一種便攜式環境空氣質量檢測儀的研制

賈端陽 王丹璐 吳俊輝

摘要：隨著我國經濟社會的快速發展，人們生活水平有了很大的提高，更加關注生活環境的提升，空氣質量逐漸受到了人們的高度重視。室內空氣質量與人們的生活和健康息息相關，因此本文設計了一種便攜式環境空氣質量檢測儀，實現了對甲醛、氨和苯系物三種氣體的快速檢測。本文的研究可以為相關領域提供借鑒。

關鍵詞：空氣質量；電化學傳感器；檢測儀

在各種家電產品不斷進入千家萬戶的同時，也使室內空氣質量受到了不同程度的污染，輕者給人帶來不適，重者可直接致人死亡。室內污染物一般包括甲醛（HCHO）、氨（NH3）、苯（C6H6）系物、VOCs等等，這些都對人體健康有極大的危害。但目前對于這些污染物地檢測需要嚴重依賴于大型空氣質量分析設備，這些設備不但價格貴、使用也很不方便，無法滿足室內混雜物的快速測定[1]。因此，室內空氣質量的快速檢測方法及設備的研究具有極其重要的現實意義。基于此，本文充分應用了當前比較先進的電化學傳感器、FPGA等技術，提出了一種便攜式環境空氣質量檢測儀，該儀器體積小、重量輕、操作簡單，可以隨時隨地完成室內空氣質量的準確測量。

1 總體方案設計

本文設計的檢測儀包括電源模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、核心主控模擬、人機交互模塊以及輸入輸出模塊。該檢測儀以FPGA為核心單元，負責對整個系統進行控制和數據處理。數據采集模塊由HCHO傳感器、NH3傳感器、C6H6傳感器三種氣體傳感器件構成，實現對空氣中有毒有害氣體進行檢測。此外，也對氣壓、氣溫和濕度等常規氣象參數進行了檢測。數據處理模塊包括電流-電壓轉換單元、A/D變換單元和低通濾波單元，負責將傳感器輸出的電流信號進行轉換、去噪、最終得到適合FPGA處理的數字信號。FPGA對傳感器信號進行分析與存儲，一方面將結果傳輸到顯示模塊進行顯示，另一方面輸出到打印接口進行打印。用戶可以根據需要通過按鍵輸入控制參數，實現人機交互。

由于甲醛、氨氣以及苯等電化學傳感器一般采集的是電流信號，并且非常微弱[2]，總體設計方案中必須考慮到微弱信號的處理能力，本文采用了高精度低噪聲的電流/電壓轉換模擬，配合低通濾波進行處理，再由A/D轉換單元的數字化處理，基本可以滿足FPGA的輸入信號要求。FPGA在處理數據時必須考慮初始值并根據相關標準進行修正，保證系統設計與行業法律法規的相符性。

2關鍵器件選型

綜合各方面性能進行考慮，甲醛的檢測采用了瑞士原裝進口CH2O/S-10-S，氨氣和苯的檢測分別采用國產煒盛的ME4-NH3和ME4-C6H6。考慮到FPGA的核心地位，必須具備較高的性能和較強的穩定性，因此采用了Altera公司的EP2C5T144C8芯片，該芯片具有高性能、速度快、穩定性好、容量大、擴展能力強等優點，在軍用領域都有著非常廣泛的應用。A/D轉換模塊采用了通用模數轉換器AD7865-2，基本可以滿足系統要求。液晶顯示采用了以LCD240128芯片為核心的一體化液晶顯示模塊。聲光報警由普通三色LED和揚聲器構成。為了可以對系統輸入參數，本文設計了三個按鍵為用戶提供數據輸入。

3系統詳細設計

3.1信號調理電路設計

以氣體為檢測對象的傳感器一般為電化學傳感器，傳感器選型的合理性對系統測量精度有重要影響。根據總體方案，傳感器輸出的微弱電流信號需要進行三個關鍵環節的處理才能進入FPGA主控模塊。三種傳感器都是以對電極（CE）、參比電極（RE）和工作電極（SE）三引腳進行封裝的，因此可以與恒壓電路相連，使信號可以進行自適應調節，工作電極輸出的電流與環境氣體濃度之間始終保持著較好的線性關系。微弱電流信號進行兩級運放的放大，同時實現電壓的自動調理，再通過T型網絡進行反饋，保證信號的穩定輸出。

圖1 傳感器及信號調理電路

如圖1所示，由IC2和IC3構成電路的兩級運放，由R11電阻器構成電流/電壓轉換模塊的零點調節，避免出現漂移。實際上，盡管三種傳感器都輸出電流，但其線性范圍是不一樣的，于是電路中增加R6，R7 和R8 三個電阻器組成T型網絡，對三種電流的范圍進行統一調節。經過放大后調理后的電壓信號繼續進入下一級低通濾波器，以去除噪聲成分。IC4的放大倍數可以通過R21進行一定范圍的調節，使電路具有更強的實用性。傳感器及信號調理電路如圖1所示。

3.2 FPGA主控模塊設計

FPGA是整個系統的核心部分，它負責對采集模塊、顯示模塊、報警模塊、按鍵模塊、USB接口等模塊進行統一的調度，共同完成空氣質量的檢測和分析。聲光報警由普通三色LED和揚聲器構成。為了可以對系統輸入參數，本文設計了三個按鍵為用戶提供數據輸入。傳感器的電流被變換為電壓信號后，由高速A/D轉換模塊進行采樣、量化后變成數字信號，作為FPGA的信號源。FPGA對信號進行解析后得到相應的的物理量的實際數據，并控制顯示模塊實時展示檢測結果。用戶可以用過按鍵輸入各物理量的預警值，大大提高了使用的靈活性，FPGA經判斷如果發現當前氣體濃度超過預設值，則會向聲光報警電路輸出一個高電平，驅動其點亮并發出聲音，提示用戶當前氣體濃度超標。FPGA在數據處理過程中一方面考慮到了用戶的需求而提高系統的靈活性，另一方面又嚴格遵守了國家行業規范，在市場上具有較強的核心競爭力。

3.3 電源模塊設計

電源為系統各模塊提供源源不斷的電力，驅動系統正常工作。由于系統模塊眾多，對電源的電壓要求也有一定的區別，因此電源電路必須具備提供多種電壓的能力，并通過外圍器件實現穩壓輸出，提高系統的穩定性。電源的輸入使用了普通220V交流市電，電信號經過LM1086-5、LM1086-2.5、LM1086-3.3、MAX660等芯片的處理，可以為各模塊提供±5V，±3.3V，±-2.5V等多種直流電壓，完全可以滿足系統各模塊對供電的要求。

3.4 系統軟件設計

軟件是硬件工作的依據，各模塊的協調工作是由軟件程序的控制而完成的。為了提高軟件設計的質量，本文采用了模塊化的軟件編程方法，按不同的功能模塊設計相應的子程序，實現相應的功能，然后由主程序負責對所有子程序進行調度，按嚴密的邏輯完成環境空氣的快速檢測。考慮到便攜式儀器對速度的要求，系統軟件具有較高的執行效率。

3 結論

為了驗證系統的合理性，并對系統性能進行檢驗，為系統的改進提供依據，本文分別在室內施放了福爾馬林、氨水、苯等三種氣體，并通過本文設計的便攜式環境空氣質量檢測儀進行實測，將測量結果與正常環境進行比對。測試結果表明，實則結果比較準確，可以滿足室內環境空氣質量測量要求，聲光報警模塊功能正常，在濃度超標時可以及時發出報警。

參考文獻：

[1]張翠英，湯萌.我國環境空氣質量監測現狀及發展分析[J].地球，2015（12）.

[2]鮑春，孫圣坤，黃華.便攜式環境空氣VOCs現場快速分析儀的研制與應用[J].分析儀器，2017（3）：1-8.