便携式甲醛快速检测仪的设计和实现

Design and Realization of the Portable and Rapid Detector for Formaldehyde

杨旭辉1,2　刘国汉1　李工农1　郑　礴1　卢启海1　马宏伟1

(甘肃省科学院传感技术研究所甘肃省传感器与传感技术重点实验室1，甘肃 兰州　730000；

兰州大学信息科学与工程学院2，甘肃 兰州　730000)



便携式甲醛快速检测仪的设计和实现

Design and Realization of the Portable and Rapid Detector for Formaldehyde

杨旭辉1,2刘国汉1李工农1郑礴1卢启海1马宏伟1

(甘肃省科学院传感技术研究所甘肃省传感器与传感技术重点实验室1，甘肃 兰州730000；

兰州大学信息科学与工程学院2，甘肃 兰州730000)

摘要：甲醛(HCHO)是高挥发性、有毒的有机化合物，对人体危害非常大。目前国内甲醛检测主要是用放置在实验室的昂贵设备完成的，存在检测成本高、检测时间长、操作不便等缺陷。针对该问题，基于三电极电化学甲醛气体传感器开发了便携式甲醛气体快速检测仪。经测试，该仪器具有灵敏度高、响应速度快、稳定性强、便携性好、使用方便和价格低廉等特点，非常适合甲醛检测机构和个人用户使用，具有很好的推广价值和广阔的市场前景。

关键词：有机化合物甲醛气体传感器检测仪器仪表信号采集调理电路A/D转换寄存器数字滤波测试

Abstract：Formaldehyde (HCHO) is highly volatile and toxic organic compound; it has great harm to the human body.At present,formaldehyde detection in China is mainly accomplished by expensive equipment placed in the laboratory,thus the detection features defects of high cost,long time,and uneasy to operate,etc. To solve these problems,the portable rapid detector for formaldehyde has been developed based on the three-electrode electrochemical formaldehyde gas sensor.The tests show that the instrument possesses many advantages,such as high sensitivity,fast response speed,strong stability,good portability,easy to use and low cost etc.,it is suitable for formaldehyde testing organizations and individual users; so it has a very good promotional value and broad market prospects.

Keywords:Organic compoundsFormaldehydeGasSensorDetectionInstrumentationSignal acquisitionConditioning circuit

A/D conversionRegisterDigital filteringTest

0引言

甲醛(HCHO) 是高挥发性有机化合物，是一种无色、具有强烈刺激性气味的气体，具有较高的毒性。目前，应用于家庭装修的材料中不可避免地含有甲醛，严重危害着人们的身体健康。虽然现在已经有很多检测方法可以检测甲醛浓度[1-3]，但由于国家室内空气质量标准(GB/T 18883-2002)中限定居室空气中甲醛的最高容许浓度为0.10 mg/m3，因此目前对这种低浓度甲醛的测定基本上采用分光光度法和气相色谱法[4]。用这几种方法检测甲醛时，首先要进行现场采样、样品预处理，再进行实验室的检测。这些检测方法虽然检测准确，但是每次检测消耗的药品多、成本高、检测时间长，而且操作人员必须具备较高的相关专业知识。

因此，研究一种便携性好、响应速度快、使用方便的快速检测仪表，用于室内低浓度甲醛快速准确的现场检测是非常有必要的。

1系统设计方案

便携式甲醛快速检测仪应该具有如下特性：便携性、低功耗、测量迅速、显示简单、使用方便。系统可以划分为如下几个功能模块：传感器、恒电位仪电路、信号调理电路、A/D转换模块、数据处理模块、显示模块和电源模块等[5-7]。仪表的功能框图如图1所示。

图1　检测仪功能框图

2系统硬件设计

便携式甲醛快速检测仪硬件电路主要包括：甲醛传感器、恒电位仪、信号调理电路、数据采集模块、显示模块和电源电路等。

2.1甲醛传感器

项目组在充分调研了甲醛传感器之后，决定选用瑞士MEMBRAPOR公司的三电极电化学甲醛气体传感器，型号为Ch1O/C-10。该传感器的测量范围为0~10×10-6；最大负载为50×10-6；分辨率为0.05×10-6；线性输出。

2.2恒电位仪

三电极电化学传感器包含工作电极(W)、参比电极(R)和对电极(C)。W的作用是在电极表面产生化学反应；R是惰性电极，理论上没有电流流过，用来维持工作电极与参比电极间电压的恒定；C用来输出反应产生的电流信号，由测量电路实现信号的转换和放大[8]。

恒电位仪就是用来维持工作电极和参比电极间电位差恒定的电子线路。它首先保证系统在没有工作的情况下参比电极与工作电极之间有一个恒定的电位差；其次，在系统工作时，能根据工作电极电位的微小变化，实时调节参比电极的电位，使得工作电极和参比电极之间仍有恒定的电位差。本文所设计的三电极电化学甲醛传感器Ch1O/C-10的恒电位仪及基于单电源的前级放大电路如图2所示。

图2　恒电位仪及前级放大电路

当系统处于断电状态时，场效应管J177导通，传感器参比电极R和工作电极W处于短路状态，使传感器一直保持在“准备工作”状态。当系统通电以后，场效应管J177断开，U3通过电极C向工作电极W提供电流，使工作电极和参比电极之间电压恒定，传感器处于恒电位状态下工作[9]。

电流信号由工作电极W输出，经电阻R4、R10、C5、U2组成的低通放大电路后，输出与气体浓度成比例的电压信号Uout。

2.3信号调理电路设计

恒电位仪已经将气体传感器的输出信号变成了微弱的电流信号，还需要将其放大成0~5 V电压信号才能被数据采集电路使用。使用信号调理电路主要是对传感器信号进行放大和滤波，以得到干扰信号较小、幅值满足A/D转换输入电压范围要求的输出信号。

2.4数据采集模块设计

由于该便携式甲醛快速检测仪数据采集通道只有1路；测量甲醛时采样频率无需太高；数据处理速度也无需太快，并且为了降低系统功耗、减小系统体积、提高系统的便携性，选用单片机STC89C52系统作为数字电路处理核心，并选用功耗较低的10位A/D转换芯片AD7810设计数据采集电路。

AD7810是10位串行输出A/D转换芯片，转换时间为2 μs，在低功耗方式下，若吞吐率为1 kS/s,其功耗可低至27 μW。 数据采集电路连接图如图3所示,其中AD7810的1、7、6脚分别与STC89C52的P1.4、P1.5和P1.6脚相连。

图3　数据采集电路

3系统软件设计

由于单片机采用的是STC89C52系统，因此软件的开发和调试使用了Keil C工具。程序下载使用了STC-ISP下载编程烧录软件。

系统的软件工作流程是读取A/D转换器寄存器、数据处理和显示。该任务可以划分为以下几个子模块：数据采集模块、数据处理模块和数据显示模块。硬件初始化、定时器初始化、数据处理和数据显示等任务在主程序中完成；数据采集任务在单片机定时器中断处理程序中完成。系统软件主流程和中断处理程序如图4所示。

数据采集模块主要是读取A/D转换器。在设计系统时选用了AD7810为A/D转换器，该芯片有两种工作模式：高速模式和自动低功耗模式。由于数据采集速率要求较低，AD7810处于低功耗工作模式时其速率可达100 kS/s，完全可以满足设计要求，因此，选择自动低功耗模式作为AD7810的工作方式。

数据处理模块包括数字滤波、甲醛浓度值的换算等子模块。软件模块采用限幅平均滤波法进行滤波，该方法是限幅滤波法和递推平均滤波法的结合。即先按照从小到大的顺序将采集的10个数据进行排序，得：A0

甲醛的电化学反应在宏观上表现得非常缓慢，1 s内的变化量非常小。上述算法将1 s的变化范围限定在了±0.2×10-6，一旦采样值超出该范围，则认为是由干扰信号引起的，可将其滤除。

4系统测试

系统设计完成后，对产品原型进行了测试。为了防止A/D转换数据换算成甲醛浓度值时引进误差，项目组设计了直接显示A/D转换值的程序。将甲醛浓度[10-12]分别配置为1.0×10-6和3.0×10-6，测试时间均为30 min，每过1 min记录一次测量值，测试结果如图5所示。

图5　A/D转换值数据曲线

1.0×10-6和3.0×10-6经过A/D转换的理论计算值分别为297和452，而图5所示图像采集的数值中，1~30个点的平均值分别为296和449.8，略低于理论值。从图5中可以看出，在起初的0~1 min以内，所采集的A/D值变化非常明显，然后在5 min左右的时间内，所采集的A/D值有比较明显的上升，随着测试时间的推移，曲线逐渐趋于平稳，接近于直线。

出现这种现象的原因分析如下：虽然传感器响应时间<60 s，但因为甲醛气体扩散到传感器表面以及传感器电极上发生电化学反应都需要时间(从上图数据可知，该时间约为5 min)。随着时间的增长，化学反应越来越剧烈，测量结果越来越趋近于理论值。

通过上述分析可知，便携式甲醛快速测试仪的设计符合要求，所测结果较为准确。

5结束语

随着人们生活质量的不断提高，人们对居家环境的安全性考虑的越来越多，研究一种价格低廉、使用方便的便携式甲醛快速检测仪是非常有必要的。本文基于三电极电化学甲醛气体传感器开发了便携式甲醛气体快速检测仪。测试结果表明，该仪器可进行一键式测量，检测灵敏度为0.05×10-6，响应时间约5 min，具

有测量准确、便携性好等特点，非常适合用户进行室内外甲醛的快速检测，具有很好的推广价值和市场前景。

参考文献

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[4] 孟繁硕.袖珍型甲醛检测仪的设计[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2013.

[5] 郭家辰.甲醛检测系统及其测试系统的设计与实现[D].昆明：云南大学，2012.

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[12]王曼华,谢品华,秦敏，等.基于扫描DOAS系统对北京城市大气中甲醛的梯度测量与分析[J].光谱学与光谱分析,2011,31(3): 789-792.

中图分类号：TP216;TH86

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602020

甘肃省重点实验室专项基金资助项目(编号：145RTSA009)；

甘肃省科技支撑计划基金资助项目(编号：1011GKCA044、1204GKCA046)；

甘肃省科学院青年科技创新基金资助项目(编号：2014QN-19)；

兰州市科技发展计划基金资助项目(编号：2013-4-13)。

修改稿收到日期：2015-03-13。

第一作者杨旭辉(1981-)，男，现为兰州大学计算机系统结构专业在读硕士研究生；主要从事传感器应用和计算机应用技术的研究。