李旭華

(嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院,廣東 梅州 514015)

甲醛(分子式：CH2O)亦稱蟻醛，是最簡(jiǎn)單的醛類，通常情況下是一種可燃、無(wú)色及有刺激性的氣體.甲醛若在空氣中的濃度超過(guò)0.1 mg/m3,會(huì)導(dǎo)致眼睛和黏膜細(xì)胞的傷害.在體內(nèi)，甲醛可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)不可逆的與DNA鍵結(jié).動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示暴露在大劑量的甲醛中會(huì)使得鼻子與喉嚨致癌的機(jī)率增加.[1]世界衛(wèi)生組織確認(rèn)甲醛為致畸、致癌物質(zhì),是變態(tài)反應(yīng)源,長(zhǎng)期接觸將導(dǎo)致基因突變.[2]目前甲醛污染問(wèn)題主要集中于居室、紡織品和食品中.居室裝飾材料和家具中的膠合板、纖維板、刨花板等人造板材中含有大量以甲醛為主的脲醛樹(shù)脂,各類油漆、涂料中都含有甲醛[3].對(duì)于甲醛的檢測(cè)方法目前主要有分光光度法、電化學(xué)檢測(cè)法、傳感器法等.由于分光光度法、電化學(xué)檢測(cè)法利用化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，需要在專門(mén)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，且難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)；所以采用半導(dǎo)體式VOC氣體傳感器MS1100，具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，能夠偵測(cè)1×10-7kg/m3以上的氣體，適用于檢測(cè)空氣中的甲醛、苯、二甲苯等多種有機(jī)揮發(fā)成分，同時(shí)具有體積小巧、價(jià)格便宜、響應(yīng)速度快.

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)總體框架如圖1所示，主要包括甲醛氣體采集、單片機(jī)模/數(shù)轉(zhuǎn)換、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸.系統(tǒng)的下位機(jī)利用傳感器采集待測(cè)氣體，得到的電壓信號(hào)送入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將字符型數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī).上位機(jī)PC端程序采用虛擬儀器軟件LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā).虛擬儀器是在傳統(tǒng)儀器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，完全繼承了傳統(tǒng)儀器的所有優(yōu)點(diǎn)，并超越了傳統(tǒng)儀器.其把傳統(tǒng)儀器的顯示和硬件數(shù)據(jù)處理引入到計(jì)算機(jī)中來(lái)顯示并進(jìn)行軟件處理.這也是近年來(lái)計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展的結(jié)果.虛擬儀器配置了多種相應(yīng)的I/O接口設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用不同功能的測(cè)試軟件對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析處理及顯示，構(gòu)成一整套的虛擬測(cè)試系統(tǒng)[4].

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

圖2 傳感器測(cè)試電路及輸出電壓與濃度關(guān)系

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 VOCS傳感器電路

設(shè)計(jì)采用MS1100半導(dǎo)體氣敏傳感器模塊，敏感體主要是由半導(dǎo)體材料制成的，其中應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料是金屬氧化物半導(dǎo)體，在氣體傳感器領(lǐng)域中應(yīng)用最多的金屬氧化物是SnO2、ZnO、Fe2O3、WO3等.

圖2是傳感器的基本測(cè)試電路.被測(cè)氣體在半導(dǎo)體表面與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)通常需要一定的溫度，要獲得所需要的溫度就必須通過(guò)加熱器給傳感器通電加熱.該傳感器的加熱電壓VH和電路電壓VCC共用5 V電壓.可輸出0～5 V的模擬電壓Vout，由器件手冊(cè)得到輸出電壓與待測(cè)氣體濃度的關(guān)系式，適合測(cè)試的氣體濃度范圍為0～100 ×10-6kg/m3.

2.2 傳感器電壓的采集

STC12C5A系列單片機(jī)自帶ADC功能，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)250 kHz.上電復(fù)位后P1口為弱上拉口，用戶可以通過(guò)軟件設(shè)置將8路通道的任意一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換[5].單片機(jī)的參考電壓來(lái)自電源電壓VCC，可不外接參考電壓源.實(shí)際使用時(shí)萬(wàn)用表量出工作電壓并記錄在單片機(jī)的EEPROM.來(lái)自傳感器模塊的采樣電壓接入單片機(jī)P1口的P1.0引腳，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的采樣電壓值進(jìn)行中值過(guò)濾處理，剔除不合理的采樣值.通過(guò)串行通信發(fā)送到Hi-Link的RM04模塊的串口.

2.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸

HLK-RM04模塊是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)(Wi-Fi)3個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換.通過(guò)HLK-RM04模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)傳輸自己的數(shù)據(jù)，為用戶的串口設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)提供完整快速的解決方案[6].

HLK-RM04模塊與PC的串口連接后，工作模式中選擇“無(wú)線AP模式”，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選擇“TCP服務(wù)器”，設(shè)定RM04模塊的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，調(diào)整與單片機(jī)進(jìn)行串行通信的波特率、幀的格式及遠(yuǎn)程端口.多處的氣體采集節(jié)點(diǎn)與各自的RM04模塊連接在一起，組成分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；將RM04模塊處于同一子網(wǎng)，在路由器的控制下，帶有WiFi功能的PC機(jī)和智能手機(jī)都可以接收到指定地址的RM04模塊發(fā)出的數(shù)據(jù).若接入互聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù).由于模塊與單片機(jī)之間采用串行通信，需要MAX232芯片完成TTL/RS232電平轉(zhuǎn)換.

3 軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)單片機(jī)的程序包括LCM液晶顯示模塊、ADC轉(zhuǎn)換模塊、溫濕度檢測(cè)和串行通信模塊.單片機(jī)的LCM模塊可以顯示現(xiàn)場(chǎng)的氣體采樣電壓、溫濕度和氣體的實(shí)時(shí)濃度；為了適應(yīng)無(wú)人值守等環(huán)境要求，利用單片機(jī)的看門(mén)狗定時(shí)復(fù)位功能，保證信號(hào)電壓的采集和顯示；串行通信采用與RM04模塊相同的波特率和相同的幀格式，保證數(shù)據(jù)的正確發(fā)送和接收.

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

主從設(shè)計(jì)模式特別適合一對(duì)多的情況，主方發(fā)布數(shù)據(jù)，從方被動(dòng)響應(yīng)[7].HLK-RM04模塊與PC機(jī)之間的通信采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，不同的節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接可直接與PC機(jī)通信.對(duì)于不同位置節(jié)點(diǎn)的氣體采樣，TCP/IP傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間的各不相同.上位機(jī)程序采用主從結(jié)構(gòu)，使得每個(gè)點(diǎn)的采集任務(wù)分別在各自的循環(huán)中實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在前面板顯示每個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)需要隨時(shí)切換到指定采集點(diǎn)，實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)曲線的變化(圖3所示).

圖3 前面板運(yùn)行圖

在圖4的主循環(huán)中，采用狀態(tài)機(jī)模式控制上位機(jī)系統(tǒng)的“初始化”、“數(shù)據(jù)處理”和“退出”等狀態(tài),在“數(shù)據(jù)處理”狀態(tài)中引入事件結(jié)構(gòu)，對(duì)前面板的輸入輸出控件的動(dòng)作設(shè)定事件，提高程序的響應(yīng)速度.

圖4 上位機(jī)主循環(huán)框圖

如圖5示，從循環(huán)采用TCP函數(shù)編寫(xiě)，當(dāng)“讀取TCP數(shù)據(jù)函數(shù)”以CRLF格式從網(wǎng)絡(luò)上獲取數(shù)據(jù)流，可得到RM04模塊發(fā)出的字符數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)做字符串處理得到數(shù)值型數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)波形曲線繪制和數(shù)據(jù)監(jiān)控，同時(shí)可選擇存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能.其中信號(hào)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、信號(hào)濃度轉(zhuǎn)換和濃度報(bào)警等模塊以子VI的形式被調(diào)用.若需要增加采集節(jié)點(diǎn)，可在程序框圖中直接添加對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的從循環(huán)，所有的采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

4 結(jié)束語(yǔ)

采用半導(dǎo)體氣敏元件檢測(cè)甲醛氣體，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單；利用HLK-RM04模塊進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，擴(kuò)大了氣體的監(jiān)控距離和范圍，可以使用支持Wi-Fi的智能設(shè)備獲取氣體數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)觀測(cè)氣體濃度變化.整個(gè)采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的容災(zāi)特性.

圖5

[1] 周公度.化學(xué)辭典[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：316.

[2] 黃湘源,徐春秀.催化動(dòng)力學(xué)測(cè)定食品中痕量甲醛[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào),2003,27(1):78-81.

[3] 王爭(zhēng),林永娟.室內(nèi)空氣中甲醛測(cè)定方法選擇探討[J].上海計(jì)量測(cè)試,2003,30(5):17-19.

[4] 鄭對(duì)元.精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[5] 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程-入門(mén)、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：285.

[6] 海凌科電子有限公司.HLK-RM04說(shuō)明書(shū)[EB/OL].[2013-07-23].Shenzhen Hi-Link Electronic Co.,Ltd Http://www.hlktech.com.

[7] 陳樹(shù)學(xué),劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：396.