基于单片机的室内甲醛检测仪的设计

1.引言
1.1甲醛的特性及危害
甲醛是一种无色，有强烈刺激性气味的气体。易溶于水、醇和醚。甲醛在常温下是气态，通常以水溶液形式出现。其37%的水溶液称为福尔马林，医学和科研部门常用于标本的防腐保存。在我国有毒化学品优先控制名单中甲醛列居第二位。甲醛已被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质。[1]甲醛能与蛋白质结合，吸入高浓度甲醛后会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，也可发生支气管哮喘皮肤直接接触甲醛，可引起皮炎、色斑、坏死。经常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出现粘膜充血、皮肤刺激症、过敏性皮炎、指甲角化和脆弱等。全身症状有头痛、乏力、心悸、失眠、体重减轻以及植物神经紊乱等。

1.2甲醛的来源
1.室内装修所用的合成板材，如胶合板、细木工板、高密度板、刨花板。这些板材中甲醛起胶合剂、防腐剂的作用，主要用于加强板材的硬度、防虫、防腐。板材中残留的和未参与反应的甲醛逐渐向周围环境释放，是室内空气中甲醛的主要来源。
2.用合成板材制造的家具，厂家为了追求利润使用不合格的板材，再粘贴面材料时使用不合格的胶水，造成家具中甲醛含量超标。
3.含有甲醛成分并有可能向外界散发的各类装饰材料，如壁纸、地毯、油漆。
2.总体设计方案
2.1系统设计基本要求
本次设计的主要内容是设计一种基于单片机的室内甲醛检测仪，主要利用单片机和放大电路对甲醛传感器的输出信号进行采集处理。
设计基本要求：
1.快速检测功能：当将仪器至于封闭环境时能快速测出甲醛浓度并显示。
2.超标报警功能：当甲醛浓度超出国标时给予报警提示。
2.2系统设计思路
随着现代电子技术的迅速发展，传感技术已形成一个独立的新兴的高科技领域。传感器的高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，其便携式的特点尤其适合于野外、现场分析的需要。本设计拟采用英国达特公司生产的CH20甲醛传感器，传感器的贵金属电极与挥发的甲醛气体发生反应，产生与挥发的甲醛浓度成正比的电信号。由于甲醛传感器产生的电信号十分微弱，不能直接与控制电路相连接使用，我们将其首先经过一个放大电路，将信号放大，再经过模／数转换器将模拟信号转换成数字信号，在单片机电路的作用下，通过LCD将空气中甲醛含量的浓度用数字显示出来。[3]
创新点：
1.使化学检测转化为电信号检测。
2.应用单片机来显示最后结果，成本低。    
3.设备便于携带，操作简单。
4.实现单片机控制的智能化。

3.系统的设计方案
3.1方案一：基于普通51单片机和国产MQ138传感器的设计方案
国产MQ138传感器中能基本实现甲醛测量需要，其信号可以经过放大电路，在经过AD转换芯片后送给单片机进行处理最后显示。其工作模块可以分为：传感器、放大电路、AD电路、单片机、显示电路。通过这几个部分的结合可以基本实现设计的功能，但是由于MQ138传感器的线性度极其不理想，而且其测量范围为1ppm～10ppm，最低测量值已经远远超过国家标准的最低值0.8ppm。系统所采用的单片机只能进行数据处理，仍需要另外购买AD芯片，给系统造成成本增加，且对电路的性能会造成影响。
3.2方案二：基于增强型单片机和进口传感器的设计方案
英国达特（DART）公司的甲醛传感器虽然价格为MQ138的两倍，但其拥有稳定的线性度，且灵敏度达到0.01ppm,可以满足测量国家标准。系统工作模块也分为传感器、放大电路、AD电路、单片机、显示电路。系统才用的是增强型51单片机即STC12C5A60S2单片机，不但拥有超高的执行速度而且内置了10位的AD转换，可以简单化电路，更可以节约一定的成本，对整体电路的稳定性能更有保障。
两个方案的比较：方案一，虽然基本满足测量需求，但是0～1ppm的范围为盲区，无法测量更无法在超过国标时及时提醒，系统整体稳定性不高。方案二，完全能够满足测量需求，精度高，功耗更低，电路设计简单，稳定性高，更加可靠，所以选用方案二。
4.单片机甲醛检测技术
4.1STC12C5A60S2单片机
STC12C5A60S2单片机（引脚如图1）是宏晶科技生产的一种能够与传统8051完全兼容的新型单片机，它执行速度是传统51单片机的8—12倍，内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(即P1口)，因此具有很强大的数据处理能力，本身自带的10位A/D转换更是为本设计节约了成本。
其基本参数如下[4]：
1.与MCS-51产品指令和引脚完全兼容。
2.60K字节可重擦写FLASH闪存存储器。
3.100000次写/擦循环。
4.时钟频率：0Hz—35MHz相当于普通单片机的0—420M。
5.三级加密存储器。
6.1280字节内部RAM。
7.36/40/44个可编程I/O口线。   
8.4个16位定时/计数器，7个中断源。
9.2路PWM。 
10.低功耗的空闲和掉电模式。                              
11.片内振荡器和时钟电路。

图1.STC12C5A60S2引脚
4.2LTC1049CN8运算放大器
LTC1049（引脚如图2）是一种高性能，低功耗的零漂移运算放大器。此外，LTC1049提供优越的DC和AC性能，其理论供应电流仅为200µA。LTC1049拥有典型失调电压漂移0.02µV/°C， 0.1Hz到10Hz输入噪声电压的3µV。转换速度电压增益为与典型的160dB与增益带宽产品的0.8MHz。超载从饱和状态的恢复时间6ms,比削波器放大器显着改善使用外部电容器，可以在LTC1049是一个插件替换与大多数标准运算amps大幅度提高DC性能和降低功耗。
其基本参数如下：
1.低电源电流：200µA
2.无需外部元件
3.最大失调电压：10µV
4.最大偏移电压漂移：0.1µV/°C
5.单电源供电：4.75V到16V
6.输入共模范围包括地面
8.典型的过载恢复时间：6ms
9.在8-Pin可用，以便和PDIP软件包兼容

图2 LTC1049CN8引脚图

4.3LCD1602液晶屏
LCD显示有很多种，常用的有1602和12864两种，由于本设计中显示的甲醛含量属于较简单的字符，可以考虑使用1602，LCD1602具有显示内容丰富，接口电路简单，人机交流性强等特点，适合本次设计的研究。其具体参数如表1，接口信号参数如表2。[5]
表1.LCD1602技术参数表格

表2.LCD1602接口信号

4.4甲醛传感器
本甲醛检测仪采用英国达特（DART）公司生产的甲醛传感器如图3。该传感器是两电极电化学型的传感器，通过扩散原理实现，因此不需要外部采样硬件。当有甲醛气体存在的时候，将会有一个很小的直流产生；传感器本身不需要电源供应，但是产生的这个电流需要外部的数据采集将其变为可读的信号。
主要参数如下[6]：
1.正常检测0一10ppm，最大值50ppm；
2.输出信号250～300nA／ppm；
3.分辨率0．01ppm；
4.响应时间<30s；
5.最大零点沮度漂移(+20℃一+40"C)lppm；
6.工作温度-10℃一40℃；
7.基线飘移<0.03/ppm；
8.寿命3年。

图3甲醛传感器实物图
5.系统硬件部分设计
5.1系统整体电路原理
基于上述器件的选择，对硬件提出如下的设计功能框图如图4：

通过查阅资料提出整体的设计框架（如下4点），通过电脑仿真来完成功率放大电路和传感器的研究工作，通过单片机开发板软件和硬件的结合设计出A/D转换程序及LCD显示模块，最后综合在一起，通过实验室进行各项技术指标的测量不断改进、完善。
1.信号转换部分：该部分由气体传感器组成，其功能是将被测物浓度变成电信号。
2.信号处理部分 该部分由信号变换组成。 信号变换由气体传感器产生的电信号较小且和要求输出的信号不成比例关系，必须经放大后才能得到标准输出信号及控制信号。信号经处理后，输出模拟信号。通过A/D转化为数字信号进入单片机，最后LCD显示，温度信号经变换后供控制和计算用。 

3.输出部分 该部分由模拟信号输出和LCD 数字输出两部分组成（通过单片机来实现），由传感器出来的信号经过放大电路进行放大后由单片机经过A/D转换并经过数字滤波和进制转换后送到LCD1602显示，由按键来控制其它功能，当检测到得甲醛含量超过上限值则发出报警。
5.1.1系统放大电路设计
由于传感器的输出信号非常微弱，因此放大器需要选择高放大倍数的运放。电路设计和元器件的选择因此显得非常关键。校准可以通过调整电路的放大倍数（手调电阻或通过数字电位计进行调节，或者固定放大倍数的情况下，知道传感器的灵敏度，从而在软件中实现校准。根据multism11.0仿真的电路是达特传感器公司为了满足客户开发需求而做的。应用了JFET短接传感器以阻止传感器在不使用状态下产生的漂移。同时它还提供了一个真实的地接，这在单边电源供应电路中是必须的。具体放大电路如图5，其中电流源模拟甲醛传感器输出电流，放大器对其进行转换放大，其放大电路的具体参数及转换放大原理图如图5所示。在系统中的高精度测量放大电路设计中，反馈电阻选为470 k，同时并联一个4．7斗F的钽电容在没有反向响应时间的情况下降噪[7]。

图5放大电路
5.1.2系统单片机及显示电路设计
由于STC12C5A60S2单片机与普通51单片机的引脚相同且完全兼容，因此在设计电路时可以采用普通的单片机最小系统板进行布局即可，放大电路的信号可以经过P1口进入单片机进行AD转换和数据处理后经过连接P0口的LCD1062进行显示。其具体电路如图6所示。

图图6显示电路与STC12C5A60S2
5.1.3系统报警电路设计
当电路检测到甲醛浓度超过国标的限制时，将产生一个信号给报警电路。使报警电路报警从而提醒工作人员注意，超限报警电路如图7所示。
它是有STC12C5A60S2的P2.6口来控制的，当超过设置的0.08ppm时，通过程序使P2.6口值为高电平，从而使三极管导通，报警电路接通，使蜂鸣器SPEAKER发出报警声。这一任务的实现主要靠程序来完成，在此不再赘述。

图7报警电路

6.系统软件部分设计
对于单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，C语言就是其中的一种。汇编语言的可控性较高级语言来说更具优越性。程序编写语言比较常见的有C语言、汇编语言。汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。
C语言编写的程序比用汇编编写的程序更符合人们的思考习惯。还有很多处理器都支持C编译器，这样意味着处理器也能很快上手。且具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点，且编写的模块程序易于移植[8]。基于C语言和汇编语言的优缺点，本系统采用C语言编写方法。
主程序流程图：

图8主程序流程图

7系统硬件仿真测试
本设计在硬件制作过程中采用multisim11.0进行仿真，大大节约了开发时间。Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的Windows环境下的电路仿真软件，是广泛应用EWB(Electronics Workbench电子工作台)的升级版，不仅可以完成电路瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、噪声分析和直流分析等基本功能，而且还提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等电路分析方法，并具有故障模拟和数据储存等功能[9]。
设计电路中放大电路时，采用微弱直流源模拟传感器输出量，具体电路如图9图10.应用数字万用表测量负输入端电压，示波器A通道测量输出信号，B通道测量正输入信号。由图中可以看出，当信号输入为微弱的直流300nA时，正负输出电压均为1.235V，经过差分后有一个0～20mV的电压经过放大后输出一个2.126V的电压，满足放大需求。由于传感器输出电流为250～300nA/ppm,所以测试放大电路时的模拟直流源采用每隔300nA测试线性度，测试结果线性图如图11。

图10放大电路测试图

图11仿真线性度图
8.改进方法
由于实验室条件限制，无法购买先进的甲醛检测设备进行校准，因此会出线无法校验和误差较大的现象，且由于单片机自带10位AD转换，精度在应用中算是中等，这方面在以后改进中可以加以校验、提升。

9.设计总结
目前，公共场所民用建筑室内需要检测甲醛气体，同样建筑材料中甲醛含量也需要检测。由于甲醛含量超量的话，将对人体健康造成很大的影响。具有民用价值的便携式甲醛检测仪的研制受到了人们的高度重视。设计能够满足生活需要，携带方便的便携式甲醛检测仪迫在眉睫。针对目前的现状，该系统设计遵守体积小，质量轻，性价比高的原则。
软件是基于C语言编写的，结合了编写语言的优点，具有很好的可控性、模块化和移植性。编写的思路就是模块化的思想，将系统的各个功能进行划分，然后对各个模块进行设计。本系统的主要模块为甲醛检测、A/D转换、液晶显示。
首先要了解系统所要实现的功能；其次根据功能去选择相应的硬件资源；再次将一个大的系统进行模块化划分，然后逐一去攻破。最后把所有模块进行优化整合，便得到了一个完整的系统。基于这样的思路，我们共同完成了便携式甲醛检测仪的基本设计。
致 谢
本论文是在朱成全老师的悉心指导下完成的。老师严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。在此，谨向朱老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！同时对英国达特传感器有限公司深圳代表处所免费提供的甲醛传感器表示感谢
参考文献
[1]潘政华.浅论甲醛对人体健康的影响及治理措施[J].《现代农业》,2011.
[2]石靖芳.手术室人员职业危险因素分析及防护[J].《齐齐哈尔医学院学报》，2009. 
[3]田清华.基于电化学敏感电极的甲醛测试仪的研[D].燕山大学,2007.
[4]宏晶科技《STC12C5A60S2系列单片机》数据手册[S].2010.
[5]长沙太阳人电子有限公司《SMC1602A》数据手册[S].2006.
[6]DART公司《甲醛传感器》数据手册[S].2004.
[7]葛化敏,叶小岭.基于MSP430F449的甲醛检测仪设计[J] -工业仪表与自动化装置,
2009(3).