防化实验通风柜

装修而导致的空气污染已经成为现代危害身体健康的杀手之一，现有的空气质量检测大部分都是单气体检测，对于现在已经演变为社会问题的空气质量，目前的测量方式还达不到理想标准。一种仪表只能检测一种气体，无法满足大型建筑物的室内空气质量的要求。文章介绍的监测仪，布线简单，受环境的干扰小，能够同时监测多种有害气体，并且显示速度快，实时性好。可以多点，全面的对居住场所的空气质量监测[1]。

1 总体设计方案

总体设计结构如图1所示。

文章将介绍系统的硬件电路，这里以氨气传感器的调理电路为例，以及电源电路的设计和硬件抗干扰技术。文章以STC12C5A60S2处理器为核心控制器件，系统上电后开机自检，然后会对甲烷、氨气、CO、甲醛、温湿度进行多点实时的检测并显示。如果发现检测的某项气体值超标，系统会自动启动报警装置，通过声音提示用户。利用串口发出控制指令，提醒用户采取相应的措施。该设计预留的通讯串口可以与其他高级设备连接实现远程控制。

2 室内空气质量监测仪的硬件设计

2.1 电化学传感器的信号调理电路

文章以氨气传感器为主进行介绍。由于传感器输出的信号非常微弱，电化学传感器采集氨气，并输出信号，需要对输出的微弱mV级的信号放大，文章选择的运算放大器是OPA333，最终将信号放大到V级[2]。由于传感器有启动时间，为了减少预热时间，通过J177进行电路调整[3]，信号的调理电路如图2所示。当甲醛传感器感应到甲醛气体时，由电极生成的电流信号得到电压信号，传感器输出电流和电路输出的电压关系为：

U=Ix（R14+R15//RT2）

其中R14和R15的阻值为20k，经过I/V转换后，传感器输出的电流信号从μ 变为伏级的电压。

由于电化学型传感器的特殊性，对应的调理电路的设计，需要考虑以下几个方面：

（1）传感器的灵敏度数量级极低，在一级电路引入电流-电压转换。

（2）消除其他气体的干扰，电化学型气体传感器偏压是否稳定会影响到噪声和灵敏度，所以提高被测量气体的选择性，减少噪声，保证传感器工作在最佳点，采用恒电位控制电路。

（3）加入调零电路校正。

（4）为了减少传感器本身导致的噪声或者I/V转换器输出的噪声，引入滤波电路。

2.2 电源电路设计

文章采用MCP1700进行了电压的转换，为了实现一氧化碳、甲醛等电化学型传感器的±3V供电，需要把+5V电源电压转换成+3V，选用芯片MAX660，把+3V的电源电压转换成-3V，便得到了±3V的供电电压[5]。采用芯片MAX660将输入电压范围为+1.5V到+5.5V，转换后变成输出电压是-1.5V到-5.5V，而且性能十分稳定。

2.3 硬件抗干扰技术

系统运行时，会受到内部或外部的各种干扰，比如噪声干扰、放电干扰或者电磁干扰等，所以除了遵守相应设计规则外，必须采取可行的抗干扰措施，来提高和保证系统的安全性以及可靠性，所以对硬件电路进行布局布线时，还需考虑影响电路电磁兼容性、测量和控制精度和空气监测仪工作稳定性的因素[6]。

文章采用的硬件抗干扰措施有：

（1）增大电源线宽度；

（2）芯片电源端连接去耦电容；

（3）模拟地与数字地分开布局；

（4）用电压跟随器隔离进入A/D之前的信号；

（5）在电源和地线之间加入去耦电容，防止抗干扰能力弱的芯片或关闭电源时变化大的芯片；

（6）电源输入端接100μF的电解电容；

（7）设置专门的硬件复位电路。

3 结束语

该仪器是集环境污染，安全和温湿度为一体的多点监测的便携式测量仪。适合居家环境测量以及安全报警，该设计的创新在于，把室内空气和安全报警集合为一体，采用多种电化学传感器的组合，解决了目前室内气体测量种类单一的问题。