基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的便攜式甲醛檢測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦蒙，謝東，曾明海，何燿，劉佳鈺

（1.重慶電力高等?？茖W(xué)校信息工程學(xué)院，重慶，400053；2.重慶三峽學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，重慶，404020）

0 引言

甲醛作為世界上最常見的室內(nèi)有害污染氣體，廣泛存在于我們生活的諸多領(lǐng)域，特別是在新裝修的各類環(huán)境中，空氣中甲醛濃度超標(biāo)率更是達(dá)到了驚人的60%以上。甲醛在常溫下是一種具有特殊氣味的無色氣體，易溶于水、醇和醚，對人們的鼻子、眼睛具有較強(qiáng)的刺激作用，且甲醛在民用住宅中揮發(fā)速度較慢，長期暴露在低濃度甲醛環(huán)境下易引發(fā)慢性呼吸系統(tǒng)疾病[1]。甲醛在毒品化學(xué)物排行榜中位列前二，對人體有具大傷害性，短期容易引發(fā)頭痛、乏力、心悸、失眠、體重減輕等癥狀，且對人體免疫系統(tǒng)和神經(jīng)等都能產(chǎn)生毒害作用，對于免疫系統(tǒng)較弱的人群傷害更大，長期處于甲醛超標(biāo)的環(huán)境中極易誘發(fā)白血病、癌癥等重大疾病。因此，甲醛被世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)確定為第I類致癌物，由此可見檢測和防治甲醛的重要性。而甲醛作為一種具有特殊氣味的刺激性氣體，雖然濃度高時(shí)容易被人察覺，但濃度低時(shí)，人們往往難以察覺。而我國室內(nèi)接觸甲醛的安全劑量是0.1mg/m3，當(dāng)環(huán)境中甲醛含量為0.1mg/m3左右時(shí)，人體就可能會(huì)感到輕微不適；當(dāng)環(huán)境中甲醛含量為0.2mg/m3左右時(shí)，便容易誘發(fā)咽喉炎、哮喘等疾?。划?dāng)環(huán)境中甲醛含量為0.5mg/m3左右時(shí)，眼睛會(huì)有較強(qiáng)的刺激感；當(dāng)環(huán)境中甲醛含量大于0.6mg/m3時(shí)，人們的生命健康便會(huì)受到巨大威脅。因此生活中往往需要借助專業(yè)甲醛檢測設(shè)備進(jìn)行檢測，以此確保人們所處環(huán)境下的空氣質(zhì)量安全。[2]目前，市面上常用的甲醛檢測方法多種多樣，其中較常見的是甲醛試紙光電光度法，首先將浸有發(fā)色劑的試紙上放到測試環(huán)境中,讓浸有發(fā)色劑的試紙與環(huán)境中的甲醛氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)，試紙也會(huì)因甲醛濃度的多少而表現(xiàn)出不同的顏色；然后再去與預(yù)先設(shè)定檢測線進(jìn)行對比，以此獲得當(dāng)前環(huán)境下的甲醛濃度值。而該方法采用的是目視比色法，不僅測量誤差大，而且檢測所需時(shí)間較長[3-4]。在此背景下，電子甲醛檢測設(shè)備因其使用方便、檢測時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)開始逐漸嶄露頭角，并受到了人們越來越多的關(guān)注。但是，目前市面上的甲醛檢測設(shè)備魚龍混雜，普遍存在測量精度偏低，人機(jī)交互性差等缺點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一款操作簡便、測量精度高、人機(jī)交互性好的便攜式甲醛測試設(shè)備便成了諸多學(xué)者和廠家爭相解決的問題[5]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的便攜式甲醛測試儀以51單片機(jī)為核心處理器。其中，甲醛傳感器模塊主要負(fù)責(zé)采集當(dāng)前環(huán)境中的甲醛濃度值，并將其轉(zhuǎn)換后為數(shù)字信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，然后再由單片機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給LCD1602液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。同時(shí)，單片機(jī)還通過藍(lán)牙傳輸模塊將甲醛值發(fā)送到手機(jī)移動(dòng)端，并在相應(yīng)的APP上同步顯示當(dāng)前環(huán)境下的甲醛濃度。當(dāng)甲醛濃度超過預(yù)設(shè)最大安全報(bào)警值時(shí)，機(jī)體的報(bào)警電路模塊以及手機(jī)APP都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，提示人們注意做好相關(guān)的防備工作。此外，整個(gè)系統(tǒng)還配有最大安全濃度值設(shè)置功能（按鍵模塊），人們可以根據(jù)不同的使用環(huán)境調(diào)整便攜式甲醛測試儀的最大安全報(bào)警值，以此滿足不同的應(yīng)用場景，進(jìn)一步提升設(shè)備的競爭性[6]。便攜式甲醛測試儀的系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

51系列單片機(jī)源于Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)，在Intel公司實(shí)行技術(shù)開放后，諸如STC、Atmel、Dallas等國際公司也先后推出了基于8051內(nèi)核的各具特色的單片機(jī)。這些以8051為內(nèi)核的各種兼容型單片機(jī)統(tǒng)一稱為51單片機(jī)。其中，STC公司在Intel公司MCS-51系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了高性價(jià)比的STC89系列單片機(jī)，該款單片機(jī)以其低廉的價(jià)格和獨(dú)特的快閃存儲(chǔ)器（Flash Memory）迅速占領(lǐng)市場，并一舉成為了千萬單片機(jī)初學(xué)者的首選MCU?；诒鞠到y(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的需要，選擇單片機(jī)STC公司的高性能CMOS 8位單片機(jī)STC89C52為核心控制器。該款單片機(jī)支持2.7V-6V的寬電壓工作模式，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、6個(gè)中斷源；支持全靜態(tài)工作，工作頻率為0HZ-24MHz，頻率范圍寬，便于系統(tǒng)功耗控制。同時(shí)，其采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，并兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，功能強(qiáng)大[7]。單片機(jī)最小系統(tǒng)一般主要包含單片機(jī)，晶振電路，復(fù)位電路和電源4個(gè)部分。STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

1.2 甲醛傳感器模塊

圖3 所示為甲醛傳感器模塊，該模塊是一款可以檢測甲醛、甲苯、乙苯等有害氣體的數(shù)字TVOC氣體傳感器，其利用電化學(xué)原理對空氣中存在的甲醛進(jìn)行檢測，具有良好的穩(wěn)定性，可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償功能，檢測精度高。氣體檢測分辨率可達(dá)到0.01mg／m3，量程范圍在0到10mg／m3，響應(yīng)時(shí)間小于10秒。該模塊采用5V直流電壓供電，工作電流小于80mA，在-10℃到+50℃的溫度范圍內(nèi)和小于95%RH的濕度范圍內(nèi)都可正常工作[8]。該傳感器模塊數(shù)據(jù)輸出同時(shí)支持UART方式和I2C方式，用戶可以根據(jù)自身需求自由選擇。本文選用的是UART數(shù)據(jù)傳輸方式，其中，數(shù)據(jù)格式包含8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，波特率選用的是9800bps。

圖3 傳感器模塊

表1所示為甲醛傳感器模塊的接口定義。其中，1號(hào)引腳接5V直流電壓；2號(hào)引腳TDCK在UART模式時(shí)是串口TXD腳，在I2C模式時(shí)，是CLK腳；3號(hào)引腳RXSD在UART模式時(shí)用作重新校準(zhǔn)控制腳，當(dāng)其為0時(shí)，可重新校準(zhǔn)基準(zhǔn)值，在I2C模式時(shí)，是SDA腳；4號(hào)引腳SL=1或者懸空時(shí)，選擇UART模式，當(dāng)SL=0時(shí)，選擇I2C模式；5號(hào)引腳為GND引腳，接電源地。由于該傳感器模塊輸出為數(shù)字信號(hào)，所以可以直接連接單片機(jī)，不需要添加AD轉(zhuǎn)換器。

表1 甲醛傳感器模塊串口接口定義

1.3 液晶顯示模塊

圖4所示為LCD1602液晶顯示模塊，它主要包括字符型液晶顯示屏、HD44780驅(qū)動(dòng)主電路、HD44100擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路3大部分。該模塊是一款使用廣泛的工業(yè)字符型液晶顯示模塊，具有顯示畫質(zhì)高且不閃爍的特點(diǎn)，帶背光，內(nèi)置含128個(gè)字符的ASCII字符集字庫，可以同時(shí)顯示兩行字符，每行可以顯示十六個(gè)符號(hào)、字母或者數(shù)字，不能顯示漢字，可以滿足本次設(shè)計(jì)需要。同時(shí)，它LCD1602模塊體積小巧，功耗較低，顯示操作簡單，是一款非常實(shí)用的液晶顯示設(shè)備。它的最佳工作電壓為5V，內(nèi)部含有復(fù)位電路，可以進(jìn)行光標(biāo)移動(dòng)、清屏等操作[9]。該模塊內(nèi)部含有儲(chǔ)存器，可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它含有并行接口，可以與單片機(jī)直接相連，通過程序來控制液晶顯示甲醛濃度值。在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，LCD1602的1、3號(hào)引腳接了個(gè)滑動(dòng)電阻，可以通過調(diào)節(jié)該電阻的值來控制液晶顯示的背光亮度。

圖4 液晶顯示模塊

1.4 藍(lán)牙模塊

圖5 所示為藍(lán)牙傳輸模塊，其可以通過軟件設(shè)計(jì)完成與手機(jī)、電腦等具有藍(lán)牙功能的設(shè)備實(shí)現(xiàn)配對，本次設(shè)計(jì)中51單片機(jī)可以通過藍(lán)牙傳輸模塊將甲醛濃度值發(fā)送到手機(jī)APP顯示。該模塊所支持的波特率范圍較大，可以支持4800-1382400bps的波特率，并且能與寬工作電壓范圍為2.7V-6V的STC89系列單片機(jī)相兼容，使用非常方便靈活。在使用中約每1.28秒進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送，可以達(dá)到實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的目的，當(dāng)設(shè)備通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)連接時(shí)，藍(lán)牙模塊上的LED燈會(huì)進(jìn)入快慢閃爍狀態(tài)，而沒連接時(shí)則會(huì)閃爍較慢。

圖5 藍(lán)牙實(shí)物圖

1.5 報(bào)警模塊

圖6 所示為報(bào)警電路，蜂鳴器選用的是有源直流蜂鳴器，由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以至于單片機(jī)的I/O 口是無法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來驅(qū)動(dòng)，一般采用三極管來完成驅(qū)動(dòng)電流的放大，電流放大倍數(shù)可達(dá)200倍。其中，三極管一般選用的是PNP型，其在驅(qū)動(dòng)蜂鳴器時(shí)往往采用“基極接單片機(jī)I/O口、集電極接負(fù)載接地、發(fā)射極接VCC”的經(jīng)典電路設(shè)計(jì)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的單片機(jī)I/O口輸出低電平時(shí)，報(bào)警電路啟動(dòng)，當(dāng)單片機(jī)I/O口輸出高電平時(shí)，報(bào)警電路關(guān)閉。

圖6 報(bào)警模塊

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于51單片機(jī)，通過Keil C51語言編程來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。相對于傳統(tǒng)的匯編語言，C51語言具有編程簡單，靈活方便及移植性好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于多種操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含系統(tǒng)初始化、按鍵掃描、LCD顯示、報(bào)警電路控制、藍(lán)牙模塊控制及手機(jī)APP顯示等幾個(gè)部分。系統(tǒng)首先通過甲醛傳感器采集當(dāng)前環(huán)境下的甲醛濃度值，并通過機(jī)體LCD1602液晶和手機(jī)APP同步顯示甲醛濃度值。如果甲醛濃度達(dá)到預(yù)設(shè)的最大安全值就會(huì)激活報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)。同時(shí)，主機(jī)端單片機(jī)通過對按鍵的掃描，來實(shí)現(xiàn)甲醛預(yù)設(shè)最大安全濃度值的調(diào)整。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 測試與結(jié)果

在焊接時(shí)，遵循由大到小焊接，焊接完后要用萬用表對電源、接地等線路進(jìn)行測試，保證電路的正常連接，防止虛焊、漏焊等情況，避免電路短路。焊接過程中任何地方的短路都可能造成電路板燒毀的危險(xiǎn)，造成不必要的成本浪費(fèi)。物理焊接完成后，必須進(jìn)行通電試驗(yàn)。試驗(yàn)前，用萬用表檢測各信號(hào)之間的電路連接，防止短路和開路。在確保每個(gè)信號(hào)之間的連接正常后，程序?qū)⒈粺浀絾纹瑱C(jī)中，最后連接電源，進(jìn)行實(shí)物功能測試。正常情況下， LCD1602第一行顯示預(yù)設(shè)的甲醛最大安全報(bào)警值，第二行顯示當(dāng)前環(huán)境下甲醛的濃度值。同時(shí)，手機(jī)APP也會(huì)通過藍(lán)牙模塊接收到單片機(jī)傳遞過來的甲醛濃度值，方便實(shí)現(xiàn)同步顯示。當(dāng)甲醛濃度值超過預(yù)設(shè)的最大安全濃度值時(shí)，系統(tǒng)的蜂鳴器和LED構(gòu)成的報(bào)警電路就會(huì)被觸發(fā)，提醒人們甲醛超標(biāo)。用戶也可以根據(jù)不同的使用場景，通過系統(tǒng)自帶的按鍵手動(dòng)調(diào)節(jié)甲醛最大安全濃度值，進(jìn)一步拓寬設(shè)備的應(yīng)用場景。圖8所示為甲醛檢測儀實(shí)時(shí)測試數(shù)據(jù)。

圖8 甲醛檢測儀實(shí)時(shí)測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的便攜式甲醛檢測儀的，主要滿足人們在各種應(yīng)用場景中快速便捷完成甲醛檢測的需求，充分發(fā)揮了甲醛傳感器模塊測量時(shí)間短和手機(jī)終端同步顯示的優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的該款便攜式甲醛檢測儀采用低成本的51單片機(jī)處理器、高精度的甲醛傳感器、穩(wěn)定的報(bào)警電路、便捷的按鍵電路及高效的LCD1602液晶顯示模塊作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要組成部分。整個(gè)系統(tǒng)具有體積小、功率低、操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、便于攜帶、制作成本低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，不但能夠使人們非常方便的檢測各類環(huán)境中的甲醛濃度是否超標(biāo)，而且甲醛測試儀機(jī)體本身和手機(jī)APP可以同步顯示測試環(huán)境下的當(dāng)前甲醛濃度值，使人們身處安全的環(huán)境下便可以完成甲醛有害氣體的檢測工作，確保人們的身體健康不會(huì)受到有害氣體的侵害。