室內空氣質量監測儀的設計

摘 要：為解決在線監測室內多種有害氣體存在成本高，不具有實時性，靈活性差等問題，依據GB/T18883-2002室內空氣質量標準，采用單主機和多分機結構，文章通過電化學傳感器采集CH2O、CH4、NH3、CO、可吸入顆粒物和溫濕度等多項參數，以微控處理器為核心對調理后的數據進行處理，該監測儀針對市面上的環境監測裝置參數單一，不能滿足多點以及實時監測等問題而設計。

關鍵詞：室內空氣；實時監測；STC12C5A60S2

引言

裝修而導致的空氣污染已經成為現代危害身體健康的殺手之一，現有的空氣質量檢測大部分都是單氣體檢測，對于現在已經演變為社會問題的空氣質量，目前的測量方式還達不到理想標準。一種儀表只能檢測一種氣體，無法滿足大型建筑物的室內空氣質量的要求。文章介紹的監測儀，布線簡單，受環境的干擾小，能夠同時監測多種有害氣體，并且顯示速度快，實時性好。可以多點，全面的對居住場所的空氣質量監測[1]。

1 總體設計方案

總體設計結構如圖1所示。

圖1 室內空氣質量監測儀整體框架圖

文章將介紹系統的硬件電路，這里以氨氣傳感器的調理電路為例，以及電源電路的設計和硬件抗干擾技術。文章以STC12C5A60S2處理器為核心控制器件，系統上電后開機自檢，然后會對甲烷、氨氣、CO、甲醛、溫濕度進行多點實時的檢測并顯示。如果發現檢測的某項氣體值超標，系統會自動啟動報警裝置，通過聲音提示用戶。利用串口發出控制指令，提醒用戶采取相應的措施。該設計預留的通訊串口可以與其他高級設備連接實現遠程控制。

2 室內空氣質量監測儀的硬件設計

2.1 電化學傳感器的信號調理電路

文章以氨氣傳感器為主進行介紹。由于傳感器輸出的信號非常微弱，電化學傳感器采集氨氣，并輸出信號，需要對輸出的微弱mV級的信號放大，文章選擇的運算放大器是OPA333，最終將信號放大到V級[2]。由于傳感器有啟動時間，為了減少預熱時間，通過J177進行電路調整[3]，信號的調理電路如圖2所示。當甲醛傳感器感應到甲醛氣體時，由電極生成的電流信號得到電壓信號，傳感器輸出電流和電路輸出的電壓關系為：

U=Ix（R14+R15//RT2）

其中R14和R15的阻值為20k，經過I/V轉換后，傳感器輸出的電流信號從μA級變為伏級的電壓。

由于電化學型傳感器的特殊性，對應的調理電路的設計，需要考慮以下幾個方面[4]：

（1）傳感器的靈敏度數量級極低，在一級電路引入電流-電壓轉換。

（2）消除其他氣體的干擾，電化學型氣體傳感器偏壓是否穩定會影響到噪聲和靈敏度，所以提高被測量氣體的選擇性，減少噪聲，保證傳感器工作在最佳點[4]，采用恒電位控制電路。

（3）加入調零電路校正。

（4）為了減少傳感器本身導致的噪聲或者I/V轉換器輸出的噪聲，引入濾波電路。

2.2 電源電路設計

文章采用MCP1700進行了電壓的轉換，為了實現一氧化碳、甲醛等電化學型傳感器的±3V供電，需要把+5V電源電壓轉換成+3V，選用芯片MAX660，把+3V的電源電壓轉換成-3V，便得到了±3V的供電電壓[5]。采用芯片MAX660將輸入電壓范圍為+1.5V到+5.5V，轉換后變成輸出電壓是-1.5V到-5.5V，而且性能十分穩定。

2.3 硬件抗干擾技術

系統運行時，會受到內部或外部的各種干擾，比如噪聲干擾、放電干擾或者電磁干擾等，所以除了遵守相應設計規則外，必須采取可行的抗干擾措施，來提高和保證系統的安全性以及可靠性，所以對硬件電路進行布局布線時，還需考慮影響電路電磁兼容性、測量和控制精度和空氣監測儀工作穩定性的因素[6]。

文章采用的硬件抗干擾措施有：

（1）增大電源線寬度；（2）芯片電源端連接去耦電容；（3）模擬地與數字地分開布局；（4）用電壓跟隨器隔離進入A/D之前的信號；（5）在電源和地線之間加入去耦電容，防止抗干擾能力弱的芯片或關閉電源時變化大的芯片；（6）電源輸入端接100μF的電解電容；（7）設置專門的硬件復位電路。

3 結束語

該儀器是集環境污染，安全和溫濕度為一體的多點監測的便攜式測量儀。適合居家環境測量以及安全報警，該設計的創新在于，把室內空氣和安全報警集合為一體，采用多種電化學傳感器的組合，解決了目前室內氣體測量種類單一的問題。

參考文獻

[1]裴志剛，朱立.室內裝修甲醛的危害及測量方法[J].實驗技術與管理，2005，22（6）：127-128.

[2]周安.電化學氣體傳感器工作電路的設計[J].首都師范大學學報，1997，18：134-135.

[3]張維.一種高精度信號處理電路[J].自動化儀表，2001，70（12）：7-8+245-246.

[4]趙繼文，何玉彬.傳感器與應用電路設計[M].北京：科學出版社，2002，9.

[5]何希才，依兵.新型實用電子電路400例[M].電子工業出版社，1998：83-84.

[6]陳淑芳.基于51單片機的教學實驗系統的設計與開發[D].中國海洋大學，2011.