打造多参数居室气体检测仪，助力智能家庭

内空气环境中常见污染气体（甲醛、CO₂、CO）及温湿度的现场检测，且操作简便、设计合理。

二、需求分析

2.1 功能要求

甲醛是在室内和室外都广泛存在的一种空气污染物，除此之外室内空气污染物主要还有CO和CO₂等。甲醛是室内最常见的和最具代表性的醛类化合物，室内甲醛浓度则取决于建筑材料的性能和和测试时的环境条件，通常范围在0.02～0.50mg/m³或更高。用作室内装饰的胶合板、细木工板、中密度纤维板和刨花板等人造板材中含有甲醛，新装修的居室甲醛最高可达9.09mg/m³。基于此，本文所设计的检测仪器要求能够检测室内甲醛、一氧化碳、二氧化碳等室内常见有害气体浓度，同时要能够对与人体健康密切相关的室内环境温湿度状况进行实时检测与显示，并通过按键设定检测气体上限报警值和选择待检测气体种类，通过液晶显示待测气体浓度。当所测气体浓度超标时及时进行声光报警。

除用于家庭居室之外，该仪器还可用于办公室、宾馆、饭店、商场、高档酒店等场所或其他一些对空气质量要求较高的场所常见有害气体含量测定。随着甲醛传感器价格降低、家居全装修增多，人们对生活质量要求的提高，这种多功能测试仪将会有更广泛的应用前景。

2.2 性能要求

仪器性能要求主要是根据实际情况（居室内空气质量达标值与温湿度状况）确定检测性能指标要求。居室空气中甲醛的最高允许浓度为0.08 mg/m³，公共场所甲醛的最高允许浓度为0.10 mg/m³。

1、甲醛：测量范围：0～10ppm 分辨率 : ±0.05 ppm

2、CO₂检测：测量范围：0~2,000ppm ，检测精度：±30ppm

3、CO检测，测量范围：0～1000ppm，分辨率：±0.5ppm

4、温度测量：测量范围：-10 ~ 60℃，检测精度：±1℃

5、湿度测量：测量范围：0 ~ 95%RH，检测精度：±5%RH

6、交流供电、声光报警、LCD显示被测气体实际浓度值

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

该仪器电路由单片机及外围电路和信号采集电路组成。仪器硬件电路如图所示。其中AVR MCU单片机是检测仪的核心, 它控制传感器信号的采集、信号的A/D转换、数据的进一步处理以及浓度显示、超标报警、检测气体参数的调整等整个过程。在实际应用时, 可以根据所测气体与气敏元件反应后所得到的电压值的关系来编程,当对气体进行测试时, 通过测得的电压值就可以得出所测气体的浓度。

工作原理：由传感器检测待测气体，并转换为相应电信号，由于传感器采集的电压信号是模拟信号必须转换为便于处理数字信号，才能进行进一步分析、处理，所以将该变化的电压信号输入A/D转换电路，经A/D转换之后, 再将得到的数字信号送入单片机, 由单片机进行相应的处理并送入LCD显示相应的浓度值, 同时可以通过按键设定报警浓度上限。这样,可以在所测气体浓度超过设定值时启动报警器进行报警。

图 1 系统硬件结构框图

3.1.1 甲醛检测模块

甲醛检测模块采用基于电化学原理的甲醛传感器CH20/S-10，其原理为室内空气中的甲醛气体被采样后，在电极作用下发生氧化反应，产生的扩散电极电流与空气中的甲醛浓度成正比，将检测到的电流值通过放大电路放大并转换为相应的电压值，后经A/D转换送单片机，由单片机现场实时控制检测并显示室内甲醛浓度值，当其浓度值小于国家规定的标准值(通过按键可修改)时绿灯亮，当超过规定值时红灯亮，同时进行蜂鸣报警，开始提醒人们及时采取有效措施，从而对人们的居住生活环境起到了监控保护作用。

3.1.2 温湿度传感器

考虑到室内环境温湿度对人体健康有重要影响，因此在电路中增加了温湿度检测模块，该模块主要检测室内环境的温度和湿度。温湿度传感器采用LTM-8901，该传感器是全新的数字化温湿度传感器，适合室内环境的温湿度测量范围，无需A/D转换，可直接和单片机连接，使系统故障率低，便于维护。湿度测量时是传统湿敏元件与湿度变送器的融合体。本身具有很强的抗静电、抗干扰、抗反接等保护能力，而且具有很强的结露恢复能力，并对腐蚀气体有一定的低御能力。LTM-8901内置滤波、保护电路、极低的功耗，温度补偿已在生产检验时校准完成。这种智能化修正方式，实现温湿度全量程的精确测量。如系统硬件结构框图所示，数字传感器LTM8901通过光耦器件4N35和驱动电路接单片机的并行I/0端，实现输入输出隔离，以提高系统的抗干扰能力，光耦器件4N35对于LTM8901其速度基本上满足要求。

3.1.3 CO和CO₂检测模块

首先CO₂的检测使用二氧化碳传感器TGS4161，该传感器是一个新型的固体二氧化碳传感器，它具有小型化和低功耗等特性，二氧化碳浓度为350~10000ppm时，均可用TGS4161进行检测，从而使其适合室内空气的控制设备。二氧化碳的敏感原件由两个固体电解质组成，结合一个印制在基板上的RuO2加热器。通过检测两个电极之间电动势的变化来测试二氧化碳气体的浓度。传感器电容的顶部含有沸石目的是防止其它气体的干扰。