余訓(xùn)兵 / 遼河油田鉆采工藝研究院儀器儀表研究所

基于PIC16F877A的室內(nèi)有害氣體檢測(cè)儀

余訓(xùn)兵 / 遼河油田鉆采工藝研究院儀器儀表研究所

設(shè)計(jì)了一種基于PIC16F877A單片機(jī)、能有效檢測(cè)出甲醛及苯的室內(nèi)有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)描述了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。軟件設(shè)計(jì)中采用溫度補(bǔ)償技術(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了溫漂校正，提高了室內(nèi)有害氣體測(cè)試的準(zhǔn)確度。該檢測(cè)儀能及時(shí)提醒人們居住環(huán)境中的有害氣體含量，對(duì)確保人們居住環(huán)境安全有重要意義。

甲醛；苯；PIC16F877A；單片機(jī)；監(jiān)測(cè)

0 引言

甲醛及苯是居室空間中的主要污染物，是世界公認(rèn)的變態(tài)反應(yīng)源及強(qiáng)烈致癌物質(zhì)，其對(duì)人體特別是對(duì)嬰幼兒健康影響十分巨大。對(duì)甲醛及苯的有效監(jiān)測(cè)有利于有害氣體的清除，確保居室的居住安全，對(duì)提高人們生活質(zhì)量有現(xiàn)實(shí)意義[1][2][3]。

目前對(duì)室內(nèi)有害氣體的檢測(cè)方法有很多，常用的有比色法和色譜法。比色法的缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度不高，測(cè)試時(shí)間長而且不準(zhǔn)確。色譜法則比較直接、高效，而且十分準(zhǔn)確，但有礙于色譜儀十分昂貴，而且操作相對(duì)繁雜[4][6]。本文采用恒定電位電解池型甲醛傳感器及半導(dǎo)體苯傳感器測(cè)試后，通過液晶顯示測(cè)試結(jié)果，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一種基于PIC16F877A的室內(nèi)有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的硬件包括PIC16F877A、甲醛傳感器、苯傳感器、溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、液晶顯示、電源電路等部分。軟件設(shè)計(jì)模塊化，并采用溫度補(bǔ)償技術(shù)，提高了室內(nèi)有害氣體測(cè)試的準(zhǔn)確度。

1 硬件

系統(tǒng)采用鋰電池供電，其電路原理如圖1所示。

1.1 PIC16F877A

PIC16F877A是一款采用納瓦技術(shù)的40引腳8位閃存單片機(jī)，其具有以下特征：

1）單獨(dú)5 V的內(nèi)部電路串行編程（ICSP）能力；

2）寬工作電壓范圍：2.0～5.5 V；

3）低功耗特征：典型的穩(wěn)態(tài)電流值小于1 μA；

4）8個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換通道；

圖1 氣體檢測(cè)儀電路原理圖

5）帶有3個(gè)定時(shí)器及33個(gè)可編程I/O口可以使用。

1.2 甲醛測(cè)試原理

系統(tǒng)所用的甲醛傳感器采用Dart Sensors公司生產(chǎn)的恒定電位電解池型傳感器。該類傳感器應(yīng)用已十分普遍，是一種庫侖分析傳感器[2]。其原理是在反應(yīng)電極之間加上一定的電壓，使待測(cè)氣體與重金屬催化劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，其輸出的微弱電流信號(hào)經(jīng)過處理之后即可被采集。

電路中的放大器AD8552是一款精密運(yùn)算放大器。傳感器信號(hào)通過IN輸入端進(jìn)入電路，R2及U1A組成跟隨器，將電流信號(hào)傳遞給由R3、R4、R5及U1B組成的放大電路后輸出，由單片機(jī)進(jìn)行A/D采集，見圖2。

1.3 苯測(cè)試原理

系統(tǒng)所用的苯傳感器采用MQ135傳感器，其原理是，氣體與半導(dǎo)體接觸時(shí)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率出現(xiàn)變化，傳感器的電導(dǎo)率隨著空氣中苯的濃度增高而增大[2]。將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為電阻的形式輸出即可通過電路進(jìn)行采集。

主要信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。將苯傳感器與一固定阻值的低溫漂電阻R1串聯(lián)，然后在兩端加一個(gè)穩(wěn)定的電壓。當(dāng)氣體中苯濃度變化時(shí)，R1上端的電壓會(huì)出現(xiàn)變化，將該電壓接上跟隨電路，輸出的電壓即可供單片機(jī)測(cè)量。

圖2 甲醛傳感器信號(hào)調(diào)理電路

圖3 苯傳感器主要信號(hào)調(diào)理電路

1.4 溫度測(cè)試及溫漂校正

由于室內(nèi)環(huán)境隨地理位置及季節(jié)變化很明顯，有時(shí)南北方的室內(nèi)環(huán)境溫度差甚至達(dá)到70 ℃，這就導(dǎo)致甲醛及苯的濃度測(cè)試不準(zhǔn)確，因此有必要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。

溫度傳感器選用鉑電阻PT100，0 ℃時(shí)電阻值為100 Ω，電阻溫度系數(shù)為3.9×10-3/℃，電阻變化率為0.385 1 Ω/℃，其穩(wěn)定性好，應(yīng)用范圍廣。

溫度信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。鉑電阻PT100與精密電阻R1組成串聯(lián)電路，R1的電壓經(jīng)跟隨器后放大50倍輸出，單片機(jī)即可采集電壓信號(hào)。

圖4 溫度信號(hào)調(diào)理電路

利用實(shí)際測(cè)得的一些數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)結(jié)合溫度值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫漂校正。對(duì)于不同的溫度范圍采用一次方程對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，即可得到測(cè)試的當(dāng)前值。本系統(tǒng)以10 ℃為一范圍。假設(shè)所測(cè)得的溫度為25 ℃，甲醛、苯的AD值分別為x、n，其實(shí)際值為y、m，則有方程如下：

同理測(cè)出其他溫度范圍的一次方程參數(shù)，將其與a1、b1、a2、b2存入單片機(jī)，每次A/D采集后，先讀出其溫度所屬范圍，然后根據(jù)一次方程參數(shù)計(jì)算實(shí)際值，并輸出至液晶顯示即可。

1.5 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊采用HITACHI公司生產(chǎn)的LM016L字符液晶顯示屏[8]，它是一款16字符×2行顯示的液晶顯示屏，其內(nèi)部控制芯片為HD44780。LM016L液晶顯示屏優(yōu)點(diǎn)如下：

1）只需單一的+5 V供電即可工作；

2）允許用戶自編字符用于顯示；

3）功耗低：10～15 mW；

4）只有14個(gè)控制信號(hào)，用11個(gè)單片機(jī)I/O即可控制；

5）工作溫度范圍寬：-20～70 ℃。

由于可以寫32個(gè)字符，空間比較有限，采用第一行顯示甲醛測(cè)試值及國家標(biāo)準(zhǔn)，第二行顯示苯測(cè)試值及國家標(biāo)準(zhǔn)，然后再顯示當(dāng)前溫度。

2 軟件

單片機(jī)程序采用C語言編寫。系統(tǒng)的單片機(jī)程序包括以下幾個(gè)大模塊：A/D轉(zhuǎn)換模塊，液晶顯示模塊，延時(shí)模塊，中斷模塊。

其主程序的基本流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程

其中系統(tǒng)初始化包括單片機(jī)初始化、A/D初始化、I/O初始化、LCD初始化、液晶屏初始化。程序開始后必須延時(shí)100 ms左右，因?yàn)橐壕э@示初始化較慢，測(cè)試時(shí)需待測(cè)試值穩(wěn)定后再讀數(shù)。

3 結(jié)語

本文對(duì)利用PIC16F877A實(shí)現(xiàn)室內(nèi)甲醛、苯有害氣體的測(cè)量作了較全面的研究。所研制的測(cè)試儀使用方便，準(zhǔn)確度高，性價(jià)比高，而且工作十分穩(wěn)定，可以起到監(jiān)測(cè)室內(nèi)有害氣體的目的。但是監(jiān)測(cè)的最終目的還是希望現(xiàn)代居室內(nèi)甲醛及苯的含量越來越低，人們的居住環(huán)境越來越健康，測(cè)試的目的是為了降低甚至消除有害氣體。在此提供降低室內(nèi)有害氣體的方法僅供參考：①采用低有害的建材及裝飾材料；②合理通風(fēng)；③采用空氣凈化器[5][7]。

[1]米萍珍，謝躍東，楊琛.低功耗室內(nèi)甲醛監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（22）：48-50.

[2]溫衛(wèi)敏.室內(nèi)有毒氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制[D].西安科技大學(xué).2008.

[3]秦桂香，馬中德.裝修居室內(nèi)空氣中苯污染的檢測(cè)[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，26（2）：30-33.

[4]吳慧山，韓耀照，郭冬發(fā).室內(nèi)裝修要警惕氡、甲醛、苯等危害[M].原子能出版社，2000.

[5]陳永亮.淺談室內(nèi)裝修污染及其防治[J].環(huán)保技術(shù)，2006，20-24.

[6]孔凡天，陳幼平．基于多傳感器信息融合的分布式氣體檢測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14：421-424.

[7]裴志剛，朱立.室內(nèi)裝修甲醛的危害及測(cè)量方法[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（6）：127-128.

[8]周茜，馬軍平.一種便攜式倉儲(chǔ)溫濕度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].研究與開發(fā)，2013，32（11）：45-48.

An indoor harmful gas detector based on PIC16F877A

Yu Xunbing
（Drilling and Production Technology Research Institute, Liaohe Oil fi eld Company）

A kind of indoor harmful gas detection system based on PIC16F877A is designed, which can effectively detect the formaldehyde and benzene.The designing scheme for hardware and software of the system is described in detail.The temperature compensation technology is adopted in the software design, and the temperature drift of the testing results has been corrected, which improves the testing accuracy of indoor harmful gas.The detector could timely remind harmful gas content in people’s living environment, and has important signi fi cance for ensuring the people’s residential environment security.

formaldehyde; benzene; PIC16F877A; microcomputer; detection