一种便携式室内空气质量快速检测仪设计*

郭威彤， 宋海声， 杨鸿武， 裴 东

(西北师范大学 物理与电子工程学院，甘肃 兰州 730070)

一种便携式室内空气质量快速检测仪设计*

郭威彤， 宋海声， 杨鸿武， 裴 东

(西北师范大学 物理与电子工程学院，甘肃 兰州 730070)

设计一种涉及室内甲醛(HCHO)、氨(NH3)和苯(C6H6)三种有害气体浓度的便携式快速检测仪。该仪器采用新型电化学传感器与基于FPGA的新型高精度信号处理电路得到对应气体的初始浓度值，并结合室内环境气压和温湿度实时监测情况，修正初始浓度值，对浓度超标气体进行声光报警。该仪器具有检测速度快、精度高和携带方便等优点，为大众家庭实时快速检测室内空气质量提供一种简单可靠的方法与手段。

室内空气质量； 电化学传感器； 信号处理； 检测仪

0 引 言

随着经济发展和社会进步，人们越来越崇尚优越的居室环境，各种类型的建材和家电设备进驻室内，使得室内污染物复杂多样。室内空气污染给社会、家庭和个人造成巨大的损失，全球每年因室内空气污染而导致死亡的人数达约280万，因此，室内空气污染已被列为全球四个最关键的环境问题之一[1]。室内污染物主要包括甲醛(HCHO)、氨(NH3)、苯(C6H6)系物、总挥发性有机物、放射性氡等[2]。甲醛和苯都是致癌物，可造成哮喘、心脑血管病、糖尿病、白血病、胎儿畸形、儿童智力大大降低等。氨是一种碱性物质，它对所接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用，长期接触氨可能会出现皮肤色素沉积或手指溃疡，严重者可发生肺水肿、成人呼吸窘迫综合症。

鉴于室内污染物对人体的极大危害，研究快速、准确可靠、简便易行的检测室内污染物的方法与设备就越发显得重要和紧迫。目前研制的室内有害气体检测仪中，通常可实现对室内单一或两种有害气体的检测，且价格昂贵，且需要专业人员进行操作[3]。在诸多检测方法中，传感器法操作方便、体积小，尤其是电化学传感器检测灵敏度高、携带方便、适于现场测试，其价格也随着材料技术与微电子技术的不断发展而降低，适用于在普通家庭中推广。

针对室内空气中对人体伤害最严重的三种污染物甲醛、氨和苯，本文设计了一种基于电化学式传感器和FPGA功能模块构成的便携式室内空气质量快速检测仪。开发这种操作简单、灵敏度高、准确可靠、成本低、携带方便、能在现场实时、持续检测的室内污染气体浓度检测仪意义重大并显得非常迫切。

1 系统设计

该便携式室内空气质量快速检测仪的系统结构如图1所示，主要包括这三种气体传感器模块、电流/电压转换器、低通滤波、A/D转换器、FPGA处理器、液晶显示及声光报警、功能按键、气压及温湿度检测、USB打印输出接口等电路和电源模块组成。

图1 系统结构图

甲醛、氨和苯三种电化学传感器输出的微弱电流经高精度电流/电压转换电路变为电压信号，再经低通滤波后连接至A/D转换器；FPGA控制A/D转换器工作得到这三种气体浓度的初始值；FPGA控制气压和温湿度检测电路工作并得到当前环境的气压和温湿度值，FPGA根据修正算法对这三种气体浓度的初始值进行修正并在液晶屏中显示；修正后的值与国家颁布的《室内空气质量标准》中的标准值进行比较并声光报警指示气体浓度是否超标[4]；设置的选择键和确认键用于任意选择被测对象，设置的打印键用于通过USB打印输出接口打印检测到的室内空气质量相关信息；电源模块负责整个系统供电。

2 电路设计

2.1 传感器与信号处理电路

传感器与信号处理电路如图2所示，主要包括传感器模块、电流/电压转换及低通滤波电路。甲醛传感器选用Membrapor公司的CH2O/S-10-S;氨传感器选用Winsensor公司的ME4-NH3;苯传感器选用Winsensor公司的ME4-C6H6，这三种传感器都是电流输出型器件并都是三个引脚端，分别是对电极CE端、参比电极RE端和工作电极SE端。电路中的R1,R2,R3,C1,C2与运放IC1构成了恒电位仪电路，当传感器工作时，恒电位仪电路发挥自动调节作用，从传感器的SE端输出与浓度呈正比的电流信号，断电后场效应管Q1的源极和漏极短接，使传感器的工作电极和参比电极短接，其主要作用是在断电时确保传感器的RE端和SE端电势相等，防止传感器启动时间过长。

图2 传感器与信号处理电路

传感器输出的微弱电流信号通过R5进入运放IC2的正相输入端，R5,R9和R14与运放IC2构成第一级电路，R10,R11,R12和R13组成失调电压调节电路连接到运放IC2的反相输入端，R15,R16和R17与运放IC3构成第二级电路，这两级电路通过由R6,R7和R8组成的T型反馈电阻网络将输入信号与输出信号连接。通过调节R11可以改变电流/电压转换电路的失调电压，使输入为零时电流/电压转换电路的输出为零；由于甲醛传感器模块、氨气传感器模块和苯传感器模块输出的电流范围不同，可以通过改变R6,R7和R8的大小实现电流/电压转换电路的输出电压范围一致。电流/电压转换后的电压信号进入二阶反相放大有源低通滤波器，由运放IC4，电阻器R18,R19,R20，电位器R21组成，通过调节R21可以改变放大倍数。

2.2 FPGA功能模块设计

FPGA功能模块主要包括基于FPGA控制的采集电路、液晶显示电路、声光报警电路、按键电路、气压及温湿度检测电路、USB接口驱动电路，其电路设计如图3所示。

图3 FPGA功能模块电路

FPGA选用EP2C5T144C8[5]，A/D转换器选用AD7865-2[6]，液晶显示选用基于LCD240128器件的液晶模块[7]，声光报警包括三个LED指示灯和一路扬声器，按键电路含有三个按键，气压检测选用器件BMP085[8]，温湿度检测选用数字温湿度传感器AM2302[9]，USB接口驱动电路选用器件SL811HST[10]。

三种气体传感器对应的电压信号进入高速A/D转换器，AD7865-2由FPGA控制工作将模拟电压信号转换为数字信号，并将数据输出到FPGA中进行后续处理。FPGA控制液晶模块显示甲醛、氨及苯的浓度、环境气压及温湿度值。FPGA控制声光报警电路指示所检测的气体浓度是否超标，当所测气体浓度超标，指示灯对应显示为红色，同时扬声器发出间隔报警声；否则，指示灯显示为绿色。FPGA接受选择键、确认键和打印键的状态信息，选择键用于选择被测对象，确认键用于确认所选择的被测对象，打印键用于控制打印被测气体的浓度值、国家标准值和当前环境的温湿度值。FPGA控制气压和温湿度检测电路进行室内环境气压和温湿度的测量，用于修正初始浓度值，提高测量精度。FPGA控制USB接口驱动电路输出并打印相关测量信息。

2.3 电源模块设计

整个系统采用交流220 V供电，交流电压经变压、整流、滤波和LM1086-5器件稳压后得到+5 V电源。通过器件LM1086-2.5将+5 V转换为+2.5 V电源；通过器件LM1086-3.3将+5 V转换为+3.3 V电源；通过器件MAX660将+5 V转换为-5 V电源；通过器件LM337将-5 V转换为-2.5 V电源。±5，±2.5，+3.3 V五种直流电源能够满足整个系统的电源要求。

2.4 软件设计

这种便携式室内空气质量快速检测仪的工作主流程图如图4所示。根据我国《室内空气质量标准》要求，室内甲醛浓度的标准值为0.10 mg/m3，室内氨浓度的标准值为0.20 mg/m3，室内苯浓度的标准值为0.11 mg/m3。仪器工作的环境湿度必须处于15 %～95 %RH范围内，并且无凝结。

图4 系统主程序流程图

3 实验测试

对样机分别在正常环境、福尔马林环境、氨水环境和苯环境中对进行测试，测试结果如表1所示。通过测试结果可以及时了解并掌握各种环境中的甲醛、氨、苯的浓度，以便采取有效的应对措施。

表1 测试结果

4 结 论

结合环境气压和温湿度对气体浓度测量的影响，本文设计一种便携式室内空气质量快速检测仪，可实现对室内污染物甲醛、氨、苯浓度的准确检测，并具有声光报警与打印输出等功能。经测试与应用表明：该检测仪性能优良，并且具有携带方便、体积小、稳定性高、成本低廉、操作简单等优点，为现场实时、持续监测室内环境质量提供了一种优良的实现方法。

[1] 李 萍.基于ARM的室内空气质量监测系统的设计[D].成都：西南交通大学,2010.

[2] 刘文凯.室内环境空气质量监测技术规范研究[D].北京:清华大学,2004.

[3] 吕 品.室内空气质量控制中关键检测技术的研究[D].大连:大连理工大学,2008.

[4] GB/T 18883—2002.室内空气质量评价标准[S].

[5] 班 超.FPGA高精度时间测量[D].北京:北京邮电大学,2013.

[6] 钟小勇，张小红.便携式钢丝绳在线检测仪研究[J].仪表技术与传感器，2012(3):24-29.

[7] 武艺泳.热牵伸辊新型智能温控系统研究与设计[D].郑州:郑州大学,2013.

[8] 梁胜展，郭雪梅，余晓填.基于BMP085气压传感器及BP算法的高度测量研究与实现[J].传感技术学报,2013,26(5):654-659.

[9] 王晓飞，张伏江，梁福平.基于多CPU和PCI的高速海量温湿度测量系统设计[J].仪表技术与传感器，2013(11):56-58.

[10] 李华锋.USB主控制器及其在智能仪器打印接口上的实现[D].武汉:华中科技大学,2007.

郭威彤( 1982-) ，女，满族，甘肃武威人，硕士，主要研究方向为信号处理。

Design of a portable rapid detection instrument

for indoor air quality*GUO Wei-tong, SONG Hai-sheng, YANG Hong-wu, PEI Dong

(College of Physics and Electronic Engineering,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,China)

A portable rapid detection instrument for four harmful gases which involve indoor formaldehyde,ammonia and benzene is designed.The instrument is designed with a novel electrochemical sensor to get value of initial concentration of corresponding gas and new type high-precision signal processing circuit based on FPGA.Combine indoor ambient pressure,temperature and humidity conditions,correct value of initial concentration, and the audible and visual alarm begin to work when concentration exceed the standard.The instrument has advantages of fast detection speed,high precision and easy to carry,and provide a simple and reliable method for public to real time and quickly detect indoor air quality.

indoor air quality; electrochemical sensor; signal processing; detection instrument

2014—08—21

甘肃省自然科学基金资助项目(1208RJZA191); 甘肃省青年基金资助项目(1208RJYA078)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0092—03

TP 277

B

1000—9787(2015)04—0092—03