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摘要：随着我国经济社会的快速发展，人们生活水平有了很大的提高，更加关注生活环境的提升，空气质量逐渐受到了人们的高度重视。室内空气质量与人们的生活和健康息息相关，因此本文设计了一种便携式环境空气质量检测仪，实现了对甲醛、氨和苯系物三种气体的快速检测。本文的研究可以为相关领域提供借鉴。
关键词：空气质量；电化学传感器；检测仪
在各种家电产品不断进入千家万户的同时，也使室内空气质量受到了不同程度的污染，轻者给人带来不适，重者可直接致人死亡。室内污染物一般包括甲醛（HCHO）、氨（NH3）、苯（C6H6）系物、VOCs等等，这些都对人体健康有极大的危害。但目前对于这些污染物地检测需要严重依赖于大型空气质量分析设备，这些设备不但价格贵、使用也很不方便，无法满足室内混杂物的快速测定[1]。因此，室内空气质量的快速检测方法及设备的研究具有极其重要的现实意义。基于此，本文充分应用了当前比较先进的电化学传感器、FPGA等技术，提出了一种便携式环境空气质量检测仪，该仪器体积小、重量轻、操作简单，可以随时随地完成室内空气质量的准确测量。
1 总体方案设计
本文设计的检测仪包括电源模块、数据采集模块、数据处理模块、核心主控模拟、人机交互模块以及输入输出模块。该检测仪以FPGA为核心单元，负责对整个系统进行控制和数据处理。数据采集模块由HCHO传感器、NH3传感器、C6H6传感器三种气体传感器件构成，实现对空气中有毒有害气体进行检测。此外，也对气压、气温和湿度等常规气象参数进行了检测。数据处理模块包括电流-电压转换单元、A/D变换单元和低通滤波单元，负责将传感器输出的电流信号进行转换、去噪、最终得到适合FPGA处理的数字信号。FPGA对传感器信号进行分析与存储，一方面将结果传输到显示模块进行显示，另一方面输出到打印接口进行打印。用户可以根据需要通过按键输入控制参数，实现人机交互。
由于甲醛、氨气以及苯等电化学传感器一般采集的是电流信号，并且非常微弱[2]，总体设计方案中必须考虑到微弱信号的处理能力，本文采用了高精度低噪声的电流/电压转换模拟，配合低通滤波进行处理，再由A/D转换单元的数字化处理，基本可以满足FPGA的输入信号要求。FPGA在处理数据时必须考虑初始值并根据相关标准进行修正，保证系统设计与行业法律法规的相符性。
2关键器件选型
综合各方面性能进行考虑，甲醛的检测采用了瑞士原装进口CH2O/S-10-S，氨氣和苯的检测分别采用国产炜盛的ME4-NH3和ME4-C6H6。考虑到FPGA的核心地位，必须具备较高的性能和较强的稳定性，因此采用了Altera公司的EP2C5T144C8芯片，该芯片具有高性能、速度快、稳定性好、容量大、扩展能力强等优点，在军用领域都有着非常广泛的应用。A/D转换模块采用了通用模数转换器AD7865-2，基本可以满足系统要求。液晶显示采用了以LCD240128芯片为核心的一体化液晶显示模块。声光报警由普通三色LED和扬声器构成。为了可以对系统输入参数，本文设计了三个按键为用户提供数据输入。
3系统详细设计
3.1信号调理电路设计
以气体为检测对象的传感器一般为电化学传感器，传感器选型的合理性对系统测量精度有重要影响。根据总体方案，传感器输出的微弱电流信号需要进行三个关键环节的处理才能进入FPGA主控模块。三种传感器都是以对电极（CE）、参比电极（RE）和工作电极（SE）三引脚进行封装的，因此可以与恒压电路相连，使信号可以进行自适应调节，工作电极输出的电流与环境气体浓度之间始终保持着较好的线性关系。微弱电流信号进行两级运放的放大，同时实现电压的自动调理，再通过T型网络进行反馈，保证信号的稳定输出。
图1 传感器及信号调理电路
如图1所示，由IC2和IC3构成电路的两级运放，由R11电阻器构成电流/电压转换模块的零点调节，避免出现漂移。实际上，尽管三种传感器都输出电流，但其线性范围是不一样的，于是电路中增加R6，R7 和R8 三个电阻器组成T型网络，对三种电流的范围进行统一调节。经过放大后调理后的电压信号继续进入下一级低通滤波器，以去除噪声成分。IC4的放大倍数可以通过R21进行一定范围的调节，使电路具有更强的实用性。传感器及信号调理电路如图1所示。
3.2 FPGA主控模块设计
FPGA是整个系统的核心部分，它负责对采集模块、显示模块、报警模块、按键模块、USB接口等模块进行统一的调度，共同完成空气质量的检测和分析。声光报警由普通三色LED和扬声器构成。为了可以对系统输入参数，本文设计了三个按键为用户提供数据输入。传感器的电流被变换为电压信号后，由高速A/D转换模块进行采样、量化后变成数字信号，作为FPGA的信号源。FPGA对信号进行解析后得到相应的的物理量的实际数据，并控制显示模块实时展示检测结果。用户可以用过按键输入各物理量的预警值，大大提高了使用的灵活性，FPGA经判断如果发现当前气体浓度超过预设值，则会向声光报警电路输出一个高电平，驱动其点亮并发出声音，提示用户当前气体浓度超标。FPGA在数据处理过程中一方面考虑到了用户的需求而提高系统的灵活性，另一方面又严格遵守了国家行业规范，在市场上具有较强的核心竞争力。
3.3 电源模块设计
电源为系统各模块提供源源不断的电力，驱动系统正常工作。由于系统模块众多，对电源的电压要求也有一定的区别，因此电源电路必须具备提供多种电压的能力，并通过外围器件实现稳压输出，提高系统的稳定性。电源的输入使用了普通220V交流市电，电信号经过LM1086-5、LM1086-2.5、LM1086-3.3、MAX660等芯片的处理，可以为各模块提供±5V，±3.3V，±-2.5V等多种直流电压，完全可以满足系统各模块对供电的要求。
3.4 系统软件设计
软件是硬件工作的依据，各模块的协调工作是由软件程序的控制而完成的。为了提高软件设计的质量，本文采用了模块化的软件编程方法，按不同的功能模块设计相应的子程序，实现相应的功能，然后由主程序负责对所有子程序进行调度，按严密的逻辑完成环境空气的快速检测。考虑到便携式仪器对速度的要求，系统软件具有较高的执行效率。
3 结论
为了验证系统的合理性，并对系统性能进行检验，为系统的改进提供依据，本文分别在室内施放了福尔马林、氨水、苯等三种气体，并通过本文设计的便携式环境空气质量检测仪进行实测，将测量结果与正常环境进行比对。测试结果表明，实则结果比较准确，可以满足室内环境空气质量测量要求，声光报警模块功能正常，在浓度超标时可以及时发出报警。
参考文献：
[1]张翠英，汤萌.我国环境空气质量监测现状及发展分析[J].地球，2015（12）.
[2]鲍春，孙圣坤，黄华.便携式环境空气VOCs现场快速分析仪的研制与应用[J].分析仪器，2017（3）：1-8.
关键词：空气质量；电化学传感器；检测仪
在各种家电产品不断进入千家万户的同时，也使室内空气质量受到了不同程度的污染，轻者给人带来不适，重者可直接致人死亡。室内污染物一般包括甲醛（HCHO）、氨（NH3）、苯（C6H6）系物、VOCs等等，这些都对人体健康有极大的危害。但目前对于这些污染物地检测需要严重依赖于大型空气质量分析设备，这些设备不但价格贵、使用也很不方便，无法满足室内混杂物的快速测定[1]。因此，室内空气质量的快速检测方法及设备的研究具有极其重要的现实意义。基于此，本文充分应用了当前比较先进的电化学传感器、FPGA等技术，提出了一种便携式环境空气质量检测仪，该仪器体积小、重量轻、操作简单，可以随时随地完成室内空气质量的准确测量。
1 总体方案设计
本文设计的检测仪包括电源模块、数据采集模块、数据处理模块、核心主控模拟、人机交互模块以及输入输出模块。该检测仪以FPGA为核心单元，负责对整个系统进行控制和数据处理。数据采集模块由HCHO传感器、NH3传感器、C6H6传感器三种气体传感器件构成，实现对空气中有毒有害气体进行检测。此外，也对气压、气温和湿度等常规气象参数进行了检测。数据处理模块包括电流-电压转换单元、A/D变换单元和低通滤波单元，负责将传感器输出的电流信号进行转换、去噪、最终得到适合FPGA处理的数字信号。FPGA对传感器信号进行分析与存储，一方面将结果传输到显示模块进行显示，另一方面输出到打印接口进行打印。用户可以根据需要通过按键输入控制参数，实现人机交互。
由于甲醛、氨气以及苯等电化学传感器一般采集的是电流信号，并且非常微弱[2]，总体设计方案中必须考虑到微弱信号的处理能力，本文采用了高精度低噪声的电流/电压转换模拟，配合低通滤波进行处理，再由A/D转换单元的数字化处理，基本可以满足FPGA的输入信号要求。FPGA在处理数据时必须考虑初始值并根据相关标准进行修正，保证系统设计与行业法律法规的相符性。
2关键器件选型
综合各方面性能进行考虑，甲醛的检测采用了瑞士原装进口CH2O/S-10-S，氨氣和苯的检测分别采用国产炜盛的ME4-NH3和ME4-C6H6。考虑到FPGA的核心地位，必须具备较高的性能和较强的稳定性，因此采用了Altera公司的EP2C5T144C8芯片，该芯片具有高性能、速度快、稳定性好、容量大、扩展能力强等优点，在军用领域都有着非常广泛的应用。A/D转换模块采用了通用模数转换器AD7865-2，基本可以满足系统要求。液晶显示采用了以LCD240128芯片为核心的一体化液晶显示模块。声光报警由普通三色LED和扬声器构成。为了可以对系统输入参数，本文设计了三个按键为用户提供数据输入。
3系统详细设计
3.1信号调理电路设计
以气体为检测对象的传感器一般为电化学传感器，传感器选型的合理性对系统测量精度有重要影响。根据总体方案，传感器输出的微弱电流信号需要进行三个关键环节的处理才能进入FPGA主控模块。三种传感器都是以对电极（CE）、参比电极（RE）和工作电极（SE）三引脚进行封装的，因此可以与恒压电路相连，使信号可以进行自适应调节，工作电极输出的电流与环境气体浓度之间始终保持着较好的线性关系。微弱电流信号进行两级运放的放大，同时实现电压的自动调理，再通过T型网络进行反馈，保证信号的稳定输出。
图1 传感器及信号调理电路
如图1所示，由IC2和IC3构成电路的两级运放，由R11电阻器构成电流/电压转换模块的零点调节，避免出现漂移。实际上，尽管三种传感器都输出电流，但其线性范围是不一样的，于是电路中增加R6，R7 和R8 三个电阻器组成T型网络，对三种电流的范围进行统一调节。经过放大后调理后的电压信号继续进入下一级低通滤波器，以去除噪声成分。IC4的放大倍数可以通过R21进行一定范围的调节，使电路具有更强的实用性。传感器及信号调理电路如图1所示。
3.2 FPGA主控模块设计
FPGA是整个系统的核心部分，它负责对采集模块、显示模块、报警模块、按键模块、USB接口等模块进行统一的调度，共同完成空气质量的检测和分析。声光报警由普通三色LED和扬声器构成。为了可以对系统输入参数，本文设计了三个按键为用户提供数据输入。传感器的电流被变换为电压信号后，由高速A/D转换模块进行采样、量化后变成数字信号，作为FPGA的信号源。FPGA对信号进行解析后得到相应的的物理量的实际数据，并控制显示模块实时展示检测结果。用户可以用过按键输入各物理量的预警值，大大提高了使用的灵活性，FPGA经判断如果发现当前气体浓度超过预设值，则会向声光报警电路输出一个高电平，驱动其点亮并发出声音，提示用户当前气体浓度超标。FPGA在数据处理过程中一方面考虑到了用户的需求而提高系统的灵活性，另一方面又严格遵守了国家行业规范，在市场上具有较强的核心竞争力。
3.3 电源模块设计
电源为系统各模块提供源源不断的电力，驱动系统正常工作。由于系统模块众多，对电源的电压要求也有一定的区别，因此电源电路必须具备提供多种电压的能力，并通过外围器件实现稳压输出，提高系统的稳定性。电源的输入使用了普通220V交流市电，电信号经过LM1086-5、LM1086-2.5、LM1086-3.3、MAX660等芯片的处理，可以为各模块提供±5V，±3.3V，±-2.5V等多种直流电压，完全可以满足系统各模块对供电的要求。
3.4 系统软件设计
软件是硬件工作的依据，各模块的协调工作是由软件程序的控制而完成的。为了提高软件设计的质量，本文采用了模块化的软件编程方法，按不同的功能模块设计相应的子程序，实现相应的功能，然后由主程序负责对所有子程序进行调度，按严密的逻辑完成环境空气的快速检测。考虑到便携式仪器对速度的要求，系统软件具有较高的执行效率。
3 结论
为了验证系统的合理性，并对系统性能进行检验，为系统的改进提供依据，本文分别在室内施放了福尔马林、氨水、苯等三种气体，并通过本文设计的便携式环境空气质量检测仪进行实测，将测量结果与正常环境进行比对。测试结果表明，实则结果比较准确，可以满足室内环境空气质量测量要求，声光报警模块功能正常，在浓度超标时可以及时发出报警。
参考文献：
[1]张翠英，汤萌.我国环境空气质量监测现状及发展分析[J].地球，2015（12）.
[2]鲍春，孙圣坤，黄华.便携式环境空气VOCs现场快速分析仪的研制与应用[J].分析仪器，2017（3）：1-8.