基于物联网技术的便携式甲醛检测仪的设计与实现

秦蒙，谢东，曾明海，何燿，刘佳钰

（1.重庆电力高等专科学校信息工程学院，重庆，400053；2.重庆三峡学院电子与信息工程学院，重庆，404020）

0 引言

甲醛作为世界上最常见的室内有害污染气体，广泛存在于我们生活的诸多领域，特别是在新装修的各类环境中，空气中甲醛浓度超标率更是达到了惊人的60%以上。甲醛在常温下是一种具有特殊气味的无色气体，易溶于水、醇和醚，对人们的鼻子、眼睛具有较强的刺激作用，且甲醛在民用住宅中挥发速度较慢，长期暴露在低浓度甲醛环境下易引发慢性呼吸系统疾病[1]。甲醛在毒品化学物排行榜中位列前二，对人体有具大伤害性，短期容易引发头痛、乏力、心悸、失眠、体重减轻等症状，且对人体免疫系统和神经等都能产生毒害作用，对于免疫系统较弱的人群伤害更大，长期处于甲醛超标的环境中极易诱发白血病、癌症等重大疾病。因此，甲醛被世界卫生组织国际癌症研究机构确定为第I类致癌物，由此可见检测和防治甲醛的重要性。而甲醛作为一种具有特殊气味的刺激性气体，虽然浓度高时容易被人察觉，但浓度低时，人们往往难以察觉。而我国室内接触甲醛的安全剂量是0.1mg/m3，当环境中甲醛含量为0.1mg/m3左右时，人体就可能会感到轻微不适；当环境中甲醛含量为0.2mg/m3左右时，便容易诱发咽喉炎、哮喘等疾病；当环境中甲醛含量为0.5mg/m3左右时，眼睛会有较强的刺激感；当环境中甲醛含量大于0.6mg/m3时，人们的生命健康便会受到巨大威胁。因此生活中往往需要借助专业甲醛检测设备进行检测，以此确保人们所处环境下的空气质量安全。[2]目前，市面上常用的甲醛检测方法多种多样，其中较常见的是甲醛试纸光电光度法，首先将浸有发色剂的试纸上放到测试环境中,让浸有发色剂的试纸与环境中的甲醛气体发生化学反应，同时，试纸也会因甲醛浓度的多少而表现出不同的颜色；然后再去与预先设定检测线进行对比，以此获得当前环境下的甲醛浓度值。而该方法采用的是目视比色法，不仅测量误差大，而且检测所需时间较长[3-4]。在此背景下，电子甲醛检测设备因其使用方便、检测时间短等优点开始逐渐崭露头角，并受到了人们越来越多的关注。但是，目前市面上的甲醛检测设备鱼龙混杂，普遍存在测量精度偏低，人机交互性差等缺点。因此，设计一款操作简便、测量精度高、人机交互性好的便携式甲醛测试设备便成了诸多学者和厂家争相解决的问题[5]。

1 系统硬件设计

本文设计的便携式甲醛测试仪以51单片机为核心处理器。其中，甲醛传感器模块主要负责采集当前环境中的甲醛浓度值，并将其转换后为数字信号发送给单片机，然后再由单片机将数据发送给LCD1602液晶显示模块进行显示。同时，单片机还通过蓝牙传输模块将甲醛值发送到手机移动端，并在相应的APP上同步显示当前环境下的甲醛浓度。当甲醛浓度超过预设最大安全报警值时，机体的报警电路模块以及手机APP都会产生相应的报警信号，提示人们注意做好相关的防备工作。此外，整个系统还配有最大安全浓度值设置功能（按键模块），人们可以根据不同的使用环境调整便携式甲醛测试仪的最大安全报警值，以此满足不同的应用场景，进一步提升设备的竞争性[6]。便携式甲醛测试仪的系统工作原理如图1所示。

图1 系统框图

1.1 单片机最小系统

51系列单片机源于Intel公司的MCS-51系列单片机，在Intel公司实行技术开放后，诸如STC、Atmel、Dallas等国际公司也先后推出了基于8051内核的各具特色的单片机。这些以8051为内核的各种兼容型单片机统一称为51单片机。其中，STC公司在Intel公司MCS-51系列单片机的基础上，开发出了高性价比的STC89系列单片机，该款单片机以其低廉的价格和独特的快闪存储器（Flash Memory）迅速占领市场，并一举成为了千万单片机初学者的首选MCU。基于本系统设计内容的需要，选择单片机STC公司的高性能CMOS 8位单片机STC89C52为核心控制器。该款单片机支持2.7V-6V的宽电压工作模式，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM）、6个中断源；支持全静态工作，工作频率为0HZ-24MHz，频率范围宽，便于系统功耗控制。同时，其采用高密度、非易失性存储技术生产，并兼容标准MCS-51指令系统，功能强大[7]。单片机最小系统一般主要包含单片机，晶振电路，复位电路和电源4个部分。STC89C52单片机的最小系统如图2所示。

图2 单片机最小系统

1.2 甲醛传感器模块

图3 所示为甲醛传感器模块，该模块是一款可以检测甲醛、甲苯、乙苯等有害气体的数字TVOC气体传感器，其利用电化学原理对空气中存在的甲醛进行检测，具有良好的稳定性，可以进行温度补偿功能，检测精度高。气体检测分辨率可达到0.01mg／m³，量程范围在0到10mg／m³，响应时间小于10秒。该模块采用5V直流电压供电，工作电流小于80mA，在-10℃到+50℃的温度范围内和小于95%RH的湿度范围内都可正常工作[8]。该传感器模块数据输出同时支持UART方式和I2C方式，用户可以根据自身需求自由选择。本文选用的是UART数据传输方式，其中，数据格式包含8位数据位，1位停止位，波特率选用的是9800bps。

图3 传感器模块

表1所示为甲醛传感器模块的接口定义。其中，1号引脚接5V直流电压；2号引脚TDCK在UART模式时是串口TXD脚，在I2C模式时，是CLK脚；3号引脚RXSD在UART模式时用作重新校准控制脚，当其为0时，可重新校准基准值，在I2C模式时，是SDA脚；4号引脚SL=1或者悬空时，选择UART模式，当SL=0时，选择I2C模式；5号引脚为GND引脚，接电源地。由于该传感器模块输出为数字信号，所以可以直接连接单片机，不需要添加AD转换器。

表1 甲醛传感器模块串口接口定义

1.3 液晶显示模块

图4所示为LCD1602液晶显示模块，它主要包括字符型液晶显示屏、HD44780驱动主电路、HD44100扩展驱动电路3大部分。该模块是一款使用广泛的工业字符型液晶显示模块，具有显示画质高且不闪烁的特点，带背光，内置含128个字符的ASCII字符集字库，可以同时显示两行字符，每行可以显示十六个符号、字母或者数字，不能显示汉字，可以满足本次设计需要。同时，它LCD1602模块体积小巧，功耗较低，显示操作简单，是一款非常实用的液晶显示设备。它的最佳工作电压为5V，内部含有复位电路，可以进行光标移动、清屏等操作[9]。该模块内部含有储存器，可以存储数据。它含有并行接口，可以与单片机直接相连，通过程序来控制液晶显示甲醛浓度值。在本项目的设计中，LCD1602的1、3号引脚接了个滑动电阻，可以通过调节该电阻的值来控制液晶显示的背光亮度。

图4 液晶显示模块

1.4 蓝牙模块

图5 所示为蓝牙传输模块，其可以通过软件设计完成与手机、电脑等具有蓝牙功能的设备实现配对，本次设计中51单片机可以通过蓝牙传输模块将甲醛浓度值发送到手机APP显示。该模块所支持的波特率范围较大，可以支持4800-1382400bps的波特率，并且能与宽工作电压范围为2.7V-6V的STC89系列单片机相兼容，使用非常方便灵活。在使用中约每1.28秒进行一次数据传送，可以达到实时传输数据的目的，当设备通过蓝牙模块与手机连接时，蓝牙模块上的LED灯会进入快慢闪烁状态，而没连接时则会闪烁较慢。

图5 蓝牙实物图

1.5 报警模块

图6 所示为报警电路，蜂鸣器选用的是有源直流蜂鸣器，由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以至于单片机的I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般采用三极管来完成驱动电流的放大，电流放大倍数可达200倍。其中，三极管一般选用的是PNP型，其在驱动蜂鸣器时往往采用“基极接单片机I/O口、集电极接负载接地、发射极接VCC”的经典电路设计。当驱动蜂鸣器的单片机I/O口输出低电平时，报警电路启动，当单片机I/O口输出高电平时，报警电路关闭。

图6 报警模块

2 系统软件设计

本系统基于51单片机，通过Keil C51语言编程来实现系统软件设计。相对于传统的汇编语言，C51语言具有编程简单，灵活方便及移植性好等优点，可广泛应用于多种操作系统。本系统软件设计主要包含系统初始化、按键扫描、LCD显示、报警电路控制、蓝牙模块控制及手机APP显示等几个部分。系统首先通过甲醛传感器采集当前环境下的甲醛浓度值，并通过机体LCD1602液晶和手机APP同步显示甲醛浓度值。如果甲醛浓度达到预设的最大安全值就会激活报警电路发出报警信号。同时，主机端单片机通过对按键的扫描，来实现甲醛预设最大安全浓度值的调整。系统软件设计流程图如图7所示。

图7 系统软件设计流程图

3 测试与结果

在焊接时，遵循由大到小焊接，焊接完后要用万用表对电源、接地等线路进行测试，保证电路的正常连接，防止虚焊、漏焊等情况，避免电路短路。焊接过程中任何地方的短路都可能造成电路板烧毁的危险，造成不必要的成本浪费。物理焊接完成后，必须进行通电试验。试验前，用万用表检测各信号之间的电路连接，防止短路和开路。在确保每个信号之间的连接正常后，程序将被烧录到单片机中，最后连接电源，进行实物功能测试。正常情况下， LCD1602第一行显示预设的甲醛最大安全报警值，第二行显示当前环境下甲醛的浓度值。同时，手机APP也会通过蓝牙模块接收到单片机传递过来的甲醛浓度值，方便实现同步显示。当甲醛浓度值超过预设的最大安全浓度值时，系统的蜂鸣器和LED构成的报警电路就会被触发，提醒人们甲醛超标。用户也可以根据不同的使用场景，通过系统自带的按键手动调节甲醛最大安全浓度值，进一步拓宽设备的应用场景。图8所示为甲醛检测仪实时测试数据。

图8 甲醛检测仪实时测试数据

4 结论

本文物联网技术的便携式甲醛检测仪的，主要满足人们在各种应用场景中快速便捷完成甲醛检测的需求，充分发挥了甲醛传感器模块测量时间短和手机终端同步显示的优点。本文设计的该款便携式甲醛检测仪采用低成本的51单片机处理器、高精度的甲醛传感器、稳定的报警电路、便捷的按键电路及高效的LCD1602液晶显示模块作为系统设计的主要组成部分。整个系统具有体积小、功率低、操作简单、运行稳定、便于携带、制作成本低、使用寿命长等优点，不但能够使人们非常方便的检测各类环境中的甲醛浓度是否超标，而且甲醛测试仪机体本身和手机APP可以同步显示测试环境下的当前甲醛浓度值，使人们身处安全的环境下便可以完成甲醛有害气体的检测工作，确保人们的身体健康不会受到有害气体的侵害。