基于STM32單片機(jī)的便攜式室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀*

曹偉洋， 王 濤， 馬宏莉， 曾 敏， 楊建華， 楊 志

(薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系，上海 200240)

0 引 言

近年來，隨著大氣污染等問題的日益加重，室內(nèi)空氣質(zhì)量也逐漸受到人們的關(guān)注[1]。其中，總揮發(fā)性有機(jī)物(total volatile organic compounds,TVOCs)大量存在于居家燃煤或烹調(diào)產(chǎn)生的油煙和裝修建材中，具有隨時間逐漸釋放的特性。本文研究針對的是甲苯和甲醛[2]等氣體的檢測。

目前，市面上的空氣質(zhì)量檢測儀大多存在體積較大、價格昂貴且檢測精度較低等問題。因此，研制一種同時滿足檢測精度和便攜需求的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀是非常有必要的。氣體傳感器在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療檢測和國防軍工等領(lǐng)域發(fā)展迅速[3]。其中半導(dǎo)體氣體傳感器由于其穩(wěn)定性好、體積小、響應(yīng)高以及便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。其原理是將對氣體敏感的薄膜材料附著在叉指電極或者可以加熱的陶瓷管器件上，引出電極的兩端接入電路，當(dāng)氣體敏感材料接觸到被測氣體時，材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化，將導(dǎo)致傳感器電阻值發(fā)生改變，根據(jù)檢測電阻值的變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)對不同體積分?jǐn)?shù)待測氣體的定量檢測[4]。

本文采用英國Cambridge CMOS Sensors公司的CCS811和日本Figaro公司的TGS2602兩種低功耗和高精度商業(yè)金屬氧化物氣體傳感器。從硬件電路方面進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，采用改良型的惠斯通電橋[5]測量TGS2602傳感器的電阻值，并在后級通過儀表放大器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，以進(jìn)一步提高氣體檢測的準(zhǔn)確性。同時，基于微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)工藝的CCS811傳感器模組也有利于檢測儀器的微型化，在進(jìn)行傳感器測量時每分鐘的功耗低于1.2 mW，空閑模式下低于6 μW，優(yōu)化后的低功耗模式延長了便攜式檢測儀在應(yīng)用中的續(xù)航工作時間。最后，通過在模擬室內(nèi)環(huán)境的密閉腔室中進(jìn)行的不同濃度氣體的實(shí)際測試，結(jié)果證明了所自制的空氣質(zhì)量檢測儀器的可靠性。

1 氣體檢測儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

氣體檢測儀器的硬件設(shè)計如圖1所示。

圖1 氣體檢測儀的硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.2 氣體檢測模塊設(shè)計

甲苯檢測模塊是基于CCS811氣體傳感器設(shè)計的。考慮到金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器的大電阻特性，為了精確采集傳感器信號，采用如圖2所示的外圍檢測電路設(shè)計。

圖2 信號處理電路原理

將電路中的惠斯通電橋的一個電阻替換為日本Figaro公司生產(chǎn)的金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器TGS2602[6]。由于金屬氧化物傳感器的電阻值會隨著甲醛體積分?jǐn)?shù)的變化而改變，通過檢測傳感器兩端電壓的變化計算出氣體體積分?jǐn)?shù)的變化，如式(1)

(1)

同時，在后端信號處理上采用了美國Analog Devices公司的高精度儀表放大器AD620來進(jìn)行阻抗匹配，防止外圍信號對傳感器產(chǎn)生的干擾。

1.3 電源模塊設(shè)計

電源設(shè)計如圖3所示，采用USB連接上位機(jī)來獲得5 V電壓。

圖3 整體電路電源模塊原理

1.4 鋰電池充放電路設(shè)計

圖4為鋰電池充放電路。選用南京拓品微電子電源芯片TP5400為鋰電池充電并恒定輸出轉(zhuǎn)換后的5 V電壓。最大輸出1 A充電電流。通過P2連接鋰電池的正負(fù)極，并在P3處接入撥碼開關(guān)來控制電路的通斷狀態(tài)。同時將Battery的端口電壓用固定電阻接地，并與單片機(jī)輸入輸出(input/output,IO)口相連，即可實(shí)時獲取電量信息并反映在屏幕上。

圖4 鋰電池充放電路原理

1.5 串口屏模塊設(shè)計

人機(jī)交互屏采用廣州大彩公司開發(fā)的串口屏，串口屏即為帶串口的液晶屏幕，通過自帶RS—232串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的連接。串口屏的電容觸摸功能有利于用戶快速上手操作使用。相比傳統(tǒng)的有機(jī)發(fā)光二極管(organic light emitting diode,OLED)屏幕，該設(shè)計在使用體驗(yàn)和視覺效果方面都有很大提升。

1.6 聲光報警模塊設(shè)計

當(dāng)待測氣體體積分?jǐn)?shù)超過預(yù)設(shè)的檢測閾值時，單片機(jī)控制三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)出聲音，通過改變與單片機(jī)相連引腳輸出波形的頻率，就能控制蜂鳴器音調(diào)變化；通過控制LED燈與IO口相連端的電壓來調(diào)節(jié)燈的亮滅。在程序中設(shè)定LED燈間隔1 s進(jìn)行閃爍作為警示。

1.7 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計

如圖5所示，單片機(jī)采用瑞士STMicroelectronics公司的STM32單片機(jī)，其具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，能夠驅(qū)動模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)和串口屏，同時控制蜂鳴器和LED燈等外圍器件的運(yùn)轉(zhuǎn)[7]。

圖5 STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)

2 軟件設(shè)計

主程序首先進(jìn)行初始化操作：配置IO口；開啟定時器中斷；初始化ADC和串口等外設(shè)[8]。

在整個氣體檢測模塊的設(shè)計中，甲苯檢測部分的CCS811傳感器自帶數(shù)據(jù)輸出模塊，通過I2C總線連接至單片機(jī)IO口即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。甲醛檢測部分的信號通過改進(jìn)的惠斯通電橋進(jìn)行采集。由于輸出的是模擬信號，所以需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過驅(qū)動ADS1115的串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)總線與單片機(jī)進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算和處理。

除此之外，還需通過單片機(jī)的IO口控制聲光報警系統(tǒng)的運(yùn)行。在氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到檢測閾值時，將對應(yīng)的IO口置為高電平，使得三極管導(dǎo)通并引發(fā)蜂鳴器警報和對應(yīng)LED燈閃爍，實(shí)現(xiàn)聲光報警功能。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試方法

將對應(yīng)的控制代碼燒錄入單片機(jī)中，測試氣體傳感器信號的采集正常，完成軟硬件聯(lián)合調(diào)試，最終制成的檢測儀器實(shí)物如圖6所示。

圖6 便攜式氣體檢測儀樣機(jī)

將調(diào)試完成的氣體檢測儀放入自主搭建的模擬室內(nèi)環(huán)境的密閉腔室中，如圖7所示，通過預(yù)留的注氣孔將待測氣體注入，測試其對甲苯和甲醛氣體的響應(yīng)情況。先保證傳感器電阻值的基線平穩(wěn)，然后注入氣體并觀察電阻值變化，當(dāng)變化趨于穩(wěn)定后將蓋子取走，等待氣體逸散，直到傳感器完全恢復(fù)，電阻值再次趨于平穩(wěn)。之后加上蓋子進(jìn)行其他體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)，如此往復(fù)，以檢測其對不同體積分?jǐn)?shù)氣體的響應(yīng)情況，證明傳感可靠性。

圖7 自主設(shè)計的密閉腔室

3.2 數(shù)據(jù)采集結(jié)果

將電路板通過預(yù)設(shè)的串口連接至上位機(jī)，通過串口調(diào)試助手顯示對應(yīng)的電阻信息。圖8為甲苯氣體傳感響應(yīng)曲線，通過改變微量注射器注射入密閉腔室中甲苯液體的體積，熱蒸法后使甲苯氣體體積分?jǐn)?shù)從5×10-6至20×10-6變化，并記錄電阻值隨時間變化的結(jié)果。如圖8(a)所示，隨著甲苯氣體的注入，電阻值快速上升，之后將密閉腔室蓋子移開，電阻值也快速恢復(fù)到基準(zhǔn)值，并且隨著濃度的增加，最終穩(wěn)定的電阻值也在增大。圖8(b)為氣體響應(yīng)值隨體積分?jǐn)?shù)的變化情況，在20×10-6時響應(yīng)值約1.5，對應(yīng)的響應(yīng)時間約37 s，恢復(fù)時間約41 s。

圖8 不同體積分?jǐn)?shù)甲苯實(shí)測傳感數(shù)據(jù)

甲醛的檢測原理和方法同甲苯相似，圖9為電阻值隨時間的變化以及氣體響應(yīng)值隨甲醛體積分?jǐn)?shù)的變化情況。

圖9 不同體積分?jǐn)?shù)甲醛實(shí)測傳感數(shù)據(jù)

當(dāng)甲醛體積分?jǐn)?shù)從1×10-6開始變化，隨著氣體體積分?jǐn)?shù)的增加，最終穩(wěn)定的電阻值不斷增大。在(1～5)×10-6時，電阻值隨體積分?jǐn)?shù)變化較為明顯，而在(10～20)×10-6時，電阻值變化不大。測試表明,20×10-6甲醛下的傳感響應(yīng)值約3.5，對應(yīng)的響應(yīng)時間約12 s，恢復(fù)時間約16 s。以上結(jié)果符合半導(dǎo)體型氣體傳感器的電阻值變化規(guī)律，也證實(shí)了自制的室內(nèi)氣體檢測儀能準(zhǔn)確反映甲醛體積分?jǐn)?shù)信息。

4 結(jié) 論

本文研究基于STM32單片機(jī)設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種檢測甲苯和甲醛等室內(nèi)污染物的便攜式室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀。該儀器具有檢測穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、低功耗、體積小以及易攜帶等優(yōu)點(diǎn)。針對室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀器的小型化設(shè)計進(jìn)行了系統(tǒng)的探索，在后續(xù)的研究中，將對檢測設(shè)備與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)無線傳輸部分進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高該檢測設(shè)備智能化、一體化和數(shù)字化的系統(tǒng)集成能力。