室内甲醛测试仪的设计

【摘 要】甲醛作为一种有毒有害的气体，对人体的危害较大，由于当前装修材料中还有甲醛，往往造成室内甲醛浓度超标，为了方便的检测甲醛的浓度，本文设计了一款简单实用的甲醛测试仪，文章介绍了测试仪的组成结构，各个功能单元的特点以及系统的软件设计，本测试仪可以可直接显示甲醛浓度值，并实现超限报警，可以很方便的实现甲醛的检测，具有广泛的应用场所。

【关键词】甲醛;测试仪;传感器

1.引言

甲醛是一种具有刺激气味的无色气体，也是一种潜在的致癌物质，对人体健康有较大的危害，许多疾病的诱发都与甲醛有关，如哮喘，白血病等。研究表明甲醛浓度到0.06-0.07mg/m³时，就会引发儿童轻微气喘。当甲醛浓度达到0.1mg/m³时，就会产生异味和引起人的不适感。达到0.5mg/m³时，会对眼睛产生刺激，引起流泪现象，因此，甲醛对人体健康的影响不容忽视。

2.测试系统简介

室内甲醛测试仪由单片机，显示电路，功能键盘，甲醛传感器，测量电路及3位半双积分A/D转换器，报警输出电路构成。

2.1甲醛传感器的原理及相关参数：

本测试仪的核心部件为CH20/S-10甲醛传感器，以下为该传感器的原理和相关参数：

甲醛气体传感器CH20/S-10是整个检测系统的核心，它安装在检测探头内。从原理上讲，气体传感器就是一种将某种气体成分量转化成对应电信号的器件。检测探头利用气体传感器对气体样品进行调理，一般包括滤除杂质和干扰气体、气体的干燥或制冷处理、气体样品的抽吸，以至于对样品气体进行化学处理，有利于化学传感器进行更加快速的测量。该甲醛传感器稳定性较强，零漂和区间漂移比较小。其灵敏度较高，选择性好。当空气被探头内部的采样系统吸收后，将产生一个与甲醛浓度成正比的电流，输出一个4～20MA标准电流，通过I/U变换器RCV420转换成0～5V的电压，该电压经过5G14433A/D转换器转换成数字信号，与8051单片机相连，在显示器上显示出甲醛的浓度值，当超过标准时进行报警。

传感器使用时应注意：

（1）3电极传感器：感应电极（S）、参考电极（R）被短路确保稳定的零点电流，传感器接入电路之前需拿掉弹簧测量NO的3电极传感器：传感器无需短路。

（2）2电传感器：感应电极（S）、计数电极（C）被短路确保稳定的零点电流，传感器接入电路之前需拿掉弹簧

（3）请不要把传感器放置在-30℃～50℃的温度环境和有机气体中;为了确保传感器的存储时间，应该把它放置在5～20℃的洁净干燥环境中，不要把传感器放在含有有机溶剂或者易爆液体环境中。

2.2 RCV420精密I/U变换器

RCV420精密I/U变换器能将4～20mA的环路电流变换成0～5V的电压输出。作为一种单片集成电路具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密运放和电阻网络外，还集成有10V基准电压源。在不需要外调整的情况下，可以获得86dB的共模抑制比和40V的共模电压输入。在全量程范围内输入阻抗仅有1.5V的压降，对于环路电流具有很好的变换能力。在使用过程中，芯片的10、11和12脚相连，2、5和13脚相连接地，14和15脚相连接，作为0～5V电压信号的输出端，当需要调整芯片的增益时，在14和15脚之间加上一个电位器用来调整芯片的增益，这样会使芯片的模抑制比降低，所以，我们在使用时，直接将14和15脚短接，这样就不会使芯片的共模抑制比降低，芯片的7和8脚悬空，4和16脚分别接一个1μF的电容接地，用来滤除杂散干扰，在芯片的IN+或IN-端接输入的电流信号，这两端选择一端输入即可，具体从哪端于输入信号，取决于输入信号的极性和所需输出电压的极性。

2.3 5G14433A/D转换器

5G14433A/D转换器是国产的广为流行的最典型的双积分3位半A/D转换器它具有抗干扰性能好，转换精度高（相当于11位二进制数），自动校零，自动极性输出，自动量程控制信号输出，动态字位扫描BCD码输出，单基准电压，外接元件少，价格低廉等特点。但其转换速度慢，约1～10次/秒在不要求高速转换的场合。5G14433芯片引脚参数如下：

VX：被测电压输入端。

R1、R1/C1、C1：外接積分电阻器和积分电容C1元件端，外接元件典型值：

当量程为2V时，C1=0.1μF，R1=470KΩ;

当量程200mV时，C1=0.1μF，R1=27KΩ

C01、C02：外接失调补偿电容C0端，C0的典型值为0.1μF。

DU：更新输出的A/D转换数据结 果的输入端。当DU与EOC连接时，每次的A/D转换结果都被更新。

CLKI和CLKO：时钟振荡器外接电阻Rc端，Rc的典型值为470kΩ，频率随着Rc增加而下降。

EOC：转换周期结束标志输出。每当一个A/D转换周期结束，EOC端输出一个宽度为时钟周期二分之一宽度的正脉冲，与DU一起接单片机的P3.2引脚。

DS1～DS4：多路选通脉冲输出端，分别接电片机的P1.4～P1.7引脚。DS1对应千位，DS4对应个位。

此外，系统设置为了3×3阵列键盘，有功能选择键、报警确认键、回车（数值确认）键、数值键、键等以及LCD显示单元，选用4×16字符点阵液晶显示屏模块组件，主要有LCD显示器、控制器、驱动器和偏压产生电路组成。

3.软件设计

软件采用模块化设计。全部软件由主程序、键盘处理子程序、数据采集子程序、报警程序组成。主程序是控制和管理的核心。系统上电后进行初始化和中断处理操作。初始化主要完成对报警值的设定和初次检查，同时断开各电器的电源。初始化完成后，系统开始正常运转，进行甲醛浓度检测和报警等操作。

为了提高测量精度，本文采用中值滤波法，把N次采样值从大到小或从小到大，按递增或递减顺序排序，再取中间值作本次采样值。中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样不稳定产生的误差比较有效，在N次采样中只要有一次是正确的，即可提高精度。

4.结论

本文对利用单片机实现室内甲醛浓度测量进行了比较全面的描述和分析，本文所实现的甲醛浓度测量系统具有比较全面的功能。该测量系统操作方便、性价比适宜、运行可靠，测量精度高，还可以根据具体的需要对系统进行适当的修改。

参考文献：

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[2]黄宝鹏.便携式甲醛测试仪的设计[J].电子测试，2017（11）.

[3]郝明燕[1].国内外甲醛测试方法标准比较[J].中国纤检，2013（24）：77-79.

[4]李娜.室内环境甲醛检测的能力测试及影响因素分析[J].安徽化工，2017（3）：118-120.

作者简介：

张伟，男，1972年11月生，山东泗水县人，硕士研究生，副教授。2005年毕业于山东大学控制学院，专业是控制理论与控制工程，现在临沂大学自动化与电气工程学院从事教学工作，主要研究方向是检测技术与仪表，计算机控制以及电路的软件仿真和设计。

（作者单位：临沂大学自动化与电气工程学院）