基于物联网自带温度气压补偿的甲醛检测系统设计

秦 蒙，曾昭源，任照富

（1.重庆电力高等专科学校 信息工程学院，重庆 400053；
2.重庆市永川职业教育中心，重庆 402160）

近年来，随着经济社会的不断发展，我国居民生活水平不断提高，人们也越来越注重个人健康情况，其中，人们对室内空气质量的重视程度呈现爆发式增长。甲醛作为常见的室内有害气体，广泛存在于我们生活的方方面面，特别是在新装修的室内空间，甲醛浓度超标率更是惊人，严重威胁着人们的身体健康。因此，甲醛检测试纸、甲醛检测仪等专用的空气质量检测仪器设备发展迅速。目前，市场上的甲醛检测方式多种多样，其中较常见的是采用手持甲醛检测仪进行检测，但目前市场上的手持甲醛检测仪大多采用模拟甲醛传感器进行数据采集，测量结果易受外界其他气体、温度及气压等因素干扰，测量精度低。据2019年“315晚会”报道可知，市场上的家用甲醛检测仪90%都不合格，有些甲醛检测仪的测量误差更是高达200%。甲醛检测仪的检测精度会严重误导消费者对于室内甲醛浓度情况的判断，并可能给人们的身体健康带来不可挽回的伤害。

本文设计一款检测精准度高、抗干扰能力强、适用范围广，同时，能根据不同的使用环境自行进行温度和气压补偿，解决甲醛检测装置在不同环境下存在误差的问题迫在眉睫。

本文设计的甲醛检测系统以AVR单片机ATmega328P为核心处理器。其中，甲醛气体检测模块主要通过ZE08-CHO电化学甲醛传感器采集当前环境的甲醛值，并通过UART串口将甲醛浓度值发送给单片机。同时，数字温度气压传感器模块负责采集当前环境的温度、气压等数据，并通过IC方式将数据发送给单片机。单片机接收到当前环境的甲醛浓度值、气压值、温度值后，会根据温度气压补偿公式：mg/m=/22.4×PPM×[273/（273+）]×（Ba/101 325） 修正当前环境的甲醛浓度值，然后将处理好的甲醛值通过ESP8266串口转WiFi无线模块发送到物联网云平台，完成甲醛值的实时采集、修正处理与远程显示。当甲醛浓度超过预设最大安全报警值时，手机APP会产生相应的报警信号。甲醛检测系统构成如图1所示。

图1 基于物联网自带温度气压补偿的甲醛检测系统框图

1.1 ATmega328P单片机核心控制模块

ATmega328P是ATMEL公司研发的增强型内置FLASH的高性能、低功耗8位AVR单片机，可广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器等领域。

ATmega328P单片机作为AVR单片机家族中的高端产品，采用哈弗结构，具备1 MIPS/MHz（百万条指令每秒/兆赫兹）的高速运行处理能力；
采用RISC精简指令集计算机结构，优先选取使用频率最高的简单指令，并通过减少指令格式和寻址方式种类等缩短指令周期，进而提高单片机的整体运行速度。同时，ATmega328P单片机还含有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路、多个复位源、启动延时电路等，外围电路简单，系统稳定可靠。此外，AVR单片机具有多种省电休眠模式，可支持2.7～5 V宽电压运行，抗干扰能力强。图2所示为ATmega328P外围电路。

图2 ATmega328P单片机外围电路

1.2 甲醛气体检测模块

图3所示为ZE08-CHO电化学甲醛传感器模块电路，该模块是一款高灵敏度、高分辨率、低功耗、使用寿命长的小型化通用型气体模组，可利用电化学原理对空气中存在的甲醛、甲苯等有害气体进行检测，气体检测分辨率≤0.01 ppm，量程范围为0～5 ppm，响应时间小于60 s，在-20～50 ℃的温度范围内和15%RH～90%RH的湿度范围内都可正常工作。同时，该款甲醛气体检测模块提供了UART、模拟电压信号等输出方式，同时兼备3 V TTL数字电平输出与0.4～2 V模拟电压输出能力。

图3 甲醛气体检测模块电路

本文选用UART串口传输方式，其中，波特率为9 800 b/s，数据位8位，停止位1位，无校验位。此外，该款气体检测模块内置温度传感器，可进行温度补偿，具有良好的稳定性、卓越的线性输出能力和优秀的抗干扰能力，可广泛应用于便携式仪表、空气质量监测设备、空气净化器、新风换气系统、空调、智能家居设备等。

1.3 温度气压传感器模块

图4所示为MPL3115A2高精度智能数字温度气压传感器电路，MPL3115A2智能传感器是飞思卡尔公司出品的一款多功能高精度数字传感器，采用带有IC接口的MEMS压力传感器和24位高分辨率的A/D转换器，可以精确测量气压、海拔高度、温度等数据，分辨率可低至1英尺/0.3 m，拥有2个可编程中断引脚，内置32个FIFO采样缓冲区，能使用FIFO记录长达12天的数据，可自动进行数据采集，读取完全补偿后的20位压力测量值（Pa），20位高度测量值（m），12个温度测量值（℃），可广泛应用于智能手机/平板电脑、电子测高、GPS航位推算、应急服务的GPS增强功能、地图辅助导航、气象站等设备制造领域。

图4 MPL3115A2电路

1.4 WiFi无线模块

图5所示为ESP8266串口转WiFi无线模块电路，该模块采用安信可 ESP-01 802.11 b/g/n WiFi模组完成无线组网。该模块采用低功率32位CPU，可兼做应用处理器，主频最高达160 MHz，支持UART、GPIO等接口，采用DIP-8封装，方便焊接与测试，集成WiFi MAC/ BB/RF/PA/LNA，支持多种休眠模式，待机功耗低至1.0 mW，嵌有lwIP协议栈，支持AP（路由器），STA（端点模式），AP+STA模式，可软件切换，复位后新模式有效，支持Smart Config/AirKiss一键配网，串口速率最高可达4 Mb/s，通信距离约100 m。

图5 ESP8266 WiFi无线模块电路

ESP-01可广泛应用于物联网场合，适用于家庭自动化、工业无线控制、婴儿监控器、可穿戴电子产品、无线位置感知设备、无线定位系统信号以及其他物联网应用。

1.5 电源模块

图6所示为系统电源模块电路，主要包含5 V供电模块、5 V转3.3 V模块及电平互转模块和电源保护模块。其中，5 V供电模块主要为系统提供电源；
5 V转3.3 V模块主要用于将 DC 5 V 转换成 DC 3.3 V，为 ESP8266 串口转 WiFi无线透传模块及MPL3115A2芯片模块与信号转换模块供电；
5 V与3.3 V电平互转模块的作用是将5 V通信电平与3.3 V通信电平进行相互转换，防止5 V通信电平烧坏模块；
电源保护模块用于保护电源与负载，通过200 mA自恢复保险丝隔离电源与负载，当负载电流过大时及时切断电源。

图6 5 V转3.3 V电路设计

1.6 其他电路模块

系统除上述核心模块外，还有如下几种辅助电路模块：

（1）系统复位模块：主要用于系统宕机时对系统进行复位；

（2）系统时钟模块：主要为系统提供16 MHz的时钟信号；

（3）ICSP接口模块：主要用于单片机程序下载；

（4）IC通信模块：主要为系统提供与外部模块进行IC通信的接口；

（5）UART通信模块：主要为系统提供与外部模块进行UART通信的接口；

（6）触摸按键模块：主要在ESP8266首次配网时使用，通过检测触摸板上的电容值变化来判断是否按下配网按键，当按键按下后电容值会逐步超过设定值，进而向ATmega328P单片机发出高电平，系统自动进入配网模式；

（7）新风系统：主要用于加快甲醛传感器附近的空气循环流动，使其更加接近测量环境的甲醛真实值。

图7所示为系统触摸按键模块电路。

图7 触摸按键模块电路

完成系统的硬件电路搭建后，先进行PCB电路板设计及元器件焊接，然后检查电路焊接情况，查看有无虚焊、漏焊；
完成电路焊接情况检查后还需用万用表检查关键元件的电压、电流是否正常，检查无误后给ATmega328P单片机烧写程序，最后进行系统联调与测试。

在进行首次配网时，首先需要手动点击触摸按键IN2进入系统配网模式，同时配网指示灯闪烁，用户手机和手机APP加入到同一个WLAN环境后，用户可以通过“一键配置”完成设备的自动搜索与添加，设备添加成功后便可在手机APP自动获取当前环境下的数据参数，但甲醛气体检测模块需要预热，预热期间采集的数据有所波动，预热完成，数据趋于稳定，系统会显示所处环境中的甲醛值、温度值、气压值、海拔值等信息，如图8所示。在反复不断对不同场景进行测试后，证明了该款基于自带温度气压补偿的甲醛检测系统能够有效、准确地检测各种复杂环境下的甲醛浓度，具有操作简便、检测速度快、精准度高、抗干扰能力强等优点。

图8 手机端系统显示数据

目前，市场上的家用甲醛检测仪普遍存在依靠自然空气对流、无气压补偿等问题，导致甲醛测量结果与实际值存在较大误差。在此基础上，本文提出新一代自带温度气压补偿与新风系统的甲醛检测系统设计方案，相对现有的甲醛测试仪器，该系统具有操作简单，实时性好，稳定性强，功耗低，测量精度高，并可无差别应用于各种环境等优点。

（1）目前市面上的家用级甲醛检测仪，大多忽视了气体浓度除受温湿度影响外还受气压影响这一关键因素，特别是我国地理环境极其复杂，如：西藏自治区日咯则市的气压为63.83 kPa，而广东省广东市的气压为100.45 kPa，气压差高达36%，而市面上的甲醛传感器，正常工作范围为一个标准大气压下的±10%，一旦超出该范围，测量精度将发生漂移。本文设计的甲醛检测系统采用MPL3115A2气压传感器配合ZE08-CHO甲醛检测模块进行不同气压下的甲醛浓度检测，并使用公式进行换算，从而有效解决气压补偿问题，确保各类应用环境下甲醛浓度检测结果的准确性。

（2）现有甲醛测试仪器均未考虑较大检测环境下甲醛分布不均衡这一问题，无新风系统，完全依靠自然空气对流。而本文设计的甲醛检测系统自带新风系统，避免了气体分布不均或者室内空气流动慢易产生测量误差这一问题。

（3）本文设计的甲醛检测系统可摆放在家内任何位置，只需按下电源开关即可自动工作，操作简单方便。此外，系统将通过无线局域网和蜂窝网络采集的数据上传到手机端，方便用户远程查看，同时支持历史记录回看等操作。

本文设计的基于物联网自带温度气压补偿的甲醛检测系统，以ATmega328P单片机为核心控制器，确保系统具有较强的稳定性和较高的灵活性，为后续进行产品升级奠定了基础。同时采用ZE08-CHO电化学甲醛传感器和MPL3115A2高精度气压温度传感器完成甲醛PPM值、温度值及气压值的采集，确保采集数据的精准性。此外，系统配备的温度补偿功能和新风系统进一步降低了气压、温度等因素对测量结果的干扰，使得检测数据更加接近真实值。系统还可采用ESP8266串口转WiFi无线模块进行数据传输，可以让系统通过无线局域网或移动蜂窝网络与互联网互联互通，实现远距离随时随地观测。经过测试，系统具有高灵敏度、高分辨率、低功耗、抗干扰能力强、使用寿命长等优点，具有较高的研究价值和广阔的市场前景。