低功耗室内甲醛监测仪的设计

米萍珍，谢跃东，杨 琛

（1.太原理工大学 国家工程训练中心，山西 太原 030024；2.太原理工大学 测控技术研究所，山西 太原 030024）

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，如哮喘病等。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0.08 mg/m3，而公共场所甲醛的最高允许浓度[1]0.10 mg/m3。

甲醛的检测方法有很多，常用的有分光光度法、色谱法、定电位电解法3大类。分光光度法是基于甲醛与某化学物质反应生成显色物质，再利用分光光度计比色测定甲醛浓度，根据选用化学试剂不同来进行分类。这类方法缺点是检测精度不高，反应时间普遍较长，操作不方便。色谱法是一种直接的高效液相色谱法（HPLC法），是以含有DNPH的酸性水溶液为吸收剂，甲醛与 DNPH反应生成腙，产物经二氯甲烷提取、浓缩、干燥、甲醇溶解，ODS-C18柱分离后，常用紫外检测器于254nm处检测，一般保留时间t=13.07±0.05 min，检测限为8×10-3mg/L。色谱法不仅用于室内空气检测，是发展很好的检测方法。但由于依赖的检测仪器色谱仪价格非常昂贵，并且操作繁琐，没有被大范围采用。

单片机具有通用性强、体积小、价格低、稳定可靠等突出优点，在智能产品、测控系统等领域得到广泛的应用[2]。文中利用飞思卡尔面向低成本手持领域内开发的RS08系列单片机设计的甲醛测试仪可现场直接显示甲醛浓度值。并且通过上位机软件自动校正，当其浓度值超过规定的室内居住标准值时开始蜂鸣器报警提醒人们暂时不要入住。

1 硬件介绍

甲醛测试仪主要由以下几部分构成：即MCU外围电路、电源管理、传感器信号处理电路构成。

在硬件设计方面，MCU对信号处理完毕后会进入空闲模式，并且关闭LCT1049的电源，此时整个部分工作的只有LCD和电源模块，此时电路功耗最低，整个系统功耗在100 μA以下。其中MCU部分自带液晶驱动模块，可以对段式液晶直接驱动，这样会进一步的降低系统成本，充分利用单片机资源[3]。系统结构如图1所示。

图1 甲醛测试仪结构图Fig.1 Block diagram of formaldehyde tester

1.1 甲醛传感器原理

甲醛传感器采用Dart sensor公司生产的电化学式甲醛气体传感器是真正能够连续监测的传感器，而不需要任何的气体采样或者采用气泵抽取。这种传感器是从已经成功应用的呼吸式酒精传感器基础上开发出来的。适合于绝大多数的环境（－20～+50℃）监测使用[4]。利用这款传感器有5大设计结构特点：

1）低成本 设计构造简单以及很少的部件使得其成本得以降低，从而形成更有竞争力的价格。

2）长寿命 它使用的是在世界范围内已经有 30多年使用经验的呼吸酒精传感器的元件。而呼吸酒精传感器的精度，稳定性和长久性都是已经得到了验证的。

3）响应快速 一条短小且低阻抗的扩散路径使其响应时间很少。

4）电源要求低 燃料电池原理意味着它并不需要电源激励，仅仅在信号的处理和显示时需要电能，所以仅仅一个简单的小电池单元即可。

5）稳定性 非常好的稳定性，允许在使用过程中非常长的校准周期。

1.2 电流放大电路设计

甲醛传感器的微电流检测方法在很大程度上受着噪声的影响，对前级的噪声、温漂、零漂必须做到很好的抑制。运放必须选取低漂移、高阻抗电流放大器。这里采用是 linear公司推出的高性能、低功耗零漂移运算放大器 LTC1049；由于其输入失调电压小、高共模抑制比、低功耗的特点而被广泛的应用在低功耗手持设备上面[5]。

其主要技术参数如下：

最小供给电流：200 μA；

最大失调电压：10 μV；

温漂：0.1 μV/℃；

电源范围：4.75～16 V；

最大失调电流：100 pA；

共模抑制比：130 dB。

甲醛传感器输出的微弱电流信号通过 LTC1049进行电流放大，LTC1049其内部是采用了斩波稳零放大电路，可以起到很好的抑制噪声的同时，提高了输入阻抗，在电流型放大电路中普遍被采用。其中P沟道MOS管是在闲置的情况下用来为甲醛传感器卸荷，C4采用4.7 μF钽电容可以很好起到的抑制噪声和防止运放自激的作用，LM285是1.235 V基准用来提供共模信号，并且可以抑制电源的纹波波干扰。最后输出信号放大为稳定的电压信号被单片机的 AD采集。LTC1049接口电路如图2所示。

1.3 电源管理部分设计

本系统采用单片纽扣电池供电，MCU处理模块和电流放大电路采用各自供电方式。当处于待机模式下，MCU关闭传感器电源，然后MCU自行进入低功耗模式。电源电路如图3所示。

1.4 低功耗8位单片机MC9RS08LE4

图2 信号放大电路Fig.2 Signal amplification circuit

图3 电源管理电路Fig.3 Power management circuit

MC9RS08LE4属于飞思卡尔专门为超低成本的应用而设计的 RS08系列。该单片机主要包括一个高效的RS08的CPU内核、片上RAM、非易失性内存，两个16位的TPM模块、串行通信接口、一个8通10位模拟数字转换器（ADC）、8引脚键盘中断模块、以及液晶段式驱动模块等。并且RS08待机时在低功耗模式下工作耗电流为 280 μA@1 MHz；MC9RS08LE4 工作在 2.5～5.0 V 电压下，有正常工作模式、等待模式、停止模式3种运行方式。当单片机工作在停止模式时系统的待机功耗为μA级[6]。

MC9RS08LE4内部集成了段式液晶驱动模块，通过软件可以灵活的配置液晶引脚为8×14或者4×18模式的段式驱动模块。测量结果通过外接的LCD显示，这里选用价格低廉、使用简单的段式液晶显示，LCD控制逻辑可以通过软件以内存位的操作形式来实现。报警器件采用蜂鸣器，当测量值超过报警值时，蜂鸣器开始报警。

1.5 数据处理

由于考虑到室内甲醛浓度一般会比较小，所以监测仪的量程设定为2 ppm。其最大输入电流为400 nA经过放大后输出电压范围1.25～3 V。并且传感器极易受到外界电磁波干扰的影响，所以在调试是要尽量放在离干扰源比较远的地方。

系统上电后甲醛浓度的测量值经过一个缓慢的变化才能平稳，传感器的上电反应时间一般为1～3分钟。之后传感器可以平稳的测量空气中的甲醛浓度[7]。本系统中甲醛传感器的分辨率为 0.02 ppm，由于甲醛传感器受外界环境的影响比较大，文中先采用二次校正之后，再用分段线性插值的方法在其他点提高精度。

二次校正的方法是指在传感器的校正过程中分别测量两次标气，然后根据两次实际测量中进行线性化。由于甲醛是一种有有害气体，空气中一定浓度的甲醛含量都会对人疼提造成伤害，所以采用这种方法是简单可行的。文中采用上述方法对传感器的一致性会很有帮助的。第一次采用标准标气0.8ppm的浓度对传感器进行校正，让传感器在整体的范围内呈线性。不同的温度变化下对甲醛传感器的浓度影响是比较大的。甲醛传感器浓度变化曲线如图4所示。

图4 甲醛传感器浓度变化曲线Fig.4 Curve of formaldehyde concentration sensor

2 软件设计

全部软件程序由主程序、校正程序、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，主程序的流程图如图5所示。

为了对整个系统进行校正，系统上电后第一次由串口向上位机发送校正信息，上位机去顶后开始校正。由于传感器信号会受到噪声干扰从而影响测量精度，文中采用中值滤波法，即对参数连续采样N次，然后把N次采样值从大到小或从小到大，按递增或递减顺序排序，再取其中间值作为本次采样值。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。

3 结 论

图5 程序流程图Fig.5 Flow chart of program

本文对利用单片机实现低功耗手持室内甲醛浓度测量进行了比较全面的描述和分析，该测量系统操作方便、性价比高、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。该系统作为室内空气甲醛气体采集方案工作稳定，能以较高的精度动态地检测甲醛传感器的信号，并且由于采用了电池供电的低功耗设计，使得对室内甲醛的测量更加便捷。

[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.ZHU Yan-Tao，FANG Zheng，LUO Jian-bo，et al.Research development on gaseous formaldehyde sensors[J].Measurement&Testiong Technology，2008，34（1）:100-104.

[2]陈小龙，黄元庆.室内甲醛空气甲醛气体实体检测设计[J].中国仪器仪表，2007，17（7）：52-53.CHEN Xiao-long，HUANG Yuan-qing.Real-time detection of indoor air formaldehyde gas design[J].Chinese Instrument，2007，17（7）：52-53.

[3]马建明.数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社，2005.

[4]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.LIU Shi-wei，HUA Kai-feng，SU Yi，et al.Study of amperometric gaseous formaldehyde sensors[J].Journal of Ceramics，2008（3）：212-216.

[5]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.GE Hua-min，WANG Xue-feng.Formaldehyde portable detector based on ADS1244[J].Scientific Information， 2008，144（13）:123-125.

[6]李玉静.便携式甲醛检测仪的研究[D].吉林：吉林大学，2005.

[7]Salthammer T，Mentese S，Marutzky R.Formaldehyde in the indoor environment[J].Chemical Reviews，2010，4（13）29-30.