的毒性。目前，應用于家庭裝修的材料中不可避免地含有甲醛，嚴重危害著人們的身體健康。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有很多檢測方法可以檢測甲醛濃度，但由于國家室內(nèi)空氣質(zhì)量標準( 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，因此目前對這種低濃度甲醛的測定基本上采用分光光度法和氣相色譜法。用這幾種方法檢測甲醛時，首先要進行現(xiàn)場采樣、樣品預處理，再進行實驗室的檢測。這些檢測方法雖然檢測準確，但是每次檢測消耗的藥品多、成本高、檢測時間長，而且操作人員必須具備較高的相關專業(yè)知識。
因此，研究一種便攜性好、響應速度快、使用方便的快速檢測儀表，用于室內(nèi)低濃度甲醛快速準確的現(xiàn)場檢測是非常有必要的。
1 系統(tǒng)設計方案
便攜式甲醛快速檢測儀應該具有如下特性：便攜性、低功耗、測量迅速、顯示簡單、使用方便。系統(tǒng)可以劃分為如下幾個功能模塊：傳感器、恒電位儀電路、信號調(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)硬件設計
便攜式甲醛快速檢測儀硬件電路主要包括：甲醛傳感器、恒電位儀、信號調(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甲醛氣體傳感器，型號為CH20/C - 10。該傳感器的測量范圍為0—10 x10-6；最大負載為50×10-6；分辨率為0.05×10-6；線性輸出。
2.2恒電位儀
三電極電化學傳感器包含工作電極(W)、參比電極(R)和對電極(C)。W的作用是在電極表面產(chǎn)生化學反應；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用來輸出反應產(chǎn)生的電流信號，由測量電路實現(xiàn)信號的轉(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恒定的電位差；其次，在系統(tǒng)工作時，能根據(jù)工作電極電位的微小變化，實時調(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。本文所設計的三電極電化學甲醛傳感器CH20/C - 10的恒電位儀及基于單電源的前級放大電路如圖2所示。
當系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)時，場效應管J177導通，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“準備工作”狀態(tài)。當系統(tǒng)通電以后，場效應管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Uo。．。
2.3信號調(diào)理電路設計
恒電位儀已經(jīng)將氣體傳感器的輸出信號變成了微弱的電流信號，還需要將其放大成0~5 V電壓信號才能被數(shù)據(jù)采集電路使用。使用信號調(diào)理電路主要是對傳感器信號進行放大和濾波，以得到干擾信號較小、幅值滿足A/D轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍要求的輸出信號。
2.4數(shù)據(jù)采集模塊設計
由于該便攜式甲醛快速檢測儀數(shù)據(jù)采集通道只有1路；測量甲醛時采樣頻率無需太高；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設計數(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)軟件設計
由于單片機采用的是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。該任務可以劃分為以下幾個子模塊：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、定時器初始化、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示等任務在主程序中完成；數(shù)據(jù)采集任務在單片機定時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。在設計系統(tǒng)時選用了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其速率可達100 kS/s，完全可以滿足設計要求，因此，選擇自動低功耗模式作為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行濾波，該方法是限幅濾波法和遞推平均濾波法的結合。即先按照從小到大的順序?qū)⒉杉?0個數(shù)據(jù)進行排序，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)允許變化范圍擴大到了0.2×10-6）。把不屬于該范圍的數(shù)據(jù)去掉，然后對剩下的數(shù)據(jù)取平均值作為本次數(shù)據(jù)采集的最終值。
甲醛的電化學反應在宏觀上表現(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，則認為是由干擾信號引起的，可將其濾除。
4系統(tǒng)測試
系統(tǒng)設計完成后，對產(chǎn)品原型進行了測試。為了防止A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)換算成甲醛濃度值時引進誤差，項目組設計了直接顯示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，測試時間均為30 min，每過1min記錄一次測量值，測試結果如圖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個點的平均值分別為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左右的時間內(nèi)，所采集的A/D值有比較明顯的上升，隨著測試時間的推移，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：雖然傳感器響應時間<60 s，但因為甲醛氣體擴散到傳感器表面以及傳感器電極上發(fā)生電化學反應都需要時間（從上圖數(shù)據(jù)可知，該時間約為5 min）。隨著時間的增長，化學反應越來越劇烈，測量結果越來越趨近于理論值。
通過上述分析可知，便攜式甲醛快速測試儀的設計符合要求，所測結果較為準確。
5結束語
隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們對居家環(huán)境的安全性考慮的越來越多，研究一種價格低廉、使用方便的便攜式甲醛快速檢測儀是非常有必要的。本文基于三電極電化學甲醛氣體傳感器開發(fā)了便攜式甲醛氣體快速檢測儀。測試結果表明，該儀器可進行一鍵式測量，檢測靈敏度為0. 05×10“，響應時間約5 min，具有測量準確、便攜性好等特點，非常適合用戶進行室內(nèi)外甲醛的快速檢測，具有很好的推廣價值和市場前景。
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