应用物理学专业甲醛监测器设计与仿真Word文件下载.docx
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AT89C51microcontrollerasthecore
design
offormaldehyde
detector.
Thecurrentsignal
input
circuit
afterformaldehydesensor
signalamplification
byA/D
conversioncircuit,throughthesignalprocessing
circuit,
andfinallydisplaythe
concentrationofformaldehyde,
accordingtotheconcentrationof
size
comparedwiththeset
concentration
exceedsthepresetvalue,
thealarmwillbeafter.
Analogcircuit
simulation,
formaldehydesensor
ismoredifficult,
theformaldehyde
sensorwill
bereplacedby
aslidingrheostat,
slidingrheostat
change
resistor,
changetheinput
currentvalue,
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circuitswitching.
Thestructureof
formaldehyde
monitordesign
inthispaper
issimple,practical
andeasytocarry,
suitablefor
monitoring
indailylife,
theproductionofawiderangeof
products
willhave
goodeconomicbenefits.
KeyWords:
Formaldehyde
monitor、SCM、Conversioncircuit、Sensor
第一章绪论1
1.1甲醛特性及危害1
1.2甲醛来源1
1.3主要监测方法1
第二章概述2
2.1单片机概况2
2.2甲醛监测器简述2
2.3设计方法2
第三章设计方案论证3
3.1单片机芯片的选择3
3.2显示模块选择3
3.3输入模块的选择3
第四章元器件特性4
4.1AT89C515
4.2ADC08085
4.3四位8段数码管7
4.4传感器8
第五章硬件设计9
5.1电路设计框图9
5.2时钟电路10
5.3复位电路11
5.4控制电路11
5.5显示模块电路12
5.6主电路设计12
第六章软件设计13
6.1设计规划13
6.2主模块15
第七章仿真与测试16
第八章总结16
附录17
致谢19
第一章绪论
1.1甲醛特性及危害
甲醛，属于醛类中的无色物质，状态是固液气三态中的气态，当人体的眼鼻耳等感官器官接触时有刺激作用。
甲醛有易溶于水，醇类和醚类化学物质等特性。
因为该溶液的沸点为19.5℃，导致其在常温下极其不稳定的性质，所以当温度的升高后，甲醛的挥发速度也会提高。
其在我国有毒化学品中排名仅次与排名第一的强致癌物二恶英。
吸收甲醛后人体中皮肤的不适现象主要由于其的刺激作用,当室内的甲醛达到一定浓度时，人会产生不适应不舒服的感觉。
空气中的甲醛浓度过高会引起突发性中毒。
当人体吸入甲醛浓度高于60mg/m3且低于120mg/m3的量，会导致身体的严重损害，如引起肺部疾病如肺部发炎等病状；
当人体吸入甲醛浓度高于12mg/m3且低于24mg/m3的量，会引发呼吸道内的病症，如鼻腔损伤、咽黏膜严重灼伤、咳嗽等症状；
当人经口10～20mL，会致死。
新装修的房间空气中甲醛含量较高，是导致许多病病发的主要原因。
1.2甲醛的来源
1.来自于空气中：
油漆、壁纸等含有甲醛成分并有可能向外界散发的装饰材料，室内装修所用合成板材，板材间所含胶合剂含大量甲醛，装修后材料中残留的甲醛会向空气释放。
2.来自于衣物中：
有许多类型的衣物中也含有甲醛，比如牛仔裤，和免烫防皱的衣物中会使用一种含有甲醛成分的化学物质乙二醛树脂定型。
此类化学物质的添加会刺激皮肤，会引起皮肤敏感等症状。
3.来自于食物中：
为了加长食物的防腐时间，一些食物中会添加甲醛，或者为食物的漂白、蛋白质的凝固，也会加入一些甲醛。
1.3甲醛的主要监测方法
判断是否存在甲醛，有以下监测方法：
（1）AHMT分光光度法
（2）酚试剂分光光度法
（3）气相色谱法
（4）乙酰丙酮
分光光度法
（5）电化学传感器法
（6）甲醛自测盒监测法
其中第6种方法，操作简单并且成本低，可以用于家庭监测甲醛，可以快速、简便、监测室内等特定空间内的空气中甲醛浓度。
第二章概述
2.1单片机概况
单片机的全称为单片微型计算机，也称为微控制器，英文缩写为MCU，它是把组成微型计算机的各部件：
中央处理器、输入输出接口电路、存储器、定时器、计数器等，设计制作在一块集成电路芯片中，构成了一个完整的微型计算机。
单片机主要分为4位单片机和8位单片机，设计使用中8位单片机使用的范围比较广，本设计中选用的是8位单片机。
单片机的功能不仅仅只是完成单一的逻辑功能，相反的，单片机以芯片的形式集成了一个计算机系统。
单片机的结构设计是按照工业控制要求而成。
单片机的结构中主要是由控制器控制，此外还有具有存储功能的储存器还有运算系统的运算器、具有传输功能的输入输出设备。
由于单片机具备超小型化，高性能，大容量，可靠性高，价格低廉等特点，所以单片机广泛应用于工业，此外，生活中常用到的家用电器、打印机、手机、平板电脑等电子器件都含有单片机。
2.2甲醛监测器简述
甲醛监测器的主要功能即是监测甲醛浓度大小。
主要用于室内空气中的甲醛监测。
所以具备了结构简洁、体积小、方便携带等特点。
在甲醛监测中，大多是采用一些化学方法，存在着费时高成本等弊端，无法采用携带式方法到现场及时监测。
本设计中的甲醛监测器，采用常用的单片机AT89S52结合甲醛传感器以及其他转换电路设计。
实物中的甲醛传感器通过甲醛氧化性质，将甲醛在电极氧化后，根据电极电流与甲醛浓度正比的关系，通过放大电路转换后传送至单片机中，来判定现场环境下空气中的甲醛浓度。
在模拟电路中，为了简化甲醛传感器部分，设计中浓度的变化是通过滑动变阻器的滑动过程中电阻的变化体现。
电路中滑动变阻器的滑动引起的电阻大小变化，引起电路中变化，和显示数字变化以及警报，是模拟甲醛传感器传输的甲醛浓度变化。
2.3.设计要求
1.可以实现在室内监测甲醛，可以实时进行室内甲醛浓度测量并加以显示；
2.电路中甲醛浓度的变化可以通过电路显示出；
3.将接收的甲醛从模拟信号转换为电路信号，及时反馈到系统中。
4.可以实现超限报警的功能，当超出了设定的安全浓度后，监测器将会自动报警；
第三章设计方案论证
3.1单片机芯片的选择
设计中以单片机为核心，AT89C51是学习单片机中较为常用的COMS8位微处理器，容易操作，是一种灵活性高、价廉的单片机芯片。
AT89C51单片机内含4k字节FLASH存储器，可以储存4K字节的程序，并且可以多次反复擦除。
AT89S52与AT89C51相比，本质上没有区别，区别点就在于，两个单片机的RAM和ROM不一样，AT89C51单片机的RAM有128Byte,ROM4KB,AT89S52的RAM有256Byte,ROM8KB,单片机执行的指令也是完全一样的。
实际上来说，AT89S52的性能优势更加明显一些，但是从设计上简单原则来说，AT89C51代替AT89S52进行模拟电路更有实际操作性。
甲醛监测器实物中单片机芯片大多采用的是AT89S52，模拟电路中单片机芯片由AT89C52代替。
3.2显示模块选择
显示模块方面，本设计选用的是四位八段数码管。
八段数码管区别于七段数码管在于八段数码管比七段多一个小数点位。
选用四位八段数码管，当测量的甲醛浓度较小时，可以准确地显示小数点后2-3位的值，当测量的甲醛浓度较大时候，可以显示1-4位数值，四位八段数码管价格实惠，使用操作简单。
此外，在本设计中甲醛监测器的模拟中，甲醛浓度的变化的模拟体现是通过滑动变阻器电阻的变化而引起电路的变化，四位八段数码管是发亮的原理是不同管脚输入相对的电流而引起发亮，因此四位八段数码管作为显示模块，会更加明显清晰，数值的变化将体现更加明显。
3.3输入模块的选择
输入模块中，模拟实物中的甲醛传感器电路中将用ADC0808与滑动变阻器进行体现。
实物中的甲醛传感器由甲醛探头和CH20传感器组成，进行整个工作中的甲醛输入工作。
当空气中的甲醛输入后，会产生与甲醛浓度成正比的电压信号，将模拟信号转化成电信号，会通过ADC0808单片机在显示模块中显示。
模拟电路中，电信号是通过滑动变阻器的滑动，产生的电流信号显现。
当滑动变阻器滑动到一个点，产生的电流信号通过ADC0808单片机，反应到显示模块中，显示出对应的值。
第四章元器件特性
4.1AT89C51
本设计的实物中主要单片机是使用AT89C51，因为AT89C51与AT89S52功能相似，AT89C51在模拟电路中较为常用，所以模拟电路里用AT89C51代替。
本单元介绍AT89C51的主要特性。
AT89C51是ATMEL生产的一款使用性较强的单片机。
此款单片机具备了低功耗、高性能的特点，可以擦除只读存储器反复擦除1000次。
AT89C51单片机带有4K字节FLASH存储器，是一种八位微处理器。
此外AT89C51还具备与MCS-51产品指令和引脚完全兼容、可编程串行UART通道、低功耗的空闲和掉电模式特点。
时钟频率为0Hz—24MHz，内部含有三级加密存储器、3个16位定时/计数器、256字节内部RAM、片内振荡器和时钟32个可编程I/O口线、6个中断源。
4.1AT89C51引脚图
Fig.4.1AT89C51Pindiagram
AT98C51管脚说明：
VCC:
正电源脚，正常工作时接+5V。
VSS:
电源地端，即接地脚。
XTAL1:
片内振动电路输入端口。
XTAL2：
片内振动电路输出端口。
PORT1（P1.0~P1.7）:
输入/输出脚，有提升电路功能的作用。
（若使端口2为输入端使用，则需将端口2设置为高电平的输出电平，反之，为输出端。
）
P1.1引脚具有T2EX的功能，可以作为外部中断输入时的触发脚点。
PORT2（P2.0-P2.7）:
（类似于PORT1中输入输出口的与高低电平的关系）
PORT3（P3.0~P3.7）:
（类似于PORT1、2中输入输出口的与高低电平的关系）
同时还具备其他PORT1、2不具备的功能，有串行通信、计时计数控制、外部中断控制、对于数据存储器内容的读取或写入控制等功能。
引脚分配：
P3.0:
RXD,串行通信输入。
P3.1：
TXD,串行通信输出。
P3.2:
INT0,外部中断0输入。
P3.3：
INT1，外部中断1输入。
P3.4：
T0，计时计数器0输入。
P3.5：
T1,计时计数器1输入。
P3.6：
WR：
外部数据存储器的写入。
P3.7：
RD，外部数据存储器的读取。
RST:
复位引脚。
当电路开始运行时，在RST引脚出现24个时钟周期以上的高电平时间，这时系统就处于复位状态。
当RST由原有的高电平下降到低电平后，系统就会从000H地址开始运行程序。
ALE/PROG:
若电路系统访问外部存储器时，锁存地址的地址字节是由系统中地址锁存所允许的输出电平来取决的。
PSEN:
此输出端是作为外部程序存储器的通信号，当外部程序存储器从AT89C51单片机中读取数据时，将会输出两个脉冲，若此时访问外部的数据存储器，将跳过两次数据信号。
/EA/VPP（地址锁存选通信号）:
1.当外部程序允许访问时，ALE端须保持低电平状态，锁存于低8位地址。
2.当内部程序允许访问时，ALE端会产生一个1/6时钟频率的正脉冲信号，可以用于识别单片机工作与否，也可以作为一个输出口输出。
4.2ADC0808
ADC0808是美国AD公司生产8位分辨率的具有A/D转换功能的器件。
ADC0808的内部有8通道的多路开关，可以根据地址码锁存之后产生的信号，选择通道输入信号中的一个进行A/D转换。
ADC0808和ADC0809相比，其在精度上略有差异，ADC0808的精度位数为8位，ADC0809的精度位数为7位，其他功能是基本相同的。
ADC0808和ADC0809都是CMOSQ器件。
引脚功能如下：
IN0-IN7：
输入端。
OUT1-UT8：
输出端。
ALE：
当电路中输入高电平时，该地址锁存允许信号有效。
START：
当电路中A/D转换启动时，输入一个正脉冲信号有效，正脉冲至少为100ns宽）
EOC：
当电路结束转换信号时，此时输入高电平有效。
在A/D转换期间为低电平，其余时间反之。
OE：
输出量允许信号口，当电路中输入高电平时接收后此引脚有效。
当微处理器送出信号时，只有将此端输入一个高电平，才能打开ADC0808输出三态门，输出对应的数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
规定时钟频率不得高于640KHZ。
VREF（+）和VREF（-）：
参考电压的输入端
Vcc：
主电源的输入端。
GND：
接地端。
ADDA、ADDB、ADDC：
4.3四位八段数码管
数码管由LED数码馆组成所以称为LED数码管，分为七段数码管和八段数码管。
数码管七段与八段区别在于相差一个发光二极管，简单来说，两者的区别就是显示的数字右下脚是否有小数点。
（如图所示八段数码管）本设计选用的是八段数码管，可以更精确的表示数码管想要显示的内容，可以显示四位数，所以位四位八段数码管。
图4.3.1四位八段数码管图
Fig.4.3.1Four
toeightdigitaltube
map
数码管分为共阴极和共阳极两种类型，简单来说，共阴极就是将8个LED的阴极连解在一起，让其接地，给8个LED中的任何一个LED的另一端接高电平，它便能点亮。
而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起，让其接+5V的电源，给8个LED中的任何一个LED的另一端接低电平，它便能点亮。
其原理图如下。
图4.3.2引脚原理图
Fig.4.3.1Pindiagram
其中引脚图的两个COM端是公共端连在一起，共阴级数码管端要接地，共阳级数码管接+五伏电源。
如图4.3.2所示，从段选线送入字符编码（1，0），而选中哪个位选线，那个数码管便会被点亮。
数码管的8段，分别代表一个字节的8位，最低位是a位，最高位是dp位，其他位依次排列。
在接入实际电路时，LED应串联一个限流电阻，可以使电路有合适的亮度并保证电路运行的安全。
4.4传感器
模拟实物中的甲醛传感器电路中将用ADC0808与滑动变阻器进行体现。
当空气中的甲醛输入后，会产生与甲醛浓度成正比的电压信号，将模拟信号转化成电信号，会通过ADC0808单片机在显示模块中显示当超过系统设定的值会报警。
表4.4传感器参数表
Table4.4
sensor
parametertable
第五章硬件设计
5.1电路设计框图
如图4.1所示基于AT89C51单片机的甲醛监测器由五个模块组成，主要是由控制模块、显示模块为主，并且连接了时钟电路（也称为晶振电路）、复位电路以及外围扩充电路。
图5.1电路框图
Figure5.1
circuitdiagram
5.2时钟电路
单片机中的时钟电路主要用于配合外部晶体实现振荡电路。
为单片机的运行提供运行时钟，当运行时钟为0时，单片机就不工作，若超出单片机工作时钟的频率也会导致单片机不工作。
时钟电路除了晶体振荡器为系统的基础，此外还有有晶震控制芯片和电容一并组成。
时钟产生除了常用的内部时钟还有另一个时钟电路即为外部时钟。
本系统采用的是内部时钟方式。
内部时钟方式与外部时钟方式不同之处在于在内部时钟会单片机的外部接一个晶振电路，接的晶振电路会产生信号并且与单片机内部的振荡器产生的信号组合作用产生时钟脉冲信号。
外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内，有利于系统中的各个单片机的同步运行，一般情况下，要求外部输入的信号高电平的持续时间应大于20ns，并且频率应为低于12MHz的方波。
当一个系统选用外部时钟时，外部时钟要仅由XTAL1端引入，XTAL2端应悬空。
图5.2时钟电路
Figure5.2
clockcircuit
对外接电容的值的大小设定并没有具体严格的要求，但是该电路系统中电容值设定的大小会影响内部石英晶体振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。
时钟电路内部有一个震荡电路，需要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚上外接晶振，就会构成自激振荡器并且在单片机内部产生时钟脉冲信号。
晶振的振荡器的频率范围设定一般为1.2
MHz-12
MHz左右，晶振的频率越高，那么系统时钟频率也会越高，使得单片机的运行速度更快。
本设计中，电路中的电容C1和电容C2取值各为30pF，此设定有利于电容稳定频率和快速起振。
5.3复位电路
复位电路是存在于大多数的电路中，例如生活中广泛使用的电子产品，复位键与电脑的重启健相似。
按下复位健后，可以使正在运行的程序重新运行。
当程序运行过程中出现问题，运行复位健，可以将程序重新处于初始状态。
单片机的工作开始的时候，必须处于一种确定的状态，所以复位电路是必不可少的。
图5.3复位电路
Figure5.3
resetcircuit
AT89C51的RST引脚输入两个机器周期的高电平，单片机的内部就开始执行复位操作，若一直保持高电平，复位操作就会一直进行。
复位电路如图5.3所示。
5.4控制电路
控制电路部分是由ADC0808与滑动变阻器组成。
此块电路模拟实物中传感器达到的效果。
传感器由电路中的滑动变阻器代替其效果。
控制电路图如图5.4所示。
图5.4控制电路图
Figure5.4
diagramof
controlcircuit
5.5显示模块电路
显示模块是选用四位八段数码管和AT89C51连接所成。
如图5.5所示。
图5.5.1显示模块电路
Figure5.5.1
displaymodulecircuit
图5.5.2上拉电阻
Figure5.5.2
pull-upresistor
由图5.5.1可知，在显示模块电路中添加了上拉电阻。
主要原因是AT89C51内部电路中并没有设置上拉电阻，所以连接了使外接口有确定值的高电平的上拉电阻，上拉电阻与AT89C51的P0口连接，有助于保证P0口有一个稳定的电平。
5.6外围扩充电路
本设计中采用的AT89C51单片机具有8KB的ROM，256B的RAM，考虑到系统所处理的数据容量可能会超出AT89C51所能存储的容量，所以需要扩充电路中存储器的容量。
所以我做了以下处理，电路如图5.6所示。
图5.6外围扩充电路
Figure5.6
peripheral
expansion
circuit
5.7主电路设计
设计中的电路图如图所示。
图5.7主电路设计
Figure5.7
Themaincircuitdesign
第六章软件设计
6.1设计规划
单片机中编程语言一般会使用较多的为机器语言中的C语言和汇编语言。
汇编语言生成机器代码效率高，并且可控性强。
软件设计中整体思路是将功能模块化，根据各个模块功能，编写各个子程序。
汇编程序接近机器语言，复杂度不高，不易排错。
图6.1主程序流程图
Figure
6.1
flowchartof
themainprogram
6.2主模块
在整体软件设计中，设定了范围值，当显示的浓度值小于74时，浓度范围为安全值，电路不会发生警报也没有警示，当值大于74但小于150时，会警示但不会有警报，当值大于150，电路会发生警报。
图6.2监测程序流程
Figure6.2
procedures
第七章仿真与调试
本设计用keiluvision3编程，用proteus7进行仿真与测试。
7.1keiluvision3
keiluvision3可以进行编辑、编译、连接、调试、仿真等，可以直接用keiluvision3编辑程序，然后生成目标文件。
通过keil可以把目标文件转化为绝对目标文件，再转换成标准的Hex文件。
Hex文件可以用来进行仿真调试，也可以直接写入EPROM中。
操作步骤：
1.打开keiluvision3软件，创建一个Project,其文件
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