基于AT89C52的便携式甲醛检测仪设计

兰 羽，卢庆林

（陕西工业职业技术学院电气工程学院，陕西 咸阳 712000）

0 引言

甲醛被世界卫生组织公认为致癌和致畸形的剧毒物质［1］，准确快速地检测环境中甲醛气体浓度的研究，具有重要的实际意义。目前，检测甲醛的方法有变色酸法、薄层色谱法、比色法、光度分析法、高效液相色谱法和气相色谱法等。前3种方法多用来简单的定性检测；变色酸法简便，但其容易受酚和其他醛类物质干扰，故在应用上受到限制；薄层色谱法特异性强，但步骤较为烦琐；气相色谱法和高效液相色谱法，对仪器设备和工作人员的操作水平要求较高，很难普及［2］。科学合理地制定空气中甲醛含量的准确测定方法，研制灵敏度高、抗干扰强的甲醛检测技术和仪器十分必要，推广应用前景广阔。这些方法大多数是成本高、自动化程度低和过程复杂，很难做到现场实时检测［3］。电化学气敏传感器对醇类、醛类和酮类等有机气体探测，具有范围广、响应速度快、灵敏度高和稳定性高等优点［4］。而电化学CH2O甲醛传感器对1～10mL／m3以内的甲醛气体有较好的线性度和灵敏度，它将甲醛浓度转换为成比例的电信号，经调理电路、模数转换后送单片机处理，最终由液晶显示出来。

1 电化学CH2O甲醛传感器

电化学甲醛传感器主要应用于职业安全防护、室内环境检测、工业流程控制、医药和食品行业甲醛消毒车间等；具有响应速度快、价格低廉、性能稳定、灵敏度高及外围驱动电路简单的特点［5］。

电化学CH2O甲醛传感器工作原理：电化学CH2O甲醛传感器的内部电解溶液与甲醛气体发生化学反应，使电极氧化，进而产生微弱的电流信号，被测气体浓度与该电流信号成线性关系。被测甲醛气体接触到传感器表面，通过透气孔和透气膜扩散到感应电极处，与电解溶液发生氧化反应，产生电流信号。为了维持电流信号的稳定性，需恒压源维持感应电极与参考电极间电压的稳定。

电化学CH2O甲醛传感器内部结构如图1所示。在系统中，以电化学CH2O甲醛传感器为数据采集模块，其所检测的电流信号经电位器转换为电压信号，再经A／D转换为单片机识别的数字信号。电化学CH2O甲醛传感器主要性能参数［6］：检测范围，1～10mL／m3；分辨率，0.05mL／m3；温度范围，-20～45℃；响应时间，＜50s；气体浓度为每mL／m3输出电流2μA左右。

图1 电化学CH2O甲醛传感器的内部结构

2 系统硬件电路设计

以家用甲醛浓度检测的性能要求为背景，按照体积小、质量轻和性价比高的原则，设计了一种便携式甲醛检测仪。系统以单片机AT89C52为主控核心，电化学CH2O甲醛传感器为数据采集模块。AT89C52芯片具有高抗扰、功能强大、超低功耗、便于智能化和便携化等优点［7］。系统硬件电路主要包括主控电路、数据采集、信号调理、模数转换、液晶显示和报警等功能模块电路。系统结构如图2所示。

图2 硬件结构

2.1 单片机最小系统的实现

系统主控芯片为单片机AT89C52，设计的最小系统如图3所示。其由AT89C52芯片、晶振电路和复位电路构成。系统为了尽量降低功耗，采用了内部时钟方式，在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（晶振）就构成了自激振荡器，并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图3中，电容器稳定频率和快速起振，晶振CYS选择的是12 MHz［8］。复位电路采用按键复位，其由按键S，10 μF电容和10kΩ电阻构成，按下开关S系统自动复位。因为系统需要记录测试发生的时间，所以需要时钟芯片来记录在不同时间的监测数据。

图3 单片机最小系统

2.2 信号调理电路

系统采用电化学CH2O甲醛传感器，其输出的电流信号很微弱，控制芯片无法识别，需要放大电路将信号放大到A／D转换器能够处理的程度，并进行电流转到电压的转换。调理电路采用了集成运放OPA177芯片，构成的电路如图4所示。考虑到传感器测量有2%的误差，运放的误差要小于这个值，OPA177符合这个要求。传感器接入开环电路时测量值会产生微小的偏置量，表现为传感器接入时会发生放电现象，致使输出端信号存在偏置。在放大器不工作的情况下，可以在传感器信号输出端放置小电阻来解决偏置问题。系统选用了阻值为620Ω的小电阻。最好的解决方法是让放大器持续供电。电容用来去噪，使信号更完好。

图4 信号调理电路

2.3 A／D转换

系统采用ADC0832模数转换器。ADC0832模数转换器具有8位分辨率、双通道A／D转换、工作频率为250kHz、转换时间为32μs和一般功耗仅为15mW等优点［9］，适合于本系统。模数转换电路如图5所示。CH2O采集的信号加在ADC0832的CH0端，正常情况下，ADC0832的CS，CLK，DO，DI与单片机的接口为4条数据线。DO，DI并联在一起作数据接AT89C52的P3.1口，片选端由P3.1口控制，当ADC0832片选端CS=1时，芯片禁用；当CS=0时，芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO／DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下降沿之前DI端必须是高电平，表示起始信号，在第2，3个脉冲下降沿之前，DI端应输入2位数据用于选择通道功能。

图5 模数转换电路

2.4 时钟芯片接口电路

因为系统需要记录测试发生的时间，所以需要时钟芯片来记录在不同时间的监测数据。系统采用了DS1302时钟芯片，其工作时功耗很低，广泛应用于便携式仪器、传真和电话器等产品领域［10］。DS1302芯片时钟电路如图6所示。DS1302芯片内含一个实时时钟／日历和31B的静态RAM，可以通过串行接口与单片机通信。而通信时，仅需要3个口线：SCLK（串行时钟）；I／O 数据线；RES（复位）。时钟／RAM的读／写数据以1B或多达31B的字符组方式通信。

图6 时钟电路

2.5 显示模块

系统显示模块采用液晶LCD12864，它是一种图形点阵液晶显示器，主要由行驱动器／列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成，可完成图形显示也可以显示8×4个汉字（16×16点阵）。液晶LCD12864显示模块与单片机的接口方法分为直接访问方式和间接控制方式［11］。直接访问方式是把液晶模块作为内存或I／O设备直接接在单片机的总线上，单片机以访问内存或I／O设备的方式操作液晶显示模块的工作。系统采用间接控制方式，该方式不使用单片机的数据系统，而是利用它的I／O口来实现与显示模块的联系，即将液晶显示模块的数据线与单片机的P0口连接作为数据总线，另外3根时序控制信号线通常利用单片机的P2口中未被使用的I／O口来控制。这种访问方式不占用内存空间，它的接口电路与时序无关，其时序完全靠软件编程实现。LCD12864与单片机的接线原理如图7所示。

图7 LCD显示原理

2.6 按键及报警模块

系统采用独立式按键，设有上选、下选、确定和返回4个按键即可满足系统要求。按键电路设计中采用外接上拉电阻，低电平表示按下，4个按键分别接单片机的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3口，电路如图8所示。

图8 按键电路

按键是直接用I／O口线构成的单个按键电路，每个独立式按键占有一根I／O口线，各根I／O口线之间不会相互影响。在此电路中，按键输入采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I／O口线有确定的高电平（AT89C52的P1口内部接有上拉电阻），所以就不需要再外接上拉电阻。系统采用的是三极管驱动的蜂鸣器，其工作电压为3～15V，驱动电流为10mA。蜂鸣器由三极管和电阻组成的驱动电路来驱动，AT89C52的P1.5口接三极管基极输入端，当P1.5为高电平“1”时，三极管导通，蜂鸣器的通电而报警；当P1.5为低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止报警。

3 软件设计

系统软件设计采用汇编语言和C语言混合编程，包括数据采集、自检、数据处理和数字显示等功能。实际应用时，系统把采集到的数字信号转换成甲醛浓度值并进行实时显示，同时进行超标判断。软件部分包括主程序以及数据采集、超标报警、键盘检测、LCD显示和按键处理等子程序。系统主程序负责调度系统的各应用程序模块，并与系统的外部设备及时交换信息，从而实现系统软硬件资源的整体管理。系统主程序流程如图9所示。

图9 系统主程序流程

4 系统测试

系统在某小区对新装修的房子进行了甲醛浓度检测，选择8个不同的测试点，环境温度为24℃，同时甲醛浓度的真值采用DM100甲醛检测仪测得。检测数据如表1所示。

表1 测试数据

从表1可以看出，设计的甲醛检测仪与DM100检测仪相对误差小于3%。误差主要有以下原因：外界环境影响；甲醛传感器自身存在1%～2%的检测误差。电化学CH2O甲醛传感器检测范围为1～10mL／m3，在1～10mL／m3只有甲醛对其敏感，并且传感器输出电流与甲醛浓度成线性关系。而在10～100mL／m3浓度时，不仅甲醛，还有其他醇类、苯类、芳族化合物对其也敏感，即此时很难区分检测到的气体是甲醛还是其他气体，所以本检测仪真正有效范围为1～10mL／m3。

5 结束语

系统以AT89C52单片机为控制核心，电化学CH2O甲醛传感器为数据采集器。经测试表明，系统相对误差小于3%，检测范围为1～10mL／m3。系统具有使用简洁、性价比高、性能稳定、精度较高和便携等优点。可应用于民用建筑室内甲醛气体的检测，对各种建材中甲醛含量是否超标的检测，以及电厂、化工和地下管线等施工环境的甲醛检测，以防止甲醛中毒事故的发生。

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