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這幾年買房、買車的朋友越來越多，當(dāng)然我不在買房買車的行列，做開源的嘛，窮是必然的（笑）。新房裝修、新車內(nèi)飾的甲醛問題也隨之而來。一些朋友網(wǎng)購了百十元的甲醛檢測儀，也有三五百元的，找我來鑒定這些設(shè)備是否可靠。經(jīng)過拆解部分的甲醛檢測儀、以及在網(wǎng)上論壇的了解，發(fā)現(xiàn)甲醛檢測儀這方面的水很深。比如，有些甲醛檢測儀內(nèi)部的傳感器乃是十分廉價(jià)的模擬電路，有些甚至和抽油煙機(jī)的氣體傳感器同一級別。個(gè)別論壇里也有揭露，近千元的甲醛檢測儀，打著進(jìn)口的品牌，其實(shí)是廉價(jià)的傳感器，以次充好。雖然廉價(jià)的傳感器在檢測甲醛時(shí)有一定的參考性，但其精確到和可靠性大打折扣。鑒于此柴油報(bào)警器，工作室設(shè)計(jì)了一款較為精準(zhǔn)的DIY甲醛檢測儀，可以測量甲醛數(shù)值、溫濕度，并配有安卓APP顯示。如圖所示。

顯示效果.jpg

這個(gè)設(shè)計(jì)有點(diǎn)bug：APP與LCD顯示會(huì)有誤差，經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)是安卓平臺和單片機(jī)硬件的差異導(dǎo)致的，如下圖：

誤差演示.jpg

可以看到，app中顯示甲醛濃度為0.362mg/m3，溫度為30.2℃，而LCD12864顯示的是0.363mg/m3和30.3℃，這是因?yàn)?，單片機(jī)硬件在保留小數(shù)位的時(shí)候，自動(dòng)向上取整了。比如實(shí)際讀取到的溫度是30.26℃，當(dāng)保留1位小數(shù)時(shí)，應(yīng)該是30.2℃，但實(shí)際結(jié)果是30.3℃（有興趣的可以保留多位小數(shù)觀察一下）。同時(shí)，安卓app這邊，小數(shù)處理上也有類似的問題。不過這些誤差是可以接受的，畢竟分辨率比較高了。

本設(shè)計(jì)由單片機(jī)系統(tǒng)、WZ-S型甲醛傳感器、溫濕度傳感器、OLED顯示、和藍(lán)牙模塊組成，其中，OLED顯示屏和藍(lán)牙模塊可以同時(shí)兼有，也可以只取其一。只需要手機(jī)APP顯示時(shí)，可以舍棄OLED顯示部分；如果不需要手機(jī)APP顯示，也可以舍棄藍(lán)牙模塊。 單片機(jī)使用STC15F2K系列增強(qiáng)型8051，該單片機(jī)具有兩個(gè)UART串口，串口1用于甲醛模塊數(shù)據(jù)的讀取，串口2用于連接藍(lán)牙模塊。發(fā)送數(shù)據(jù)到安卓APP。該單片機(jī)I/O口可通過軟件配置為開漏模式，用于Si7201通信。

模塊說明甲醛檢測模塊

甲醛檢測儀使用英國達(dá)特甲醛傳感器，具有nqa ISO9001 和UKAS認(rèn)證，采用電化學(xué)檢測測原理，分辨率可達(dá)0.001ppm（換算為甲醛濃度為1.34μg/m3），與采用廉價(jià)的半導(dǎo)體傳感器的甲醛檢測備相比，測量數(shù)據(jù)更可靠，足夠滿足一般民用檢測。

WZ-S型甲醛模塊部分參數(shù)：

產(chǎn)品型號WZ-S

檢測原理

燃料電池

檢測氣體

甲醛

檢測量程

0-2ppm

最大過載

10ppm

供電電壓

5-7V

預(yù)熱時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間

（T 90 ）

恢復(fù)時(shí)間

(T 10 )

分辨率

0.001ppm

工作溫度

-20℃～50℃

工作濕度

10％－90％RH（非凝結(jié)）

存儲溫度

0～20℃

使用壽命

5 年（正常使用）

重量

4g

甲醛傳感器內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，直接通過UART串口輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，用戶只需要根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換便可得到甲醛濃度值。模塊供電為5V，但TX和RX通信端口電壓為3.3V，因此與5V單片機(jī)通信時(shí)，需要5V轉(zhuǎn)3.3V電平轉(zhuǎn)換模塊，以免甲醛模塊無法承受5V單片機(jī)I/O口的電壓。

藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊為HC05，可通過AT指令配置主從模式，當(dāng)與手機(jī)藍(lán)牙通信時(shí)，需要配置為從模式。通過AT指令，僅需要配置如下參數(shù)：

AT+NAME="XXX"配置模塊名稱AT+ROLE=0配置為從模式（ROLE=1為主模式）AT+CMODE=1配置為任意連接模式AT+PSWD=1234配置配對密碼AT+UART=9600,0,0配置藍(lán)牙串口波特率為9600，停止位1位，無校驗(yàn)位（和單片機(jī)串口參數(shù)一致）

藍(lán)牙模塊配置的時(shí)候有點(diǎn)坑，需要加個(gè)回車，有些串口助手軟件自帶了回車，需要注意。溫濕度傳感器

溫濕度傳感器使用Si7201模塊，與DHT11相比，體積更小，測量精度更高。使用該模塊時(shí)需要注意，模塊需要3.3V供電柴油報(bào)警器，SDA和SCL端口與單片機(jī)連接時(shí)，單片機(jī)I/O口必須配置為開漏模式，否則有可能無法讀到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

軟件設(shè)計(jì)

程序中，設(shè)定查詢時(shí)間為5秒，即每隔5秒可查詢一次甲醛濃度數(shù)據(jù)，甲醛模塊收到單片機(jī)的查詢指令后，溢出9字節(jié)的數(shù)據(jù)，存儲在數(shù)組receive_buf[9]中。源代碼中，給出了處理甲醛數(shù)據(jù)的方法：

方法1：直接讀取receive_buf[2]、receive_buf[3]的濃度數(shù)據(jù)，把兩個(gè)8位數(shù)據(jù)整合為float型，代碼如下：

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

求助來的數(shù)值單位是μg/m3，除以1000便可得到mg/m3

方法2：讀取receive_buf[6]、receive_buf[7]的ppb數(shù)據(jù)，把兩個(gè)8位數(shù)據(jù)整合為float型，此時(shí)得到的單位是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 ;                          //根據(jù)ppb得到ppm值，再換算為甲醛濃度

ppm（parts per million） 是百萬分率（或百萬分之幾）是用溶質(zhì)質(zhì)量占全部溶液質(zhì)量的百萬分比來表示的濃度 。1ppm與mg/m3的關(guān)系為，X = C * M /22.4，其中，X是氣體濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)，單位mg/m3；C是氣體體積分?jǐn)?shù)，量綱是ppm；M是氣體相對分子質(zhì)量（此處是甲醛），甲醛的分子式HCHO，相對分子質(zhì)量為30。22.4空氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的相對分子質(zhì)量。所以，1ppm甲醛氣體體積濃度相當(dāng)于：1ppm*30/22.4=1.3393mg/m3

上述方法選其一求出甲醛濃度后，格式化數(shù)據(jù)甲醛模組，最后輸出到液晶屏顯示。

溫濕度傳感器Si7201的數(shù)據(jù)較為簡單，使用標(biāo)準(zhǔn)IIC協(xié)議讀取數(shù)據(jù)，為節(jié)約篇幅，本文只介紹溫濕度數(shù)據(jù)處理部分。數(shù)組Data_buf[]中，Data_buf[0]、Data_buf[1]分別存儲溫度高字節(jié)、溫度低字節(jié)；Data_buf[2]、Data_buf[3]分別存儲濕度高字節(jié)、濕度低字節(jié)。這些數(shù)據(jù)得到后，并不能直接合并后輸出顯示，而是要跟手冊公式計(jì)算出數(shù)值。溫度、濕度轉(zhuǎn)換公式分別為：

濕度公式

溫度公式

轉(zhuǎn)換為C代碼為：

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為最終求得的溫度數(shù)值，RH_value為最終求得的濕度數(shù)值。最后格式化數(shù)據(jù)，輸出到12864顯示。

現(xiàn)在，有了甲醛濃度數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)顯示在液晶屏，如何發(fā)送到手機(jī)顯示呢？此處借助藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)將得到的數(shù)據(jù)，通過串口2傳輸給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊與手機(jī)藍(lán)牙連接甲醛模組，獲取單片機(jī)數(shù)據(jù)，APP用和單片機(jī)相同的方法處理數(shù)據(jù)后，得到數(shù)值并顯示。單片機(jī)硬件和手機(jī)軟件進(jìn)行通信時(shí)，要制定一個(gè)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，即硬件以一定的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，手機(jī)軟件收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)一定的格式解析數(shù)據(jù)，解析后的數(shù)據(jù)與單片機(jī)顯示的的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)一致。設(shè)定的通信協(xié)議如下：

012345678

幀頭

甲醛濃度高位

甲醛濃度低位

溫度高位

溫度低位

濕度高位

濕度低位

校驗(yàn)位

幀尾

FA

0

0

0

0

0

0

0

FC

由于協(xié)議字節(jié)數(shù)不長，實(shí)際上甲醛模組，只校驗(yàn)了幀頭和幀尾，沒有加入實(shí)際的校驗(yàn)位，讀者可根據(jù)自實(shí)際情況加入校驗(yàn)方法。甲醛濃數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)與單片機(jī)讀取的數(shù)據(jù)格式完全一致，安卓程序中，套用單片機(jī)C代碼中的公式即可得到實(shí)際數(shù)據(jù)。

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