專利名稱：智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)一種光度測量裝置，特別是一種室內(nèi)氣體甲醛濃度測量裝置，屬于分光 光度分析裝置。
二背景技術(shù)：
甲醛是一種無色，有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體，已被世界衛(wèi)生組織確定為致癌可疑物 質(zhì)。人們?nèi)粘Ｉ钪泻苋菀捉佑|到甲醛，室內(nèi)裝修是室內(nèi)空氣中甲醛的主要來源。在我 國室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)中，甲醛已被列為必測項(xiàng)目。快速準(zhǔn)確的檢測環(huán)境中甲醛濃度 的研究，具有重要的實(shí)際意義。甲醛監(jiān)測的方法主要有光度比色法、電化學(xué)方法、色譜 分析方法、試驗(yàn)紙光電光度法等。根據(jù)不同檢測方法，己開發(fā)出多種類型的甲醛檢測儀。 隨著現(xiàn)場分析的需要，還研制出多種不同類型的在線甲醛監(jiān)測儀器。
在空氣質(zhì)量監(jiān)測方法中，光度比色法仍是甲醛測定的主要方法。我國已有多個(gè)基于 分光光度法的甲醛測定的標(biāo)準(zhǔn)，如GB-T 18204.26-2000:公共場所空氣中甲醛測定方 法，GB/T 16129-1995:居住區(qū)大氣甲醛衛(wèi)生檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法:分光光度法。還推出了相應(yīng) 儀器，如吉大小天鵝儀器有限公司有關(guān)產(chǎn)品等。市場上的儀器使用的光源多為紅色LED， 一般波長選定為635nm。對(duì)于LED光源，其光譜范圍在20 — 100nm，隨著檢測環(huán)境溫度 的變化，LED光譜范圍和光譜中心都將變化，這將改變比色液對(duì)探測光的吸收特性。目 前市場出現(xiàn)的甲醛測試儀器自動(dòng)化程度仍不高，還需要大量的人工操作才能完成測量過 程，測量一次需要30 — 50分鐘。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡單、測量時(shí)簡短、靈敏度高、能準(zhǔn)確測量室內(nèi)空 氣甲醛濃度的智能裝置。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀，它包括空氣采樣單元、顯色單元、移液單元、 比色單元和控制單元， 其特征是
空氣采樣單元包括空氣采樣器、過濾器、甲醛吸收管； 移液單元包括第一移液泵、第二移液泵；
顯色單元包括顯色反應(yīng)試管、步進(jìn)電機(jī)、陶瓷加熱片、顯色反應(yīng)溫度控制電路；
3比色單元包括比色池、激光二極管、光電探測器、光電信號(hào)調(diào)理電路； 所述控制單元包括單片機(jī)、達(dá)林頓管陣列和電源模塊；
所述達(dá)林頓管陣列的輸出端分別接空氣采樣器、第一移液泵、第二移液泵、步進(jìn)電 機(jī)，達(dá)林頓管陣列的輸入端連接單片機(jī)；顯色反應(yīng)溫度控制電路執(zhí)行端口與陶瓷加熱片 連接，其信號(hào)端口與單片機(jī)連接；所述光電信號(hào)調(diào)理電路與單片機(jī)連接。
所述顯色反應(yīng)溫度控制電路采用一個(gè)過零檢測模塊，過零檢測模塊與單片機(jī)P20 口 連接，單片機(jī)與光電耦合器輸入端連接，光電耦合器的輸出端與可控硅連接，可控硅與 陶瓷加熱片連接，單片機(jī)與單線數(shù)字溫度傳感器連接。
所述顯色單元采樣步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與試管夾連接，試管夾夾住顯色反應(yīng)試 管，顯色反應(yīng)試管置于五面體圍成的顯色室內(nèi)，顯色室一組相對(duì)面內(nèi)壁上分別安裝一個(gè) 陶瓷加熱片，溫度傳感器安裝在靠近顯色反應(yīng)管的顯色室內(nèi)壁上。
所述比色單元采用折疊多路光路，比色池的光輸入側(cè)設(shè)有第一直角棱鏡，光輸出側(cè)
設(shè)有第二直角棱鏡，將光路折疊后三次通過比色池。 該測量儀還包括顯示模塊和按鍵模塊。
本發(fā)明的工作原理
本發(fā)明采用GB-T 18204.26-2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，利用空氣采樣器通過吸收管采集空氣 中的甲醛，甲醛被吸收管內(nèi)的酚試劑吸收，反應(yīng)生成嗪，嗪在酸性溶液中被高鐵離子氧 化生成藍(lán)綠色化合物，用波長為635nm的激光比色定量。入射光強(qiáng)為/。，比色池有效長
度為/。，根據(jù)比耳一朗伯定律穿過比色池后光強(qiáng)為/
/ = /0 exp(-xf0) (1)
消光系數(shù)/c與甲醛濃度成正比。在本發(fā)明中，采用折疊多光路，測量光束穿過比色 池3次，并考慮到比色池內(nèi)外各壁面及光路中光學(xué)元件各表面的反射影響，以去離子純 凈水為空白樣本，此時(shí)空白樣下的透過率為r，將(1)改寫為
/ = Vexp(_3/rf0) (2)
引入吸光度A
^ = 11^ = 3/^。 (3)
利用已知甲醛濃度的系列標(biāo)準(zhǔn)樣本，按照(3)測定儀器測量曲線
c = "J + 6 (4) 其中c為待測甲醛濃度，"和6是應(yīng)用最小二乘法獲得的校準(zhǔn)系數(shù)。儀器工作時(shí)， 測出吸光度A，根據(jù)(4)計(jì)算甲醛濃度。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的甲醛濃度測量裝置將空氣采樣、甲醛吸收、移液、顯色反應(yīng)及顯色反應(yīng)溫 度控制、比色池等集于一體，采用低功耗單片機(jī)系統(tǒng)控制各環(huán)節(jié)的實(shí)施，使儀器打開電 源后，按一鍵即可完成整個(gè)測試過程，無需人工操作；將折疊多光路引入到甲醛濃度檢 測儀中，提高檢測靈敏度，減少空氣采樣量，從而縮短測試周期。
本發(fā)明裝置的采樣時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場甲醛氣味的濃烈設(shè)置空氣采樣量，拓寬了儀器測 試量程。
通過將激光管恒溫來控制輸出激光的波長漂移，抑制溫度變化引起半導(dǎo)體激光器輸 出光波長的變化對(duì)比色測量的影響。
采用半導(dǎo)體激光作為測量光束，比現(xiàn)有的LED光源的光譜帶寬要窄，更有利于比色 領(lǐng)懂。
本發(fā)明在光源調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)采用了程序判斷法、均值濾波、滑動(dòng)平均法 對(duì)采集的光電信號(hào)進(jìn)行處理，有效地濾除測量中隨機(jī)干擾和激光器溫度控制帶來的周期 性光強(qiáng)度漂移影響，使信號(hào)平滑穩(wěn)定，無需對(duì)比色池進(jìn)行密封處理。
本發(fā)明將光源、光電檢測器以及內(nèi)置的氣、液路系統(tǒng)的高度集成，實(shí)現(xiàn)了儀器的便 攜化、微型化與智能化，用液晶屏顯示檢測結(jié)果和儀器的狀態(tài)信息，方便人機(jī)交互。 四

圖l為實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2a為比色測量模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2b為圖2a的俯視圖。
圖3為測量儀的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程圖。
圖4為系統(tǒng)檢測狀態(tài)時(shí)的流程圖。
圖5為加入數(shù)字濾波前后20組數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表。
圖6為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖。
圖7為顯色反應(yīng)溫度控制電路原理圖。
圖8顯色單元結(jié)構(gòu)示意圖。 圖9過零檢測模塊電路。
圖l中l(wèi)一空氣采樣器，2—過濾器，3—甲醛吸收管，4一第一移液泵，5 —顯色 反應(yīng)試管，6 —陶瓷加熱片，7 —陶瓷加熱片，8 —第二移液泵，9一LD恒溫模塊，10 — LD調(diào)制及穩(wěn)光強(qiáng)電路，ll一激光二極管LD， 12—第一直角棱鏡，13—第二直角棱鏡， 14一比色池，15 —帶前置放大器的光電探測器，16—7路達(dá)林頓管陣列ULN2003， 17 一步進(jìn)電機(jī)，18 —顯色反應(yīng)溫度控制電路，19一單片機(jī)，20—電源模塊，21—按鍵模塊， 22—顯示模塊，23—光電信號(hào)調(diào)理電路。
圖2中24—金屬導(dǎo)熱塊，25—絕熱片，26—支承基板，27—第一直角棱鏡的上夾 板，28 —第一直角棱鏡的下夾板，29 —第二直角棱鏡的上夾板，30—第二直角棱鏡的下夾板，，31 —比色池第一夾板，32—比色池第二夾板，33 —彈簧片，34 —半導(dǎo)體制冷器 (TEC);
圖7-圖8中35-顯色室；36-溫度傳感器；37-轉(zhuǎn)軸；38-試管夾；Rl-限流電阻； R2限流電阻；M-220交流接口； T-雙向可控硅。
五具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的甲醛濃度測量裝置由空氣采樣單元、顯色單元、移液系統(tǒng)、
比色系統(tǒng)和微處理器控制系統(tǒng)等組成。顯色單元的結(jié)構(gòu)如圖8所示。顯色單元采樣步進(jìn)
電機(jī)17，步進(jìn)電機(jī)17的轉(zhuǎn)軸37與試管夾38連接，試管夾38夾住顯色反應(yīng)試管5，顯
色反應(yīng)試管5置于五面體圍成的顯色室35內(nèi)，顯色室35 —組相對(duì)面內(nèi)壁上分別安裝一
個(gè)陶瓷加熱片6、 7，溫度傳感器36安裝在靠近顯色反應(yīng)管5的顯色室內(nèi)壁上。
在甲醛吸收管3中事先放入含有吸收劑的測量溶液，空氣采樣器1采集定量空氣， 空氣中含有的甲醛被吸收在測量溶液中。空氣采集結(jié)束后，第一移液泵4把待測溶液轉(zhuǎn) 移至顯色反應(yīng)試管5中，待測溶液進(jìn)入顯色反應(yīng)試管5后，單片機(jī)19控制步進(jìn)電機(jī)17
(四相步進(jìn)電機(jī))工作，來回?cái)[動(dòng)；儀器開機(jī)時(shí)即已開啟顯色反應(yīng)溫度控制電路18， 陶瓷加熱片6和陶瓷加熱片7處于加熱狀態(tài)，如圖7所示，顯色反應(yīng)溫度控制電路采用 一個(gè)過零檢測模塊，檢測到市電過零點(diǎn)，單片機(jī)19的P20 口產(chǎn)生中斷。中斷處理時(shí)通 過光電耦合器M0C3021控制雙向可控硅T的導(dǎo)通角來控制陶瓷加熱片6、 7的發(fā)熱功率。 選用溫度傳感器36 (單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20)檢測顯色室35內(nèi)溫度，當(dāng)傳感器 檢測到的顯色室35溫度與給定的溫度一致時(shí)，溫控電路處于恒溫工作狀態(tài)，保溫時(shí)間 達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，顯色室停止工作，在單片機(jī)19控制下，顯色完全后，第二移液泵8 將顯色反應(yīng)試管5中的待測液體移至比色池14中。
激光二極管11在LD恒溫模塊9和LD調(diào)制及穩(wěn)光強(qiáng)電路10驅(qū)動(dòng)下，輸出被調(diào)制的 激光束，經(jīng)第一直角棱鏡12和第二直角棱鏡13約束，在比色池14內(nèi)穿過三次，光電 探測器15及信號(hào)調(diào)理電路23接收比色池14的出射光，光電信號(hào)經(jīng)調(diào)理后由單片機(jī)19 采集并計(jì)算出甲醛濃度。
激光二極管11放置在方形金屬導(dǎo)熱塊24通孔內(nèi)，激光管二極管LD的封裝表面與 金屬導(dǎo)熱塊24緊配合，其間隙涂有導(dǎo)熱膠；金屬導(dǎo)熱塊24置于絕熱片25上，并用螺 釘緊固支承基板26上，半導(dǎo)體制冷器34粘貼在金屬導(dǎo)熱塊24上。比色池14置于金屬 夾板31、 32內(nèi)，金屬夾板32上焊接一彈簧片33,使比色池插入后一個(gè)壁緊貼夾板31， 比色池14保持在穩(wěn)定狀態(tài)。第一直角棱鏡12由上下夾板27、 28夾持，并固定在基板 上，第二直角棱鏡13由上下夾板29、 30夾持，并固定在基板上。光電探測器15安裝 在基板26的另一端接收比色池14輸出激光，光電探測器15與光電信號(hào)處理電路23連 接?？諝獠蓸悠?、第一移液泵4、第二移液泵8和步進(jìn)電機(jī)17分別與達(dá)林頓管陣列 16相應(yīng)輸出端連接，達(dá)林頓管陣列16輸入端、顯色反應(yīng)溫度控制電路及光電信號(hào)調(diào)理
6電路均與單片機(jī)19連接，單片機(jī)19還與電源模塊20、按鍵模塊21、顯示模塊22連接。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方法，以MSP430單片機(jī)為核心構(gòu)成控制和數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)，系統(tǒng)全部程序采用c語言編寫。 系統(tǒng)整體軟件流程圖
本設(shè)計(jì)的軟件部分整體包含五個(gè)不同的工作狀態(tài)，狀態(tài)名稱如下
S0:等待界面；
Sl:濃度檢測；
S2:沖洗；
S3:自我標(biāo)定；
S4:光強(qiáng)輸出；
測量儀的工作狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換是通過狀態(tài)函數(shù)法來實(shí)現(xiàn)的，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。
程序模塊包括
系統(tǒng)初始化程序；
DS18B20溫度采集程序；
LCD顯示程序；
時(shí)鐘芯片控制程序；
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序；
系統(tǒng)中斷程序；
光強(qiáng)采集與處理程序；
通信程序；
檢測結(jié)果保存在單片機(jī)FLASH存儲(chǔ)區(qū)，便于以后調(diào)用或發(fā)送上位機(jī)。鍵盤和通訊都 采用中斷方式處理。 檢測程序流程
圖4為系統(tǒng)檢測狀態(tài)時(shí)的流程圖，嚴(yán)格按照酚試劑分光光度法檢測甲醛的操作要求 設(shè)計(jì)。儀器進(jìn)入Statel狀態(tài)后，即開始了檢測操作過程。首先，微控制器將初始化， 對(duì)一些內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，包括看門狗、1/0口的輸入輸出狀態(tài)、定時(shí)器設(shè)置、外部 中斷設(shè)置等，然后啟動(dòng)空氣采樣器，并定時(shí)。通過定時(shí)器控制空氣采樣器的采樣時(shí)間， 在空氣采樣的同時(shí)，開始對(duì)顯色反應(yīng)室溫度控制。如果室內(nèi)溫度低于設(shè)計(jì)要求溫度，就 進(jìn)行加熱?？諝獠蓸油戤吅?，移液泵將待測溶液轉(zhuǎn)移至顯色反應(yīng)試管內(nèi)開始顯色反應(yīng)， 直至反應(yīng)完全。最后，待測溶液移入比色池中，進(jìn)行比色定量。檢測出結(jié)果后，在顯示 屏顯示并保存結(jié)果，整個(gè)檢測過程結(jié)束。檢測過程結(jié)束后，通過對(duì)鍵盤的操作，儀器進(jìn)入沖洗狀態(tài)，對(duì)儀器液路進(jìn)行沖洗，以避免殘留液體影響下次檢測結(jié)果。 數(shù)據(jù)濾波算法
本發(fā)明同時(shí)采用程序判斷法、均值濾波、滑動(dòng)平均法對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行處理。剔除測 量中隨機(jī)出現(xiàn)的脈沖性干擾，有效地濾除測量中隨機(jī)干擾，使信號(hào)平滑穩(wěn)定；圖5是加 入數(shù)字濾波前后20組數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩條曲線分別為光強(qiáng)AD采樣信號(hào)和經(jīng)過濾波 后的光強(qiáng)AD采樣信號(hào)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精確度明顯提高。
有關(guān)各工作電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的說明
MSP430F135單片機(jī)通過高耐壓、大電流的達(dá)林頓陣列ULN2003芯片的7路達(dá)林頓 管分別驅(qū)動(dòng)四相步進(jìn)電機(jī)、空氣采樣器和兩個(gè)移液泵。應(yīng)用時(shí)是把負(fù)載的一端接到電源 上，另一端接到ULN2003輸出引腳上。MSP430F135的I/O 口通過連接ULN2003的輸入 腳完成對(duì)這些部件的驅(qū)動(dòng)，電路簡單可靠。
單片機(jī)通過改變I/0口輸出脈沖，來改變步進(jìn)電機(jī)相位，從而改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方 向，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)搖擺動(dòng)作。其輸出對(duì)應(yīng)時(shí)序如下所示。循環(huán)輸出如下時(shí)序步進(jìn)電機(jī) 左轉(zhuǎn)-
A B C D 0 1 11
10 11 110 1
11 10
循環(huán)輸出如下時(shí)序步進(jìn)電機(jī)右轉(zhuǎn)
A B C D 0 1 11 11 10 110 1 10 11
在每個(gè)脈沖之間插入延時(shí)，可控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)的時(shí) 間即，使顯色反應(yīng)試管5做搖擺動(dòng)作，達(dá)到加速顯色過程，節(jié)約測量時(shí)間的目的。
剩余三路驅(qū)動(dòng)兩個(gè)移液泵和空氣采樣器，連接關(guān)系如圖6所示，MSP430F135單片機(jī)的P5.7、 P5.6、 P5.5、 P2.2、 P2.3、 P2.4、 P2.5各I/O輸出口分別連接ULN2003達(dá)林頓管陣列的1至8腳。 ULN2003達(dá)林頓管陣列的輸出端分別空氣采樣器、第一移液泵、第二移液泵和四相步進(jìn)電機(jī)的四個(gè) 端部。
8
權(quán)利要求
1、智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀，它包括空氣采樣單元、顯色單元、移液單元、比色單元和控制單元，其特征是空氣采樣單元包括空氣采樣器、過濾器、甲醛吸收管；移液單元包括第一移液泵、第二移液泵；顯色單元包括顯色反應(yīng)試管、步進(jìn)電機(jī)、陶瓷加熱片、顯色反應(yīng)溫度控制電路；比色單元包括比色池、激光二極管、光電探測器、光電信號(hào)調(diào)理電路；所述控制單元包括單片機(jī)、達(dá)林頓管陣列和電源模塊；所述達(dá)林頓管陣列的輸出端分別接空氣采樣器、第一移液泵、第二移液泵、步進(jìn)電機(jī)，達(dá)林頓管陣列的輸入端連接單片機(jī)；顯色反應(yīng)溫度控制電路執(zhí)行端口與陶瓷加熱片連接，其信號(hào)端口與單片機(jī)連接；所述光電信號(hào)調(diào)理電路與單片機(jī)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀，其特征是所述顯色反應(yīng)溫度控制電路采用一個(gè)過零檢測模塊，過零檢測模塊與單片機(jī)P20 口連接，單片機(jī)與光電耦合器輸入端連接，光電耦合器的輸出端與可控硅連接，可控硅與陶瓷加熱片連接，單片機(jī)與單線數(shù)字溫度傳感器連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀，其特征是所述顯色單元采樣步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與試管夾連接，試管夾夾住顯色反應(yīng)試管，顯色反應(yīng)試管置于五面體圍成的顯色室內(nèi)，顯色室一組相對(duì)面內(nèi)壁上分別安裝一個(gè)陶瓷加熱片，溫度傳感器安裝在靠近顯色反應(yīng)管的顯色室內(nèi)壁上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀，其特征是所述比色單元采用折疊多路光路，比色池的光輸入側(cè)設(shè)有第一直角棱鏡，光輸出側(cè)設(shè)有第二直角棱鏡，將光路折疊后三次通過比色池。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀，其特征是該測量儀還包括顯示模塊和按鍵模塊。
全文摘要
本發(fā)明提供一種操作簡單、測量時(shí)簡短、靈敏度高、能準(zhǔn)確測量室內(nèi)空氣甲醛濃度的智能裝置。該智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀包括空氣采樣單元、顯色單元、移液單元、比色單元和控制單元，本發(fā)明的甲醛濃度測量裝置將空氣采樣、甲醛吸收、移液、顯色反應(yīng)及顯色反應(yīng)溫度控制、比色池等集于一體，采用低功耗單片機(jī)系統(tǒng)控制各環(huán)節(jié)的實(shí)施，使儀器打開電源后，按一鍵即可完成整個(gè)測試過程，無需人工操作；將折疊多光路引入到甲醛濃度檢測儀中，提高檢測靈敏度，減少空氣采樣量，從而縮短測試周期。
文檔編號(hào)G01N21/31GK101625318SQ20091018405
公開日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者波 張, 肖韶榮 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)