便攜式甲醛濃度檢測儀設計

李書婷

（商洛學院 電子信息與電氣工程學院，商洛726000）

隨著改革開放以來，人們生活水平的提高，現在人們對自己房屋的裝修也是變得要求越來越高，裝修房屋的樣式也是變得多樣化。但是在進行對房屋的裝修后，一些非環保的裝飾材料會陸續向新房間釋放有毒氣體，如果新房裝修后不經過處理和檢測就居住，這些氣體就會損壞居住者的身體健康。因此在房屋居住前需要對房間中的氣體濃度進行檢測[1]。經過相關調查分析，新裝修房間中的有毒氣體主要是甲醛、笨系物等有毒物質，在這些物質中，甲醛對人們的健康是最具有危害性的。國家質量規定，在一級建筑物中的甲醛濃度含量是0.08 mg/m3，在二類建筑物中是0.10 mg/m3，并且當甲醛的濃度達到0.10 mg/m3值時，對人們的健康將具有非常明顯的傷害[2]。

目前在對甲醛濃度進行測量時，國內采用的方法主要是通過實驗室分析方法[3]，利用這個方法檢測的主要儀器多為國外的大型儀器[4]，進行檢測的周期比較長[5-8]，并且檢測的結果容易受到環境的影響，花費的成本比較高[8-10]。本文針對這一現象，提出了一種便攜式甲醛濃度檢測儀的設計，通過利用單片機和壓片式氣敏傳感器將檢測的濃度結果快速顯示出來，并且當濃度達到一定的值時會發出警報，不僅方便使用，并且成本低廉。

1 系統硬件設計

本著便攜、方便和價格低廉這3 個要求，本文設計了一款由氣體采集轉換電路、控制電路、顯示電路、報警電路及電源電路五部分構成的甲醛濃度檢測儀。其系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure diagram

室內含有甲醛氣體時，傳感器采集甲醛氣體，將采集到的甲醛氣體傳送給單片機，單片機將傳送來的氣體進行濃度分析，設置報警閾值，當濃度達到這個閾值的時候，將會發出報警信號，引起人們的注意，提示人們采取相應的措施。

1.1 甲醛傳感器

作為甲醛濃度檢測儀首先要對甲醛氣體進行采集和轉換成電信號，A/D 轉換器的作用就是把模擬量轉換為數字量，傳遞到單片機中，以便于單片機進行數據處理，作為甲醛濃度檢測儀，甲醛傳感器是必然需要的一個器件。本文采用片式的半導體氣敏傳感器，其對于甲醛、一氧化碳、酒精以及氨氣等污染氣體具有非常強的靈敏性，其在工作時需要的電流小，具有響應時間短、體積小、壽命長等優點。

1.2 控制電路

本文采用AT89C52 單片機作為控制芯片。AT89C52是一種具有低電壓的8 位單片機，具有40 個引腳，且電路簡單、體積小、成本低。

1.3 顯示電路

系統采用共陽極數碼管作為顯示電路，采用動態掃描顯示方式顯示。如圖2所示。

1.4 報警電路

圖2 共陽極二極管Fig.2 Common anode diode

采用NPN 三極管驅動蜂鳴器作為報警裝置。蜂鳴器主要分為壓電式和電磁式蜂鳴器。電磁式蜂鳴器的原理是利用電磁線圈進行發聲，通過電磁線圈周圍產生一系列的磁場推動振動膜進行發聲，本設計采用的就是電磁蜂鳴器。在單片機中I/O 引腳的輸出電流是非常小的，很難驅動蜂鳴器發聲，需要外加一個電路增加電流。在程序中通過對不同的波形頻率的改變就能夠對其控制音調，產生不同的聲音和音色。

1.5 電源電路

因為設計的甲醛檢測儀要求便攜，系統的運行不需要很大電壓和電流，所以電源電路采用2 節1.5 V 干電池供電。

2 系統軟件設計

為了能夠使系統的設計更加清晰，方便出現問題時進行調試，程序將每個部分進行分別劃分，對于整體系統的優化非常方便。一個應用系統能夠滿足其功能的要求，需要的是硬件的保障，必須需要有合理的軟件設計作為支撐[11]，特別是在現在大部分的硬件工作都是利用軟件編程實現。考慮內部豐富的資源設計，采用C 語言進行編程。在這個系統中分為主控程序以及延時子程序等部分，其中核心的是主控程序[12]，負責控制整個系統的運轉。

2.1 系統主程序設計

系統軟件的設計主要采用的是模塊化設計，其中包含的模塊有主控模塊、顯示模塊、語音模塊以及數據處理模塊。系統在運行前，需要先進行初始化，然后通過串口接收數據，將甲醛的濃度顯示出來，當濃度值超過設定的閾值時，將會觸發報警模塊報警，引起人們的注意，采取相應的處理措施，主流程如圖3所示。

2.2 顯示子程序設計

系統在進行工作時，單片機控制顯示器顯示當前濃度，顯示模塊子程序流程如圖4所示。

圖3 主流程Fig.3 Main flow chart

圖4 顯示模塊流程Fig.4 Display module flow chart

3 仿真和調試

本系統的設計中，利用Keil 軟件實現編程，根據系統的需要，查閱相關資料后利用C 語言實現系統設計，將其加入到Keil 的文件庫中，在進行軟件的編程過程中，出現一些錯誤進行調試是不可避免的，最終將這些錯誤進行解決，達到程序的正確。

Keil 軟件是一個兼容單片機的C 語言系統，其在功能、結構等方面有著非常大的優點。Keil 軟件提供一系列功能：C 編譯器、 庫管理以及仿真調試等。Protues 是一家英國公司研發的EDA 工具軟件，它是目前市場上最好的仿真單片機的軟件，其在國內受到單片機開發者的廣泛應用。

3.1 系統仿真與測試

采用Keil 軟件與Proteus 軟件進行聯合調試，從而實現甲醛濃度的測量設計仿真。在調試的過程中，打開Proteus 實例（但不運行它），然后在調試菜單上選擇“使用遠程調試設備”選項，能夠保證Keil與Proteus 軟件進行相應的通信。在點擊運行狀態下，可以得到不同濃度的仿真結果，當濃度高于閾值時，將會發出信號驅動蜂鳴器進行報警，如圖5所示。測量時，若濃度是在正常范圍內，將不會觸發報警系統，如圖6所示。

3.2 實物測試

圖5 高濃度仿真圖Fig.5 Simulation diagram of high concentration

圖6 正常濃度仿真圖Fig.6 Simulation diagram of normal concentration

分別利用自制測試儀與市場購買的測試儀對普通室外空間、宿舍、放置過一段時間的房間、剛刷過油漆的房間、新裝修的房間進行實際測試，結果如表1所示。

表1 自制測試儀與市場購買的測試儀的測試結果Tab.1 Test results of self-made testers and testers purchased in the market

對比自制測試儀與市場購買的測試儀的測試結果發現，自制測量儀的精準度比市場上更加精準，達到了預期目標，但是在測量大單位數據時仍有不足，在以后的設計中還需完善設計。

4 結語

本文設計的甲醛濃度檢測儀具有效率高、成本低等優點，并且出現故障時易于維護。在實際測量過程中響應的時間比較短，精度較高。當濃度超過一定的閾值，對人們的健康產生威脅時，將會發聲報警，引起人們的注意，采取相應的措施，該設計具一定的實際應用價值。