tvoc浓度测试仪的设计与实现【字数：14923】
随着现代工业的发展，生产过程中产生了大量污染气体，因此对于工业生产、环境保护中对污染气体的检测成为必要。根据国家环境监测标准和常熟某企业研发要求，本设计主要使用STM32控制器，通过 PID光离子气体传感器（TVOC检测传感器）进行有害气体TVOC含量的检测，然后通过USART HMI智能串口屏实时显示，并通过RS485通信传输到服务器进行数据分析和发布。同时采用DS18B20测量实时温度和使用单片机自带的滴答计时器进行实时时间测量，以及外接红外遥控接收器进行参数调节和时间调整。在实现数据测量的同时还附加了数据实时存储FLASH和污染气体等级警戒提示。通过测试和改进，本设计能够较准确测量有害气体TVOC的含量，并具有传输、显示、存储等功能，满足系统设计目标，并已交付企业进行小批量生产。
Key words: TVOC; PID photoionic gas sensor; Data transmission; RS485 目 录
1. 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外发展现状与趋势 1
1.3 章节安排 2
1.4 本章小结 2
2. 系统设计目标及方案 3
2.1 设计目标 3
2.2 系统方案设计 3
2.3 本章小结 4
3. 系统硬件电路设计 5
3.1 最小系统设计 5
3.2 信号采集电路设计 6
3.3 数据操作电路设计 7
3.4 辅助功能设计 8
3.5 人机交互设计 9
3.6电源电路设计 10
3.6.1 DC24V转DC5V 10
3.6.2 DC5V转DC3.3V 11
3.7本章小结 12
4. 系统软件设计 13
4.1 主程序流程设计 13
4.2 调参程序设计 14
4.3 人机界面编辑 16
4.3.1 串口屏界面编辑 16
4.3.2 串口屏程序设计 17
4.4 传感器采集程序设计 18
4.4.1 TVOC测量 18 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
4.4.2 温度测量 19
4.5 通信程序设计 20
4.6 数据存储程序设计 20
4.7 本章小结 20
5. 系统调试 21
5.1 系统整体运行调试 21
5.2 人机界面调试 22
5.3 数据处理和参数校正 23
5.5 本章小结 27
6. 总结与展望 28
6.1 总结 28
6.2 对环境及可持续发展的非技术因素分析 28
6.3 展望 29
参考文献 30
附录 31
附录1 系统硬件电路原理图和PCB图 31
附录2 系统实物图 34
附录3 部分核心源代码 35
1. 绪论
1.1 研究背景与意义
随着人民生活水平的不断提高，广大人民群众的健康意识逐步提高，国家对室内环境污染的重视程度越来越高。人们离不开朝夕相伴的空气，但是工业时代不能保证人们拥有一个绿色的生活环境。因此，营造一个良好的居住环境，提高建筑、建材、装饰业的水平，保障人民的身体健康是卫生、建筑、环保等行业共同面临的难题。
TVOC被总称为总挥发性有机物。TVOC是三种影响室内空气品质污染中影响较为严重的一种。TVOC是指室温下饱和蒸气压超过了133．32pa的有机物，其沸点在50℃至250℃，在常温下可以蒸发的形式存在于空气中，其毒性、刺激性、致癌性和特殊的气味性，会影响皮肤和黏膜，对人体产生急性损害。世界卫生组织（WHO）、美国国家科学院/国家研究理事会（NAS/NRC）等机构一直强调TVOC是一类重要的空气污染物。美国环境署（EPA）对TVOC的定义是除了一氧化碳，二氧化碳，碳酸，金属碳化物，碳酸盐以及碳酸铵外，任何参与大气中光化学反应的含碳化合物。
因此，在石油化工行业、高污染企业、矿产资源开采场地、化工实验室等地方对TVOC进行检测成为必要，是对国家负责，对人民生命安全负责。
1.2 国内外发展现状与趋势
关于TVOC污染的防治和测量，其首要技术在于测量， 而测量一般分两种检测环境，分别是实验室检测和实际现场检测。实验室关于TVOC的测量通常使用气相色谱法，但也有使用傅里叶变换红外光谱法、荧光光谱法、离子色谱法和反射干涉光谱法等。而对于实际现场测量则一般采用电化学检测法、光电离PID传感器检测法。
对于气相色谱法，在测量过程步骤方面相对较复杂。首先将一定环境下的空气采集，然后将采集的气体进行压缩、过滤等处理，最后借助气相色谱仪对其进行分析，最后再通过对其中的各种气体进行对应的分析，得出对应的结果。相对于实验室测量来说，测量环境有限、测量精度有限。但是对于科研和特定环境的气体测量中，该方法具有可行性。
随着人们生活节奏的加快和人民生活水平的提高，对于生活的环境要求质量也相对需求较高，这种实验性的测量方式已经不适用于大众化的生活水平。所以新西兰艾尔科（Aeroqual）公司研发明了手持式气体测量仪S200。该测量仪采用电化学的原理进行测量。在传感器里面安装了气敏半导体，通过半导体对气体的敏感程度和其特殊的电气特性，然后测量半导体的特性即可。该测量方式精度在±10ppm,量程在（0200ppm），响应时间±60S，相对于气相色谱法来说，测量步骤简单，测量环境可以随意选择，具有不可代替的优点。
随着科技的进步和发展和制作工艺的增强，对于TVOC的测量精度也有了更高的要求，这里一种新的测试方法得以采用——PID光离子气体传感器。该传感器采用光离子电离气体的原理进行气体检测，使用离子灯所产生的紫外光对目标气体进行照射/轰击，目标气体能够吸收足够的紫外光能就会被电离，通过检测其电离后产生的微小电流，进而检测目标气体的浓度。绝大多数的空气成分的光离子都高于离子灯所提供的能量，所以空气的成分不会被检测到，因此使用光离子气体传感器测量不会受到干扰，其检测精度可以达到ppd级。
所以，综上比较分析，从测量精度和开发难度上来讲，采用PID光离子气体传感器具有明显的优势。对于本设计来说，为了实现精确测量的目标和便捷的测量环境，以及便捷的开发程序，故本设计采用PID光离子气体传感器进行设计。
1.3 章节安排
Key words: TVOC; PID photoionic gas sensor; Data transmission; RS485 目 录
1. 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外发展现状与趋势 1
1.3 章节安排 2
1.4 本章小结 2
2. 系统设计目标及方案 3
2.1 设计目标 3
2.2 系统方案设计 3
2.3 本章小结 4
3. 系统硬件电路设计 5
3.1 最小系统设计 5
3.2 信号采集电路设计 6
3.3 数据操作电路设计 7
3.4 辅助功能设计 8
3.5 人机交互设计 9
3.6电源电路设计 10
3.6.1 DC24V转DC5V 10
3.6.2 DC5V转DC3.3V 11
3.7本章小结 12
4. 系统软件设计 13
4.1 主程序流程设计 13
4.2 调参程序设计 14
4.3 人机界面编辑 16
4.3.1 串口屏界面编辑 16
4.3.2 串口屏程序设计 17
4.4 传感器采集程序设计 18
4.4.1 TVOC测量 18 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
4.4.2 温度测量 19
4.5 通信程序设计 20
4.6 数据存储程序设计 20
4.7 本章小结 20
5. 系统调试 21
5.1 系统整体运行调试 21
5.2 人机界面调试 22
5.3 数据处理和参数校正 23
5.5 本章小结 27
6. 总结与展望 28
6.1 总结 28
6.2 对环境及可持续发展的非技术因素分析 28
6.3 展望 29
参考文献 30
附录 31
附录1 系统硬件电路原理图和PCB图 31
附录2 系统实物图 34
附录3 部分核心源代码 35
1. 绪论
1.1 研究背景与意义
随着人民生活水平的不断提高，广大人民群众的健康意识逐步提高，国家对室内环境污染的重视程度越来越高。人们离不开朝夕相伴的空气，但是工业时代不能保证人们拥有一个绿色的生活环境。因此，营造一个良好的居住环境，提高建筑、建材、装饰业的水平，保障人民的身体健康是卫生、建筑、环保等行业共同面临的难题。
TVOC被总称为总挥发性有机物。TVOC是三种影响室内空气品质污染中影响较为严重的一种。TVOC是指室温下饱和蒸气压超过了133．32pa的有机物，其沸点在50℃至250℃，在常温下可以蒸发的形式存在于空气中，其毒性、刺激性、致癌性和特殊的气味性，会影响皮肤和黏膜，对人体产生急性损害。世界卫生组织（WHO）、美国国家科学院/国家研究理事会（NAS/NRC）等机构一直强调TVOC是一类重要的空气污染物。美国环境署（EPA）对TVOC的定义是除了一氧化碳，二氧化碳，碳酸，金属碳化物，碳酸盐以及碳酸铵外，任何参与大气中光化学反应的含碳化合物。
因此，在石油化工行业、高污染企业、矿产资源开采场地、化工实验室等地方对TVOC进行检测成为必要，是对国家负责，对人民生命安全负责。
1.2 国内外发展现状与趋势
关于TVOC污染的防治和测量，其首要技术在于测量， 而测量一般分两种检测环境，分别是实验室检测和实际现场检测。实验室关于TVOC的测量通常使用气相色谱法，但也有使用傅里叶变换红外光谱法、荧光光谱法、离子色谱法和反射干涉光谱法等。而对于实际现场测量则一般采用电化学检测法、光电离PID传感器检测法。
对于气相色谱法，在测量过程步骤方面相对较复杂。首先将一定环境下的空气采集，然后将采集的气体进行压缩、过滤等处理，最后借助气相色谱仪对其进行分析，最后再通过对其中的各种气体进行对应的分析，得出对应的结果。相对于实验室测量来说，测量环境有限、测量精度有限。但是对于科研和特定环境的气体测量中，该方法具有可行性。
随着人们生活节奏的加快和人民生活水平的提高，对于生活的环境要求质量也相对需求较高，这种实验性的测量方式已经不适用于大众化的生活水平。所以新西兰艾尔科（Aeroqual）公司研发明了手持式气体测量仪S200。该测量仪采用电化学的原理进行测量。在传感器里面安装了气敏半导体，通过半导体对气体的敏感程度和其特殊的电气特性，然后测量半导体的特性即可。该测量方式精度在±10ppm,量程在（0200ppm），响应时间±60S，相对于气相色谱法来说，测量步骤简单，测量环境可以随意选择，具有不可代替的优点。
随着科技的进步和发展和制作工艺的增强，对于TVOC的测量精度也有了更高的要求，这里一种新的测试方法得以采用——PID光离子气体传感器。该传感器采用光离子电离气体的原理进行气体检测，使用离子灯所产生的紫外光对目标气体进行照射/轰击，目标气体能够吸收足够的紫外光能就会被电离，通过检测其电离后产生的微小电流，进而检测目标气体的浓度。绝大多数的空气成分的光离子都高于离子灯所提供的能量，所以空气的成分不会被检测到，因此使用光离子气体传感器测量不会受到干扰，其检测精度可以达到ppd级。
所以，综上比较分析，从测量精度和开发难度上来讲，采用PID光离子气体传感器具有明显的优势。对于本设计来说，为了实现精确测量的目标和便捷的测量环境，以及便捷的开发程序，故本设计采用PID光离子气体传感器进行设计。
1.3 章节安排
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