室內甲醛測試儀的設計

【摘 要】甲醛作為一種有毒有害的氣體，對人體的危害較大，由于當前裝修材料中還有甲醛，往往造成室內甲醛濃度超標，為了方便的檢測甲醛的濃度，本文設計了一款簡單實用的甲醛測試儀，文章介紹了測試儀的組成結構，各個功能單元的特點以及系統的軟件設計，本測試儀可以可直接顯示甲醛濃度值，并實現超限報警，可以很方便的實現甲醛的檢測，具有廣泛的應用場所。

【關鍵詞】甲醛;測試儀;傳感器

1.引言

甲醛是一種具有刺激氣味的無色氣體，也是一種潛在的致癌物質，對人體健康有較大的危害，許多疾病的誘發都與甲醛有關，如哮喘，白血病等。研究表明甲醛濃度到0.06-0.07mg/m³時，就會引發兒童輕微氣喘。當甲醛濃度達到0.1mg/m³時，就會產生異味和引起人的不適感。達到0.5mg/m³時，會對眼睛產生刺激，引起流淚現象，因此，甲醛對人體健康的影響不容忽視。

2.測試系統簡介

室內甲醛測試儀由單片機，顯示電路，功能鍵盤，甲醛傳感器，測量電路及3位半雙積分A/D轉換器，報警輸出電路構成。

2.1甲醛傳感器的原理及相關參數：

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

甲醛氣體傳感器CH20/S-10是整個檢測系統的核心，它安裝在檢測探頭內。從原理上講，氣體傳感器就是一種將某種氣體成分量轉化成對應電信號的器件。檢測探頭利用氣體傳感器對氣體樣品進行調理，一般包括濾除雜質和干擾氣體、氣體的干燥或制冷處理、氣體樣品的抽吸，以至于對樣品氣體進行化學處理，有利于化學傳感器進行更加快速的測量。該甲醛傳感器穩定性較強，零漂和區間漂移比較小。其靈敏度較高，選擇性好。當空氣被探頭內部的采樣系統吸收后，將產生一個與甲醛濃度成正比的電流，輸出一個4～20MA標準電流，通過I/U變換器RCV420轉換成0～5V的電壓，該電壓經過5G14433A/D轉換器轉換成數字信號，與8051單片機相連，在顯示器上顯示出甲醛的濃度值，當超過標準時進行報警。

傳感器使用時應注意：

（1）3電極傳感器：感應電極（S）、參考電極（R）被短路確保穩定的零點電流，傳感器接入電路之前需拿掉彈簧測量NO的3電極傳感器：傳感器無需短路。

（2）2電傳感器：感應電極（S）、計數電極（C）被短路確保穩定的零點電流，傳感器接入電路之前需拿掉彈簧

（3）請不要把傳感器放置在-30℃～50℃的溫度環境和有機氣體中;為了確保傳感器的存儲時間，應該把它放置在5～20℃的潔凈干燥環境中，不要把傳感器放在含有有機溶劑或者易爆液體環境中。

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。除具有精密運放和電阻網絡外，還集成有10V基準電壓源。在不需要外調整的情況下，可以獲得86dB的共模抑制比和40V的共模電壓輸入。在全量程范圍內輸入阻抗僅有1.5V的壓降，對于環路電流具有很好的變換能力。在使用過程中，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電壓信號的輸出端，當需要調整芯片的增益時，在14和15腳之間加上一個電位器用來調整芯片的增益，這樣會使芯片的模抑制比降低，所以，我們在使用時，直接將14和15腳短接，這樣就不會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1μF的電容接地，用來濾除雜散干擾，在芯片的IN+或IN-端接輸入的電流信號，這兩端選擇一端輸入即可，具體從哪端于輸入信號，取決于輸入信號的極性和所需輸出電壓的極性。

2.3 5G14433A/D轉換器

5G14433A/D轉換器是國產的廣為流行的最典型的雙積分3位半A/D轉換器它具有抗干擾性能好，轉換精度高（相當于11位二進制數），自動校零，自動極性輸出，自動量程控制信號輸出，動態字位掃描BCD碼輸出，單基準電壓，外接元件少，價格低廉等特點。但其轉換速度慢，約1～10次/秒在不要求高速轉換的場合。5G14433芯片引腳參數如下：

VX：被測電壓輸入端。

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：

當量程為2V時，C1=0.1μF，R1=470KΩ;

當量程200mV時，C1=0.1μF，R1=27KΩ

C01、C02：外接失調補償電容C0端，C0的典型值為0.1μF。

DU：更新輸出的A/D轉換數據結 果的輸入端。當DU與EOC連接時，每次的A/D轉換結果都被更新。

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

EOC：轉換周期結束標志輸出。每當一個A/D轉換周期結束，EOC端輸出一個寬度為時鐘周期二分之一寬度的正脈沖，與DU一起接單片機的P3.2引腳。

DS1～DS4：多路選通脈沖輸出端，分別接電片機的P1.4～P1.7引腳。DS1對應千位，DS4對應個位。

此外，系統設置為了3×3陣列鍵盤，有功能選擇鍵、報警確認鍵、回車（數值確認）鍵、數值鍵、鍵等以及LCD顯示單元，選用4×16字符點陣液晶顯示屏模塊組件，主要有LCD顯示器、控制器、驅動器和偏壓產生電路組成。

3.軟件設計

軟件采用模塊化設計。全部軟件由主程序、鍵盤處理子程序、數據采集子程序、報警程序組成。主程序是控制和管理的核心。系統上電后進行初始化和中斷處理操作。初始化主要完成對報警值的設定和初次檢查，同時斷開各電器的電源。初始化完成后，系統開始正常運轉，進行甲醛濃度檢測和報警等操作。

為了提高測量精度，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。中值濾波對于去掉偶然因素引起的波動或采樣不穩定產生的誤差比較有效，在N次采樣中只要有一次是正確的，即可提高精度。

4.結論

本文對利用單片機實現室內甲醛濃度測量進行了比較全面的描述和分析，本文所實現的甲醛濃度測量系統具有比較全面的功能。該測量系統操作方便、性價比適宜、運行可靠，測量精度高，還可以根據具體的需要對系統進行適當的修改。

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作者簡介：

張偉，男，1972年11月生，山東泗水縣人，碩士研究生，副教授。2005年畢業于山東大學控制學院，專業是控制理論與控制工程，現在臨沂大學自動化與電氣工程學院從事教學工作，主要研究方向是檢測技術與儀表，計算機控制以及電路的軟件仿真和設計。

（作者單位：臨沂大學自動化與電氣工程學院）