基于物聯網自帶溫度氣壓補償的甲醛檢測系統設計

秦 蒙，曾昭源，任照富

（1.重慶電力高等專科學校 信息工程學院，重慶 400053；2.重慶市永川職業教育中心，重慶 402160）

0 引 言

近年來，隨著經濟社會的不斷發展，我國居民生活水平不斷提高，人們也越來越注重個人健康情況，其中，人們對室內空氣質量的重視程度呈現爆發式增長。甲醛作為常見的室內有害氣體，廣泛存在于我們生活的方方面面，特別是在新裝修的室內空間，甲醛濃度超標率更是驚人，嚴重威脅著人們的身體健康。因此，甲醛檢測試紙、甲醛檢測儀等專用的空氣質量檢測儀器設備發展迅速。目前，市場上的甲醛檢測方式多種多樣，其中較常見的是采用手持甲醛檢測儀進行檢測，但目前市場上的手持甲醛檢測儀大多采用模擬甲醛傳感器進行數據采集，測量結果易受外界其他氣體、溫度及氣壓等因素干擾，測量精度低。據2019年“315晚會”報道可知，市場上的家用甲醛檢測儀90%都不合格，有些甲醛檢測儀的測量誤差更是高達200%。甲醛檢測儀的檢測精度會嚴重誤導消費者對于室內甲醛濃度情況的判斷，并可能給人們的身體健康帶來不可挽回的傷害。

本文設計一款檢測精準度高、抗干擾能力強、適用范圍廣，同時，能根據不同的使用環境自行進行溫度和氣壓補償，解決甲醛檢測裝置在不同環境下存在誤差的問題迫在眉睫。

1 系統設計

本文設計的甲醛檢測系統以AVR單片機ATmega328P為核心處理器。其中，甲醛氣體檢測模塊主要通過ZE08-CHO電化學甲醛傳感器采集當前環境的甲醛值，并通過UART串口將甲醛濃度值發送給單片機。同時，數字溫度氣壓傳感器模塊負責采集當前環境的溫度、氣壓等數據，并通過IC方式將數據發送給單片機。單片機接收到當前環境的甲醛濃度值、氣壓值、溫度值后，會根據溫度氣壓補償公式：mg/m=/22.4×PPM×[273/（273+）]×（Ba/101 325） 修正當前環境的甲醛濃度值，然后將處理好的甲醛值通過ESP8266串口轉WiFi無線模塊發送到物聯網云平臺，完成甲醛值的實時采集、修正處理與遠程顯示。當甲醛濃度超過預設最大安全報警值時，手機APP會產生相應的報警信號。甲醛檢測系統構成如圖1所示。

圖1 基于物聯網自帶溫度氣壓補償的甲醛檢測系統框圖

1.1 ATmega328P單片機核心控制模塊

ATmega328P是ATMEL公司研發的增強型內置FLASH的高性能、低功耗8位AVR單片機，可廣泛應用于計算機外部設備、工業實時控制、儀器儀表、通信設備、家用電器等領域。

ATmega328P單片機作為AVR單片機家族中的高端產品，采用哈弗結構，具備1 MIPS/MHz（百萬條指令每秒/兆赫茲）的高速運行處理能力；采用RISC精簡指令集計算機結構，優先選取使用頻率最高的簡單指令，并通過減少指令格式和尋址方式種類等縮短指令周期，進而提高單片機的整體運行速度。同時，ATmega328P單片機還含有自動上電復位電路、獨立的看門狗電路、低電壓檢測電路、多個復位源、啟動延時電路等，外圍電路簡單，系統穩定可靠。此外，AVR單片機具有多種省電休眠模式，可支持2.7～5 V寬電壓運行，抗干擾能力強。圖2所示為ATmega328P外圍電路。

圖2 ATmega328P單片機外圍電路

1.2 甲醛氣體檢測模塊

圖3所示為ZE08-CHO電化學甲醛傳感器模塊電路，該模塊是一款高靈敏度、高分辨率、低功耗、使用壽命長的小型化通用型氣體模組，可利用電化學原理對空氣中存在的甲醛、甲苯等有害氣體進行檢測，氣體檢測分辨率≤0.01 ppm，量程范圍為0～5 ppm，響應時間小于60 s，在-20～50 ℃的溫度范圍內和15%RH～90%RH的濕度范圍內都可正常工作。同時，該款甲醛氣體檢測模塊提供了UART、模擬電壓信號等輸出方式，同時兼備3 V TTL數字電平輸出與0.4～2 V模擬電壓輸出能力。

圖3 甲醛氣體檢測模塊電路

本文選用UART串口傳輸方式，其中，波特率為9 800 b/s，數據位8位，停止位1位，無校驗位。此外，該款氣體檢測模塊內置溫度傳感器，可進行溫度補償，具有良好的穩定性、卓越的線性輸出能力和優秀的抗干擾能力，可廣泛應用于便攜式儀表、空氣質量監測設備、空氣凈化器、新風換氣系統、空調、智能家居設備等。

1.3 溫度氣壓傳感器模塊

圖4所示為MPL3115A2高精度智能數字溫度氣壓傳感器電路，MPL3115A2智能傳感器是飛思卡爾公司出品的一款多功能高精度數字傳感器，采用帶有IC接口的MEMS壓力傳感器和24位高分辨率的A/D轉換器，可以精確測量氣壓、海拔高度、溫度等數據，分辨率可低至1英尺/0.3 m，擁有2個可編程中斷引腳，內置32個FIFO采樣緩沖區，能使用FIFO記錄長達12天的數據，可自動進行數據采集，讀取完全補償后的20位壓力測量值（Pa），20位高度測量值（m），12個溫度測量值（℃），可廣泛應用于智能手機/平板電腦、電子測高、GPS航位推算、應急服務的GPS增強功能、地圖輔助導航、氣象站等設備制造領域。

圖4 MPL3115A2電路

1.4 WiFi無線模塊

圖5所示為ESP8266串口轉WiFi無線模塊電路，該模塊采用安信可 ESP-01 802.11 b/g/n WiFi模組完成無線組網。該模塊采用低功率32位CPU，可兼做應用處理器，主頻最高達160 MHz，支持UART、GPIO等接口，采用DIP-8封裝，方便焊接與測試，集成WiFi MAC/ BB/RF/PA/LNA，支持多種休眠模式，待機功耗低至1.0 mW，嵌有lwIP協議棧，支持AP（路由器），STA（端點模式），AP+STA模式，可軟件切換，復位后新模式有效，支持Smart Config/AirKiss一鍵配網，串口速率最高可達4 Mb/s，通信距離約100 m。

圖5 ESP8266 WiFi無線模塊電路

ESP-01可廣泛應用于物聯網場合，適用于家庭自動化、工業無線控制、嬰兒監控器、可穿戴電子產品、無線位置感知設備、無線定位系統信號以及其他物聯網應用。

1.5 電源模塊

圖6所示為系統電源模塊電路，主要包含5 V供電模塊、5 V轉3.3 V模塊及電平互轉模塊和電源保護模塊。其中，5 V供電模塊主要為系統提供電源；5 V轉3.3 V模塊主要用于將 DC 5 V 轉換成 DC 3.3 V，為 ESP8266 串口轉 WiFi無線透傳模塊及MPL3115A2芯片模塊與信號轉換模塊供電；5 V與3.3 V電平互轉模塊的作用是將5 V通信電平與3.3 V通信電平進行相互轉換，防止5 V通信電平燒壞模塊；電源保護模塊用于保護電源與負載，通過200 mA自恢復保險絲隔離電源與負載，當負載電流過大時及時切斷電源。

圖6 5 V轉3.3 V電路設計

1.6 其他電路模塊

系統除上述核心模塊外，還有如下幾種輔助電路模塊：

（1）系統復位模塊：主要用于系統宕機時對系統進行復位；

（2）系統時鐘模塊：主要為系統提供16 MHz的時鐘信號；

（3）ICSP接口模塊：主要用于單片機程序下載；

（4）IC通信模塊：主要為系統提供與外部模塊進行IC通信的接口；

（5）UART通信模塊：主要為系統提供與外部模塊進行UART通信的接口；

（6）觸摸按鍵模塊：主要在ESP8266首次配網時使用，通過檢測觸摸板上的電容值變化來判斷是否按下配網按鍵，當按鍵按下后電容值會逐步超過設定值，進而向ATmega328P單片機發出高電平，系統自動進入配網模式；

（7）新風系統：主要用于加快甲醛傳感器附近的空氣循環流動，使其更加接近測量環境的甲醛真實值。

圖7所示為系統觸摸按鍵模塊電路。

圖7 觸摸按鍵模塊電路

2 系統測試

完成系統的硬件電路搭建后，先進行PCB電路板設計及元器件焊接，然后檢查電路焊接情況，查看有無虛焊、漏焊；完成電路焊接情況檢查后還需用萬用表檢查關鍵元件的電壓、電流是否正常，檢查無誤后給ATmega328P單片機燒寫程序，最后進行系統聯調與測試。

在進行首次配網時，首先需要手動點擊觸摸按鍵IN2進入系統配網模式，同時配網指示燈閃爍，用戶手機和手機APP加入到同一個WLAN環境后，用戶可以通過“一鍵配置”完成設備的自動搜索與添加，設備添加成功后便可在手機APP自動獲取當前環境下的數據參數，但甲醛氣體檢測模塊需要預熱，預熱期間采集的數據有所波動，預熱完成，數據趨于穩定，系統會顯示所處環境中的甲醛值、溫度值、氣壓值、海拔值等信息，如圖8所示。在反復不斷對不同場景進行測試后，證明了該款基于自帶溫度氣壓補償的甲醛檢測系統能夠有效、準確地檢測各種復雜環境下的甲醛濃度，具有操作簡便、檢測速度快、精準度高、抗干擾能力強等優點。

圖8 手機端系統顯示數據

3 創新點

目前，市場上的家用甲醛檢測儀普遍存在依靠自然空氣對流、無氣壓補償等問題，導致甲醛測量結果與實際值存在較大誤差。在此基礎上，本文提出新一代自帶溫度氣壓補償與新風系統的甲醛檢測系統設計方案，相對現有的甲醛測試儀器，該系統具有操作簡單，實時性好，穩定性強，功耗低，測量精度高，并可無差別應用于各種環境等優點。

（1）目前市面上的家用級甲醛檢測儀，大多忽視了氣體濃度除受溫濕度影響外還受氣壓影響這一關鍵因素，特別是我國地理環境極其復雜，如：西藏自治區日咯則市的氣壓為63.83 kPa，而廣東省廣東市的氣壓為100.45 kPa，氣壓差高達36%，而市面上的甲醛傳感器，正常工作范圍為一個標準大氣壓下的±10%，一旦超出該范圍，測量精度將發生漂移。本文設計的甲醛檢測系統采用MPL3115A2氣壓傳感器配合ZE08-CHO甲醛檢測模塊進行不同氣壓下的甲醛濃度檢測，并使用公式進行換算，從而有效解決氣壓補償問題，確保各類應用環境下甲醛濃度檢測結果的準確性。

（2）現有甲醛測試儀器均未考慮較大檢測環境下甲醛分布不均衡這一問題，無新風系統，完全依靠自然空氣對流。而本文設計的甲醛檢測系統自帶新風系統，避免了氣體分布不均或者室內空氣流動慢易產生測量誤差這一問題。

（3）本文設計的甲醛檢測系統可擺放在家內任何位置，只需按下電源開關即可自動工作，操作簡單方便。此外，系統將通過無線局域網和蜂窩網絡采集的數據上傳到手機端，方便用戶遠程查看，同時支持歷史記錄回看等操作。

4 結 語

本文設計的基于物聯網自帶溫度氣壓補償的甲醛檢測系統，以ATmega328P單片機為核心控制器，確保系統具有較強的穩定性和較高的靈活性，為后續進行產品升級奠定了基礎。同時采用ZE08-CHO電化學甲醛傳感器和MPL3115A2高精度氣壓溫度傳感器完成甲醛PPM值、溫度值及氣壓值的采集，確保采集數據的精準性。此外，系統配備的溫度補償功能和新風系統進一步降低了氣壓、溫度等因素對測量結果的干擾，使得檢測數據更加接近真實值。系統還可采用ESP8266串口轉WiFi無線模塊進行數據傳輸，可以讓系統通過無線局域網或移動蜂窩網絡與互聯網互聯互通，實現遠距離隨時隨地觀測。經過測試，系統具有高靈敏度、高分辨率、低功耗、抗干擾能力強、使用壽命長等優點，具有較高的研究價值和廣闊的市場前景。