基于物聯網技術的便攜式甲醛檢測儀的設計與實現

秦蒙，謝東，曾明海，何燿，劉佳鈺

（1.重慶電力高等專科學校信息工程學院，重慶，400053；2.重慶三峽學院電子與信息工程學院，重慶，404020）

0 引言

甲醛作為世界上最常見的室內有害污染氣體，廣泛存在于我們生活的諸多領域，特別是在新裝修的各類環境中，空氣中甲醛濃度超標率更是達到了驚人的60%以上。甲醛在常溫下是一種具有特殊氣味的無色氣體，易溶于水、醇和醚，對人們的鼻子、眼睛具有較強的刺激作用，且甲醛在民用住宅中揮發速度較慢，長期暴露在低濃度甲醛環境下易引發慢性呼吸系統疾病[1]。甲醛在毒品化學物排行榜中位列前二，對人體有具大傷害性，短期容易引發頭痛、乏力、心悸、失眠、體重減輕等癥狀，且對人體免疫系統和神經等都能產生毒害作用，對于免疫系統較弱的人群傷害更大，長期處于甲醛超標的環境中極易誘發白血病、癌癥等重大疾病。因此，甲醛被世界衛生組織國際癌癥研究機構確定為第I類致癌物，由此可見檢測和防治甲醛的重要性。而甲醛作為一種具有特殊氣味的刺激性氣體，雖然濃度高時容易被人察覺，但濃度低時，人們往往難以察覺。而我國室內接觸甲醛的安全劑量是0.1mg/m3，當環境中甲醛含量為0.1mg/m3左右時，人體就可能會感到輕微不適；當環境中甲醛含量為0.2mg/m3左右時，便容易誘發咽喉炎、哮喘等疾病；當環境中甲醛含量為0.5mg/m3左右時，眼睛會有較強的刺激感；當環境中甲醛含量大于0.6mg/m3時，人們的生命健康便會受到巨大威脅。因此生活中往往需要借助專業甲醛檢測設備進行檢測，以此確保人們所處環境下的空氣質量安全。[2]目前，市面上常用的甲醛檢測方法多種多樣，其中較常見的是甲醛試紙光電光度法，首先將浸有發色劑的試紙上放到測試環境中,讓浸有發色劑的試紙與環境中的甲醛氣體發生化學反應，同時，試紙也會因甲醛濃度的多少而表現出不同的顏色；然后再去與預先設定檢測線進行對比，以此獲得當前環境下的甲醛濃度值。而該方法采用的是目視比色法，不僅測量誤差大，而且檢測所需時間較長[3-4]。在此背景下，電子甲醛檢測設備因其使用方便、檢測時間短等優點開始逐漸嶄露頭角，并受到了人們越來越多的關注。但是，目前市面上的甲醛檢測設備魚龍混雜，普遍存在測量精度偏低，人機交互性差等缺點。因此，設計一款操作簡便、測量精度高、人機交互性好的便攜式甲醛測試設備便成了諸多學者和廠家爭相解決的問題[5]。

1 系統硬件設計

本文設計的便攜式甲醛測試儀以51單片機為核心處理器。其中，甲醛傳感器模塊主要負責采集當前環境中的甲醛濃度值，并將其轉換后為數字信號發送給單片機，然后再由單片機將數據發送給LCD1602液晶顯示模塊進行顯示。同時，單片機還通過藍牙傳輸模塊將甲醛值發送到手機移動端，并在相應的APP上同步顯示當前環境下的甲醛濃度。當甲醛濃度超過預設最大安全報警值時，機體的報警電路模塊以及手機APP都會產生相應的報警信號，提示人們注意做好相關的防備工作。此外，整個系統還配有最大安全濃度值設置功能（按鍵模塊），人們可以根據不同的使用環境調整便攜式甲醛測試儀的最大安全報警值，以此滿足不同的應用場景，進一步提升設備的競爭性[6]。便攜式甲醛測試儀的系統工作原理如圖1所示。

圖1 系統框圖

1.1 單片機最小系統

51系列單片機源于Intel公司的MCS-51系列單片機，在Intel公司實行技術開放后，諸如STC、Atmel、Dallas等國際公司也先后推出了基于8051內核的各具特色的單片機。這些以8051為內核的各種兼容型單片機統一稱為51單片機。其中，STC公司在Intel公司MCS-51系列單片機的基礎上，開發出了高性價比的STC89系列單片機，該款單片機以其低廉的價格和獨特的快閃存儲器（Flash Memory）迅速占領市場，并一舉成為了千萬單片機初學者的首選MCU。基于本系統設計內容的需要，選擇單片機STC公司的高性能CMOS 8位單片機STC89C52為核心控制器。該款單片機支持2.7V-6V的寬電壓工作模式，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM）、6個中斷源；支持全靜態工作，工作頻率為0HZ-24MHz，頻率范圍寬，便于系統功耗控制。同時，其采用高密度、非易失性存儲技術生產，并兼容標準MCS-51指令系統，功能強大[7]。單片機最小系統一般主要包含單片機，晶振電路，復位電路和電源4個部分。STC89C52單片機的最小系統如圖2所示。

圖2 單片機最小系統

1.2 甲醛傳感器模塊

圖3 所示為甲醛傳感器模塊，該模塊是一款可以檢測甲醛、甲苯、乙苯等有害氣體的數字TVOC氣體傳感器，其利用電化學原理對空氣中存在的甲醛進行檢測，具有良好的穩定性，可以進行溫度補償功能，檢測精度高。氣體檢測分辨率可達到0.01mg／m3，量程范圍在0到10mg／m3，響應時間小于10秒。該模塊采用5V直流電壓供電，工作電流小于80mA，在-10℃到+50℃的溫度范圍內和小于95%RH的濕度范圍內都可正常工作[8]。該傳感器模塊數據輸出同時支持UART方式和I2C方式，用戶可以根據自身需求自由選擇。本文選用的是UART數據傳輸方式，其中，數據格式包含8位數據位，1位停止位，波特率選用的是9800bps。

圖3 傳感器模塊

表1所示為甲醛傳感器模塊的接口定義。其中，1號引腳接5V直流電壓；2號引腳TDCK在UART模式時是串口TXD腳，在I2C模式時，是CLK腳；3號引腳RXSD在UART模式時用作重新校準控制腳，當其為0時，可重新校準基準值，在I2C模式時，是SDA腳；4號引腳SL=1或者懸空時，選擇UART模式，當SL=0時，選擇I2C模式；5號引腳為GND引腳，接電源地。由于該傳感器模塊輸出為數字信號，所以可以直接連接單片機，不需要添加AD轉換器。

表1 甲醛傳感器模塊串口接口定義

1.3 液晶顯示模塊

圖4所示為LCD1602液晶顯示模塊，它主要包括字符型液晶顯示屏、HD44780驅動主電路、HD44100擴展驅動電路3大部分。該模塊是一款使用廣泛的工業字符型液晶顯示模塊，具有顯示畫質高且不閃爍的特點，帶背光，內置含128個字符的ASCII字符集字庫，可以同時顯示兩行字符，每行可以顯示十六個符號、字母或者數字，不能顯示漢字，可以滿足本次設計需要。同時，它LCD1602模塊體積小巧，功耗較低，顯示操作簡單，是一款非常實用的液晶顯示設備。它的最佳工作電壓為5V，內部含有復位電路，可以進行光標移動、清屏等操作[9]。該模塊內部含有儲存器，可以存儲數據。它含有并行接口，可以與單片機直接相連，通過程序來控制液晶顯示甲醛濃度值。在本項目的設計中，LCD1602的1、3號引腳接了個滑動電阻，可以通過調節該電阻的值來控制液晶顯示的背光亮度。

圖4 液晶顯示模塊

1.4 藍牙模塊

圖5 所示為藍牙傳輸模塊，其可以通過軟件設計完成與手機、電腦等具有藍牙功能的設備實現配對，本次設計中51單片機可以通過藍牙傳輸模塊將甲醛濃度值發送到手機APP顯示。該模塊所支持的波特率范圍較大，可以支持4800-1382400bps的波特率，并且能與寬工作電壓范圍為2.7V-6V的STC89系列單片機相兼容，使用非常方便靈活。在使用中約每1.28秒進行一次數據傳送，可以達到實時傳輸數據的目的，當設備通過藍牙模塊與手機連接時，藍牙模塊上的LED燈會進入快慢閃爍狀態，而沒連接時則會閃爍較慢。

圖5 藍牙實物圖

1.5 報警模塊

圖6 所示為報警電路，蜂鳴器選用的是有源直流蜂鳴器，由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以至于單片機的I/O 口是無法直接驅動的，所以要利用放大電路來驅動，一般采用三極管來完成驅動電流的放大，電流放大倍數可達200倍。其中，三極管一般選用的是PNP型，其在驅動蜂鳴器時往往采用“基極接單片機I/O口、集電極接負載接地、發射極接VCC”的經典電路設計。當驅動蜂鳴器的單片機I/O口輸出低電平時，報警電路啟動，當單片機I/O口輸出高電平時，報警電路關閉。

圖6 報警模塊

2 系統軟件設計

本系統基于51單片機，通過Keil C51語言編程來實現系統軟件設計。相對于傳統的匯編語言，C51語言具有編程簡單，靈活方便及移植性好等優點，可廣泛應用于多種操作系統。本系統軟件設計主要包含系統初始化、按鍵掃描、LCD顯示、報警電路控制、藍牙模塊控制及手機APP顯示等幾個部分。系統首先通過甲醛傳感器采集當前環境下的甲醛濃度值，并通過機體LCD1602液晶和手機APP同步顯示甲醛濃度值。如果甲醛濃度達到預設的最大安全值就會激活報警電路發出報警信號。同時，主機端單片機通過對按鍵的掃描，來實現甲醛預設最大安全濃度值的調整。系統軟件設計流程圖如圖7所示。

圖7 系統軟件設計流程圖

3 測試與結果

在焊接時，遵循由大到小焊接，焊接完后要用萬用表對電源、接地等線路進行測試，保證電路的正常連接，防止虛焊、漏焊等情況，避免電路短路。焊接過程中任何地方的短路都可能造成電路板燒毀的危險，造成不必要的成本浪費。物理焊接完成后，必須進行通電試驗。試驗前，用萬用表檢測各信號之間的電路連接，防止短路和開路。在確保每個信號之間的連接正常后，程序將被燒錄到單片機中，最后連接電源，進行實物功能測試。正常情況下， LCD1602第一行顯示預設的甲醛最大安全報警值，第二行顯示當前環境下甲醛的濃度值。同時，手機APP也會通過藍牙模塊接收到單片機傳遞過來的甲醛濃度值，方便實現同步顯示。當甲醛濃度值超過預設的最大安全濃度值時，系統的蜂鳴器和LED構成的報警電路就會被觸發，提醒人們甲醛超標。用戶也可以根據不同的使用場景，通過系統自帶的按鍵手動調節甲醛最大安全濃度值，進一步拓寬設備的應用場景。圖8所示為甲醛檢測儀實時測試數據。

圖8 甲醛檢測儀實時測試數據

4 結論

本文物聯網技術的便攜式甲醛檢測儀的，主要滿足人們在各種應用場景中快速便捷完成甲醛檢測的需求，充分發揮了甲醛傳感器模塊測量時間短和手機終端同步顯示的優點。本文設計的該款便攜式甲醛檢測儀采用低成本的51單片機處理器、高精度的甲醛傳感器、穩定的報警電路、便捷的按鍵電路及高效的LCD1602液晶顯示模塊作為系統設計的主要組成部分。整個系統具有體積小、功率低、操作簡單、運行穩定、便于攜帶、制作成本低、使用壽命長等優點，不但能夠使人們非常方便的檢測各類環境中的甲醛濃度是否超標，而且甲醛測試儀機體本身和手機APP可以同步顯示測試環境下的當前甲醛濃度值，使人們身處安全的環境下便可以完成甲醛有害氣體的檢測工作，確保人們的身體健康不會受到有害氣體的侵害。