陈龙 梁磊 唐靖 金远灿
（宿州学院 机械与电子工程学院 安徽宿州）
摘要：当今社会，随着我国人口的快速增长，人们经济水平的逐渐提高，买房也成为一种热潮，但是，买房的背后用什么样的油漆粉刷墙壁也成了人们苦恼的一件事情。众所周知,房屋装修、劣质家具等所留有害气体主要为甲醛,甲醛对人体健康有较大的危害,许多疾病的诱发都与甲醛有关,如哮喘,白血病等。为此我们设计了一款WIFIW甲醛浓度检测仪，能够实时监控屋中的甲醛含量，让人们不用再为无形的危害而苦恼，并且能够进行有效的防护。
关键词：单片机；WIFI；甲醛浓度；检测
1 引言
随着物联网，智能家居行业的快速发展，人们的日常生活也离不开无线网络。WIFI模块将串口或TTL电平转为符合Wi-Fi无线网络通信标准的嵌入式模块。传统的硬件设备嵌入Wi-Fi模块可以直接利用Wi-Fi联入互联网，是实现无线智能家居、M2M等物联网应用的重要组成部分。当前技术较为成熟，在各个行业领域都得到了广泛的应用并产生了巨大的经济价值。[3]
2 基本原理
该检测仪采用STC89C51单片机作为控制器，ZE08-CH2O甲醛浓度传感器的CH2传感器空气样本进行采样并转化成电信号输送到单片机的内部函数，传感器模块输出的标准电流经由A/D转换电路转换为单片机能识别的信号,单片机对此信号进行处理，每接收一个电信号，显示屏就会显示一次数据，同时检测的数据便会通过WIFI模块实时传输到手机上。如果甲醛浓度超过设定值时（即规定的安全浓度范围），设定蜂鸣器进行报警提醒。[1][2]
3 甲醛气体简介
甲醛也称亚甲基氧化物，化学式为HCHO，分子质量30.03，在常温下是无色且存在辛辣刺鼻气味，易溶于水和乙醇等多种有机溶剂。同时，甲醛是一种非常重要的有机溶剂，在化工领域得到了广泛的应用，甲醛原料能够用来制作油漆、橡胶、染料等，绝大部分家庭房屋装修材料中都含有甲醛气体，甲醛也能够用于消毒剂、防腐剂，在人们的日常生活中有着广泛的运用。然而，甲醛气体本身存在毒性，是一种致癌和致畸形的物质，能够引发哮喘、癌症等疾病。行业内专家研究发现，如果室内甲醛气体溶度达到0.07mg/m3,儿童就会出现轻微气喘的症状，如果浓度持续升高，会使人产生恶心、呕吐、咳嗽、胸闷等症状，当室内甲醛气体高于30mg/m3时，便会致人于死亡，国家卫生标准的室内甲醛最高浓度不得超过0.08mg/m3（即60ppb）。因此，在室内安装甲醛检测仪是十分有必要的。[4]
3 模块原件介绍
3.1 LCD1602液晶
采用LCD1602液晶显示数据，采取直接控制的方式，LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，LCD1602的8根数据线和3根控制线E，RS和R/W与单片机相连后即可正常工作。
3.2 ZE-08-CH20型传感器
甲醛浓度传感器采用ZE08CH20型传感器，是一个通用型、小型化模组。利用电化学原理对空气中存在的甲醛气体进行探测，具有良好的选择性，稳定性。同时提供UART、模拟电压信号等多种输出方式。内置温度传感器，可进行温度补偿；同时具有数字输出与模拟电压输出，方便使用。ZE08CH20型传感器是将成熟的电化学检测技术与精良的电路设计紧密结合，设计制造出的通用型气体模组。具有高灵敏度、高分辨率、低功耗、使用寿命长、体积小、防干扰能力强、低功耗、精准度高等优点。广泛应用于便携式仪表、空气质量监测设备、空气净化机、新风换气系统、空调、智能家居设备等场所。此外，ZE08CH20型甲醛浓度传感器是通过其特有的甲醛探头，对空气进行采样同时进行甲醛探测，具有灵敏度高，反应速度快的优点；传感器利用成熟的电化学检测技术，将检测到的甲醛转化成电信号供单片机接收，其过程涉及A/D，D/A转换，在经过单片机芯片处理和编写特定的程序之后，能够在LCD1602和手机APP上准确显示数据。
3.3 ESP8266-WIFI模块
ATK-ESP8266 模块采用串口（LVTTL）与 MCU（或其他串口设备）通信，内置 TCP/IP协议栈，能够实现串口与 WIFI 之间的转换。通过 ATK-ESP8266 模块，传统的串口设备只是需要简单的串口配置，即可通过网络（WIFI）传输自己的数据。
ATK-ESP8266 模块支持 LVTTL 串口，兼容 3.3V 和 5V 单片机系统，可以很方便的与产品进行连接。模块支持串口转 WIFI STA、串口转 AP 和 WIFI STA+WIFI AP模式，从而能够快速构建串口-WIFI 数据传输方案，方便设计的设备使用互联网快速的将数据传输到手机APP上。此外，ATK-ESP8266 模块非常小巧（29mm*19mm），模块通过6个2.55mm间距的排针与外部模块进行连接，ATK-ESP8266 模块实物图如图一所示。
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图一 ATK-ESP8266 模块实物图
4 系统设计
4.1 主控电路
主控电路采用STC89C51单片机，采用 USB 接口线5V 电源供电：充电宝、电脑 USB 接口等均能满足设计电源的需求。此外，该单片机具备 27个IO 端口，每个I/O 口驱动能力均可达到20mA，无需专用编程器可通过串口直接下载用户程序，数秒即可完成一片。设计端口数量也足以满足设计需求，无需外扩 IO 端口，节省了成本、降低了设计的难度。
4.2 电源电路
系统电源电路主要是由 DC 接口、拨码开关、电阻以及电源指示灯组成。系统整体所需要的 5V 电源由外部电源提供，DC 接口联接 USB 电源线，再通过 USB 电源线连接外部电源，SW1 拨动开关控制电源开与闭合状态。R2 电阻主要是起到限流作用，减少流过 LED1 电流，LED1 为红色电源指示灯。
4.3 整体电路
首先利用单片机搭建总体电路，在搭建的同时留出LCD1602和ATK-ESP8266 模块插口。在搭建时，选择使用51系列或32系列的成品开发板，这样既能节省大量的时间，也能保证整体电路可以正确运行。此外，搭建电路过程中要考虑机械结构的搭建，一个良好的机械结构能够取得事半功倍的效果，将各个传感器融合构建，不仅能够保证信号和数据接收与发送的准确性，还能使得检测仪更加美观且方便。
5 数据接收和处理
对于该检测仪而言，其需要在LCD1602显示屏上显示，同时也需要通过WIFI模块将ZE-08-CH20型传感器检测到的室内甲醛浓度通过特定的IP协议传输到手机APP上。对于ESP8266-WIFI模块而言，其可以利用串口与单片机进行直接通信，存在速率高、传输快、数据稳定等优势，同时，ESP8266-WIFI模块不仅能够兼容51系列单片机，在32系列单片机上也存在较好的兼容性。此外，利用CH-340型串口能够实现ESP8266-WIFI模块与单片机的良好通信，在存在特定的IP协议以及单片机内部存在的定时器和中断功能，便能够将数据实时显示在手机APP上，以此来监视室内甲醛浓度是否超标。在设计过程中，主要用到单片机的定时器T1，该定时器T1的溢出率和波特率计算公式如下所示：
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6 主程序设计
将成品开发板、LCD1602液晶显示屏、ESP8266-WIFI模块、ZE08CH20型传感器搭建完成并设计好机械结构。熟悉各个模块的作用以及相应的源码，分阶段完成实现各个模块的功能。首先，将开发板连接ZE08CH20型传感器和LCD1602液晶显示屏，通过编写程序将ZE08CH20型传感器所检测到的甲醛浓度实时显示到LCD1602液晶显示屏，通过改写部分程序使得数据能够稳定显示并将精度设置在合理范围内；然后，将开发板连接ZE08CH20型传感器和ATK-ESP8266 模块，在手机上下载特定的APP将传感器测得的甲醛浓度显示在手机APP上。最后，将开发板、LCD1602液晶显示屏、ESP8266-WIFI模块、ZE08CH20型传感器各个模块进行整合，实现同时在LCD1602液晶显示屏和手机APP上显示，超过设定浓度报警的功能，从而便能完成最终设计。[5]
结束语
综上所述，随着买房热潮的膨胀，装修行业的兴起，人们开始注重装修的质量。而一些无良商家不注重商品的质量和成分安全，从而导致其中一些商品蕴含的甲醛含量比之平常增加数倍，在无形中危害着人们的身体健康，而且这种伤害都是巨大且无法挽回的，本款检测仪，通过51单片机和甲醛检测模块，LCD1602液晶显示精准的测量数据，并通过WIFI模块把数据传送到手机上，让人们可以实时的掌握自己屋中的甲醛含量。
参考文献
[1]刘正全,肖兴明,陈旭忠.基于AVR单片机的瓦斯浓度检测仪的设计[J].矿山机械,2007:7+147-149.
[2]李广义,张伟,李民强.基于MSP430单片机和神经网络的气体浓度检测仪[J].仪表技术与传感器,2006:22-23.
[3]曾磊,张海峰,侯维岩.基于WiFi的无线测控系统设计与实现[J].电测与仪表,2011:87-89+102.
[4]刘君卓,陶永娴,温天佑.室内装修后甲醛和苯的浓度变化特征[J].环境与健康杂志,2002:35-36.
[5]赵元黎,杜娟,张永利.便携式现场甲醛检测仪的设计[J].自动化仪表,2009:80-83.