周岳斌， 王 冬， 楊 凱， 陳青青

（1.湖北文理學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053；2.汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 襄陽 441053）

引言

甲醛在有毒化學(xué)品優(yōu)先處理名單中排在第二位，世界衛(wèi)生組織已把它確立為致癌和致畸化學(xué)品。隨著物質(zhì)生活水平的提高，越來越多的人開始關(guān)注自己居住環(huán)境的甲醛含量。PM2.5是空氣中細顆粒物，PM2.5粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質(zhì)，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響大。目前，對于甲醛的檢測主要有電化學(xué)檢測法、分光度法、氣相色譜法和液相色譜法等；對于PM2.5的檢測主要有光散射法、震蕩天平法以及稱重法。市面上的甲醛檢測儀和PM2.5檢測儀大都是獨立個體，檢測功能單一、靈敏度較低、智能化程度不高。少數(shù)廠家推出的具有多種氣體檢測功能的產(chǎn)品，相對價格昂貴、體積較大，不便于攜帶，不適于普通家庭和辦公室等場所的持有和使用［1－4］。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本設(shè)計提出了一種便攜式甲醛及PM2.5系統(tǒng)方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要功能模塊包括甲醛檢測模塊、PM2.5檢測模塊、溫濕度檢測模塊、微處理器模塊、無線收發(fā)模塊、液晶顯示模塊和按鍵輸入模塊。

微處理器模塊上的主控芯片有PA、PB、PC三組端口，各有16個引腳，可設(shè)置為ADC、PWM、SPI、I2C、串口、數(shù)字I／O等多種接口模式，其中甲醛檢測模塊連接到ADC接口，PM2.5檢測模塊連接到PWM接口，溫濕度檢測模塊連接到I2C接口，無線收發(fā)模塊連接到SPI接口，液晶顯示模塊和按鍵輸入模塊連接到數(shù)字I／O接口。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 主要功能模塊設(shè)計

2.1 甲醛檢測

甲醛檢測模塊電路如圖2所示，包括電化學(xué)式甲醛傳感器、信號放大電路、溫度補償電路。甲醛傳感器選用英國達特（DART）公司產(chǎn)品，具有穩(wěn)定的線性度，高速的響應(yīng)時間，測量靈敏度達到0.01×10－6，可實現(xiàn)甲醛信號的采集。該傳感器內(nèi)含一個兩電極燃料電池傳感器，通過其內(nèi)部貴金屬電極與甲醛產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，將甲醛濃度轉(zhuǎn)換為微弱模擬電流信號，輸出的電流值與空氣中從零到高濃度的甲醛濃度呈線性關(guān)系。信號放大電路接成電流轉(zhuǎn)電壓的放大電路形式，使用一個雙電源供電的低功率、低噪聲運算放大器，將甲醛傳感器輸出的微弱模擬電流信號進行放大。溫度補償電路通過在運算放大器反饋回路中加入一個負溫度系數(shù)的熱敏電阻來實現(xiàn)，該熱敏電阻可以通過與其他電阻的串并聯(lián)進行修正。

圖2 甲醛檢測模塊電路

在微處理器模塊的軟件控制下，熱敏電阻的補償會更加精確，經(jīng)過溫度補償，甲醛傳感器的線性度可達5×10－6。信號放大電路采用負反饋放大結(jié)構(gòu)，對輸入的甲醛濃度信號進行等比線性放大和降噪處理，然后送入微處理器模塊的ADC接口進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過1個12位的μs級ADC將放大后的甲醛濃度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由微處理器模塊的主控芯片對其進行數(shù)字濾波和數(shù)制轉(zhuǎn)換，得到的測量數(shù)據(jù)通過I／O接口送入液晶顯示模塊的液晶驅(qū)動電路，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)和控制界面的顯示［5－6］。

2.2 PM2.5檢測

PM2.5檢測模塊電路如圖3所示，包括灰塵傳感器、光耦隔離電路?；覊m傳感器選用DSM501A，基于光散射原理，采用粒子計數(shù)的方法，檢測空氣中的灰塵濃度，輸出5V的PWM脈寬調(diào)制信號。DSM501A具有內(nèi)置加熱器，加熱導(dǎo)致外部空氣流進模塊內(nèi)部，空氣中的灰塵粒子被LED光源發(fā)出的探測光照射后，引起探測光發(fā)生散射，散射光經(jīng)過透鏡匯聚后，光電轉(zhuǎn)換器PT把光脈沖轉(zhuǎn)化成電脈沖，再經(jīng)過電路的進一步放大輸出，完成對粒子個數(shù)的計數(shù)以及粒子大小的判斷［7］。該傳感器可以感知1μm以上微小粒子，它體積小、重量輕、便于安裝且保養(yǎng)簡單。

圖3 PM2.5檢測模塊電路

DSM501A傳感器送出的PWM脈沖信號，輸入光耦隔離電路TLP112A，進行電平轉(zhuǎn)換、光電隔離以及功率驅(qū)動，將信號傳入微處理器模塊的數(shù)字I／O接口，由主控芯片完成PWM脈寬調(diào)制信號的低脈沖率計算來獲得PM2.5濃度。

2.3 溫濕度檢測

溫濕度檢測模塊電路如圖4所示，采用一個含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器SHT11。該傳感器采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與穩(wěn)定性。將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，包含一個阻式感濕元件和一個測溫元件。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。采用單線制串行接口，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號，可與微處理器模塊4的數(shù)字I／O接口直接相連。

圖4 溫濕度檢測模塊電路

2.4 微處理器

微處理器模塊電路如圖5所示，采用32位單片處理器STM32F103RCT6作為主控芯片，其最高主頻為72MHz，48K字節(jié)的RAM，256K字節(jié)的FLASH，在性能上大大縮短了中斷響應(yīng)的時間，同時處理器功耗很低。該芯片集成了CAN、I2C、SPI、UART等常用通信接口，具有靈活的連通性。

2.5 無線收發(fā)

無線收發(fā)模塊包括天線和無線收發(fā)器，采用NRF24L01作為無線收發(fā)器，通過一個SPI接口就可與微處理器模塊連接。NRF24L01可工作于2.4～2.5GHz頻段，內(nèi)置頻率發(fā)生器、模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器，輸出功率和通信頻道可由微處理器模塊的主控芯片進行配置。利用無線收發(fā)模塊或微處理器模塊的串口，上位機可查閱歷史數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)曲線，進行數(shù)據(jù)分析。

圖5 微處理器模塊電路

2.6 液晶顯示與按鍵輸入

液晶顯示模塊采用點陣字符型液晶顯示元件LCD1602，其中包括液晶驅(qū)動電路和液晶顯示屏，采用8位數(shù)據(jù)傳輸方式，通過一個標(biāo)準(zhǔn)的16針雙排插口連接到微處理器模塊的數(shù)字I／O接口。按鍵輸入模塊采用4×4薄膜鍵盤，通過一個標(biāo)準(zhǔn)的8針單排插口連接到微處理器模塊的數(shù)字I／O接口。

3 結(jié)語

通過介紹了一種便攜式甲醛與PM2.5檢測儀的設(shè)計，主要包括甲醛檢測、PM2.5檢測、溫濕度檢測、微處理器、無線收發(fā)、液晶顯示和按鍵輸入功能模塊。該檢測儀采用電化學(xué)式甲醛傳感器和光學(xué)灰塵傳感器，具有良好的靈敏度和響應(yīng)速度，使用方便，可同時檢測和監(jiān)控甲醛、PM2.5和溫濕度，適用于家庭、辦公室等場所。

［1］ 程望斌，周海燕.基于光譜法的甲醛濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.湖南理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，24（1）：55－58.

［2］ 孟繁碩.袖珍型甲醛檢測儀的設(shè)計［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2013.

［3］ 王嘯東.PM2.5粉塵顆粒檢測儀的研制［J］.電子世界，2013（16）：96.

［4］ 毛朔南，馬宇明，蔡冶強，等.PM2.5檢測標(biāo)準(zhǔn)及量值溯源方法現(xiàn)狀及進展［J］.中國計量，2013（3）：30－32.

［5］ 蘭羽，盧慶林.基于AT89C52的便攜式甲醛檢測儀設(shè)計［J］.機械與電子，2014（1）：67－70.

［6］ 桂彩云，楊宏亮.室內(nèi)甲醛含量自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.國外電子測量技術(shù)，2014，33（7）：40－44.

［7］ 楊永杰，張裕勝，楊賽程，等.一種PM2.5檢測傳感器設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（3）：76－79.