徐加濤, 姚 佳, 孫建紅, 張 威, 羅 芮， 厲 龍

(1.南京理工大學 電子工程與光電技術(shù)學院，江蘇 南京 210094；2.中國科學院 蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215011；3.清華大學 生物醫(yī)學工程系，北京 100084；4.蘇州市計量測試研究所，江蘇 蘇州 215122)

基于MSP430的甲醛濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

徐加濤1, 姚 佳2, 孫建紅1, 張 威2, 羅 芮3， 厲 龍4

(1.南京理工大學 電子工程與光電技術(shù)學院，江蘇 南京 210094；2.中國科學院 蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215011；3.清華大學 生物醫(yī)學工程系，北京 100084；4.蘇州市計量測試研究所，江蘇 蘇州 215122)

為解決現(xiàn)有的甲醛測量方法和測量儀器實時性差、測量步驟繁瑣以及互聯(lián)性弱的缺陷，以電化學傳感器原理等理論為基礎(chǔ)，基于電化學氣體傳感器,無線局域網(wǎng)(WiFi)模塊和MSP430F149單片機提出了一種甲醛濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方法。該系統(tǒng)能精確測量環(huán)境甲醛濃度并進行實時提醒，對傳感器響應(yīng)電流分辨率可達0.6 nA。并且系統(tǒng)具有遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，實用性強。測試結(jié)果表明:系統(tǒng)實現(xiàn)了預期功能，稍加拓展還可以應(yīng)用于其他相關(guān)場合。

電化學原理； 甲醛測量； 無線局域網(wǎng)； MSP430

0 引 言

甲醛是一種較為常見的有毒有害氣體，甲醛超標帶來的危害包括皮膚致敏、粘膜刺激甚至產(chǎn)生生理病變。常見甲醛測量的常見方法包括試紙比色法、半導體傳感法、催化燃燒法、電化學法等[1]。

試紙比色法測量成本低但是只能實現(xiàn)定性測量，測量結(jié)果需要進行主觀判讀，也難以實現(xiàn)實時監(jiān)測；半導體傳感法依靠半導體傳感器在不同濃度甲醛中的電導差異實現(xiàn)測量，目前只在特定的幾種氣體測量中表現(xiàn)出良好性能，對甲醛測試的穩(wěn)定性和測量精度都難以保證；催化燃燒法能實現(xiàn)高精度的測量，比較適合計量場所的檢測，其安全性和測試復雜程度不適合居室環(huán)境中的甲醛檢測；相比較而言，電化學測量方法表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢，易于開發(fā)出低成本、小體積、高響應(yīng)、長壽命的傳感器器，而目前市場上應(yīng)用此技術(shù)的甲醛測量儀均表現(xiàn)出單個體的特點，互聯(lián)性不強，與智能家居的發(fā)展趨勢不相符合[2，3]。

針對其他測試方法及現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，本文提出了一種以MSP430F149單片機和電化學甲醛傳感器為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境中甲醛濃度實時、高精度監(jiān)測的甲醛檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)能準確獲取并給出環(huán)境甲醛濃度、溫濕度等信息，并支持接入家庭智能網(wǎng)絡(luò)，從而向家庭智能終端提供數(shù)據(jù)，為后續(xù)家庭排風、空氣凈化器等智能設(shè)備提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)能實現(xiàn)的主要功能有：1)可實時監(jiān)測、顯示環(huán)境甲醛濃度、溫度、濕度參數(shù)，遠程獲取各參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)。2)可通過無線模塊向家庭智能終端發(fā)送環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。3)預設(shè)警報閾值以后，系統(tǒng)進入自動運行模式，可以實現(xiàn)自動報警、報警自動解除、自動上傳至智能終端等功能。4)提供了時間顯示功能，實現(xiàn)時鐘和甲醛濃度切換顯示。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

為實現(xiàn)上述功能，本系統(tǒng)需要主控處理器，甲醛傳感器，溫濕度傳感器，蜂鳴器和多色LED燈，時鐘芯片配合晶振，顯示模塊，無線模塊，4×1鍵盤電源等硬件模塊。其中，主控處理器負責整個系統(tǒng)的運行邏輯以及數(shù)據(jù)的采集、處理與控制，是本系統(tǒng)的功能中樞；甲醛傳感器用于環(huán)境甲醛濃度參數(shù)的獲取，為后續(xù)的硬件調(diào)理和軟件處理提供原始數(shù)據(jù)；溫濕度傳感器獲取環(huán)境的溫度、濕度參數(shù)，既滿足顯示需要，也為甲醛濃度測量結(jié)果的軟件補償提供依據(jù)；蜂鳴器和多色LED燈通過不同的組合方式實現(xiàn)不同情況下的報警提示；顯示器用于顯示時鐘、環(huán)境參數(shù)以及系統(tǒng)狀態(tài)；無線模塊用于實現(xiàn)向家庭智能終端遠程傳輸信息?？傮w設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.3 系統(tǒng)工作原理

電化學傳感器(electrochemical sensor)由傳感電極(或工作電極)和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，傳感電極采用氧化機理或還原機理。這些反應(yīng)由針對被測氣體而設(shè)計的電極材料進行催化。通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。由于該過程中會產(chǎn)生電流，電化學傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池[3，4]。

基于電化學原理工作傳感器的一種最簡單型式就是兩電極系統(tǒng)[5]。在實際中，為了讓反應(yīng)能夠發(fā)生，敏感電極的電位必須保持在一個特定的范圍內(nèi)。但氣體的濃度增加時，反應(yīng)電流也增加，于是導致對電極電位改變(極化)。至此傳感器將不成線性，在經(jīng)過一段較長時間后，它會導致傳感器性能退化。為改善傳感器性能，人們引入了參考電極。參考電極安裝在電解質(zhì)中，與傳感電極鄰近。固定的穩(wěn)定恒電勢作用于傳感電極。參考電極可以保持傳感電極上的這種固定電壓值。參考電極間沒有電流流動。氣體分子與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，同時測量反電極，測量結(jié)果與氣體濃度直接正相關(guān)，因此,在硬件設(shè)計上，系統(tǒng)在已有的兩電極傳感器基礎(chǔ)上引入了偏置電壓。

本系統(tǒng)智能化實現(xiàn)的關(guān)鍵閉環(huán)運行子系統(tǒng)主要包括測量、比較、顯示并提示三個環(huán)節(jié)。甲醛傳感器信號經(jīng)過調(diào)理電路處理變?yōu)橹骺貑纹瑱C可識別的電壓信號，此時主控將獲得的甲醛濃度參數(shù)與事先預設(shè)的閾值對比，根據(jù)比較結(jié)果判斷甲醛濃度是否超標以及超標程度，并以相應(yīng)的方式控制蜂鳴器以及多色LED燈發(fā)出不同的提示。根據(jù)事先標準值標定的結(jié)果將信號值換算成對應(yīng)的甲醛濃度值，同時，主控單片機從溫濕度傳感器獲取溫濕度參數(shù)并根據(jù)此參數(shù)對甲醛濃度值進行相應(yīng)的軟件補償。閉環(huán)運行子系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 閉環(huán)運行子系統(tǒng)原理

另外系統(tǒng)還增加了時鐘模塊，與已有的溫濕度傳感器實現(xiàn)時鐘和溫濕度顯示的功能。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控MCU

主控MCU選用MSP430F149單片機。該單片機是美國德州儀器(TI)推出的一種16位超低功耗、具有精簡指令集(reduced instruction set computer,RISC)的混合信號處理器,具有功耗低、指令高效、電壓范圍寬、時鐘靈活可選、中斷功能強大、喚醒時間短等特點[6,7]。其片上有2 kB RAM，包括基本時鐘，看門狗定時器，12位A/D轉(zhuǎn)換器，2個16位可輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM)單元的定時器，2個具有中斷功能的8位并行端口和4個8位并行端口，2個串行通信接口等模塊，完全滿足本系統(tǒng)的使用。

2.2 甲醛傳感器

本實驗選用甲醛傳感芯片為本團隊自主研發(fā)芯片，該芯片已在蘇州市計量測試研究所通過了響應(yīng)速度實驗、最低響應(yīng)濃度實驗以及響應(yīng)線性度實驗，并在實驗中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，能夠滿足實驗以及家庭日常使用要求。

2.3 信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊電路選用以MAX4238運算放大器構(gòu)建的差分放大電路。MAX4238是一種低噪聲、低漂移、超高精度運算放大器，通過采用自校零技術(shù)，它的直流失調(diào)和漂移近似于零，這種自校準方法可以連續(xù)測量輸入失調(diào)并對其進行補償，消除了時漂、溫漂和1/f噪聲造成的漂移。

信號調(diào)理模塊電路如圖3所示，甲醛傳感器產(chǎn)生的微電流信號接入Sen-和Sen+，經(jīng)過調(diào)理后輸出的電壓信號Vsen與輸入電流Isen以及偏置電壓Vref和轉(zhuǎn)換電阻Rsen滿足式(1)，通過選擇合適的電阻Rsen使得Vsen便于測量，本文中Rsen選擇了0.1 %精度的1 MΩ電阻，Vsen連接主控處理器引腳P6.2，Vref連接主控的引腳P6.1，測得Vsen之后的式(1)可以變形為式(2)，從而計算出傳感器的實際響應(yīng)值

Vsen-Vref=Isen×Rsen

(1)

Isen=(Vsen-Vref)/Rsen

(2)

圖3 信號調(diào)理模塊電路

2.4 無線模塊

無線模塊采用遠嘉科技推出的新一代嵌入式TLN13UA06 WiFi模塊。該模塊采用UART接口，內(nèi)置IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧。將其TXD和RXD分別與主控處理器串口引腳P3.4和P3.5相連，便可以實現(xiàn)串口信號到WiFi信號的轉(zhuǎn)換。

2.5 顯示模塊

顯示模塊選用XSM—S3641A和XSM—S5642C共陰極4位LED數(shù)碼管，主要用于數(shù)字以及小數(shù)點的顯示。兩個數(shù)碼管的8位引腳通過電阻器連接主控的P2.0～P2.7,8段引腳通過電阻器連接主控的P4.0～P4.7，“：”位和段則分別連接主控的P5.0和P5.1引腳。

2.6 其他外設(shè)

其他外設(shè)包括時鐘模塊、溫濕度傳感器、聲光報警模塊以及4×1鍵盤。時鐘模塊采用DS1302時鐘芯片外接32 768 Hz石英晶振構(gòu)成，三個控制引腳SCLK、I/O、CE分別連接至主控芯片的P3.0，P3.1和P3.2；溫濕度傳感器選用奧松公司的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，其數(shù)據(jù)引腳連接主控芯片的P1.6用于獲取溫濕度數(shù)據(jù)；聲光報警模塊采用蜂鳴器和紅、黃、綠三色LED燈，分別連接至主控的P5.2和P1.4～P1.6。4×1鍵盤連接至主控引腳P1.0～P1.3,用于向主控芯片發(fā)送中斷指令,系統(tǒng)整體硬件連接如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)整體硬盤件連接

3 軟件設(shè)計

3.1 主要流程

主程序的流程圖如圖5所示。系統(tǒng)啟動后首先進行初始化，包括標志量的初始化、主控處理器主時鐘初始化、報警濃度閾值預設(shè)以及各傳感器的預熱。這部分工作是在系統(tǒng)出廠前完成的，預熱完成后系統(tǒng)進入主循環(huán)。

主循環(huán)內(nèi)，系統(tǒng)首先判斷待機標志是否置1，若否，則進入待機狀態(tài)，關(guān)斷所有顯示以及模塊數(shù)據(jù)讀取并進行下一次判斷；若是，則進行甲醛傳感器數(shù)據(jù)處理和運行讀取函數(shù)Get_Results()，并進行警報標志累加。接下來判斷顯示選擇標志，若為0，則顯示時間，此刻若時間更改標志置不為0，則進入時間更改模式，通過按鍵更改時間；若顯示選擇標志為1，則轉(zhuǎn)換并顯示甲醛濃度值。之后則讀取溫濕度傳感器值并顯示在第二塊4位數(shù)碼管上。然后運行報警判斷函數(shù)Current_State(),該函數(shù)將采集到的甲醛濃度值與預設(shè)的閾值進行比對，若超標則驅(qū)動聲光報警模塊進行報警，并根據(jù)超標程度發(fā)出不同的警報。完成這一動作后系統(tǒng)重復執(zhí)行上述動作。系統(tǒng)在報警時可通過按鍵中斷關(guān)閉蜂鳴器聲音但仍會保留LED顏色提示，若連續(xù)多次報警仍不處理，則系統(tǒng)判斷現(xiàn)場無人，自動關(guān)閉蜂鳴器但保留LED顏色提示，并激活WiFi模塊向終端發(fā)出警告信息，用戶的PC或手機連接至網(wǎng)絡(luò)后便可接收到智能終端發(fā)出的提示信息。兩種方式消聲后系統(tǒng)都會在連續(xù)測得安全濃度值后恢復聲音提示能力。

3.2 按鍵中斷

按鍵中斷函數(shù)用于向主控處理器發(fā)送各種中斷指令，中斷流程圖如圖6所示。按鍵0中斷用于切換顯示、報警消聲以及待機開關(guān)。短按此鍵時，系統(tǒng)接收到一個下降沿中斷信號，此時若系統(tǒng)處于安全濃度下，則執(zhí)行濃度/時鐘切換操作，若系統(tǒng)正在報警，則關(guān)斷蜂鳴器聲音；長按此鍵2s，系統(tǒng)進行待機/工作狀態(tài)切換；按鍵1中斷用于時鐘修改。顯示甲醛濃度時，此按鍵無效；顯示時鐘時，系統(tǒng)接收此按鍵的上升沿中斷后進入時鐘更改模式，具體是每次中斷依次執(zhí)行：更改小時、更改分鐘、更改完畢并重新寫入更改的時間；按鍵2和3中斷用于時鐘更改模式下某時間位的增加和減小，每按一次更改1。

圖6 按鍵中斷流程圖

3.3 關(guān)鍵函數(shù)與進程

傳感器參數(shù)獲取函數(shù)Get_Results()是本系統(tǒng)的關(guān)鍵函數(shù)之一，其主要流程是：初始化AD,同時采樣甲醛傳感器信號調(diào)理電路的輸出值Vsen和偏置電壓值Vref(這樣做是為了減小電路噪聲帶來的干擾)，每采樣10次后取1次平均值，連續(xù)取平均值10次后取1次平滑，這樣Vsen-Vref的值就是采樣時間內(nèi)(約500 μs)甲醛傳感器的平均響應(yīng)值1 mV/nA，這個精度亦能滿足日常生活以及實驗室甲醛濃度的測量要求。

另一個關(guān)鍵函數(shù)是報警判斷函數(shù)Current_State()，具體流程是：將Get_Results()中獲得的傳感器響應(yīng)值與預設(shè)的三個閾值warning，bad，death進行比較，warning是根據(jù)國家標準規(guī)定室內(nèi)甲醛濃度安全值不超過0.01 mg/m3設(shè)置的[8]，若小于warning，則判為安全，綠燈閃1次；若大于warning小于bad，則判為略超標，黃燈閃1次，蜂鳴器響1聲；若大于bad小于death，則判為嚴重超標，紅燈閃1次，蜂鳴器連續(xù)響2次；若大于death，則判為極嚴重超標，三燈齊閃，蜂鳴器連續(xù)急促響3次，此刻應(yīng)當考慮氣體泄漏等極端情況。

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)功能需求完成了系統(tǒng)設(shè)計，所涉及的甲醛濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)已在蘇州市計量測試研究所完成甲醛濃度測試結(jié)果的標定和校準，標定結(jié)果曲線如圖7所示，軟件校準后測試結(jié)果如表1所示。

圖7 標定結(jié)果曲線

表1 校準后測量數(shù)據(jù) 10-6

5 結(jié) 論

對系統(tǒng)成品進行了測試，實現(xiàn)了預期功能。所采用的電化學傳感器信號調(diào)理電路對傳感器響應(yīng)電流的分辨率可達0.6 nA，大大提高了傳感器信號的獲取精度和穩(wěn)定性，可運用到其他多種同類型電化學傳感器的信號識別上。WiFi模塊支持系統(tǒng)接入家庭智能終端，解決傳統(tǒng)甲醛測量儀單個體的缺陷，符合智能家居的發(fā)展趨勢。但本系統(tǒng)開發(fā)尚處于初級階段，還沒有實現(xiàn)與智能家居系統(tǒng)的完全互聯(lián)，仍需加以拓展。

[1] 蘭 羽，盧慶林.基于AT89C52的便攜式甲醛檢測儀設(shè)計[J].機械與電子，2014(1)：67-70.

[2] 孫兆東.甲醛的危害及防治方法簡述[J].科技風，2014(14)：194-200.

[3] 崔志華.淺析電化學型氣體傳感器的工作原理和檢測方法[J].黑龍江科技信息，2010(36):45.

[4] 王翠翠，周 真，秦 勇，等.電流型電化學傳感器恒電位儀電路的研究[J].傳感器世界，2009(2)：36-39.

[5] 劉長春，崔大付.電化學傳感器及其在芯片實驗室中的應(yīng)用[J].傳感器技術(shù)，2003，22(7)：1-3，6.

[6] 李 彬，王朝陽，卜 濤，等.基于MSP430F149的最小系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2009，28(12)：74-76.

[7] 張艷麗，張紹南，張 猛.基于MSP43OF149的酒精濃度檢測儀的設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2009,28(10)：112-114.

[8] 謝躍東.基于MSP430的室內(nèi)甲醛檢測儀的設(shè)計[D].太原：太原理工大學，2012.

Design of real-time monitoring system for formaldehyde concentration based on MSP430*

XU Jia-tao1, YAO Jia2, SUN Jian-hong1, ZHANG Wei2, LUO Rui3, LI Long4

(1. School of Electronic and Optical Engineering,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China; 2.Suzhou Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Sciences, Suzhou 215011,China; 3.School of Medicine,Tsinghua University,Beijing 100084,China; 4.Suzhou Institute of Measurement and Testing Technology,Suzhou 215122,China)

The existing methods and instruments for formaldehyde measurement always have disadvantages such as bad real time capability,tedious steps and weak interconnection.In order to solve these problems,a design procedure for monitoring formaldehyde concentration is mentioned based on the principle of electrochemical reaction.And a corresponding real-time intelligent monitoring system is built based on WiFi module and MSP430F149 MCU,the concentration of formaldehyde of the environment can be accurately measured by this system with a real-time warning,and the current resolution of the response of the sensor has reached to 0.6 nA.And remote data transmission can be achieved with excellent practicability.The expected target is realized through experimental results for the system.In further, and the system can be applied in other fields with extended functions.

electrochemical theory; formaldehyde measurement; WiFi; MSP430

2016—05—10

江蘇省自然科學基金資助項目(BK20140380)；江蘇省產(chǎn)業(yè)重大原創(chuàng)性技術(shù)創(chuàng)新項目(BO2015007);江蘇省自然科學基金面上資助項目(BK20131169)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0094—04

TP 368.1

A

1000—9787(2017)06—0094—04

徐加濤(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式電路系統(tǒng)。

姚 佳(1986-)，男，通訊作者，助理研究員，主要從事為電子電路系統(tǒng)方向研究工作，E—mail:yaojia@sibet.ac.cn。