室內(nèi)甲醛測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

【摘 要】甲醛作為一種有毒有害的氣體，對(duì)人體的危害較大，由于當(dāng)前裝修材料中還有甲醛，往往造成室內(nèi)甲醛濃度超標(biāo)，為了方便的檢測(cè)甲醛的濃度，本文設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)單實(shí)用的甲醛測(cè)試儀，文章介紹了測(cè)試儀的組成結(jié)構(gòu)，各個(gè)功能單元的特點(diǎn)以及系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，本測(cè)試儀可以可直接顯示甲醛濃度值，并實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警，可以很方便的實(shí)現(xiàn)甲醛的檢測(cè)，具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)所。

【關(guān)鍵詞】甲醛;測(cè)試儀;傳感器

1.引言

甲醛是一種具有刺激氣味的無(wú)色氣體，也是一種潛在的致癌物質(zhì)，對(duì)人體健康有較大的危害，許多疾病的誘發(fā)都與甲醛有關(guān)，如哮喘，白血病等。研究表明甲醛濃度到0.06-0.07mg/m³時(shí)，就會(huì)引發(fā)兒童輕微氣喘。當(dāng)甲醛濃度達(dá)到0.1mg/m³時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生異味和引起人的不適感。達(dá)到0.5mg/m³時(shí)，會(huì)對(duì)眼睛產(chǎn)生刺激，引起流淚現(xiàn)象，因此，甲醛對(duì)人體健康的影響不容忽視。

2.測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

室內(nèi)甲醛測(cè)試儀由單片機(jī)，顯示電路，功能鍵盤，甲醛傳感器，測(cè)量電路及3位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，報(bào)警輸出電路構(gòu)成。

2.1甲醛傳感器的原理及相關(guān)參數(shù)：

本測(cè)試儀的核心部件為CH20/S-10甲醛傳感器，以下為該傳感器的原理和相關(guān)參數(shù)：

甲醛氣體傳感器CH20/S-10是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，它安裝在檢測(cè)探頭內(nèi)。從原理上講，氣體傳感器就是一種將某種氣體成分量轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的器件。檢測(cè)探頭利用氣體傳感器對(duì)氣體樣品進(jìn)行調(diào)理，一般包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、氣體的干燥或制冷處理、氣體樣品的抽吸，以至于對(duì)樣品氣體進(jìn)行化學(xué)處理，有利于化學(xué)傳感器進(jìn)行更加快速的測(cè)量。該甲醛傳感器穩(wěn)定性較強(qiáng)，零漂和區(qū)間漂移比較小。其靈敏度較高，選擇性好。當(dāng)空氣被探頭內(nèi)部的采樣系統(tǒng)吸收后，將產(chǎn)生一個(gè)與甲醛濃度成正比的電流，輸出一個(gè)4～20MA標(biāo)準(zhǔn)電流，通過(guò)I/U變換器RCV420轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓，該電壓經(jīng)過(guò)5G14433A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，與8051單片機(jī)相連，在顯示器上顯示出甲醛的濃度值，當(dāng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

傳感器使用時(shí)應(yīng)注意：

（1）3電極傳感器：感應(yīng)電極（S）、參考電極（R）被短路確保穩(wěn)定的零點(diǎn)電流，傳感器接入電路之前需拿掉彈簧測(cè)量NO的3電極傳感器：傳感器無(wú)需短路。

（2）2電傳感器：感應(yīng)電極（S）、計(jì)數(shù)電極（C）被短路確保穩(wěn)定的零點(diǎn)電流，傳感器接入電路之前需拿掉彈簧

（3）請(qǐng)不要把傳感器放置在-30℃～50℃的溫度環(huán)境和有機(jī)氣體中;為了確保傳感器的存儲(chǔ)時(shí)間，應(yīng)該把它放置在5～20℃的潔凈干燥環(huán)境中，不要把傳感器放在含有有機(jī)溶劑或者易爆液體環(huán)境中。

2.2 RCV420精密I/U變換器

RCV420精密I/U變換器能將4～20mA的環(huán)路電流變換成0～5V的電壓輸出。作為一種單片集成電路具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密運(yùn)放和電阻網(wǎng)絡(luò)外，還集成有10V基準(zhǔn)電壓源。在不需要外調(diào)整的情況下，可以獲得86dB的共模抑制比和40V的共模電壓輸入。在全量程范圍內(nèi)輸入阻抗僅有1.5V的壓降，對(duì)于環(huán)路電流具有很好的變換能力。在使用過(guò)程中，芯片的10、11和12腳相連，2、5和13腳相連接地，14和15腳相連接，作為0～5V電壓信號(hào)的輸出端，當(dāng)需要調(diào)整芯片的增益時(shí)，在14和15腳之間加上一個(gè)電位器用來(lái)調(diào)整芯片的增益，這樣會(huì)使芯片的模抑制比降低，所以，我們?cè)谑褂脮r(shí)，直接將14和15腳短接，這樣就不會(huì)使芯片的共模抑制比降低，芯片的7和8腳懸空，4和16腳分別接一個(gè)1μF的電容接地，用來(lái)濾除雜散干擾，在芯片的IN+或IN-端接輸入的電流信號(hào)，這兩端選擇一端輸入即可，具體從哪端于輸入信號(hào)，取決于輸入信號(hào)的極性和所需輸出電壓的極性。

2.3 5G14433A/D轉(zhuǎn)換器

5G14433A/D轉(zhuǎn)換器是國(guó)產(chǎn)的廣為流行的最典型的雙積分3位半A/D轉(zhuǎn)換器它具有抗干擾性能好，轉(zhuǎn)換精度高（相當(dāng)于11位二進(jìn)制數(shù)），自動(dòng)校零，自動(dòng)極性輸出，自動(dòng)量程控制信號(hào)輸出，動(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出，單基準(zhǔn)電壓，外接元件少，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。但其轉(zhuǎn)換速度慢，約1～10次/秒在不要求高速轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合。5G14433芯片引腳參數(shù)如下：

VX：被測(cè)電壓輸入端。

R1、R1/C1、C1：外接積分電阻器和積分電容C1元件端，外接元件典型值：

當(dāng)量程為2V時(shí)，C1=0.1μF，R1=470KΩ;

當(dāng)量程200mV時(shí)，C1=0.1μF，R1=27KΩ

C01、C02：外接失調(diào)補(bǔ)償電容C0端，C0的典型值為0.1μF。

DU：更新輸出的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié) 果的輸入端。當(dāng)DU與EOC連接時(shí)，每次的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果都被更新。

CLKI和CLKO：時(shí)鐘振蕩器外接電阻Rc端，Rc的典型值為470kΩ，頻率隨著Rc增加而下降。

EOC：轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出。每當(dāng)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束，EOC端輸出一個(gè)寬度為時(shí)鐘周期二分之一寬度的正脈沖，與DU一起接單片機(jī)的P3.2引腳。

DS1～DS4：多路選通脈沖輸出端，分別接電片機(jī)的P1.4～P1.7引腳。DS1對(duì)應(yīng)千位，DS4對(duì)應(yīng)個(gè)位。

此外，系統(tǒng)設(shè)置為了3×3陣列鍵盤，有功能選擇鍵、報(bào)警確認(rèn)鍵、回車（數(shù)值確認(rèn)）鍵、數(shù)值鍵、鍵等以及LCD顯示單元，選用4×16字符點(diǎn)陣液晶顯示屏模塊組件，主要有LCD顯示器、控制器、驅(qū)動(dòng)器和偏壓產(chǎn)生電路組成。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。全部軟件由主程序、鍵盤處理子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、報(bào)警程序組成。主程序是控制和管理的核心。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化和中斷處理操作。初始化主要完成對(duì)報(bào)警值的設(shè)定和初次檢查，同時(shí)斷開(kāi)各電器的電源。初始化完成后，系統(tǒng)開(kāi)始正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行甲醛濃度檢測(cè)和報(bào)警等操作。

為了提高測(cè)量精度，本文采用中值濾波法，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，再取中間值作本次采樣值。中值濾波對(duì)于去掉偶然因素引起的波動(dòng)或采樣不穩(wěn)定產(chǎn)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。

4.結(jié)論

本文對(duì)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)甲醛濃度測(cè)量進(jìn)行了比較全面的描述和分析，本文所實(shí)現(xiàn)的甲醛濃度測(cè)量系統(tǒng)具有比較全面的功能。該測(cè)量系統(tǒng)操作方便、性價(jià)比適宜、運(yùn)行可靠，測(cè)量精度高，還可以根據(jù)具體的需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

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作者簡(jiǎn)介：

張偉，男，1972年11月生，山東泗水縣人，碩士研究生，副教授。2005年畢業(yè)于山東大學(xué)控制學(xué)院，專業(yè)是控制理論與控制工程，現(xiàn)在臨沂大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院從事教學(xué)工作，主要研究方向是檢測(cè)技術(shù)與儀表，計(jì)算機(jī)控制以及電路的軟件仿真和設(shè)計(jì)。

（作者單位：臨沂大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院）