基于STC12C5A60S2的智能甲醛殘留檢測系統(tǒng)

陳超 劉敬 李向陽

摘要：該設計開發(fā)了一款基于STC12C5A60S2控制器的智能甲醛殘留檢測系統(tǒng)，其利用MS1100氣體傳感器，通過單片機控制系統(tǒng)處理采樣數(shù)據(jù)，實時顯示甲醛濃度，具有超濃度時報警功能。系統(tǒng)的最大引用誤差為1.98%。系統(tǒng)增加了無線模塊，使檢測環(huán)境與操作人員分離，既能實現(xiàn)遠距離操控，又保障了操作人員的人身安全。

關鍵詞：甲醛；殘留；檢測

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0154-03

1 研究背景

住房家居是21世紀最重要的建設之一。家裝中的室內裝修板材、裝飾材料、各種家具產(chǎn)品會釋放甲醛、苯基芳香族化合物等化學有害成分，造成身體上的損害。甲醛濃度檢測一方面減少了人們入住的顧慮，同時也減少了因甲醛而引起的疾病[1]。

在我國，空氣甲醛濃度的標準為低于每立方米0.1mg（約為0.13ppm）[2]。因此所設計的檢測計能檢測到0.1mg變化范圍內的數(shù)據(jù)變化才能使檢測數(shù)據(jù)可靠和有效，故在設計之初所選的傳感器就必須有很大的靈敏度。如果通過無線控制，使檢測環(huán)境與操作人員分離，既能實現(xiàn)遠距離操控，又保障了操作人員的人身安全。

2 系統(tǒng)方案設計及器件選型

2.1系統(tǒng)方案設計

如圖1所示，本設計控制系統(tǒng)構成為：檢測元件→信號調理→A/D轉換→控制器→顯示器。具體思路如下：甲醛傳感器電壓輸出經(jīng)前置電路輸出為模擬量，并通過減法電路濾波；濾波后的信號送入16位A/D轉換器AD7705；A/D轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字量作為輸入控制量；用查表和線性插值法計算并輸出濃度值；通過無線控制系統(tǒng)將濃度值有選擇的顯示在液晶上。

2.2主要芯片選擇

2.2.1模數(shù)轉換器AD7705

考慮到系統(tǒng)分辨率的要求，本設計選用16位AD進行AD轉換。AD7705是完整的16位低成本Σ-Δ模數(shù)轉換器（ADC），用于直流測量和低頻交流測量應用，其具有低功耗（3V時最大1mW）特性，因而能用在環(huán)路供電、電池供電或本地供電的應用中。片內可編程增益放大器提供從1至128的增益設置，無需使用外部信號調節(jié)硬件便可接受低電平和高電平模擬輸入[3，4]。AD7705擁有兩個差分通道，在定制比率應用器件時，差分基準電壓輸入還能提供極大的靈活性。

2.2.2傳感器

經(jīng)過特性和靈敏度比較，選取了市面上已經(jīng)研制好的MS1100傳感器。該傳感器小巧方便，可以測量多種有害化學氣體的濃度。

MS1100傳感器是一種半導體式傳感器，通過導電性能的變化來引起電壓輸出的變化，其工作原理基于氣體的物理化學性質。比如，當甲醛呈氣態(tài)時，其分子有一定大小，當一定量的甲醛氣體被MS1100捕獲后，甲醛就會填充MS1100中的空穴，使MS1100的導電性能提升。通常情況下，傳感器在5V電壓下工作，適合用單片機控制器控制。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1傳感器輸出減法電路設計

MS1100傳感器在濃度為0ppm的附近，有一個很大的電壓躍變。由于在該濃度時，甲醛對人體的傷害可以忽略，數(shù)據(jù)測量并沒有實質性意義，因此此段數(shù)據(jù)完全可以忽略不計，可以考慮對該數(shù)據(jù)段進行濾除。數(shù)據(jù)的濾除主要有兩種，即通過硬件濾波和軟件濾波。為了減少軟件負擔，提高軟件運行效率，本設計采用硬件濾波，即通過減法器，將該段數(shù)據(jù)直接濾除。圖2是前置減法電路的原理圖，所用的放大器為NE5532，工作電壓為±9V，傳感器模擬信號輸出首先經(jīng)過一個電壓反向器，而后與一個系統(tǒng)信號進行加法運算，再通過一個反向器輸出。由于上一步中輸入信號已經(jīng)取反，因此就如同減法運算。

3.2單片機控制系統(tǒng)設計

單片機控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)的設計的核心。單片機硬件電路主要分為最小系統(tǒng)和I/O口配置。最小系統(tǒng)為晶振電路、復位電路和電源電路。只有在最小系統(tǒng)配置正確時，單片機才能正常工作。I/O口是單片機的外設端口，用于單片機與外部器件進行數(shù)據(jù)溝通，是單片機的主要功能。單片機的I/O口配置如圖3所示。

3.3 單片機主要外設電路設計

3.3.1 模數(shù)轉換電路

AD7705模數(shù)轉換電路的原理圖如圖4所示。其中，2、3引腳接有2.4576MHz的晶振；9引腳為參考電壓端，本設計參考電壓為2.5V，取自AD780電壓基準芯片輸出； 1、5、12、13、14控制引腳與單片機相連；4腳（CS）直接接地，表示片選；電源端接入電容是為了濾除雜波。如前所述，傳感器在0～50ppm時對應的輸出電壓0.64-4.48V經(jīng)2V減法電路和濾除0～1ppm后變?yōu)?.10～2.48V，直接作為AD的輸入，正好符合AD的輸入范圍，因此本設計無需采用放大電路。

3.3.2狀態(tài)顯示和報警電路

為了在檢測報警環(huán)節(jié)中多一分保障，系統(tǒng)同時進行聲光報警。檢測時若蜂鳴器響起，則表示已經(jīng)超過甲醛安全濃度極限值，同時紅燈亮，警示檢測人員。圖5為聲光報警原理圖。

3.3.3無線控制電路

為了使檢測更安全、更方便，本系統(tǒng)加入了無線模塊。該無線模塊（SC2272）已經(jīng)通過譯碼器將無線信號轉為數(shù)字信號，無須進行繁瑣的對頻、解碼等操作，可直接送入單片機，調取相關程序和指令，實用十分方便。無線控制的控制引腳如圖6所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1系統(tǒng)流程

本設計系統(tǒng)軟件由主程序，DS1302子程序，液晶顯示子程序、AD轉換子程序、聲光報警子程序、按鍵掃描中斷服務程序（無線模塊）等構成。系統(tǒng)首先進行初始化，然后AD轉換，顯示出甲醛濃度值，超過限值則發(fā)出聲光報警，并在閑置時間顯示時鐘。系統(tǒng)流程如圖7所示。

4.2定標流程

MS1100傳感器輸出特性為非線性，而A/D轉換器和儀表放大器都是線性的，因此需要通過軟件將非線性數(shù)據(jù)用查表和線性插值法轉換為實際值。

5 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)設計的最終結果為檢測室內甲醛濃度。濃度測試是至關重要的。由于甲醛氣體具有毒性，不易購買和實驗，因此本設計首先通過電位器模擬甲醛濃度變化，而后采用室內裝修過的木板等作為甲醛釋放源進行測試，并與標準儀器進行比較。可以根據(jù)線性插值公式（1）查表計算。

6 總結

本設計描述了甲醛傳感器的輸出電路，減法濾波、AD數(shù)據(jù)轉換等電路設計。系統(tǒng)以線性插值法處理數(shù)據(jù)，用液晶顯示出實時濃度值，可以遙控的方式控制運行。本系統(tǒng)最大引用誤差為1.98%，滿足測量精度要求。

參考文獻：

[1] 馬天，曾令平，羅張怡.室內主要污染氣體甲醛TVOC的快速檢測方法評述[J].中國技術測試研究院，2004，9.

[2] 吳娜，王兢.甲醛氣敏元件的研制[J].傳感器技術，2005，24（10）：83-85.

[3] 孫蕾.用于聲表面波甲醛傳感器的相關系統(tǒng)研究[D].大連理工大學，2005.

[4] 李翠紅.分子篩吸附劑對甲醛分子吸附性能的研究[D].大連理工大學，2005.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】