賈端陽 王丹璐 吳俊輝

摘要：隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，人們生活水平有了很大的提高，更加關(guān)注生活環(huán)境的提升，空氣質(zhì)量逐漸受到了人們的高度重視。室內(nèi)空氣質(zhì)量與人們的生活和健康息息相關(guān)，因此本文設計了一種便攜式環(huán)境空氣質(zhì)量檢測儀，實現(xiàn)了對甲醛、氨和苯系物三種氣體的快速檢測。本文的研究可以為相關(guān)領(lǐng)域提供借鑒。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量；電化學傳感器；檢測儀

在各種家電產(chǎn)品不斷進入千家萬戶的同時，也使室內(nèi)空氣質(zhì)量受到了不同程度的污染，輕者給人帶來不適，重者可直接致人死亡。室內(nèi)污染物一般包括甲醛（HCHO）、氨（NH3）、苯（C6H6）系物、VOCs等等，這些都對人體健康有極大的危害。但目前對于這些污染物地檢測需要嚴重依賴于大型空氣質(zhì)量分析設備，這些設備不但價格貴、使用也很不方便，無法滿足室內(nèi)混雜物的快速測定[1]。因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量的快速檢測方法及設備的研究具有極其重要的現(xiàn)實意義?；诖耍疚某浞謶昧水斍氨容^先進的電化學傳感器、FPGA等技術(shù)，提出了一種便攜式環(huán)境空氣質(zhì)量檢測儀，該儀器體積小、重量輕、操作簡單，可以隨時隨地完成室內(nèi)空氣質(zhì)量的準確測量。

1 總體方案設計

本文設計的檢測儀包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、核心主控模擬、人機交互模塊以及輸入輸出模塊。該檢測儀以FPGA為核心單元，負責對整個系統(tǒng)進行控制和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集模塊由HCHO傳感器、NH3傳感器、C6H6傳感器三種氣體傳感器件構(gòu)成，實現(xiàn)對空氣中有毒有害氣體進行檢測。此外，也對氣壓、氣溫和濕度等常規(guī)氣象參數(shù)進行了檢測。數(shù)據(jù)處理模塊包括電流-電壓轉(zhuǎn)換單元、A/D變換單元和低通濾波單元，負責將傳感器輸出的電流信號進行轉(zhuǎn)換、去噪、最終得到適合FPGA處理的數(shù)字信號。FPGA對傳感器信號進行分析與存儲，一方面將結(jié)果傳輸?shù)斤@示模塊進行顯示，另一方面輸出到打印接口進行打印。用戶可以根據(jù)需要通過按鍵輸入控制參數(shù)，實現(xiàn)人機交互。

由于甲醛、氨氣以及苯等電化學傳感器一般采集的是電流信號，并且非常微弱[2]，總體設計方案中必須考慮到微弱信號的處理能力，本文采用了高精度低噪聲的電流/電壓轉(zhuǎn)換模擬，配合低通濾波進行處理，再由A/D轉(zhuǎn)換單元的數(shù)字化處理，基本可以滿足FPGA的輸入信號要求。FPGA在處理數(shù)據(jù)時必須考慮初始值并根據(jù)相關(guān)標準進行修正，保證系統(tǒng)設計與行業(yè)法律法規(guī)的相符性。

2關(guān)鍵器件選型

綜合各方面性能進行考慮，甲醛的檢測采用了瑞士原裝進口CH2O/S-10-S，氨氣和苯的檢測分別采用國產(chǎn)煒盛的ME4-NH3和ME4-C6H6?？紤]到FPGA的核心地位，必須具備較高的性能和較強的穩(wěn)定性，因此采用了Altera公司的EP2C5T144C8芯片，該芯片具有高性能、速度快、穩(wěn)定性好、容量大、擴展能力強等優(yōu)點，在軍用領(lǐng)域都有著非常廣泛的應用。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用了通用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7865-2，基本可以滿足系統(tǒng)要求。液晶顯示采用了以LCD240128芯片為核心的一體化液晶顯示模塊。聲光報警由普通三色LED和揚聲器構(gòu)成。為了可以對系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，本文設計了三個按鍵為用戶提供數(shù)據(jù)輸入。

3系統(tǒng)詳細設計

3.1信號調(diào)理電路設計

以氣體為檢測對象的傳感器一般為電化學傳感器，傳感器選型的合理性對系統(tǒng)測量精度有重要影響。根據(jù)總體方案，傳感器輸出的微弱電流信號需要進行三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的處理才能進入FPGA主控模塊。三種傳感器都是以對電極（CE）、參比電極（RE）和工作電極（SE）三引腳進行封裝的，因此可以與恒壓電路相連，使信號可以進行自適應調(diào)節(jié)，工作電極輸出的電流與環(huán)境氣體濃度之間始終保持著較好的線性關(guān)系。微弱電流信號進行兩級運放的放大，同時實現(xiàn)電壓的自動調(diào)理，再通過T型網(wǎng)絡進行反饋，保證信號的穩(wěn)定輸出。

圖1 傳感器及信號調(diào)理電路

如圖1所示，由IC2和IC3構(gòu)成電路的兩級運放，由R11電阻器構(gòu)成電流/電壓轉(zhuǎn)換模塊的零點調(diào)節(jié)，避免出現(xiàn)漂移。實際上，盡管三種傳感器都輸出電流，但其線性范圍是不一樣的，于是電路中增加R6，R7 和R8 三個電阻器組成T型網(wǎng)絡，對三種電流的范圍進行統(tǒng)一調(diào)節(jié)。經(jīng)過放大后調(diào)理后的電壓信號繼續(xù)進入下一級低通濾波器，以去除噪聲成分。IC4的放大倍數(shù)可以通過R21進行一定范圍的調(diào)節(jié)，使電路具有更強的實用性。傳感器及信號調(diào)理電路如圖1所示。

3.2 FPGA主控模塊設計

FPGA是整個系統(tǒng)的核心部分，它負責對采集模塊、顯示模塊、報警模塊、按鍵模塊、USB接口等模塊進行統(tǒng)一的調(diào)度，共同完成空氣質(zhì)量的檢測和分析。聲光報警由普通三色LED和揚聲器構(gòu)成。為了可以對系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，本文設計了三個按鍵為用戶提供數(shù)據(jù)輸入。傳感器的電流被變換為電壓信號后，由高速A/D轉(zhuǎn)換模塊進行采樣、量化后變成數(shù)字信號，作為FPGA的信號源。FPGA對信號進行解析后得到相應的的物理量的實際數(shù)據(jù)，并控制顯示模塊實時展示檢測結(jié)果。用戶可以用過按鍵輸入各物理量的預警值，大大提高了使用的靈活性，F(xiàn)PGA經(jīng)判斷如果發(fā)現(xiàn)當前氣體濃度超過預設值，則會向聲光報警電路輸出一個高電平，驅(qū)動其點亮并發(fā)出聲音，提示用戶當前氣體濃度超標。FPGA在數(shù)據(jù)處理過程中一方面考慮到了用戶的需求而提高系統(tǒng)的靈活性，另一方面又嚴格遵守了國家行業(yè)規(guī)范，在市場上具有較強的核心競爭力。

3.3 電源模塊設計

電源為系統(tǒng)各模塊提供源源不斷的電力，驅(qū)動系統(tǒng)正常工作。由于系統(tǒng)模塊眾多，對電源的電壓要求也有一定的區(qū)別，因此電源電路必須具備提供多種電壓的能力，并通過外圍器件實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源的輸入使用了普通220V交流市電，電信號經(jīng)過LM1086-5、LM1086-2.5、LM1086-3.3、MAX660等芯片的處理，可以為各模塊提供±5V，±3.3V，±-2.5V等多種直流電壓，完全可以滿足系統(tǒng)各模塊對供電的要求。

3.4 系統(tǒng)軟件設計

軟件是硬件工作的依據(jù)，各模塊的協(xié)調(diào)工作是由軟件程序的控制而完成的。為了提高軟件設計的質(zhì)量，本文采用了模塊化的軟件編程方法，按不同的功能模塊設計相應的子程序，實現(xiàn)相應的功能，然后由主程序負責對所有子程序進行調(diào)度，按嚴密的邏輯完成環(huán)境空氣的快速檢測。考慮到便攜式儀器對速度的要求，系統(tǒng)軟件具有較高的執(zhí)行效率。

3 結(jié)論

為了驗證系統(tǒng)的合理性，并對系統(tǒng)性能進行檢驗，為系統(tǒng)的改進提供依據(jù)，本文分別在室內(nèi)施放了福爾馬林、氨水、苯等三種氣體，并通過本文設計的便攜式環(huán)境空氣質(zhì)量檢測儀進行實測，將測量結(jié)果與正常環(huán)境進行比對。測試結(jié)果表明，實則結(jié)果比較準確，可以滿足室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量測量要求，聲光報警模塊功能正常，在濃度超標時可以及時發(fā)出報警。

參考文獻：

[1]張翠英，湯萌.我國環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測現(xiàn)狀及發(fā)展分析[J].地球，2015（12）.

[2]鮑春，孫圣坤，黃華.便攜式環(huán)境空氣VOCs現(xiàn)場快速分析儀的研制與應用[J].分析儀器，2017（3）：1-8.