家用汽车内饰VOC检测系统设计开题报告

 2020-02-20 09:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

voc全称为(volatile organic compounds),中文解释为挥发性有机物。世界卫生组织将voc定义为沸点在50-260℃之间的挥发性有机物,主要包括甲醛、乙醛、丙烯醛、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯等。

随着社会经济的快速发展,汽车已经成为人们生活的重要组成部分。据统计,现代人每天在车内所侍的平均时间是1.5小时,比在户外的时间还长,因此汽车内空气质量已经是除了室内空气外直接关系到人们身体健康的第二大因素。影响车内空气质量的因素主要有两个方面,一是汽车本身内饰物中有害气体的释放,另一方面是车主选择的汽车装饰物释放的有害气体,但两个方面归根结底都是汽车内部装饰件中有害气体的挥发。

车内voc主要来源于车内皮革、泡沫、塑料等内饰件以及一系列附着剂和涂料。塑料件在生产加工过程中需要添加脱模剂、增韧剂等众多助剂与填料,而这些物质由于后期处理不够完全以及在长期使用中会向车内件表面移动或者在高温下挥发释放到空气中,对人体产生影响。泡沫在车内件中受到极为广泛的应用,例如座垫、遮阳板、头枕等,聚氨酯发泡体是异氰酸酯与聚醚多元醇经过化学反应后的产物,其中含大量的芳香烃和醛酮类有机物,在各种反应中,都会在泡沫内留下 voc。在汽车内饰中,皮革类材料是不可缺少的,主要应用于汽车座椅,方向盘表面。在鞣制皮革工艺中,往往需要加入一些加工助剂,必然会产生大量的甲醛、酮类物质。voc对人体影响有许多,一方面是在味觉上对人体产生强烈刺激。一般情况下,车内voc挥发气体含有许多强烈刺激性气味,对人体直接产生不适应感及眩晕感,并感觉到鼻腔呼吸道干燥。另一方面,其含有各种有毒化学成分也会导致人体粘膜受到刺激以及一些毒物产生的系统性毒理病变,直接刺激人体皮肤、眼、鼻、呼吸道粘膜,经过人体血液循环系统进入人体中枢神经系统中进行病理性破坏,造成人体病变,引发一系列身体疾病。还有就是对人体基因造成不可逆转的损害,甚至导致人体器官癌变。

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2. 研究的基本内容与方案

本次设计要求分析汽车内饰VOC组分及其检测方法,设计一个便携式检测系统,能对汽车驾乘空间内VOC进行检测、记录并输出。

系统设计框图如下:




首先需要确定的是本次设计要选用的VOC检测方法及检测器件。前文介绍过,VOC 气体种类众多,而且还有一个特点,就是每种组成成分都没有多少,检测起来及其困难,一般的检测装置都对这种浓度的气体没有反应。当前状态下,对于环境内空气污染物进行检测的方法有很多种,例如电化学、色谱、质谱、红外吸收、光谱吸收等方法,其中大部分的方法都可以用在检测 VOC 气体上,每种方法都有其优劣,下面就介绍一下其中几种方法的原理、研究进展及其优缺点。

(1)化学分析法

又被叫做经典分析法,顾名思义该方法是以化学实验为基础,通过化学实验将相关的被测物进行化学处理,观察反应之后的产物,计算结果,根据化学反应式,反推被测的物质的含量及浓度。这种方法的优点是便利性好,速度快,准确程度好。但是由于其本身的局限性,并不能在便携式仪器的连续性检测中发挥作用,所以在本系统的设计中不考虑这种方法。

(2)傅立叶红外光谱法

傅里叶红外光谱法是以傅里叶红外光谱仪为检测基础的一个方法,该方法分为开放式和封闭式两种。基础的原理是光的干涉原理,将气体的干涉图经过傅里叶变换,这样能得到红外光谱图,在光谱图中提取气体成分的信息,与用于参照的标准光谱进行对比,得到气体的浓度信息。

该方法能够检测多种气体,但是其缺点是灵敏度不高,成本高,抗干扰能力差,占地面积大,对于本系统的设计来说,也是不合适的。

(3)光电离检测法

光电离检测法,说白了,就是用光去电离被测的气体组分,然后测量电离之后的产物。光电离检测法中的光,采用的是具有一定能级的紫外灯,将被测气体通过相应的渠道输入到电离室内,在光源的照射下,产生电离分解,分解后产生分别带有正电和带有的负电的物质,也就是离子和电子,这两种物质在电离室极板之间电场的作用下,分别向两极运动,产生电流,通过对电流的测算和标定,反应出被测 VOC 的浓度。

光离子气体传感器占地面积小,分辨能力强,检测速度极快,功耗低等重要优点,无中毒危害,但是价格比较昂贵,所以在本次设计中,考虑到经济性,也是不合适的。

(4)电化学法

电化学法是通过VOC气体与氧气在工作电极和对电极上发生相应的氧化还原反应并释放电荷形成电流,产生的电流大小与气体浓度成正比并遵循法拉第定律,通过测试电流的大小即可判定气体浓度的高低。

本次设计选择用两个传感器,分别测量TVOC含量和甲醛含量,TVOC为总挥发性有机物,可以对总体VOC含量进行把握;甲醛在VOC气体中较为常见,对人体的损伤也比较大,并且可以对照国标;而且两种传感器的差模数据可以估计苯类气体的大致含量。而其他种类VOC气体在国标中的含量较低,专项传感器种类较少,且精度达不到国标要求,例如国内做的较为成熟的用于检测苯的传感器,分辨率仅能达到0.1ppm(0.32mg/m3),而国标的要求为苯的含量≤0.034ppm(0.11mg/m3)。另一方面,因为同系VOC气体化学结构相似,性质类似,在电化学法的氧化还原反应中,会出现交叉干扰。例如:浓度为50ppm的甲苯,通过上述苯传感器,测量结果为浓度为80ppm的苯;浓度为50ppm的二甲苯,通过上述苯传感器,测量结果为浓度为105ppm的苯。

现阶段市场上比较成熟、使用广泛且价格合适的传感器是用于检测TVOC的MS1100半导体传感器,和用于检测甲醛(HCOH)的原电池型电化学传感器。其分辨率、气体敏感度以及抗干扰能力在同等条件下均较优良,故本次设计采用上述两种传感器。

A/D转换模块比较常用的有ADC0832(8位)和AD7705(16位),由于本次设计的最终结果要与GB/T 27630-2011标准进行对比,要达到尽量高的分辨率,所以本次设计采用16位A/D转换模块AD7705。

微处理器方面,本设计最终选择的单片机是STM32系列的单片机,下面简单介绍一下。

STM32系列单片机是一款在当前时代下应用十分广泛的单片机,由全球十大最强的半导体公司之一的意法半导体公司生产,于2007年首度问世,一经推出就受到了全世界的单片机爱好者的好评,基于ARM系列的Cortex-M3内核,性能十分优异,功耗也很低,综合性价比和使用便利程度可以完爆那些在它问世之前经常使用的,像是51,STC等基础的单片机。按内核架构分为不同产品,有F101,F102,F103,F407等系列的产品,其中本设计使用的F103系列是属于“增强型”,增强型系列时钟频率达到72MHz,在同一类的单片机中性能是数一数二的;另外STM32基本型的性能也是及其强悍,采用36MHz的频率,虽然是32位的单片机,但是价格却和普通的16位单片机相当,以同样的价钱获得不止两倍的收获,这样的产品当然会受到广大32位单片机用户的喜爱和青睐。基础性和增强型内部都有不同大小的闪存容量,这个容量是根据单片机的型号“F103”这几个字母之后的字母而判断的,比如“C”,“R”,“V”还有“Z”等这些字母,每个字母都表示不同的闪存大小。

STM32 系列耗电量极地,可以说是32 位产品系列中用电量最小的产品。当时钟最高的时候,去执行程序,通过计算得到的功耗仅仅是0.5毫安每兆赫兹。

显示模块计划采用TFT式触摸显示屏。TFT是指液晶显示器上的每一液晶像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。因为本次设计的产品使用条件在室外,而TFT触摸屏相比于LCD液晶屏更适合适用于室外有可能出现的强光照条件。

数据存储计划采用SD卡存储,满足设计需求。SD卡(Secure Digital Memory Card)即:安全数码卡,它是在MMC的基础上发展而来,是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备,它被广泛地于便携式装置上使用,例如数码相机、个人数码助理(PDA)和多媒体播放器等。SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。

STM32系列单片机含有SDIO(Secure Digital Input and Output)接口,中文名称为安全数字输入输出接口,在SD卡接口的基础上发展而来,兼容SD卡,并可以连接SDIO设备。STM32的SDIO接口提供 APB2 外设总线与多媒体卡 (MMC)、SD 卡、SDIO 卡以及 CE-ATA 设备之间的接口。

3. 研究计划与安排

2019.2.18——2019.3.10

明确设计任务,查阅不少于15篇文献,其中外文文献不少于3篇,撰写开题报告(3周);

2019.3.11——2019.3.17

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]gb/t 27630-2011, 乘用车内空气质量评价指南[s].

[2]sangjun park, inug yoon, sungwoo lee, hyojung kim, ji-won seo, yoonyoung chung, alexander unger, mario kupnik, hyunjoo j. lee,

cmut-based resonant gas sensor array for voc detection with low operating voltage[j],sensors and actuators b: chemical,volume 273,2018,pages 1556-1563,issn 0925-4005.

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