CN107655947A - 一种基于stm8s的室内甲醛检测系统 - Google Patents

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Abstract

针对目前越来越严重的室内甲醛污染问题，发明了一种基于STM8S的室内甲醛检测系统。该系统创造性地设计了一种基于减法器的硬件抗干扰电路，克服了以往甲醛电化学传感器检测设计电路中，采用温、湿敏电阻对传感器温、湿度系数进行补偿所造成的测量精度不足问题，并结合采样滤波算法和拉格朗日插值算法对采集的数据进行软优化。系统具有甲醛浓度阈值设定与超限报警功能，温度、湿度、万年历显示等辅助功能，真正实现了便携式与智能化的结合。实验结果证明，该系统在实际应用中具有较高的灵敏度、准确度、操作简单、性价比高等特色，还可推广应用于其他需要对甲醛浓度进行检测的场合。

Description

一种基于STM8S的室内甲醛检测系统
所属技术领域
本发明涉及一种检测系统，尤其涉及一种基于STM8S的室内甲醛检测系统。
背景技术
近年来，随着经济水平的不断提升，家庭居室装修以及购置新家具已经成为一种时尚，随之而来的则是室内空气污染问题。因为甲醛树脂常被用于各种建筑材料，包括胶合板、毛毯、隔热材料、木制品、地板、装修和装饰材料等，而甲醛树脂会缓慢释放出甲醛，其释放时长一般是15 年到数十年。即使这些材料都是符合国家有关规定，且其释放的甲醛含量有限。但是这些材料在一个有限的空间里面大量聚集，致使甲醛含量累积，仍会造成室内甲醛含量超标。随着人们生活节奏的不断加快，人们的大部分时间都在室内这个有限的空间中度过。这就使得甲醛对人体的危害变的尤其严重，经常吸入少量的甲醛，能引起慢性中毒，甚至会引起癌症。
目前在甲醛气体检测方面，主要有色谱法、荧光法、极普法、电化学法、化学发光法等。电化学检测法具有结构简单、响应快速、使用方便快捷、价格低廉等特点，在家居环境检测、工业应用等领域具有良好的应用前景。但是电化学传感器容易受到环境中温度、湿度等环境因子变化的影响而导致检测精度不足，以往设计中常采用温、湿敏电阻对传感器的输出进行补偿，但是实际应用效果并不理想。
发明内容
本发明的目的是针对目前越来越严重的室内甲醛污染问题，设计了一种基于STM8S的室内甲醛检测系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于STM8S的室内甲醛检测系统由甲醛传感器模块、LCD显示模块、电源模块、日历及时钟模块、温度湿度测量模块、键盘输入模块、报警模块、串口通讯模块以及微控制器STM8S103 等构成。
所述的系统采用性价比很高的STM8S103作为核心微控制单元，STM8S103具有5路通道的10bit、±1LSB的ADC，高达8Mbit/s 的SPI 接口，高达400kbit/s的I2C接口，带有32个中断的嵌套中断控制器。。
所述的甲醛气体检测传感器选用ME3M－C原电池型电化学传感器。
所述的系统采用以两支同种型号的甲醛气敏传感器进行差分动态补偿。
所述的便携式甲醛检测仪供电部分主要由一块9V的干电池提供
所述的系统采用集成式的DC电源芯片LM2596－5.0作为电源管理核心。
所述的系统的报警电路采用无源蜂鸣器以及发光LED作为执行器，由MCU控制报警电路的开、断。
所述的系统的显示电路采用128的OLED点阵液晶显示屏，与LCD显示屏相比，该显示屏具有高亮度、自发射、高对比度、较窄的边框、可视角度宽、工作温度容差大、低功耗等优势，且采用可以兼容所有Grove接口的I2C接口。
所述的系统的按键部分采用5个独立的按键设计，通过按键可以调整时钟日历模块的显示值、设定报警阈值、对甲醛传感器、温湿度传感器进行初始化校准等操作。
所述的系统的通讯接口采用RS232进行设计，可以实现与计算机等设备的通讯。
所述的系统的时钟以及日历模块采用美信公司生产的DS1307时钟芯片，该芯片具有低功耗、I2C接口、日历和时钟数据等特性，可以提供秒、分、小时、星期、日期、月和年等时钟日历数据。
本发明的有益效果是：
基于STM8S的室内甲醛检测系统可用于对家居室内空气中的甲醛含量进行实时检测，并可以对甲醛浓度设置阈值，当环境中的甲醛浓度超过设定的阈值时系统可进行报警提示。同时该系统还具有温度、湿度、万年历显示等辅助功能，从而实现了该设计的智能化与便携式的完美结合。同时，该检测系统也可以用于其他需要对甲醛气体进行检测的场所。系统针对甲醛气体检测电化学传感器易受环境变量影响而设计的抗干扰措施，也适用于其他类气体电化学传感器检测设计项目中，具有一定的实际参考价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是系统整体机构框图。
图2是甲醛检测应用电路。
图3是系统软件整体设计框图。
具体实施方式
如图1所示， 基于STM8S的室内甲醛检测系统由甲醛传感器模块、LCD显示模块、电源模块、日历及时钟模块、温度湿度测量模块、键盘输入模块、报警模块、串口通讯模块以及微控制器STM8S103 等构成。意法半导体公司于2009年发布了针对工业应用和消费电子开发的微控制器STM8S系列产品。该系列产品具有高达201的CPU性能和2.95V～5.50V的工作电压范围，使现有的8位系统可以向电压更低的电源过渡。新产品中嵌入了130nm非易失存储器，并提供真正的EEPROM 数据写操作。具有丰富的外设，很强的抗干扰能力较高可靠性。STM8S开发平台打造了8bit微控制器的全新时代。本设计采用性价比很高的STM8S103作为核心微控制单元，STM8S103具有5路通道的10bit、±1LSB的ADC，高达8Mbit/s的SPI接口，高达400kbit/s的I2C接口，带有32个中断的嵌套中断控制器。
如图2所示， 甲醛气体检测传感器选用ME3M－C原电池型电化学传感器。其工作原理是: 甲醛(CH2O) 和氧气(O2) 在工作电极和对电极上发生氧化还原反应并释放电荷形成电流，产生的电流大小与甲醛(CH2O) 的浓度成正比并遵循法拉第定律。通过测定传感器输出电流的大小即可判定待测环境中甲醛(CH2O) 气体浓度信息。该传感器具有低功耗、高精度、高灵敏度、线性范围宽、抗干扰能力强、优异的重复性和稳定性等优点。然而电化学型气敏传感器在实际应用中受环境中温度、湿度变化的影响很大，若不考虑温度、湿度等环境因素变化对传感器的影响，会使测量结果与环境中甲醛气体的实际浓度产生较大偏差。该传感器等效电路相当于一个电流源，在设计中常采用一个采样电阻(选用金属膜电阻，以便将温度、湿度等环境因素的影响降到最小) 与其并联。标准条件下甲醛(CH2O) 与氧(O2) 发生氧化还原反应释放电荷所形成的电流为阙If，当温度、湿度等环境因子相对于标准条件产生变化时，会影响原电池的反应速度，进而产生一个干扰性的电流Ia，电流的大小直接影响到传感器的测量精度。为克服温度、湿度变化对甲醛传感器测量电路的影响，采用在原测量电路上与采样电阻串联或并联热敏、湿敏电阻的方法来补偿由于温度、湿度等因素变化引入的误差。这种方法在一定程度上降低了温度、湿度等环境因子变化对测量结果带来的干扰，但在实际应用中很难找到和甲醛传感器敏感元件温度、湿度系数相匹配的热敏和湿敏电阻。因此，采用并联或串联热敏、湿敏电阻的补偿方法的实际补偿效果很有限，达不到实际应用对测量精度的要需。针对以上情况，本设计采用以两支同种型号的甲醛气敏传感器进行差分动态补偿的设计思想。将两个同种型号的甲醛气体传感器同时放于实际待测应用环境中，但只让测量传感器完全暴露于实际检测环境中。对比传感器也放置于实际应用环境中，但需要用半透膜将其进气通道进行隔离，使其只受环境温度与空气湿度变化的影响而不受环境中甲醛气体浓度的影响。测量传感器由于环境温度、湿度变化所产生的干扰电流分量便是对比传感器的输出量，两者做差便得到实际环境中由于甲醛气体浓度所产生的电信号，微控制器通过采集处理该信号便可得到实际环境中的甲醛气体浓度信息。当温度、湿度变化导致甲醛传感器气敏元件的输出值发生变化时，作为采样电路的甲醛传感器的敏感元件的输出值也会发生相应的变化。由U3构成的减法器可以将测量电路输出量中由于温度、湿度变化所引起的误差量滤除，保证微控制器所采集到的数据是正确的甲醛气体浓度电信号。因同型号的甲醛气敏传感器具有相同的热敏、湿敏特性，故这种差分补偿具有很好的实际应用效果。采用这种差分补偿的方法不仅可以最大限度的降低环境中的干扰因子对检测精度的影响，还可以在一定程度上的解决传感器的基线漂移问题。同时，在每次进行实际的环境检测之前都需要对传感器进行调零校准( 通过调节RL1使传感器的输出为零) ，这样便可以在硬件设计方面最大限度的降低传感器的基线漂移问题，从而保证检测的精度。根据电路原理，实际检测电路的输出电压为Vc2=RL2(If2+Ia2)采样对比电路的输出为Vc1= RL1(If1+Ia1)经过U3构成的减法器电路处理后，U3的输出为u1= R3/R1(Vc2－Vc1)由于与被测气体隔离，则有If1=0，Ia1=Ia2。即U1为甲醛传感器仅受被测甲醛气体的影响而产生的电信号，微控制器通过采集该信号进而可以计算出待测环境中甲醛气体浓度信息。
如图3所示， 在软件设计部分，本设计采用模块化设计思路，将整个系统划分为若干功能模块，每个模块对应执行单一的一种功能，且具有单入口单出口结构。系统软件设计采用模块化结构，有数据采集、日历及时钟模块、滤波及插值算法、温湿度传感器的补偿算法、输出控制、报警控制、串口通信、液晶显示等几大模块组成。

Claims (10)

1.一种基于STM8S的室内甲醛检测系统由甲醛传感器模块、LCD显示模块、电源模块、日历及时钟模块、温度湿度测量模块、键盘输入模块、报警模块、串口通讯模块以及微控制器STM8S103 等构成。
2.根据权利要求1所述的基于STM8S的室内甲醛检测系统，其特征是所述的系统采用性价比很高的STM8S103作为核心微控制单元，STM8S103具有5路通道的10bit、±1LSB的ADC，高达8Mbit/s 的SPI 接口，高达400kbit/s的I2C接口，带有32个中断的嵌套中断控制器。
3.根据权利要求1所述的基于STM8S的室内甲醛检测系统，其特征是所述的甲醛气体检测传感器选用ME3M－C原电池型电化学传感器。
4.根据权利要求1所述的基于STM8S的室内甲醛检测系统，其特征是所述的系统采用以两支同种型号的甲醛气敏传感器进行差分动态补偿。
5.根据权利要求1所述的基于STM8S的室内甲醛检测系统，其特征是所述的便携式甲醛检测仪供电部分主要由一块9V的干电池提供。
6.根据权利要求1所述的基于STM8S的室内甲醛检测系统，其特征是所述的系统采用集成式的DC电源芯片LM2596－5.0作为电源管理核心。
7.根据权利要求1所述的基于STM8S的室内甲醛检测系统，其特征是所述的系统的报警电路采用无源蜂鸣器以及发光LED作为执行器，由MCU控制报警电路的开、断。
8.根据权利要求1所述的基于STM8S的室内甲醛检测系统，其特征是所述的系统的显示电路采用128的OLED点阵液晶显示屏，与LCD显示屏相比，该显示屏具有高亮度、自发射、高对比度、较窄的边框、可视角度宽、工作温度容差大、低功耗等优势，且采用可以兼容所有Grove接口的I2C接口。
9.根据权利要求1所述的基于STM8S的室内甲醛检测系统，其特征是所述的系统的按键部分采用5个独立的按键设计，通过按键可以调整时钟日历模块的显示值、设定报警阈值、对甲醛传感器、温湿度传感器进行初始化校准等操作。
10.根据权利要求1所述的基于STM8S的室内甲醛检测系统，其特征是所述的系统的通讯接口采用RS232进行设计，可以实现与计算机等设备的通讯。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111089941A (zh) * 2019-12-05 2020-05-01 四方光电股份有限公司 一种甲醛检测装置及其检测方法
CN112198208A (zh) * 2019-06-23 2021-01-08 宁波方太厨具有限公司 一种甲醛检测方法及甲醛检测装置
US20220178894A1 (en) * 2019-06-21 2022-06-09 Gree Electric Appliances, Inc. Of Zhuhai Formaldehyde concentration measurement method and apparatus, and air purifier

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