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《基于LabVIEW平台的多功能甲醛检测仪》
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摘 要：本文提出一种准确便捷的多功能甲醛检测仪的设计方案.采用攀藤公司的多功能电化学甲醛浓度传感器模组,结合蓝牙传输技术和美国NI公司的LabVIEW平台开发构建了多功能甲醛检测系统.该系统检测准确, 动态曲线显示,功能全面,为空气质量测量方法开辟了更加便捷的途经.
关键词：甲醛检测;PM2.5;LabVIEW;传感器
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.114
1 引言
现代生活中,人们对室内空气质量环境越来越重视,污染的空气的确会危害人体健康,最新报道污染空气还影响到人们的智商.对于室内污染物如甲醛、PM2.5和TOVC等空气质量参数的检测,已成为一个重要的课题,目前市场上对甲醛浓度的检测,大致分为专业机构的实验室化学测量和家用级便携式电子仪器测量.传统的实验室分析方法为非现场实时检测,具有结果准确可靠、分辨率高、抗干扰能力强的优点,但是成本很高,装置复杂,流程耗时较长,通常作为争议仲裁和高端消费.而现场便携式电子检测仪器则具有快速实现半定量、过程简洁、便于携带和测点灵活的特点,质量好的电子检测仪器在测试精度上基本可以满足普通家用检测的要求,因之室内环境下便携式电子检测仪器已经形成良好的发展态势,研制能够同时检测各种气体的高质量智能化多功能的气体传感器和先进便携式检测仪是室内空气质量检测的重要课题.随着人们对甲醛等污染物对健康危害的认识深化,我国在1995年制定了针对甲醛的国家标准GB/T 16127-1995《居室空气中甲醛的卫生标准》,该标准中明确规定居室内空气中甲醛卫生标准 （浓度上限）规定为 0.08 mg/m3.这为空气质量治理指引了方向,对甲醛污染的控制与治理提供了定量依据.
目前,市场上进口的欧美便携式甲醛测试仪等仪器属于高端制作,准确度较高,分辨率高,质量可靠.高端仪器的精确度,测试范围都已接近或达到国内有关标准的技术要求,但是其仪器昂贵达数万,维护费用很高,公众使用机会有限.而一些低价普通国产便携式检测仪器则在准确度、分辨率和稳定性方面与进口仪器相比还有较大差距,但是其适中、检测成本低廉,半定量准确度还不错,现场效率高,故质量较好的国产家用甲醛检测仪目前使用的需求还很大.据报道国内外都将部分高质量便携式甲醛电子检测仪器也列为推荐方法,《规范》也规定了民用建筑工程室内空气中甲醛检测可采用现场仪器检测的方法,并要求检测仪器应定期进行校准.据报道在技术研究的基础上对便携式甲醛检测仪器与传统专业标准方法进行过大量有益的比对试验,现场测量结果表明在 0.01mg/m3 ～ 0.60mg/m3 测定范围内的不确定度小于 20%是可以做到的,因此高质量的便携式家用甲醛检测仪是有很好的发展前景的.我们的方案是研发设计一种准确度更高、性能更稳定、操作方便的多功能甲醛检测仪,并以满足《居室空气中甲醛的卫生标准》指标为目标.
2 检测系统设计与主要技术问题
本检测系统是基于美国NI公司的LabVIEW虚拟仪器开发平台.LabVIEW平台提供了图形化的设计方法,编程采用流程图,流程图也是虚拟仪器的源代码.这种?可?视?化编程?可?帮助?用户?方便地集成?来自?任何?供应?商?的?测量?硬件,?在?程序?框?图?上?可以表现?复杂?的?运算和逻辑,可使用各种图标、连线、图形符号来编程.平台具有强大的?数据采集、数据处理和分析、复杂分析?算法等功能,具有编程灵活、界面丰富友好、可自定义等优点.具备各种GPIB、VXI仪器、总线接口及串口仪器驱动程序的联动机制,并具有远程通讯与网络功能.在系统测量、自动化、通信、控制方面有着广阔的应用前景.本项目采用PC机作为终端,选用LabVIEW开发检测系统实现甲醛浓度的自动检测与显示.
甲醛检测系统的设计组成由甲醛传感器与PM2.5 与PM10检测模块、蓝牙串口传输模块、数据采集和处理、LabVIEW 2014软件系统、上位机程序以及用户接口设计等组成.其中甲醛传感器检测模块、PM2.5 检测模块和蓝牙串口传输模块,构成下位机部分.利用计算机的RS-232串行口,可实现上下双机的通信,选择使用蓝牙串口传输模块进行无线数据通信,所用笔记本电脑没有串口就利用虚拟串口助手设置,一般采用的是简单的四线制连接方式.TXD 为发送数据端,RXD 为接收数据端,GND 为接地端,VCC为电源端.
检测系统软件采用LabVIEW强大的的图形语言开发,由八个功能模块设计组合.系统软件主要包括：数据读出＼写入模块,数据接收与处理,特征字符串匹配模块,抗干扰模块,数据处理与计算,平均值计算模块,动态波形显示模块等.设计的源程序文件可以打包并直接在Windows平台下运行.图1是多功能空气质量检测仪界面图.有三个主要参数显示窗口.甲醛和PM2.5实时数据曲线在图表上动态显示,PM10浓度量使用显示柱.波形显示模式为模拟波形记录仪方式,“动态数据曲线” 显示采用Chart控件.图表的正上方是三个主要数据输出文本框,分别显示当前采集的甲醛、PM2.5 和PM10的浓度数值.图表控件中显示着历史数据连续不断地往左边移动,最新采集的数据在右边逐渐显示,如参数测试结束,点击“退出”控件退出程序.
下面谈谈多功能甲醛检测仪系统总体方案实现的几个主要问题.
（1）传感器的选用：根据检测对象的特点,需要选择一个测量灵敏度高、测量准确度高,检测范围满足规定的传感器,来做甲醛检测仪的首要部件传感器.经过市场调研和比较,选择了攀藤公司的空气质量多功能型传感器模块（采用英国DART公司膜片）,英国DART公司的电化学甲醛浓度传感器,国际知名,综合测试范围和精度能满足 GB/T 161271995《室内空气中甲醛卫生标准》中规定的指标要求.我们采用的攀藤PMS5003S 系列是一款可以同时监测空气中颗粒物浓度和甲醛浓度的二合一传感器.甲醛传感器负责将甲醛气体的浓度转化成为电信号,信号调理电路由前置放大器和滤波电路构成,负责将传感器产生的微弱电信号转化成为匹配的电压信号,再经过微处理器转化成标准化数字输出,便于集成使用.PMS5003S运用激光散射原理来检測污染颗粒物浓度,它不断采集和计算单位体积内空气中相应的悬浮颗粒物个数,并换算成为颗粒物浓度.PMS5003S中自带有风机,需要 5V 电源供电驱动.与之连接通讯的主板MCU应为3.3V供电,数据通讯和控制管脚均采用3.3V作为高电平.在通讯线（RXD、TXD）和控制线（SET、RESET）上加入电平转换芯片或电路之后,也可以采用主板 MCU 的 5V 供电.使用蓝牙串口传输模块连通传感器模块与上位机进行数据通信,采用被动接收形式,无需问答,即下位机会一直发送数据上来.
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