自制甲醛检测仪

这几年买房、买车的朋友越来越多，当然我不在买房买车的行列，做开源的嘛，穷是必然的（笑）。新房装修、新车内饰的甲醛问题也随之而来。一些朋友网购了百十元的甲醛检测仪，也有三五百元的，找我来鉴定这些设备是否可靠。经过拆解部分的甲醛检测仪、以及在网上论坛的了解，发现甲醛检测仪这方面的水很深。比如，有些甲醛检测仪内部的传感器乃是十分廉价的模拟电路，有些甚至和抽油烟机的气体传感器同一级别。个别论坛里也有揭露，近千元的甲醛检测仪，打着进口的品牌，其实是廉价的传感器，以次充好。虽然廉价的传感器在检测甲醛时有一定的参考性，但其精确到和可靠性大打折扣。鉴于此，工作室设计了一款较为精准的DIY甲醛检测仪，可以测量甲醛数值、温湿度，并配有安卓APP显示。如图所示。

显示效果.jpg

这个设计有点bug：APP与LCD显示会有误差，经过研究，发现是安卓平台和单片机硬件的差异导致的，如下图：

误差演示.jpg

可以看到，app中显示甲醛浓度为0.362mg/m³，温度为30.2℃，而LCD12864显示的是0.363mg/m³和30.3℃，这是因为，单片机硬件在保留小数位的时候，自动向上取整了。比如实际读取到的温度是30.26℃，当保留1位小数时，应该是30.2℃，但实际结果是30.3℃（有兴趣的可以保留多位小数观察一下）。同时，安卓app这边，小数处理上也有类似的问题。不过这些误差是可以接受的，毕竟分辨率比较高了。

本设计由单片机系统、WZ-S型甲醛传感器、温湿度传感器、OLED显示、和蓝牙模块组成，其中，OLED显示屏和蓝牙模块可以同时兼有，也可以只取其一。只需要手机APP显示时，可以舍弃OLED显示部分；如果不需要手机APP显示，也可以舍弃蓝牙模块。 单片机使用STC15F2K系列增强型8051，该单片机具有两个UART串口，串口1用于甲醛模块数据的读取，串口2用于连接蓝牙模块。发送数据到安卓APP。该单片机I/O口可通过软件配置为开漏模式，用于Si7201通信。

模块说明

甲醛检测模块

甲醛检测仪使用英国达特甲醛传感器，具有nqa ISO9001 和UKAS认证，采用电化学检测测原理，分辨率可达0.001ppm（换算为甲醛浓度为1.34μg/m³），与采用廉价的半导体传感器的甲醛检测备相比，测量数据更可靠，足够满足一般民用检测。

WZ-S型甲醛模块部分参数：

产品型号	WZ-S
检测原理	燃料电池
检测气体	甲醛
检测量程	0-2ppm
最大过载	10ppm
供电电压	5-7V
预热时间	<3min
响应时间	（T 90 ） <40S
恢复时间	(T 10 ) <60S
分辨率	0.001ppm
工作温度	-20℃～50℃
工作湿度	10％－90％RH（非凝结）
存储温度	0～20℃
使用寿命	5 年（正常使用）
重量	4g

甲醛传感器内置数模转换电路，直接通过UART串口输出数字数据，用户只需要根据通信协议将数据进行转换便可得到甲醛浓度值。模块供电为5V，但TX和RX通信端口电压为3.3V，因此与5V单片机通信时，需要5V转3.3V电平转换模块，以免甲醛模块无法承受5V单片机I/O口的电压。

蓝牙模块

蓝牙模块为HC05，可通过AT指令配置主从模式，当与手机蓝牙通信时，需要配置为从模式。通过AT指令，仅需要配置如下参数：

1. AT+NAME="XXX" 配置模块名称
2. AT+ROLE=0 配置为从模式（ROLE=1为主模式）
3. AT+CMODE=1 配置为任意连接模式
4. AT+PSWD=1234 配置配对密码
5. AT+UART=9600,0,0 配置蓝牙串口波特率为9600，停止位1位，无校验位（和单片机串口参数一致）
   蓝牙模块配置的时候有点坑，需要加个回车，有些串口助手软件自带了回车，需要注意。

温湿度传感器

温湿度传感器使用Si7201模块，与DHT11相比，体积更小，测量精度更高。使用该模块时需要注意，模块需要3.3V供电，SDA和SCL端口与单片机连接时，单片机I/O口必须配置为开漏模式，否则有可能无法读到准确的数据。

软件设计

程序中，设定查询时间为5秒，即每隔5秒可查询一次甲醛浓度数据，甲醛模块收到单片机的查询指令后，溢出9字节的数据，存储在数组receive_buf[9]中。源代码中，给出了处理甲醛数据的方法：

方法1：直接读取receive_buf[2]、receive_buf[3]的浓度数据，把两个8位数据整合为float型，代码如下：

HCHO = (float) (receive_buf[2]<<8 | receive_buf[3]);
HCHO = HCHO/1000;   //μg转换为mg，1mg=1000μg

求助来的数值单位是μg/m³，除以1000便可得到mg/m³

方法2：读取receive_buf[6]、receive_buf[7]的ppb数据，把两个8位数据整合为float型，此时得到的单位是ppb，ppb除以1000，得到ppm值。

HCHO = (float) (receive_buf[6]<<8 | receive_buf[7]);   //求出ppb值
HCHO = HCHO / 1000 * 1.3393 ;                          //根据ppb得到ppm值，再换算为甲醛浓度

ppm（parts per million） 是百万分率（或百万分之几）是用溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表示的浓度 。1ppm与mg/m³的关系为，X = C * M /22.4，其中，X是气体浓度质量分数，单位mg/m³；C是气体体积分数，量纲是ppm；M是气体相对分子质量（此处是甲醛），甲醛的分子式HCHO，相对分子质量为30。22.4空气在标准大气压下的相对分子质量。所以，1ppm甲醛气体体积浓度相当于：1ppm*30/22.4=1.3393mg/m³

上述方法选其一求出甲醛浓度后，格式化数据，最后输出到液晶屏显示。

温湿度传感器Si7201的数据较为简单，使用标准IIC协议读取数据，为节约篇幅，本文只介绍温湿度数据处理部分。数组Data_buf[]中，Data_buf[0]、Data_buf[1]分别存储温度高字节、温度低字节；Data_buf[2]、Data_buf[3]分别存储湿度高字节、湿度低字节。这些数据得到后，并不能直接合并后输出显示，而是要跟手册公式计算出数值。温度、湿度转换公式分别为：

湿度公式

温度公式

转换为C代码为：

temp_u16 = Data_buf[0] << 8 | Data_buf[1];    
tmp_value = 175.72 * temp_u16 /65536 - 46.85;   

temp_u16 = Data_buf[2]<<8 | Data_buf[3];
RH_value =  temp_u16;                       
RH_value = 125 * RH_value/65536-6;          

tmp_value为最终求得的温度数值，RH_value为最终求得的湿度数值。最后格式化数据，输出到12864显示。

现在，有了甲醛浓度数据、温湿度数据显示在液晶屏，如何发送到手机显示呢？此处借助蓝牙通信实现。单片机将得到的数据，通过串口2传输给蓝牙模块，蓝牙模块与手机蓝牙连接，获取单片机数据，APP用和单片机相同的方法处理数据后，得到数值并显示。单片机硬件和手机软件进行通信时，要制定一个数据通信协议，即硬件以一定的方式发送数据，手机软件收到数据后，根据一定的格式解析数据，解析后的数据与单片机显示的的数据应当一致。设定的通信协议如下：

0	1	2	3	4	5	6	7	8
帧头	甲醛浓度高位	甲醛浓度低位	温度高位	温度低位	湿度高位	湿度低位	校验位	帧尾
FA	0	0	0	0	0	0	0	FC

由于协议字节数不长，实际上，只校验了帧头和帧尾，没有加入实际的校验位，读者可根据自实际情况加入校验方法。甲醛浓数据、温湿度数据与单片机读取的数据格式完全一致，安卓程序中，套用单片机C代码中的公式即可得到实际数据。

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