便携式甲醛浓度检测仪设计

李书婷

（商洛学院 电子信息与电气工程学院，商洛726000）

随着改革开放以来，人们生活水平的提高，现在人们对自己房屋的装修也是变得要求越来越高，装修房屋的样式也是变得多样化。但是在进行对房屋的装修后，一些非环保的装饰材料会陆续向新房间释放有毒气体，如果新房装修后不经过处理和检测就居住，这些气体就会损坏居住者的身体健康。因此在房屋居住前需要对房间中的气体浓度进行检测[1]。经过相关调查分析，新装修房间中的有毒气体主要是甲醛、笨系物等有毒物质，在这些物质中，甲醛对人们的健康是最具有危害性的。国家质量规定，在一级建筑物中的甲醛浓度含量是0.08 mg/m3，在二类建筑物中是0.10 mg/m3，并且当甲醛的浓度达到0.10 mg/m3值时，对人们的健康将具有非常明显的伤害[2]。

目前在对甲醛浓度进行测量时，国内采用的方法主要是通过实验室分析方法[3]，利用这个方法检测的主要仪器多为国外的大型仪器[4]，进行检测的周期比较长[5-8]，并且检测的结果容易受到环境的影响，花费的成本比较高[8-10]。本文针对这一现象，提出了一种便携式甲醛浓度检测仪的设计，通过利用单片机和压片式气敏传感器将检测的浓度结果快速显示出来，并且当浓度达到一定的值时会发出警报，不仅方便使用，并且成本低廉。

1 系统硬件设计

本着便携、方便和价格低廉这3 个要求，本文设计了一款由气体采集转换电路、控制电路、显示电路、报警电路及电源电路五部分构成的甲醛浓度检测仪。其系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

室内含有甲醛气体时，传感器采集甲醛气体，将采集到的甲醛气体传送给单片机，单片机将传送来的气体进行浓度分析，设置报警阈值，当浓度达到这个阈值的时候，将会发出报警信号，引起人们的注意，提示人们采取相应的措施。

1.1 甲醛传感器

作为甲醛浓度检测仪首先要对甲醛气体进行采集和转换成电信号，A/D 转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，传递到单片机中，以便于单片机进行数据处理，作为甲醛浓度检测仪，甲醛传感器是必然需要的一个器件。本文采用片式的半导体气敏传感器，其对于甲醛、一氧化碳、酒精以及氨气等污染气体具有非常强的灵敏性，其在工作时需要的电流小，具有响应时间短、体积小、寿命长等优点。

1.2 控制电路

本文采用AT89C52 单片机作为控制芯片。AT89C52是一种具有低电压的8 位单片机，具有40 个引脚，且电路简单、体积小、成本低。

1.3 显示电路

系统采用共阳极数码管作为显示电路，采用动态扫描显示方式显示。如图2所示。

1.4 报警电路

图2 共阳极二极管Fig.2 Common anode diode

采用NPN 三极管驱动蜂鸣器作为报警装置。蜂鸣器主要分为压电式和电磁式蜂鸣器。电磁式蜂鸣器的原理是利用电磁线圈进行发声，通过电磁线圈周围产生一系列的磁场推动振动膜进行发声，本设计采用的就是电磁蜂鸣器。在单片机中I/O 引脚的输出电流是非常小的，很难驱动蜂鸣器发声，需要外加一个电路增加电流。在程序中通过对不同的波形频率的改变就能够对其控制音调，产生不同的声音和音色。

1.5 电源电路

因为设计的甲醛检测仪要求便携，系统的运行不需要很大电压和电流，所以电源电路采用2 节1.5 V 干电池供电。

2 系统软件设计

为了能够使系统的设计更加清晰，方便出现问题时进行调试，程序将每个部分进行分别划分，对于整体系统的优化非常方便。一个应用系统能够满足其功能的要求，需要的是硬件的保障，必须需要有合理的软件设计作为支撑[11]，特别是在现在大部分的硬件工作都是利用软件编程实现。考虑内部丰富的资源设计，采用C 语言进行编程。在这个系统中分为主控程序以及延时子程序等部分，其中核心的是主控程序[12]，负责控制整个系统的运转。

2.1 系统主程序设计

系统软件的设计主要采用的是模块化设计，其中包含的模块有主控模块、显示模块、语音模块以及数据处理模块。系统在运行前，需要先进行初始化，然后通过串口接收数据，将甲醛的浓度显示出来，当浓度值超过设定的阈值时，将会触发报警模块报警，引起人们的注意，采取相应的处理措施，主流程如图3所示。

2.2 显示子程序设计

系统在进行工作时，单片机控制显示器显示当前浓度，显示模块子程序流程如图4所示。

图3 主流程Fig.3 Main flow chart

图4 显示模块流程Fig.4 Display module flow chart

3 仿真和调试

本系统的设计中，利用Keil 软件实现编程，根据系统的需要，查阅相关资料后利用C 语言实现系统设计，将其加入到Keil 的文件库中，在进行软件的编程过程中，出现一些错误进行调试是不可避免的，最终将这些错误进行解决，达到程序的正确。

Keil 软件是一个兼容单片机的C 语言系统，其在功能、结构等方面有着非常大的优点。Keil 软件提供一系列功能：C 编译器、 库管理以及仿真调试等。Protues 是一家英国公司研发的EDA 工具软件，它是目前市场上最好的仿真单片机的软件，其在国内受到单片机开发者的广泛应用。

3.1 系统仿真与测试

采用Keil 软件与Proteus 软件进行联合调试，从而实现甲醛浓度的测量设计仿真。在调试的过程中，打开Proteus 实例（但不运行它），然后在调试菜单上选择“使用远程调试设备”选项，能够保证Keil与Proteus 软件进行相应的通信。在点击运行状态下，可以得到不同浓度的仿真结果，当浓度高于阈值时，将会发出信号驱动蜂鸣器进行报警，如图5所示。测量时，若浓度是在正常范围内，将不会触发报警系统，如图6所示。

3.2 实物测试

图5 高浓度仿真图Fig.5 Simulation diagram of high concentration

图6 正常浓度仿真图Fig.6 Simulation diagram of normal concentration

分别利用自制测试仪与市场购买的测试仪对普通室外空间、宿舍、放置过一段时间的房间、刚刷过油漆的房间、新装修的房间进行实际测试，结果如表1所示。

表1 自制测试仪与市场购买的测试仪的测试结果Tab.1 Test results of self-made testers and testers purchased in the market

对比自制测试仪与市场购买的测试仪的测试结果发现，自制测量仪的精准度比市场上更加精准，达到了预期目标，但是在测量大单位数据时仍有不足，在以后的设计中还需完善设计。

4 结语

本文设计的甲醛浓度检测仪具有效率高、成本低等优点，并且出现故障时易于维护。在实际测量过程中响应的时间比较短，精度较高。当浓度超过一定的阈值，对人们的健康产生威胁时，将会发声报警，引起人们的注意，采取相应的措施，该设计具一定的实际应用价值。