高靈敏智能甲醛測試儀的設計與開發(fā)

1、高靈敏智能甲醛測試儀的設計與開發(fā)劉福星1,2 張克棟3 顧唯兵2* 崔錚2,31上海大學材料科學與工程學院，上海市寶山區(qū)上大路2中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所 印刷電子研究中心，蘇州市工業(yè)園區(qū)若水路3蘇州納格光電科技有限公司，蘇州市工業(yè)園區(qū)星湖街生物納米園*E-mail: wbgu2007 摘要：針對目前小型甲醛測試儀價格高、靈敏度低等缺點，本文設計了以STM8單片機為主控芯片，基于新型納米材料傳感器的高靈敏智能甲醛測試儀。該測試儀通過采樣氣路的設計和高精度信號采集電路，實現了對甲醛氣體的高靈敏度、高精度測量：其最小檢測濃度達ppb量級，在010ppm的范圍內，相對偏差小于1.3%。儀器采

2、用了低電壓、低功耗設計，由單節(jié)3.7V鋰電池進行供電，續(xù)航時間達8小時以上；同時，該甲醛測試儀集成了無線充電和無線藍牙通訊功能，能與手機、PC等個人智能終端設備進行數據通訊，真正實現了甲醛測試儀的智能化和網絡化。該儀器的核心電路系統(tǒng)也可以單獨作為檢測模塊與其他家電系統(tǒng)集成，實現室內甲醛的常規(guī)檢測。關鍵詞：甲醛測試儀 STM8 高靈敏度 低功耗 智能化 Design and Development of High Sensitive Smart Formaldehyde DetectorFuxing Liu 1,2 Kedong Zhang 3 Weibing Gu 2* Zheng Cui 2

3、,3*1 Shanghai University School of Materials Science and Engineering, Shanghai city2 Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Binics(SINANO),Chinese Academy of sciences, Suzhou city3Suzhou NanoGrid Technology Co.,Ltd, Suzhou cityAbstract : In current market, the formaldehyde detector is expensive and

4、low sensitivity. Here, we have designed a high sensitivity and intelligent formaldehyde detector which based on STM8S microcontroller and new nano material sensor. With special gas path and high precise signal acquisition circuit, the detector can measure formaldehyde gas in the concentration of ppb

5、, and the relative error is less than 1.3% in the range of 010ppm. The detector power is supplied by a 3.7V lithium battery and can work more than 8 hours with lower power consumption design. Wireless charging and Bluetooth technology were integrated in the system which can communicate with mobile p

6、hone, PC and other personal intelligent terminal equipment, and it makes the detector be a intelligence and network product. Core circuitry of the system can also be used as a detection module which can be integrated in other home equipment such as air-conditioning for formaldehyde gas measure.Key w

7、ords: Formaldehyde detector STM8 High sensitivity Intelligence 1.引言甲醛是一種能誘發(fā)多種疾病，并且具有致癌性的有害氣體。家居、辦公環(huán)境中的甲醛氣體已成為危害人體健康的重要原因，并引起了人們的高度關注。我國國家標準規(guī)定：居室空氣中甲醛的最高允許濃度為0.08 mg/m3 ，公共場所甲醛的最高允許濃度為0.10 mg/m3 。因此，發(fā)展低成本、高靈敏、高精度、便攜式的甲醛測試儀，實現對空氣環(huán)境質量的實時監(jiān)測，具有重要的實用價值。目前，市場上已存在一些便攜式甲醛測試儀，但主要采用電化學傳感器來進行甲醛濃度的檢測，其使用成本高、檢測精度

8、低，限制了其大規(guī)模的推廣應用。為此，本文設計并開發(fā)了一種基于新型納米材料傳感器的高靈敏智能甲醛測試儀，其成本低廉、靈敏度高、體積小巧、測量快速，并能實現數據的無線藍牙傳輸，有利于設備的推廣使用。2.測量原理本設計采用的甲醛傳感器是由蘇州納格光電科技有限公司自主研發(fā)的NGTFS10a。該傳感器采用了新型納米材料進行制備，實現了對甲醛氣體的高靈敏與高選擇性響應，當傳感器檢測到甲醛氣體后，其阻抗發(fā)生變化，變化值與氣體濃度具有一定的線性關系。以此為基礎，系統(tǒng)通過轉換電路，將傳感器阻抗變化轉換為電壓信號輸出，經過模數轉換電路將電壓信息傳輸給單片機，單片機根據檢測到的電壓信號進行計算并得到相應的甲醛濃度值

9、。3.系統(tǒng)硬件設計該甲醛測試儀采用模塊化設計。系統(tǒng)整體功能結構如圖1所示，主要包括：主控芯片STM8S，高靈敏甲醛傳感器、精密恒流電路、微型泵氣體循環(huán)模塊、信號調理電路、高精度A/D采集模塊、數據存儲模塊、溫濕度采集模塊、時鐘模塊、液晶顯示模塊、按鍵和報警模塊、無線充電模塊及無線藍牙通訊模塊等。該儀器的核心電路系統(tǒng)也可以單獨作為測試模塊集成于其他家電系統(tǒng)中（圖2），實現室內甲醛氣體的實時檢測。 單片機 STM8S 103K3 藍牙通訊模塊 手機/PC等 凈化腔室自校準模塊 甲醛傳感器 無線充電模塊 恒流供電電路 按鍵控制 微型泵氣體循環(huán) T FT顯示 溫濕度時鐘模塊 鋰電池供電電路 信號調理

10、AD采集 EEPROM數據存儲 圖1.甲醛測試儀整體功能結構圖 圖2.測試電路模塊3.1 微處理器的選擇STM8S系列單片機是意法半導體公司針對消費電子開發(fā)而推出的8位單片機。其內部模塊豐富：具有4個時鐘源，帶有32個中斷嵌套的中斷控制器，內部集成10位ADC，集成數據EEPROM，高級控制定時器、通用定時器、基本定時器和2個看門狗定時器，單線接口模塊SWIM和調試模塊DM；功耗低：工作電壓范圍在2.95V5.5V，具有低功耗模式，最小功耗只有11uA；豐富的通信接口：具有CAN2.0、UART、SPI及IIC等通訊接口；成本低：STM8S每片價格在2元左右，具有很高的性價比。3.2高精度采集

11、電路設計為了實現傳感器信號的穩(wěn)定可靠輸出并且減小傳感器的功耗，系統(tǒng)設計以恒流方式給傳感器RX供電，恒流電流ISET設置為10uA。當傳感器檢測到甲醛氣體后阻值發(fā)生變化，從而引起兩端電壓信號Sensor Signal的變化。信號采集電路通過濾波、電壓跟隨、模數轉換將電壓信號傳輸給單片機，由單片機進行數據處理并通過TFT彩色液晶屏進行顯示。 10uA恒流 傳感器信號產生 信號調理 模數轉換 圖3.信號采集電路零溫漂恒流供電電路采用美國國家半導體公司生產的LM334進行設計，LM334為正溫度系數器件，系數為+0.227mV/C，為消除溫漂的影響電路增加了電阻R2和二極管1N457進行補償（圖3）。

12、二極管為負溫度系數器件，溫度系數為-2.5mV/C。通過調節(jié)外圍電阻R1、R2的阻值，獲得不同的恒流電流；經過計算當R1=13.4K、R2=134K的時可得到零溫漂ISET=10uA恒流。本測試儀采用的蘇州納格科技有限公司開發(fā)的甲醛傳感器NGTFS10a，在其響應范圍內電阻變化從50K到200K，經過恒流供電，輸出電壓信號為0.5V2V，因此信號無需放大。同時，為獲得傳感器的高靈敏度信號，減少外界的干擾，采集電路設計了一階低通濾波器進行濾波，電壓跟隨器采用零溫漂運算放大器OPA333進行信號驅動的增強。同時，為獲得高精準的信號數據，設備選用了由德州儀器生產的超低功耗16位高精度ADS1100進

13、行模數轉換，基準為3V，能精確識別0.045mV的電壓變化，實現甲醛濃度信號的精準測試。3.3 低功耗設計為實現測試儀的低功耗目標，系統(tǒng)選取了低電壓、低功耗芯片，整個電路系統(tǒng)以3V電壓工作；傳感器采用恒流方式，其功耗只有幾十微瓦；同時，通過程序優(yōu)化，將不工作時的芯片等元器件設置為休眠狀態(tài)，進一步降低了功耗，提高了測試儀的使用效率。3.3.1 低電壓工作本測試儀采用單節(jié)18650鋰電池供電，該鋰電池正常工作電壓3.2V4.2V。為降低功耗和充分利用電池容量，系統(tǒng)設計以3V電壓工作；為保證在電池低電壓時的電路穩(wěn)定性，采用了低壓差穩(wěn)壓芯片XC6206進行穩(wěn)壓；XC6206最小工作壓差為0.2V，可保

14、證當電池電壓大于3.2V時穩(wěn)定輸出3V，防止由于電壓波動引起漂移，影響測試的精度和可靠性。3.3.2 低功耗開關驅動電路儀器采用微型隔膜泵將測樣氣體送到甲醛傳感器腔室中，為了驅動微型泵工作并減少電路損耗，設計了低功耗泵驅動電路（圖4）。該驅動電路由一個P型MOS管P5102FMG和N型MOS管AO3400組成。與常用的三極管驅動電路不同，MOS管為電壓驅動型器件，柵極幾乎沒有電流也不需要限流電阻，而且所選用的這兩種MOS管導通電阻非常小僅有50m，在泵工作時，其壓降僅為0.005V，功耗僅為0.5mW，遠小于三極管的功耗。因此，大大降低了驅動電路上的損耗，并且電路簡單可靠。圖4.低功耗開關驅動

15、電路 同時為減小待機功耗，將此驅動電路作為AD，EEPROM等外圍器件的電源開關電路，在需要時給這些器件供電，不需要時關閉其電源，實現動態(tài)供電以減小系統(tǒng)功耗。3.3.3一鍵開關機電路 為方便用戶操作，系統(tǒng)設計有一鍵開關機電路，其主要由場效應晶體管和光耦組成，如圖5所示。開通時P5102FMG導通，由于P5102FMG壓降非常小，因此其功耗也非常?。煌瑫r此開關電路在關斷時，所有器件都關斷沒有電流，只有在開通工作的時候才有很小的損耗，從而減小了損耗降低了功耗。圖5.低功耗開關機電路3.4網絡化智能化設計 傳統(tǒng)的智能家居通信多采用有線方式，這樣就存在著布線繁雜、安裝成本高、系統(tǒng)升級困難、擴展性和移動

16、性差等諸多問題。本文為儀器設計了無線藍牙通信和無線充電功能，很好的避免了以上問題又實現了設備的網絡化和智能化。3.4.1 無線藍牙通訊該測試儀內嵌藍牙芯片，通過CSR無線藍牙通信模塊，可將測試儀檢測數據傳輸到手機、PC等個人終端設備上，并能通過個人終端控制甲醛測試儀的工作狀態(tài)，可用于一些危險環(huán)境的遠距控制和測試，真正實現測試設備的智能化和網絡化。 設計采用低功耗藍牙技術， 其具有超低的待機和運行功耗保證了一顆紐扣電池能夠工作1年乃至數年，并能達到數十米的通訊距離。超低功耗和超長通信距離使得藍牙技術在甲醛測試儀智能化和網絡化方面極具優(yōu)勢。3.4.2無線充電功能 無線充電技術是采用近場電磁感應的方

17、式實現對鋰電池的充電，它擺脫了傳統(tǒng)有線充電器的束縛，實現了方便快捷、隨充隨用。是未來智能家居不可缺少的一項技術。而且鋰電池沒有記憶效應，無線充電的特點就是頻繁的淺度充放電，有助于延長電池的使用壽命。無線充電技術主要有電場耦合、電磁感應、磁共振、無線電波四種，其中電磁感應無線充電技術是現在最成熟，也是應用最廣泛的，并且形成了通用Qi標準。本測試儀所使用的就是基于Qi標準的無線充電技術，并在接收線圈內置有智能識別芯片，只有充電線圈放上后才會啟動充電，防止誤操作。 測試儀中還設計了鋰電池充放電保護電路，由集成電路芯片DW01和8205A組成。該電路在鋰電池充電電壓達到4.2V時自動斷開充電，防止鋰電

18、池的過充；電池放電過程中，防止短路和過放，保證電池的使用壽命。4.系統(tǒng)軟件設計 軟件設計是基于IAR編譯環(huán)境，采用模塊化編程思想進行設計的，并且在程序上設計使單片機不工作時處于休眠狀態(tài)，降低了單片機功耗。同時采用了中斷喚醒，也大大提高程序的執(zhí)行效率。采用需時供電方式，通過程序控制關閉不用的外設，用時打開。主要程序模塊有甲醛傳感器自校準模塊，甲醛信號采集模塊、數據存儲模塊、TFT液晶顯示模塊、藍牙通訊模塊、溫濕度模塊、時鐘模塊、按鍵控制模塊、電源管理模塊、I2C通信模塊等，其主要流程結構如圖7所示： 圖7.主要流程結構程序除了對降低功耗方面做了優(yōu)化，而且根據甲醛傳感器的特點對甲醛濃度的算法采取相

19、應的優(yōu)化，同時使用多次測量取平均的方法減小誤差，進一步提高了對甲醛濃度測量的準確性。5. 測試結果對比與分析將標準濃度的甲醛氣體通入測試環(huán)境，對0.1ppm10ppm濃度的甲醛氣體進行測試，同時與美國Interscan公司生產的便攜式甲醛檢測儀Interscan4160-19.99m進行了對比。Interscan4160-19.99m是目前唯一一款通過中國預防醫(yī)學科學院環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測所實驗室評價和現場測評，并獲國家質監(jiān)局正式認證的甲醛檢測儀器。通過對比測試發(fā)現，本測試儀的測量結果優(yōu)于Interscan。結果如表1所示，其中NGT代表用本文所設計的甲醛測試儀。表1.甲醛濃度測試數據（ppm）Sta

20、ndard0.1000.4001.0001.4002.0003.3005.00010.000Interscan0.09 0.28 0.71 1.24 2.04 3.44 5.46 11.25 NGT0.1130.5501.0901.5112.1883.2104.8599.997對表1中的數據進行了曲線擬合，如圖8所示。其中藍色曲線為標準甲醛濃度曲線：y=x；黑色線為Interscan4160-19.99m測試濃度線，紅色曲線為本設計測試儀NGT測試濃度線。通過曲線擬合發(fā)現，Interscan4160-19.99m測試的曲線線型方程為：y=1.1450x-0.2567，線性相關性r=0.9987

21、；本設計測試儀的曲線方程為：y=0.9832x+0.0884(0x10)，線性相關性r=0.9989。與標準濃度曲線相比，Interscan的測試曲線隨著氣體濃度的增大，其偏離度也逐漸增大；而NGT的測試結果與標準曲線的更接近，測試精度更高。經過計算Interscan4160-19.99m測試濃度偏差小于23.3%，而NGT測試濃度偏差小于1.3%。圖8.甲醛濃度測試對比結果6.結束語本文設計并開發(fā)了的基于STM8S和新型納米材料甲醛傳感器的甲醛測試儀，具有高靈敏度，其最小測量濃度達ppb量級；并且測量范圍廣，甲醛濃度范圍達010ppm；具有超低功耗，單節(jié)鋰電池可連續(xù)工作8個小時以上。同時設計時添加了無線藍牙模塊，內嵌藍牙芯片實現了將檢測數據傳輸到手機、PC等個人終端設備上，并能通過個人終端控制甲醛測試儀的工作狀態(tài)；內置無線充電線圈，充電方便快捷，還可將無線充電器植入辦公桌或家居中，真正實現了測試設備的智能化和網絡化。該測試儀適合家居、辦公等場所，并已通過中國計量科學研究院的相關測試認證。參考文獻1 GB/T16121995. 居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標準.2 張波, 肖韶榮, 冒曉莉. MSP430單片機在甲醛檢測儀中的應用J. 中國測試, 2009