装修环境有毒气体检测仪设计Word文件下载.docx
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Abstruct
Asweallknow,Thereareformaldehyde,ammonia,benzeneandothertoxicgasesinthehouseaftertherenovation.Formaldehydehasagreaterharmtohumanhealth,inducedbymanydiseasesareassociatedwithformaldehyde;
Ammoniaisinhaledintothelungscandestroythefunctionofoxygen;
Duetothehighvolatilityofbenzeneexposureintheairisveryeasytospread,ithasgreatharmtopeople[14].Fordecorationmaterialsemittoxicgasessuchasformaldehyde,ammonia,benzeneconcentrationsweredetected,thedesignofthereal-timedetectionoftheconcentrationofthesetoxicgasdetectioninstrument,cantopeoplesafeandcomfortablelifeprovideareferencestandard.ThedesignisbasedonSTC12C5A60S2microcontroller8051asthecontrolcore,formaldehyde,ammonia,benzeneandothersensorassignalsource,throughthesignalprocessingcircuittoachievewasdetectedinallthetoxicgasconcentrationexceedsasetvaluewhenthebuzzeroutanalarmtoremindpeopletorespond.ThisdesignconsistsofMCU,powermodule,keyboardmodule,alarmmodule,liquidcrystaldisplaymodule,formaldehyde,ammonia,benzeneandothersensorcircuitmodulestoformtheindoordecorationtoxicgasdetectorsystem.
Keywords:
toxicgas；
detection；
MCU；
sensor
目次
1绪论
1.1研究的背景
如今自动化、信息化程度越来越高，很多自动控制系统为我们的生活提供了很大便利，以单片机为核心的自动系统就是其中之一，单片机的应用在我们生活的各个方面，可谓应用相当广泛。
我们的生活理念已由“数量型”向“质量型”转变为以“安全、健康、舒适”生活的核心理念。
装修已经深入到我们的生活当中，同时装修材料也是五花八门，但是装修使用材料中散发出的甲醛、氨气、苯等有毒气体给我们的生活带来了极大的威胁。
甲醛为含量较高的有毒物质，长期在有甲醛环境中能导致人们患上慢性的呼吸道疾病、白血病等；
人们长期处于氨气的环境中会导致人们咳嗽、胸闷等；
苯在空气中易挥发，人们长期处于有苯的环境中会引起苯中毒，甚至导致死亡。
1.2甲醛等有毒气体检测的发展状况
近些年，随着电力电子、计算机技术、微控制器、传感器技术的迅速发展，检测装修环境有毒气体的仪器越来越精密化、多功能化和微型化。
由于各种芯片的广泛使用且价格不高，小型的检测仪器受到人们的欢迎。
从1980年左右，检测有毒气体的仪器出现在人们视野中，从实验室研究型仪器发展到工业或便携式的民用仪器。
随着化学信息处理技术的发展，检测有毒气体的手段也有更多的选择。
由于甲醛等有毒气体的化学性质活泼，所以，有多种定量的方法分析，测定室内甲醛等有毒气体浓度的方法主要包括化学法和仪器法两种[9]。
这几年研发的检测有毒气体的产品主要有美国ESC公司Z-XP系列的泵吸式气体检测仪、Z/ZDL系列的手持式有毒气体检测仪，可测量甲醛、氨气和氯化氢等参数，检测的分辨率可达到0.01ppm。
而国内研发的检测有毒气体的仪器和国外相比还有不小的差距，郑州炜盛公司研制的有毒气体检测仪器精度较高，抗干扰能力强，得到了一定的推广。
未来几年，它们将要向智能化、微型化等方向发展，为人们提供安全的气体环境有着很大的意义。
1.3本设计的主要目的和总体要求
1.3.1本设计的主要目的
根据国家关于装修环境空气质量的标准要求，采用甲醛、苯等传感器和单片机，再加上相关外围器件，对装修环境的甲醛含量、苯含量等有毒气体参量进行实时监测，并在越限时发出声光报警信号，以提示装修或居住人员及时采取措施改善空气质量，达到保证人身健康的目的。
1.3.2本设计的总体要求
采用单片机和甲醛、氨气、苯等传感器，再加上相关外围元器件，构造一个装修环境有毒气体检测仪硬件电路，并设计相应的软件程序，使之具有下列功能：
（1）装修环境有害气体参数检测，正确选取相应传感器对严重影响人体健康甚至致癌的装修环境空气质量中的甲醛含量、苯含量等参数进行实时检测。
（2）将传感器输出的模拟信号做滤波、A/D转换等处理。
（3）显示与报警：
对转换处理后的各种参数结果采用数码或液晶显示，如果参数越限则发出声光报警信号。
（4）测量精度高，偏于携带，操作简单。
2室内有毒气体检测仪总体设计方案
2.1系统完成的技术指标
根据国家对室内装修空气质量要求，主要有毒气体指标如表2.1所示。
表2.1室内的空气质量要求
序号
名称
单位
标准值
1
甲醛CH2O
mg/m3
0.10
2
氨气NH3
0.11
3
苯C6H6
0.20
2.2系统的总体方案设计
本设计研究的室内装修有毒气体检测仪，系统硬件由电源、电化学型甲醛传感器、电化学型苯传感器、电化学型氨气传感器、各个传感器的信号处理电路、显示模块、单片机和报警电路等组成。
各个部分使用模块化设计，使得气体的测量可靠性更高且便于维护与调试。
单片机的选择：
单片机选择STC系列的，由于电路需要用到A/D转化部分，所以不选择STC89C52单片机，而选择STC12C5A60S2单片机，因为后者自带A/D转换器，可以简化一部分电路。
显示器的选择：
显示部分主要有数码管显示和液晶屏显示，在本设计中，由于需要显示多行且字符多样，数码管显示不适合，故选择显示更为灵活的液晶屏。
信号调理电路：
通过传感器对不同有毒气体的检测，根据系统对测量信号的精度、分辨率等要求，来设计调理电路，对信号进行滤波整形，最后通过A/D转换得到单片机可以识别的数字信号。
报警电路：
单片机得到传感器测得的信号后，经过处理得到有毒气体的实际值，并与设定值比较，如果超限则进行报警。
报警器选择比较常用的蜂鸣器，并用二极管组成声光报警器。
系统的总结构框图如图2.1所示。
图2.1系统总结构框图
从图2.1中可以看出，室内装修有毒气体检测仪使用不同类型的传感器进行检测，它们输出的模拟信号很微弱，所以将其进行放大、滤波处理再送入单片机内的A/D部分转变成数字信号，再经过单片机将测得的有毒气体的实际浓度值送入液晶显示器显示出来，如果超出设定的有毒气体的浓度值，则报警模块进行报警，提醒人们进行适当的防治措施。
2.3电化学气体传感器的选型
2.3.1甲醛传感器的选型
检测甲醛的方法有很多种，化学方法操作相对繁琐且耗时长，电化学传感器适合现场实时检测，所以国内普遍采用电化学传感器法[11]。
本设计的甲醛传感器及其他的气体传感器均选择电化学型传感器。
本设计选用的甲醛传感器为电化学型传感器，该传感器由郑州炜盛公司生产，型号为ME2-CH2O，有功耗低、精度高、灵敏度高等特点。
工作原理是甲醛和氧气在电极上发生相应的氧化还原反应，随之放出电荷产生很小的电流，测量产生的电流就可以确定甲醛的浓度情况，这种传感器广泛的适合民用和环保中的甲醛检测。
其实物图如图2.2所示。
图2.2甲醛传感器实物图
ME2-CH2O型传感器，以0.45±
0.15uA/ppm电流输出，分辨率小于0.02ppm，在空气中使用寿命可达2年，其体积小，偏于携带，测量范围为0-5ppm，可在-20-50℃中工作。
2.3.2氨气传感器的选型
本设计选择的氨气传感器和上述选用的甲醛传感器都为电化学型传感器，而且工作原理也相同，故不再赘述。
其实物图如图2.3所示。
图2.3氨气传感器实物图
传感器的型号为ME4-NH3，以0.12±
0.03uA/ppm电流输出，分辨率小于0.1ppm，在空气中使用寿命可达2年，其体积小，偏于携带，测量范围为0-50ppm，可在-20-50℃中工作。
2.3.3苯传感器的选型
本设计选择的苯传感器同样和上述选用的甲醛传感器一样，不再赘述，其实物图如图2.4所示。
图2.4苯传感器实物图
选用传感器的型号为ME4-C6H6，以0.3±
0.1nA/ppm电流输出，分辨率小于0.1ppm，在空气中使用寿命可达2年，其体积小，偏于携带，测量范围为0~100ppm，可在-20-50℃中工作。
3硬件电路设计
3.1单片机电路设计
STC12C5A60S2是新一代8051单片机，不仅指令代码完全兼容传统8051，而且运行速度是其8-12倍。
这种单片机在P1口自带有8路10位的A/D转换器，该A/D转换器是逐次比较型，即从最高位到最低位，对每一位输入电压与标准电压比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值，逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点[10]。
在整个检测仪设计中，控制器的核心是单片机系统，在这个系统中，P1.0和P1.1为氨气和苯检测的前置放大后电信号的输入引脚，P1.3-P1.5为三个独立按键，用来进行检测的参数设置，P1.6和P1.7是指示灯，表示参数正常和参数超限。
P3.0为甲醛检测的连接管脚；
P0.0-P0.7为液晶显示1602的数据传送引脚；
P2.0为超限后蜂鸣器报警的连接引脚，P2.7为液晶屏的使能端连接引脚；
P2.6为液晶屏的数据/命令连接引脚；
P2.5为液晶屏的读写信号引脚。
系统中有按键复位电路和时钟电路，复位电路是通过RESET引脚与电源VCC接通而实现的。
在时钟电路中，单片机的X1和X2引脚外接一个晶振，加上内部的反相放大器就构成了能产生时钟脉冲信号的自己振荡器[5]。
电容C2和C3的作用是稳定频率和快速起振，电容值的典型值为30pF,最小系统原理图如图3.1所示。
图3.1最小系统原理图
3.2电源模块设计
电源模块由220V交流电经变压器降为9V，然后经过整流桥变为直流电，再经过7805稳压芯片将电压稳定在+5V，为各个部分供电。
为了给各个电化学传感器供电，需要用MCP1700芯片将+5V转换为+3V，因为还要用到-3V，MAX660芯片可以得到反压，所以用到MAX660芯片，进而得到了±
3V的电压，电源模块如图3.2所示。
图3.2电源模块原理图
3.3液晶显示模块设计
为了显示采集到信号的实时信息，可安装显示模块如数码管（LED）或液晶屏（LCD）。
数码管只能显示一些数字信息，很难从这些数字中完全了解传感器的信息，而液晶屏是一种常用的人机界面，其在单片机的显示系统中应用极为广泛。
显示部分采用液晶屏显示，常用的有12864和1602。
12864液晶屏能显示多行，考虑到本设计为功能性设计，所以为节省经费，制作实物时选择检测一种有毒气体，液晶屏选择只能显示两行、显示一种有毒气体的参数的LCD1602液晶屏。
LCD1602具有功耗低，体积小的特点，是标准的16脚接口，VL引脚为液晶屏对比度调整端，接电源正极时对比度最低，接地时对比度最高，对比度过高时会影响显示效果[15]。
其各个引脚介绍见表3.1。
表3.1LCD1602引脚介绍表
编号
引脚名称
引脚定义
GND
接地
6
EN
使能信号
VDD
电源正极
7
D0-D7
数据
VO
显示偏压
8
BLA
背光源正极
4
RS
数据/命令
9
BLK
背光源负极
5
R/W
读/写
LCD1602中D0-D7数据端与单片机的P0.0-P0.07引脚连接，中间接了一个10K的排阻，以保证P0口有稳定的电平。
电阻R1选择3K为了使液晶屏显示的灰度达到最佳状态，三个时序控制端口与单片机的P2.5-P2.7引脚连接，电路原理图如图3.3所示。
图3.3LCD1602原理图
3.4报警电路设计
报警电路由蜂鸣器和一支红色发光二极管组成。
蜂鸣器的正极接电源正极，根据单片机的电流特性，不足以直接驱动蜂鸣器。
有三极管的输出特性，利用晶体管的饱和与截止特性构成开关电路。
P2.0为高电平时基极与集电极之间反向偏置，不导通；
当P2.0为低电平时，基极与集电极之间正向偏置，导通。
当蜂鸣器工作，单片机只需要吸收较小的输入电流，再配合一支红色发光二极管接P1.7，当有毒气体的浓度值超过设定值，则蜂鸣器报警，同时红色二极管发光。
电路原理图如图3.4所示。
图3.4报警电路原理图
3.5独立按键电路设计
本设计采用键盘输入指令和数据的方式，键盘分为独立式和矩阵式两类，每一类按其编码方法又可以分为编码和非编码两种。
因为本设计使用的按键只有三个，所以选择独立式按键。
在此电路中，采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平，P1口内部带上拉电阻，故不需要再外接上拉电阻。
本设计有三个独立按键，第一个按键的设置参数对象即甲醛、氨气、苯，第二个按键是设置参数上限值增加，每按一下上限值增加0.1mg/m3，第三个按键是设置参数上限值减少，每按一下上限值减少0.1mg/m3，独立按键电路图如图3.5所示。
图3.5独立按键原理图
3.6传感器电路设计
本设计选择了电化学型传感器，所以在设计相应的处理电路时，要特别关注这些：
由于传感器的灵敏度数量级很低，通常为uA或nA级，为了能得到测量值，需要在电路中加入I/V转换，这样就使被检测有毒气体的浓度与电流的对应关系转换为与电压的对应关系。
为了降低传感器或者I/V转换输出的噪声，在设计中加入滤波电路。
3.6.1甲醛传感器信号处理电路
由于传感器的输出信号很小，所以把这部分电路和传感器组成一体，在电路中，R2、R3、R4配合TLC27L2运算放大器对传感器信号放大，R4热敏电阻可以对温度补偿校准，R5和C3作用是滤波。
传感器输出电流和电路输出的电压关系为：
（3.1）
甲醛传感器输出电路如图3.6所示。
图3.6甲醛传感器输出电路原理图
在图3.6中，甲醛传感器调理电路加上后面的处理电路部分，构成了甲醛检测模块ZE08-CH2O，此模块由郑州炜盛公司生产，具有灵敏度高、功耗低、抗干扰能力强、提供UART等优点。
使用UART协议后输出为3V电平信号，可直接送给单片机，其实物图如图3.7。
图3.7甲醛检测模块实物图
在甲醛检测模块中，采用9600bit/s的波特率，发送8位数据，有1位校验位。
通信命令见表3.2。
表3.2传感器通信命令
起始位
CH2O
单位ppb
小数位数
气体浓度高位
气体浓度低位
满量程高位
满量程低位
校验值
0xFF
0x17
0x04
0x00
0x25
0x13
0x88
此模块中，气体浓度值=气体浓度高位*256+气体浓度低位，每隔1秒发送一次数据。
读气体浓度值的命令格式见表3.3。
表3.3传感器读气体浓度格式
保留
命令
0x01
0x86
0x79
传感器返回值命令格式见表3.4。
表3.4传感器返回命令格式
气体浓度高位ug/m3
气体浓度低位ug/m3
气体浓度高位ppb
气体浓度低位ppb
0x2A
0x20
0x30
3.6.2氨气传感器信号处理电路
本设计中的氨气传感器引脚有三极：
工作电极、对电极、参比电极，传感器的处理电路由恒电位电路和传感器的工作电路组成[8]。
在传感器工作时，外围电路在工作电极和参比电极之间会施加一个恒电位差，以便工作电极保持一个恒定的电位[7]。
本设计选用的AD8572放大器具有超低失调、漂移和偏置电流特性，AD8572可提供以前只有昂贵的自稳零或斩波稳定放大器才具有的特性优势，在电路中使用J177开关可以缩短氨气传感器的预热时间[7]。
R1、R2、、C1、Q1以及AD8572内部运放A组成了恒电位电路，当电路工作时，J型场效应管处于高增益状态，向工作电极提供电流，使运放A电压与参比电极相同。
电路中运放B的作用是I/V转换，R4设置为47Ω可以减弱对传感器性能的影响。
传感器输出电流与调理电路输出电压的关系：
（3.2）
氨气传感器输出的微弱电流经I/V转换之后放大为伏级，氨气传感器信号调理电路如图3.8所示。
图3.8氨气传感器输出电路原理图
3.6.3苯传感器信号处理电路
根据苯传感器和氨气传感器说明书，都为电化学型传感器，且信号处理电路相同，故不再赘述，苯传感器信号调理电路图如图3.9。
图3.9苯传感器输出电路原理图
4室内装修有毒气体检测仪的软件设计
对于单片机的开发来说，有许多种高级语言可以使用，C语言就是其中之一。
程序编写语言比较常见的有C语言、汇编语言。
汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但是可移植性不好，C语言编写的程序比用汇编语言编写的程序更符合人们的思考习惯，且容易阅读、可移植性较好等，众多处理器都支持C语言。
基于C语言和汇编语言的优缺点，本设计的程序代码采用C语言编写。
4.1程序结构流程图
在总体程序流程图中，首先进行初始化，然后进行数据采集，当传感器检测到测试信号，将检测到的信号进行放大滤波、I/V转换后送入单片机，进行下一步程序执行，即数据处理程序和串口中断处理服务程序，如果单片机未检测到信号，则进行故障报警，进而进行故障排查。
其次执行显示程序，然后执行按键处理程序，用户可以通过外部独立按键来对检测的有毒气体的上限值进行增加或减少。
如果被检测的有毒气体的浓度值大于设定的上限值，则执行报警程序。
程序流程图如图4.1所示。
图4.1程序结构流程图
4.2数据处理子程序流程图
从传感器采集到的信号经过处理后，送入单片机内，使用内部的A/D转换部分，再经过数字滤波，数据缓冲后，就可以送到执行下一步程序。
数据处理子程序流程图如图4.2所示。
图4.2程序处理流程图
4.3串口中断服务程序流程图
在有毒气体甲醛检测部分使用到了UART协议，波特率为9600bit/s，发送8位数据位，1位校验位。
首先单片机获取中断，然后从传感器模块读取数据，之后校验数据，最后在LCD中显示实时的甲醛浓度值，串口中断服务程序流程图如图4.3所示。
图4.3串口中断服务程序流程图
4.4按键处理子程序流程图
在按键处理子程序中，单片机检测是否是有独立按键被按下，如果按键1被按下，则被检测的有毒气体上限值加0.1mg/m3。
如果按键2被按下，则被检测的有毒气体上限值减0.1mg/m3,。
如果按键3被按下，则切换被检测的有毒气体的类型进行设置，按键处理子程序流程图如图4.4所示。
图4.4按键处理子程序流程图
4.5显示子程序流程图
本设计使用的是1602液晶显示，控制程序主要有三部分：
向液晶中写入指令；
向液晶中写入数据；
液晶测试忙碌状态。
编写程序时，首先初始化处理，然后设置显示字符的地址，最后经过液晶屏内部处理后将字符显示出来。
显示子程序流程图如图4.5所示。
图4.5显示子程序处理流程图
4.6超限处理子程序流程图
在超限处理子程序中，单片机检测当前被检测的有毒气体是否达到超限值，达到超限值后进行蜂鸣器和发光二极管报警。
超限处理子程序流程图如图4.6所示。
图4.6超限处理子程序流程图
5软件调试与制作实物
前四章讨论了装修环境有毒气体检测仪的硬件和软件的设计，本章要讲一下软件编译环境和实物制作。
5.1编译环境概述
在单片机的众多开发软件里，我们选择keil软件，keil提供了C编译器和调试器等完整的开发环境，且容易上手。
Keil也提供了丰富的库函数，生成代码的效率很高。
首先打开keil，然后建立一个新的工程，进行C语言代码的编写，按着模块化的设计的思路进行分块编写。
之后要生成.hex文件并下载到单片机中才能完成实物的程序调试。
5.2实物制作
考虑到经费问题，本设计的实物制作部分选择了装修环境内众多有毒气体中含量最多的甲醛进行检测。
因为要购买的元件较多，要分成多个部分进行焊接来提高制作实物的效率。
购买过实物元件后，用电烙铁对各个模块进行焊接。
在焊接前，要先对各
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