便携式甲醛及PM2.5检测仪设计

周岳斌， 王 冬， 杨 凯， 陈青青

（1.湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北 襄阳 441053；2.汽车零部件制造装备数字化湖北省协同创新中心，湖北 襄阳 441053）

引言

甲醛在有毒化学品优先处理名单中排在第二位，世界卫生组织已把它确立为致癌和致畸化学品。随着物质生活水平的提高，越来越多的人开始关注自己居住环境的甲醛含量。PM2.5是空气中细颗粒物，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，对人体健康和大气环境质量的影响大。目前，对于甲醛的检测主要有电化学检测法、分光度法、气相色谱法和液相色谱法等；对于PM2.5的检测主要有光散射法、震荡天平法以及称重法。市面上的甲醛检测仪和PM2.5检测仪大都是独立个体，检测功能单一、灵敏度较低、智能化程度不高。少数厂家推出的具有多种气体检测功能的产品，相对价格昂贵、体积较大，不便于携带，不适于普通家庭和办公室等场所的持有和使用［1－4］。

1 系统设计方案

本设计提出了一种便携式甲醛及PM2.5系统方案，系统结构如图1所示。系统主要功能模块包括甲醛检测模块、PM2.5检测模块、温湿度检测模块、微处理器模块、无线收发模块、液晶显示模块和按键输入模块。

微处理器模块上的主控芯片有PA、PB、PC三组端口，各有16个引脚，可设置为ADC、PWM、SPI、I2C、串口、数字I／O等多种接口模式，其中甲醛检测模块连接到ADC接口，PM2.5检测模块连接到PWM接口，温湿度检测模块连接到I2C接口，无线收发模块连接到SPI接口，液晶显示模块和按键输入模块连接到数字I／O接口。

图1 系统结构图

2 主要功能模块设计

2.1 甲醛检测

甲醛检测模块电路如图2所示，包括电化学式甲醛传感器、信号放大电路、温度补偿电路。甲醛传感器选用英国达特（DART）公司产品，具有稳定的线性度，高速的响应时间，测量灵敏度达到0.01×10－6，可实现甲醛信号的采集。该传感器内含一个两电极燃料电池传感器，通过其内部贵金属电极与甲醛产生电化学反应，将甲醛浓度转换为微弱模拟电流信号，输出的电流值与空气中从零到高浓度的甲醛浓度呈线性关系。信号放大电路接成电流转电压的放大电路形式，使用一个双电源供电的低功率、低噪声运算放大器，将甲醛传感器输出的微弱模拟电流信号进行放大。温度补偿电路通过在运算放大器反馈回路中加入一个负温度系数的热敏电阻来实现，该热敏电阻可以通过与其他电阻的串并联进行修正。

图2 甲醛检测模块电路

在微处理器模块的软件控制下，热敏电阻的补偿会更加精确，经过温度补偿，甲醛传感器的线性度可达5×10－6。信号放大电路采用负反馈放大结构，对输入的甲醛浓度信号进行等比线性放大和降噪处理，然后送入微处理器模块的ADC接口进行模数转换，通过1个12位的μs级ADC将放大后的甲醛浓度模拟信号转换为数字信号，再由微处理器模块的主控芯片对其进行数字滤波和数制转换，得到的测量数据通过I／O接口送入液晶显示模块的液晶驱动电路，实现测试数据和控制界面的显示［5－6］。

2.2 PM2.5检测

PM2.5检测模块电路如图3所示，包括灰尘传感器、光耦隔离电路。灰尘传感器选用DSM501A，基于光散射原理，采用粒子计数的方法，检测空气中的灰尘浓度，输出5V的PWM脉宽调制信号。DSM501A具有内置加热器，加热导致外部空气流进模块内部，空气中的灰尘粒子被LED光源发出的探测光照射后，引起探测光发生散射，散射光经过透镜汇聚后，光电转换器PT把光脉冲转化成电脉冲，再经过电路的进一步放大输出，完成对粒子个数的计数以及粒子大小的判断［7］。该传感器可以感知1μm以上微小粒子，它体积小、重量轻、便于安装且保养简单。

图3 PM2.5检测模块电路

DSM501A传感器送出的PWM脉冲信号，输入光耦隔离电路TLP112A，进行电平转换、光电隔离以及功率驱动，将信号传入微处理器模块的数字I／O接口，由主控芯片完成PWM脉宽调制信号的低脉冲率计算来获得PM2.5浓度。

2.3 温湿度检测

温湿度检测模块电路如图4所示，采用一个含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器SHT11。该传感器采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性与稳定性。将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，包含一个阻式感湿元件和一个测温元件。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。采用单线制串行接口，输出完全标定的数字信号，可与微处理器模块4的数字I／O接口直接相连。

图4 温湿度检测模块电路

2.4 微处理器

微处理器模块电路如图5所示，采用32位单片处理器STM32F103RCT6作为主控芯片，其最高主频为72MHz，48K字节的RAM，256K字节的FLASH，在性能上大大缩短了中断响应的时间，同时处理器功耗很低。该芯片集成了CAN、I2C、SPI、UART等常用通信接口，具有灵活的连通性。

2.5 无线收发

无线收发模块包括天线和无线收发器，采用NRF24L01作为无线收发器，通过一个SPI接口就可与微处理器模块连接。NRF24L01可工作于2.4～2.5GHz频段，内置频率发生器、模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器，输出功率和通信频道可由微处理器模块的主控芯片进行配置。利用无线收发模块或微处理器模块的串口，上位机可查阅历史数据，观察数据曲线，进行数据分析。

图5 微处理器模块电路

2.6 液晶显示与按键输入

液晶显示模块采用点阵字符型液晶显示元件LCD1602，其中包括液晶驱动电路和液晶显示屏，采用8位数据传输方式，通过一个标准的16针双排插口连接到微处理器模块的数字I／O接口。按键输入模块采用4×4薄膜键盘，通过一个标准的8针单排插口连接到微处理器模块的数字I／O接口。

3 结语

通过介绍了一种便携式甲醛与PM2.5检测仪的设计，主要包括甲醛检测、PM2.5检测、温湿度检测、微处理器、无线收发、液晶显示和按键输入功能模块。该检测仪采用电化学式甲醛传感器和光学灰尘传感器，具有良好的灵敏度和响应速度，使用方便，可同时检测和监控甲醛、PM2.5和温湿度，适用于家庭、办公室等场所。

［1］ 程望斌，周海燕.基于光谱法的甲醛浓度检测系统设计与实现［J］.湖南理工学院学报（自然科学版），2011，24（1）：55－58.

［2］ 孟繁硕.袖珍型甲醛检测仪的设计［D］.呼和浩特：内蒙古工业大学，2013.

［3］ 王啸东.PM2.5粉尘颗粒检测仪的研制［J］.电子世界，2013（16）：96.

［4］ 毛朔南，马宇明，蔡冶强，等.PM2.5检测标准及量值溯源方法现状及进展［J］.中国计量，2013（3）：30－32.

［5］ 兰羽，卢庆林.基于AT89C52的便携式甲醛检测仪设计［J］.机械与电子，2014（1）：67－70.

［6］ 桂彩云，杨宏亮.室内甲醛含量自动检测系统的设计与实现［J］.国外电子测量技术，2014，33（7）：40－44.

［7］ 杨永杰，张裕胜，杨赛程，等.一种PM2.5检测传感器设计［J］.传感器与微系统，2014，33（3）：76－79.