低功耗室內甲醛監測儀的設計

米萍珍，謝躍東，楊 琛

（1.太原理工大學 國家工程訓練中心，山西 太原 030024；2.太原理工大學 測控技術研究所，山西 太原 030024）

甲醛是一種具有刺激氣味的無色氣體，也是一種潛在的致癌物質，對人體健康有較大的危害，許多疾病的誘發都與甲醛有關，如哮喘病等。國家標準 GB/T16127-1995《居室空氣中甲醛的衛生標準》規定：居室空氣中甲醛的最高允許濃度為0.08 mg/m3，而公共場所甲醛的最高允許濃度[1]0.10 mg/m3。

甲醛的檢測方法有很多，常用的有分光光度法、色譜法、定電位電解法3大類。分光光度法是基于甲醛與某化學物質反應生成顯色物質，再利用分光光度計比色測定甲醛濃度，根據選用化學試劑不同來進行分類。這類方法缺點是檢測精度不高，反應時間普遍較長，操作不方便。色譜法是一種直接的高效液相色譜法（HPLC法），是以含有DNPH的酸性水溶液為吸收劑，甲醛與 DNPH反應生成腙，產物經二氯甲烷提取、濃縮、干燥、甲醇溶解，ODS-C18柱分離后，常用紫外檢測器于254nm處檢測，一般保留時間t=13.07±0.05 min，檢測限為8×10-3mg/L。色譜法不僅用于室內空氣檢測，是發展很好的檢測方法。但由于依賴的檢測儀器色譜儀價格非常昂貴，并且操作繁瑣，沒有被大范圍采用。

單片機具有通用性強、體積小、價格低、穩定可靠等突出優點，在智能產品、測控系統等領域得到廣泛的應用[2]。文中利用飛思卡爾面向低成本手持領域內開發的RS08系列單片機設計的甲醛測試儀可現場直接顯示甲醛濃度值。并且通過上位機軟件自動校正，當其濃度值超過規定的室內居住標準值時開始蜂鳴器報警提醒人們暫時不要入住。

1 硬件介紹

甲醛測試儀主要由以下幾部分構成：即MCU外圍電路、電源管理、傳感器信號處理電路構成。

在硬件設計方面，MCU對信號處理完畢后會進入空閑模式，并且關閉LCT1049的電源，此時整個部分工作的只有LCD和電源模塊，此時電路功耗最低，整個系統功耗在100 μA以下。其中MCU部分自帶液晶驅動模塊，可以對段式液晶直接驅動，這樣會進一步的降低系統成本，充分利用單片機資源[3]。系統結構如圖1所示。

圖1 甲醛測試儀結構圖Fig.1 Block diagram of formaldehyde tester

1.1 甲醛傳感器原理

甲醛傳感器采用Dart sensor公司生產的電化學式甲醛氣體傳感器是真正能夠連續監測的傳感器，而不需要任何的氣體采樣或者采用氣泵抽取。這種傳感器是從已經成功應用的呼吸式酒精傳感器基礎上開發出來的。適合于絕大多數的環境（－20～+50℃）監測使用[4]。利用這款傳感器有5大設計結構特點：

1）低成本 設計構造簡單以及很少的部件使得其成本得以降低，從而形成更有競爭力的價格。

2）長壽命 它使用的是在世界范圍內已經有 30多年使用經驗的呼吸酒精傳感器的元件。而呼吸酒精傳感器的精度，穩定性和長久性都是已經得到了驗證的。

3）響應快速 一條短小且低阻抗的擴散路徑使其響應時間很少。

4）電源要求低 燃料電池原理意味著它并不需要電源激勵，僅僅在信號的處理和顯示時需要電能，所以僅僅一個簡單的小電池單元即可。

5）穩定性 非常好的穩定性，允許在使用過程中非常長的校準周期。

1.2 電流放大電路設計

甲醛傳感器的微電流檢測方法在很大程度上受著噪聲的影響，對前級的噪聲、溫漂、零漂必須做到很好的抑制。運放必須選取低漂移、高阻抗電流放大器。這里采用是 linear公司推出的高性能、低功耗零漂移運算放大器 LTC1049；由于其輸入失調電壓小、高共模抑制比、低功耗的特點而被廣泛的應用在低功耗手持設備上面[5]。

其主要技術參數如下：

最小供給電流：200 μA；

最大失調電壓：10 μV；

溫漂：0.1 μV/℃；

電源范圍：4.75～16 V；

最大失調電流：100 pA；

共模抑制比：130 dB。

甲醛傳感器輸出的微弱電流信號通過 LTC1049進行電流放大，LTC1049其內部是采用了斬波穩零放大電路，可以起到很好的抑制噪聲的同時，提高了輸入阻抗，在電流型放大電路中普遍被采用。其中P溝道MOS管是在閑置的情況下用來為甲醛傳感器卸荷，C4采用4.7 μF鉭電容可以很好起到的抑制噪聲和防止運放自激的作用，LM285是1.235 V基準用來提供共模信號，并且可以抑制電源的紋波波干擾。最后輸出信號放大為穩定的電壓信號被單片機的 AD采集。LTC1049接口電路如圖2所示。

1.3 電源管理部分設計

本系統采用單片紐扣電池供電，MCU處理模塊和電流放大電路采用各自供電方式。當處于待機模式下，MCU關閉傳感器電源，然后MCU自行進入低功耗模式。電源電路如圖3所示。

1.4 低功耗8位單片機MC9RS08LE4

圖2 信號放大電路Fig.2 Signal amplification circuit

圖3 電源管理電路Fig.3 Power management circuit

MC9RS08LE4屬于飛思卡爾專門為超低成本的應用而設計的 RS08系列。該單片機主要包括一個高效的RS08的CPU內核、片上RAM、非易失性內存，兩個16位的TPM模塊、串行通信接口、一個8通10位模擬數字轉換器（ADC）、8引腳鍵盤中斷模塊、以及液晶段式驅動模塊等。并且RS08待機時在低功耗模式下工作耗電流為 280 μA@1 MHz；MC9RS08LE4 工作在 2.5～5.0 V 電壓下，有正常工作模式、等待模式、停止模式3種運行方式。當單片機工作在停止模式時系統的待機功耗為μA級[6]。

MC9RS08LE4內部集成了段式液晶驅動模塊，通過軟件可以靈活的配置液晶引腳為8×14或者4×18模式的段式驅動模塊。測量結果通過外接的LCD顯示，這里選用價格低廉、使用簡單的段式液晶顯示，LCD控制邏輯可以通過軟件以內存位的操作形式來實現。報警器件采用蜂鳴器，當測量值超過報警值時，蜂鳴器開始報警。

1.5 數據處理

由于考慮到室內甲醛濃度一般會比較小，所以監測儀的量程設定為2 ppm。其最大輸入電流為400 nA經過放大后輸出電壓范圍1.25～3 V。并且傳感器極易受到外界電磁波干擾的影響，所以在調試是要盡量放在離干擾源比較遠的地方。

系統上電后甲醛濃度的測量值經過一個緩慢的變化才能平穩，傳感器的上電反應時間一般為1～3分鐘。之后傳感器可以平穩的測量空氣中的甲醛濃度[7]。本系統中甲醛傳感器的分辨率為 0.02 ppm，由于甲醛傳感器受外界環境的影響比較大，文中先采用二次校正之后，再用分段線性插值的方法在其他點提高精度。

二次校正的方法是指在傳感器的校正過程中分別測量兩次標氣，然后根據兩次實際測量中進行線性化。由于甲醛是一種有有害氣體，空氣中一定濃度的甲醛含量都會對人疼提造成傷害，所以采用這種方法是簡單可行的。文中采用上述方法對傳感器的一致性會很有幫助的。第一次采用標準標氣0.8ppm的濃度對傳感器進行校正，讓傳感器在整體的范圍內呈線性。不同的溫度變化下對甲醛傳感器的濃度影響是比較大的。甲醛傳感器濃度變化曲線如圖4所示。

圖4 甲醛傳感器濃度變化曲線Fig.4 Curve of formaldehyde concentration sensor

2 軟件設計

全部軟件程序由主程序、校正程序、數據采集子程序、報警程序組成。主程序是控制和管理的核心。系統上電后進行初始化和中斷處理操作。初始化主要完成對報警值的設定和初次檢查，同時斷開各電器的電源。初始化完成后，系統開始正常運轉，進行甲醛濃度檢測和報警等操作，主程序的流程圖如圖5所示。

為了對整個系統進行校正，系統上電后第一次由串口向上位機發送校正信息，上位機去頂后開始校正。由于傳感器信號會受到噪聲干擾從而影響測量精度，文中采用中值濾波法，即對參數連續采樣N次，然后把N次采樣值從大到小或從小到大，按遞增或遞減順序排序，再取其中間值作為本次采樣值。中值濾波對于去掉偶然因素引起的波動或采樣不穩定產生的誤差比較有效，在N次采樣中只要有一次是正確的，即可提高精度。

3 結 論

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of program

本文對利用單片機實現低功耗手持室內甲醛濃度測量進行了比較全面的描述和分析，該測量系統操作方便、性價比高、運行可靠、測量精度高，還可以根據具體的需要對系統進行適當的修改。該系統作為室內空氣甲醛氣體采集方案工作穩定，能以較高的精度動態地檢測甲醛傳感器的信號，并且由于采用了電池供電的低功耗設計，使得對室內甲醛的測量更加便捷。

[1]祝艷濤，方正，羅建波，等.甲醛氣體傳感器研究進展[J].中國測試技術，2008，34（1）:100-104.ZHU Yan-Tao，FANG Zheng，LUO Jian-bo，et al.Research development on gaseous formaldehyde sensors[J].Measurement&Testiong Technology，2008，34（1）:100-104.

[2]陳小龍，黃元慶.室內甲醛空氣甲醛氣體實體檢測設計[J].中國儀器儀表，2007，17（7）：52-53.CHEN Xiao-long，HUANG Yuan-qing.Real-time detection of indoor air formaldehyde gas design[J].Chinese Instrument，2007，17（7）：52-53.

[3]馬建明.數據采集與處理技術[M].西安：西安交通大學出版社，2005.

[4]劉世偉，華凱峰，蘇怡，等.電流型甲醛氣體傳感器的研究[J].陶瓷學報，2008（3）：212-216.LIU Shi-wei，HUA Kai-feng，SU Yi，et al.Study of amperometric gaseous formaldehyde sensors[J].Journal of Ceramics，2008（3）：212-216.

[5]葛化敏，汪雪峰.基于ADS1244的便攜式甲醛檢測儀[J].科學信息，2008， 144（13）:123-125.GE Hua-min，WANG Xue-feng.Formaldehyde portable detector based on ADS1244[J].Scientific Information， 2008，144（13）:123-125.

[6]李玉靜.便攜式甲醛檢測儀的研究[D].吉林：吉林大學，2005.

[7]Salthammer T，Mentese S，Marutzky R.Formaldehyde in the indoor environment[J].Chemical Reviews，2010，4（13）29-30.