基于嵌入式系统的甲醛检测仪设计 |
1 引言
甲醛（HCHO）是一种无色易溶的刺激性气体，可诱发哮喘、白血病等疾病，对人体健康危害较大。目前甲醛检测的方法主要有分光光度法、气相色谱法和液相色谱法等化学检测方法，这类方法不仅检测过程复杂、反应时间较长，而且需要操作控制人员具备相应的专业知识和技能，不易于使用，也不方便推广。电化学检测技术可以有效的解决这一个问题(Emerson)，由于电化学检测方法可以将检测气体浓度转换为电信号进行测量，因此采用电化学检测技术设计甲醛检测系统，可采用嵌入式系统平台进行系统开发设计，降低（reduce)测量操作的复杂性和对操作人员专业知识的要求；同时由于电化学测量方法反应速度较快，提高了检测的效率。
2 系统结构的设计
嵌入式系统是目前电子设备常用使用的设计方法之一，其常见标准结构包括核心处理器Soc芯片、外围AD或者IO输入端口、LCD显示触摸屏、电源管理电路等。S3c2440是目前嵌入式系统常用的核心处理器，采用ARM9架构设计，运行频率为400MHz，具备包括ADC端口、标准IO端口以及LCD触摸屏端口等电路；同时可运行包括Linu
X、WinCE等嵌(qiàn)入式操作系统。常州空气检测新装修或新进家具的房子尽量通风。检测时，对采用自然通风的民用建筑，门窗关闭1小时后进行检测，“氡气”则应在对外门窗关闭1小时后进行检测；对采用中央空调的，应在空调正常运转的条件下进行检测。因此，采用嵌入式系统设计电化学检测仪器不仅提高了仪器的数据（data)处理(chǔ lǐ)能力，同时利用嵌入式操作系统，提高了系统软件运行的稳定性和功能的拓展性。系统结构如图1所示。
2.1甲醛传感器
瑞士Membrapor公司的CH2O-S-10型甲醛传感器(transducer)，具有精度高、使用寿命长、线性输出等特点，而且体积（volume)小、重量轻，非常适合用在便携式设备上。CH2O-S-10甲醛传感器是一个三电极结构传感器，待测气体扩散进入传感器后，在工作电极发生氧化或者还原反应，产生微弱电流通过外电路流经对电极，为了防止工作电极的电位超出许可范围，在工作电极和参考电极之间，利用一外部恒电位电路使得工作电极相对参考电极保持一恒定电位，而在参考电极中无电流流过，这样便不再产生限制作用，同时扩大了传感器的检测范围。传感器输出的微弱电流（1200±300nA/ppm），需经过I/V转换放大电路，方可送到A/D转换模块测量。其工作电路原理图如图2所示。
图 2 传感器工作电路
IC1 向计数电极提供电流以保持与工作电极电流的平衡， IC1信号放大器要求选择低漂移或者是无漂移的元件，因为当接通工作电路时，J 型场效应管 Q1 就会处于高增益工作状态。IC1向工作电极提供电流使其电压与参考电极相同，任何 IC1中偏置电压带来的偏置效果都会在电路工作时产生一个极大的漂移。反过来输入IC1的信号都与参考电极连接起来，这并不会淹没参考电极端主要的电流信号。实际中，我们选择选择PMI的OP-7，具有低漂移、高精度（精确度）的特性。
2.2 Arm9平台
本设计采用友善之臂的mini2440开发板作为核心平台，平台使用Samsung S3C2440微处理器，支持wince操作系统。利用此平台集成的A/D转换器、LCD触摸屏以及UDAl1341语音解码芯片，可以方便设计一个高精度和具备人性化用户界面的检测仪，而且使用简便。此平台结构如图3所示。
图 3 Arm9平台
2.3 温度检测电路
传感器的输出会因温度的改变有轻微的变化，引入温度检测作适当的温度补偿。温度检测采用常用LM35器件，其输出电压与摄氏温标层线性关系，0°时，输出为0V，每升高1°，输出电压增加10MV。常温下，LM35无需额外的校准处理即可达到±1/4°的准确率。正负双电源的供电模式可提供负温度的测量，一般应用下，单电源供电即可，测温范围也可达0~+150°C。其工作电路如图4所示。
图 4 温度检测(检查并测试)电路
2.4 电源电路
本检测仪在设计时，考虑（consider)到便携、低功耗等特性，不同的模块电路使用不同的电源，其中Arm9平台采用5V电压供电，传感器模块采用3.3V电压供电，温度传感器模块采用5V电压供电，而在分模块内部的高精度运放又采用正负双电源供电，因此对电源电路的设计提出了较高的要求。整个电源电路可分成三个部分：锂电池充电电路、降压电路、正负电源转换电路。
设计中我们使用锂电池（Lithium Cell）对检测仪进行供电，同时采用TP4055芯片(又称微电路)针对锂电池设计了充电电路，TP4055带有电池正负极反接保护，采用恒定电流(Electron flow)/恒定电压线性控制（control)，输入电源电压范围VCC在4V~9V之间。当BAT引脚电平低于2.9V时，进入涓流充电模式，提供约1/10的设定充电电流，BAT引脚电平升至2.9V以上时，进入恒流充电模式，向电池提供恒定充电电流，BAT电平达到最终浮充电平4.2V时，进入恒压充电模式，充电电流开始减小，电流降到设定值的1/10时，充电结束。在锂电池反接的情况下，无充电电流，充电指示管脚处于高阻状态，LED熄灭。拿走反接的锂电池后，需结经过一段时间，才会显示正常的充电指示状态。充电循环结束后，对BAT引脚电平进行监控，当电池电压降至4.1V以下时，充电循环重新开始，确保电池维持在一个满冲状态。其工作电路如图5所示，没连接电池时，红色LED灯一直闪烁，表示未进行充电，接入电池时，红色LED高亮显示，表示充电正在进行，充电完成之后，红色LED灯熄灭。
图 5 充电电路
降压电路中，使用圣邦威公司的低压差线性稳压器SG2002芯片，这块芯片低功耗，低噪声，低静态电流，非常适合用于电池（Battery）供电系统，可延长手持设备的电池寿命，且应用电路简单，但是由于是贴片封装，焊合比较困难（difficult)。常州甲醛检测是指通过特定的方法或仪器，对空气、水、食品、衣物等含有的甲醛做定量检测。降压电路原理图如图6所示。
图 6 降压电路
正负电源转换电路中，使用ICL7660芯片设计正负电源变换电路，ICL7660是Maxim公司(Company)生产的小功率从极性反转电源转换器，静态电流典型值为170μA，输入电压范围为1.5~10V，工作频率10KHZ，只需外接10μF的小体积电容，效率高度98%。其工作原理图如图7所示。
图 7 负电源变换电路
3 系统软件设计
软件架构是在Arm9平台上搭建，并且基于wince操作系统，通过evc4.0、ActiveSyn和SDK2440构建开发环境，在wince5.0操作系统下，采用多线程的编程思想来设计本检测(检查并测试)仪的软件体系。软件程序可以分成以下几个部分：检测仪启动时的初始化设置工作；进入消息循环，获取(obtain)用户的操作命令；检测结果分析(Analyse)及相关提示。软件程序流程图如图8所示。
检测仪启动时，获取系统时间值，并实时显示在UI界面上；然后开启虚拟内存映射机制，进行I/O操作，读取并显示检测到的温度值；接着加载各种UI素材，完成初始化工作。
捕捉到用户的通过触控屏输入的操作指令后，检测仪可执行检测、暂停、取样、保存文件、读取文件、绘制曲线图等操作，而且在这些操作过程中有语音和文字的提示。
检测到气体浓度超标时，会发出蜂鸣器响声，并且有语音提示浓度超标，同时界面上会有一个图标处于闪烁状态，提醒用户注意。常州空气检测新装修或新进家具的房子尽量通风。检测时，对采用自然通风的民用建筑，门窗关闭1小时后进行检测，“氡气”则应在对外门窗关闭1小时后进行检测；对采用中央空调的，应在空调正常运转的条件下进行检测。
检测仪设置了txt文件生成、存储与读取，生成txt文件用以保存采样信号，用以日后对比分析；读取文件，查看过往采样信息，或者读取有关系统的介绍、气体含量和应对建议的介绍；另外，可以根据采样信息绘制曲线图，用以分析气体浓度的走势。
图 8 软件流程(liú chéng)图
4 性能测试结果与讨论
由于甲醛(aldehyde)气体无色且具有挥发性，而且对人体有一定的危害，因此构造甲醛环境来进行测试（TestMeasure)比较困难。本文采用模拟环境进行测试，测试条件如表1所示。
测试过程得到统计数据分析入图9所示。
在通风干爽的环境中，检测仪输出较为平稳的信号，与环保公司(Company)的设备进行比对，可认为这是无甲醛污染情况下的输出，当我们进入封闭过一定时间的实验室时，可以发现传感器输出有一定幅度的升高，当甲醛气体挥发出来之后，输出升幅十分明显，挥发源移走之后，由于空气中存留有气体，因此输出的下降是一个较为缓慢的过程。当我们把检测仪移到实验室外面通风的环境时，可以发现输出又回降到较为理想的状态。
实验测试结果表明，本检测仪能有效检测甲醛气体的浓度，且操作控制简易，达到预期设计效果。
5 结束语
随着人们生活水平的提高，设计一种简便、快速、准确的甲醛(aldehyde)实时检测系统是社会所需，分光光度法受水浴或浓硫酸等操作条件的限制，色谱法受仪器设备限制，我们设计的甲醛检测仪比较有效地弥补了上述方法的不足，测量速度快，不需要其他附属设备或试剂，使用方便，具有良好的推广价值。
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