摘要：该设计开发了一款基于STC12C5A60S2控制器的智能甲醛残留检测系统，其利用MS1100气体传感器，通过单片机控制系统处理采样数据，实时显示甲醛浓度，具有超浓度时报警功能。系统的最大引用误差为1.98%。系统增加了无线模块，使检测环境与操作人员分离，既能实现远距离操控，又保障了操作人员的人身安全。
关键词：甲醛；残留；检测
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）06-0154-03
1 研究背景
住房家居是21世纪最重要的建设之一。家装中的室内装修板材、装饰材料、各种家具产品会释放甲醛、苯基芳香族化合物等化学有害成分，造成身体上的损害。甲醛浓度检测一方面减少了人们入住的顾虑，同时也减少了因甲醛而引起的疾病[1]。
在我国，空气甲醛浓度的标准为低于每立方米0.1mg（约为0.13ppm）[2]。因此所设计的检测计能检测到0.1mg变化范围内的数据变化才能使检测数据可靠和有效，故在设计之初所选的传感器就必须有很大的灵敏度。如果通过无线控制，使检测环境与操作人员分离，既能实现远距离操控，又保障了操作人员的人身安全。
2 系统方案设计及器件选型
2.1系统方案设计
如图1所示，本设计控制系统构成为：检测元件→信号调理→A/D转换→控制器→显示器。具体思路如下：甲醛传感器电压输出经前置电路输出为模拟量，并通过减法电路滤波；滤波后的信号送入16位A/D转换器AD7705；A/D转换器将模拟信号转换为数字量作为输入控制量；用查表和线性插值法计算并输出浓度值；通过无线控制系统将浓度值有选择的显示在液晶上。
2.2主要芯片选择
2.2.1模数转换器AD7705
考虑到系统分辨率的要求，本设计选用16位AD进行AD转换。AD7705是完整的16位低成本Σ-Δ模数转换器（ADC），用于直流测量和低频交流测量应用，其具有低功耗（3V时最大1mW）特性，因而能用在环路供电、电池供电或本地供电的应用中。片内可编程增益放大器提供从1至128的增益设置，无需使用外部信号调节硬件便可接受低电平和高电平模拟输入[3，4]。AD7705拥有两个差分通道，在定制比率应用器件时，差分基准电压输入还能提供极大的灵活性。
2.2.2传感器
经过特性和灵敏度比较，选取了市面上已经研制好的MS1100传感器。该传感器小巧方便，可以測量多种有害化学气体的浓度。
MS1100传感器是一种半导体式传感器，通过导电性能的变化来引起电压输出的变化，其工作原理基于气体的物理化学性质。比如，当甲醛呈气态时，其分子有一定大小，当一定量的甲醛气体被MS1100捕获后，甲醛就会填充MS1100中的空穴，使MS1100的导电性能提升。通常情况下，传感器在5V电压下工作，适合用单片机控制器控制。
3 系统硬件设计
3.1传感器输出减法电路设计
MS1100传感器在浓度为0ppm的附近，有一个很大的电压跃变。由于在该浓度时，甲醛对人体的伤害可以忽略，数据测量并没有实质性意义，因此此段数据完全可以忽略不计，可以考虑对该数据段进行滤除。数据的滤除主要有两种，即通过硬件滤波和软件滤波。为了减少软件负担，提高软件运行效率，本设计采用硬件滤波，即通过减法器，将该段数据直接滤除。图2是前置减法电路的原理图，所用的放大器为NE5532，工作电压为±9V，传感器模拟信号输出首先经过一个电压反向器，而后与一个系统信号进行加法运算，再通过一个反向器输出。由于上一步中输入信号已经取反，因此就如同减法运算。
3.2单片机控制系统设计
单片机控制系统是本系统的设计的核心。单片机硬件电路主要分为最小系统和I/O口配置。最小系统为晶振电路、复位电路和电源电路。只有在最小系统配置正确时，单片机才能正常工作。I/O口是单片机的外设端口，用于单片机与外部器件进行数据沟通，是单片机的主要功能。单片机的I/O口配置如图3所示。
3.3 单片机主要外设电路设计
3.3.1 模数转换电路
AD7705模数转换电路的原理图如图4所示。其中，2、3引脚接有2.4576MHz的晶振；9引脚为参考电压端，本设计参考电压为2.5V，取自AD780电压基准芯片输出； 1、5、12、13、14控制引脚与单片机相连；4脚（CS）直接接地，表示片选；电源端接入电容是为了滤除杂波。如前所述，传感器在0～50ppm时对应的输出电压0.64-4.48V经2V减法电路和滤除0～1ppm后变为0.10～2.48V，直接作为AD的输入，正好符合AD的输入范围，因此本设计无需采用放大电路。
3.3.2状态显示和报警电路
为了在检测报警环节中多一分保障，系统同时进行声光报警。检测时若蜂鸣器响起，则表示已经超过甲醛安全浓度极限值，同时红灯亮，警示检测人员。图5为声光报警原理图。
3.3.3无线控制电路
为了使检测更安全、更方便，本系统加入了无线模块。该无线模块（SC2272）已经通过译码器将无线信号转为数字信号，无须进行繁琐的对频、解码等操作，可直接送入单片机，调取相关程序和指令，实用十分方便。无线控制的控制引脚如图6所示。
4 系统软件设计
4.1系统流程
本设计系统软件由主程序，DS1302子程序，液晶显示子程序、AD转换子程序、声光报警子程序、按键扫描中断服务程序（无线模块）等构成。系统首先进行初始化，然后AD转换，显示出甲醛浓度值，超过限值则发出声光报警，并在闲置时间显示时钟。系统流程如图7所示。
4.2定标流程
MS1100传感器输出特性为非线性，而A/D转换器和仪表放大器都是线性的，因此需要通过软件将非线性数据用查表和线性插值法转换为实际值。
5 系统测试
本系统设计的最终结果为检测室内甲醛浓度。浓度测试是至关重要的。由于甲醛气体具有毒性，不易购买和实验，因此本设计首先通过电位器模拟甲醛浓度变化，而后采用室内装修过的木板等作为甲醛释放源进行测试，并与标准仪器进行比较。可以根据线性插值公式（1）查表计算。
6 总结
本设计描述了甲醛传感器的输出电路，减法滤波、AD数据转换等电路设计。系统以线性插值法处理数据，用液晶显示出实时浓度值，可以遥控的方式控制运行。本系统最大引用误差为1.98%，满足测量精度要求。
参考文献：
[1] 马天，曾令平，罗张怡.室内主要污染气体甲醛TVOC的快速检测方法评述[J].中国技术测试研究院，2004，9.
[2] 吴娜，王兢.甲醛气敏元件的研制[J].传感器技术，2005，24（10）：83-85.
[3] 孙蕾.用于声表面波甲醛传感器的相关系统研究[D].大连理工大学，2005.
[4] 李翠红.分子筛吸附剂对甲醛分子吸附性能的研究[D].大连理工大学，2005.
【通联编辑：朱宝贵】
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