甲醛、苯在线监测仪系统硬件与软件设计

　　摘 要：针对目前室内甲醛、苯等有害气体， 本文设计一种居民楼内的甲醛、苯等有害物质在线监测仪， 该监测仪以STM32芯片为主控核心， 结合现代APP手机端功能， 实时实地的在线监测甲醛的含量。实验表明， 仪器测试重复性为4%, 稳定性高， 测试相对标准偏差小于5%, 室内甲醛、苯的在线监测测试结果准确、可靠。
　　
　　关键词：甲醛； STM32; 在线监测； 无线传输；
　　
　　Abstract: In view of the current indoor formaldehyde, benzene and other harmful gases, this paper designs an online monitor for harmful substances such as formaldehyde and benzene in residential buildings. The monitor is based on STM32 chip as the main control core and combines the function of modern APP mobile phone to monitor the content of formaldehyde in real time on the spot. The experiment shows that the repeatability of the instrument is 4%, the stability is high, the relative standard deviation of the test is less than 5%, and the on-line monitoring and testing results of formaldehyde and benzene in the field are accurate and reliable.
　　
　　Keyword: formaldehyde; STM32; on-line monitoring; wireless transmission;
　　
　　引言
　　
　　甲醛是一种无色无味的具有刺激性气味的气体， 是VOCS的主要成分， 对人体有很大的危害， 一直以来都是社会关注的热点。因此， 中国加强了对室内污染气体的监测技术， 国家标准GB/T16127-1995《居室空气中甲醛的卫生标准》规定：居室空气中甲醛的最高允许浓度为0.08mg/m3[1].
　　
　　目前为了方便， 大多数人们都是使用酚试剂比色来检验室内的甲醛等有害气体， 但这种方法会随着环境的变化而变化， 标准溶液的显色反应和样品溶液的显色反应时间必须严格统一[2], 这样不易实现在线快速地准确测量和监测。为此， 设计比较精确， 操作简捷， 能够实时实地了解室内甲醛浓度在线的监测仪。
　　
　　1、 甲醛、苯在线监测仪系统硬件设计
　　
　　该甲醛、苯检测仪系统采用STM32F101T6单片机作为核心控制单元， 结合其他外围硬件构成整个系统的硬件模块。根据不同的功能， 将整个系统分为传感器接口模块、数据存储模块、报警电路模块、键盘控制模块、LCD显示模块和通讯模块。总体结构设计如图1所示。
　　
　　1.1、 传感器选型与接口模块设计
　　
　　甲醛传感器由甲醛探头和CH20传感器构成 （苯传感器同理） .甲醛传感器采用Membrapor公司生产的电化学式甲醛气体传感器， 苯传感器采用深圳盛世物联科技有限公司提供的DDS0101空气质量传感器， 能够实现连续监测的传感器， 不需要其他气体的采样或者采用气泵抽取。适合于绝大多数的环境 （-20℃~50℃） 监测使用[3].
　　 　　 　　 　　 　　
　　接口模块由传感器、I/V转换器RCV420组成， 室内甲醛、苯气体被内部采样系统吸收后， 产生与甲醛、苯浓度成正比的电流值， 但是单片机A/D采样的是电压值， 因而需要将电流值转换为电压值， 具体转换电路如图2所示。
　　
　　由图2知：流经反馈电阻为 （V0-Vn） / （R6+Rw） 与Vn/R1+ （Vn-Vf） /R5相等， 由此， 可推出输出电压Vo的表达式：Vo= （1+Rf/R1+Rf/R5） ×Vn- （R4/R5） ×Vf.由于Vn≈Vp=Ii×R4, 上式中的Vn即可用Ii×R4替换， 若R4=200Ω， R1=18kΩ， Rf=7.14kΩ， R5=43kΩ， 并调整Vf, 当输入4m A~20m A电流时， 对应输出0V~5V电压值。
　　
　　1.2、 放大电路的设计
　　
　　由于甲醛传感器输出的电压信号很小， 需要设计一个信号增益电路对电压信号放大。本文采用高性能、低功耗的零漂移运算放大器LTC1049, 因为其输入失调电压小、高共模抑制比、低功耗的特点被广泛应用于便携式的检测设备上[4].电流放大电路如图3所示。
　　
　　系统的高精度放大电路设计中， 反馈电阻选用470KΩ， 再并联4.7μF的钽电容， 很好地降低了噪声。
　　
　　1.3、 通讯模块
　　
　　目前对于广大的智能设备都具有无线WIFI通信功能， WIFI技术最大的优点是传输速度较高， 可达11Mbps, 可靠性高， 很方便与现有的以太网络整合[5].其模型图如图4所示， 选用几个无线传感器通过WIFI与一个无线AP或者路由器联合在一起， 然后通过有线或无线的方式在后台对数据进行处理， 最终连接用户手机或者PC端进行数据的监测。
　　 　　 　　 　　 　　
　　最后选用一种低成本的、嵌入式的UART-ETH-WIFI （串口-以太网-WIFI） 模块。内置TCP/IP协议栈， 这样实现用户串口、以太网、WIFI之间的转换[6].选单片机的SPI通信接口都会有一个CS引脚， 其接通信芯片NRF24L01的MOSI引脚用以接受单片机在运算处理后的串行数据， 完成通信。
　　
　　1.4、 系统辅助模块
　　
　　系统的辅助模块包括：键盘与显示模块、数据存储与打印模块、报警模块。系统外接键盘和LCD显示设备， 实现人机对话功能。键盘设置为3×3阵列键盘， 设有功能选择键、OK键、报警确认键、无线信号连接确认键和打印键， 完成浓度显示、数据查询、报警确认、与外界连接形成实时传输数据和打印以及开关等功能。
　　
　　报警电路采用固体继电器与蜂鸣器控制报警。为了实现在线监测的功能， 运用单片机控制蜂鸣器， 发声报警原理图如图5所示。
　　 　　 　　 　　 　　
　　它是由STM32F101T6的P2.4口来控制的， 当超过设定值时， 其输出高电平， 三极管导通， 蜂鸣器发出响声报警。
　　
　　2、 软件设计
　　
　　系统的软件程序设计由主程序、低功耗中断子程序等组成。主程序是控制和管理的核心。系统上电， 进行单片机、WIFI初始化和中断处理操作。等待用户连接WIFI, 成功后单片机开始工作。主程序流程图如图6所示。
　　
　　为减小系统功耗， 延长电池的使用时间， 设计时考虑设备在较长时间段内处于待机状态时， 应尽量降低功耗。因此系统定时， 若没有采集命令时， 系统自动进入低功耗待机状态。低功耗子程序如图7所示。
　　
　　3、 实验测试
　　
　　选择一个刚装修不久的居民楼、放有甲醛气体的实验室， 将甲醛监测仪放置其中， 经过一段时间， STM32F101T6微处理器进行数据处理， 获得多次采样数据求其平均值， 记录数据如表1所示。
　　
　　图7 低功耗子程序Fig.7 Low power subroutine
　　 　　 　　 　　
　　由表1可以看出：误差都在5%以内， 说明仪器测量精确；由数据可以计算得出实验的重复性RSD为4%, 由此可见该仪器稳定性高[7], 达到了本次实验的目的。
　　
　　4、 总结
　　
　　本文利用当代智能化的特点， 将单片机和无线通讯结合， 实现了对室内甲醛气体的实时实地在线监测， 进行了比较全面地分析与描述， 整个系统操作简单、性价比高、检测精度高、最主要是实现了智能化， 能与智能手机或者PC联网对气体浓度进行在线检测。本系统在采样处理方面稳定， 能够高精度地感应甲醛传感器的信号。而且本系统设计了低功耗程序， 延长了电池的使用时间， 使得室内甲醛检测更加的节能、简便。
　　
　　参考文献：
　　
　　[1]祝艳涛， 方正， 罗建波， 等。甲醛气体传感器研究进展[J].中国测试技术， 2008, 34 （1） :100-104.
　　[2]朱春红。浅谈甲醛检测的常用方法及影响因素[J].黑龙江科技信息， 2010 （17） .
　　[3]刘世伟， 华凯峰， 苏怡， 等。电流型甲醛气体传感器的研究[J].陶瓷学报， 2008 （3） :212-216.
　　[4]葛化敏， 汪雪峰。基于ADS1244的便携式甲醛检测仪[J].科学信息， 2008, 144 （13） :123-125.
　　[5]吴义三。无线传感网络协议分析技术研究与实现研究[J].湖北函授大学学报， 2016, 29 （1） :58-59.
　　[6]黄顺。WIFI无线气体监测探头与手持甲醛检测仪的开发[D].武汉：华中科技大学， 2014.
　　[7]Salthammer T, Mentese S, Marutzky R.Formaldehyde in the indoor environment[J].Chemical Reviews, 2010, 4 （13） :29-30.