基于单片机的便携式甲醛检测仪的控制系统设计毕业论文.docx

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基于单片机的便携式甲醛检测仪的控制系统设计毕业论文

基于单片机的便携式甲醛检测仪的控制系统设计

摘要

本文研究设计了一种用于公共场所及室内具有检测及超限报警功能的甲醛智能测试仪。

其设计方案基于89C51单片机，选择瑞士蒙巴波公司的CH20/S-10甲醛传感器。

系统将传感器输出的4~20mA的标准信号通过以AD0832为核心的A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，最后由LCD显示甲醛浓度值。

文中详细介绍了数据采集子系统、数据处理过程以及数据显示子系统和报警电路的设计方法和过程。

系统对于采样地点超出规定的甲醛容许浓度时采用三极管驱动的单音频报警电路提醒监测人员。

同时，操作人员对于具体报警点的上限值可以通过单片机编程进行设置。

另外，该系统对浓度信号进行了信号补偿等处理，减少了测量误差，因此，具有较高的测量精度，而且结构简单，性能优良。

本系统的量程为0-10ppm，精度为0.039ppm。

关键词:

甲醛检测，数据采集处理系统，硬件电路，软件设计，A/D转换器，AT89C52单片机

1绪论

1.1引言

1.1.1甲醛的特性及危害

甲醛是一种无色，有强烈刺激性气味的气体。

易溶于水、醇和醚。

甲醛在常温下是气态，通常以水溶液形式出现。

其37%的水溶液称为福尔马林，医学和科研部门常用于标本的防腐保存。

此溶液沸点为19.5℃故在室温时极易挥发，随着温度的上升甲醛的挥发速度加快。

在我国有毒化学品优先控制名单中甲醛列居第二位。

甲醛已被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质。

甲醛是原浆毒物，能

与蛋白质结合，吸入高浓度甲醛后会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，也可发生支气管哮喘皮肤直接接触甲醛，可引起皮炎、色斑、坏死。

经常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出现粘膜充血、皮肤刺激症、过敏性皮炎、指甲角化和脆弱等。

全身症状有头痛、乏力、心悸、失眠、体重减轻以及植物神经紊乱等。

1.1.2甲醛的来源

（1）室内装修所用的合成板材，如胶合板、细木工板、高密度板、刨花板。

这些板材中甲醛起胶合剂、防腐剂的作用，主要用于加强板材的硬度、防虫、防腐。

板材中残留的和未参与反应的甲醛逐渐向周围环境释放，是室内空气中甲醛的主要来源。

（2）用合成板材制造的家具，厂家为了追求利润使用不合格的板材，再粘贴面材料时使用不合格的胶水，造成家具中甲醛含量超标。

（3）含有甲醛成分并有可能向外界散发的各类装饰材料，如壁纸、地毯、油漆。

1.2甲醛检测仪的种类

目前，市场上甲醛检测仪的种类是多种多样，其中较常见的是采用试验纸光电光度法，即：

当甲醛气体吹到浸有发色剂的试纸上时，与浸有发色剂的TAB组合就会因发生化学反应而变色。

甲醛同试纸接触后含在纸里的试药就会同甲醛反应生成化合物，颜色就会从白色变成黄色。

变色的程度可反映出所受光的反射光量，反射光量的强度变化率可以作为被测气体的甲醛含量的应答值。

预先设定检测线，便可通过测量其反应率来测出甲醛气体的浓度值。

在气体的采集方面有的是采用自动吸引式（内藏微型气泵），有的采用扩散式。

对于试验纸光电光度法

来分析甲醛的浓度，它的优点是灵敏度高，操作简便，测定速度快。

而该方法在分析甲醛浓度时往往采用的是目视比色法，它的缺点是：

1.由于许多有色溶液不够稳定，不能久存，经常需要在测定的同时配制溶液，比较费时费事。

2.目视比色的准确度低，一般相对误差为±5～20%。

本论文设计的便携式甲醛检测仪所涉及的甲醛传感器是电化学传感器。

它可以将甲醛气体的浓度转换为微弱的电流信号。

这样就可以通过电流电压变换电路将微弱的电流信号转换为可以测量的稳定的电压信号，增强了电信号的稳定性。

1.3系统总概述

本论文主要完成甲醛检测仪软件设计，设计内容包括：

A/D转换器程序、控制程序、超标报警、键盘检测、数据显示等。

本系统采用单片机为控制核心，以实现便携式甲醛检测仪的基本控制功能。

系统主要功能内容包括：

数据处理、时间设置、开始测量、超标报警、键盘检测、自动休眠：

仪器若不进行称量操作，5分钟后自动进入休眠模式，以降低电源消耗。

本系统设计采用功能模块化的设计思想，系统主要分为总体方案设计、硬件和软件的设计三大部分。

1.4总体方案设计

室内甲醛污染对人身体健康影响较大，标准规定的方法绝大多数是化学分析法，使用的手段是实验室分析仪器，主要有比色计、分光光度计、化学滴定、气相和液相色谱。

但这些方法费力费时、成本高、自动化程度低过程复杂、大多数过程是人工操作很难做到现场实时控制。

本设计可选用基于电化学原理的甲醛传感器，其原理是空气中的甲醛在电极下发生氧化反应，产生的扩散电极电流与空气中的甲醛浓度成正比，通过检测放大电路和放大倍数的调整经A/D转换后送单片机、由单片机现场自动控制检测并显示甲醛浓度。

由于甲醛含量超量的话，将对人体健康造成很大的影响。

具有民用价值的便携式甲醛检测仪的研制受到了人们的高度重视。

设计能够满足生活需要，携带方便的便携式甲醛检测仪迫在眉睫。

针对目前的现状，本系统设计遵守体积小，质量轻，性价比高的原则。

2硬件设计

2.1硬件设计结构

硬件设计部分主要包括：

（MCU、A/D、时钟芯片、LCD、外围扩展数据RAM）等芯片的选择；硬件主电路设计、数据采集、模数转换电路设计、液晶显示电路设计、外围扩充存储器接口电路、时钟电路、复位电路、键盘接口电路等功能模块电路设计。

硬件结构框图2-1：

图2-1硬件结构框图

2.2硬件设计主电路图

硬件设计住电路图见附录一

2.3硬件选择

2.3.1MCU的选择与简介

（1）单片机的概念和特点

现代社会中，尽管PC机的应用已经相当普遍，但是，在工控领域，在日益追求小而精、轻而薄的自动化控制器、自动化仪器仪表、家电产品等方面,PC机仍有所不相适宜的地方。

而工业控制、仪器仪表、家电产品等市场广阔，要求PC机技术与之相适应。

在这种情况下，单片机应运而生了（也称作微型计算机）。

微型计算机的基本机构是由中央处理器、储存器、和I/O设备构成的。

所谓的单片机是指将微型计算机3个单元的多个分体中的主要功能用1个集成电路芯片来实现，该芯片具有一个微型计算机的基本功能。

这种超大规模集成电路芯片即称为单片微型计算机，通常简称单片机。

单片机具有以下特点：

①受集成度限制，片内存储容量较小，一般8位单片机的ROM小于8/16K字节，RAM小于256字节，但可在外部扩展，通常ROM、RAM可分别扩展至64K字节。

②可靠性好。

芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般通用CPU；程序指令及常数、表格固化在ROM中不易破坏；许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。

③易扩展。

片内具有计算机正常运行所必需的部件。

芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。

④控制功能强。

为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中具有极丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。

一般说来，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。

⑤一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只放置有用户调试好的应用程序。

但近年来也开始出现了在片内固化有BASIC解释程序的单片机。

（2）单片机的发展与趋势

由于单片机具有以上特点，因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用。

随着微电子工艺水平的提高，近十年来单片微型计算机有了飞速的发展。

归纳起来，它是沿着两条路发展的：

①改进集成电路制造工艺，提高芯片的工作速度，降低工作电压和降低功耗：

②在保留共同的CPU体系结构，最基本的外设装置（如异步串行口，定时器等）和一套公用的指令系统的基础上，根据不同的应用领域，把不同的外设装置集成到芯片内，在同一个家族内繁衍滋生出各种型号的单片机。

另外在单片机的应用中，可靠性是首要因素，为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。

近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，主要表现在一下几点：

a）EFT（ElectricalFastTransient）技术；

b）低噪音布线技术及驱动技术；

c）采用低频时钟。

总之，单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：

a）可靠性及应用水平越来越高，和internet连接已是一种明显的走向；

b）所集成的部件越来越多；

c）功耗越来越低；

d）和模拟电路结合越来越多。

（3）单片机选择

①本系统采用单片机为控制核心。

单片机/MCU主要有51基本型和52增强型，而相比之下52型比51型功能更为强大，ROM和RAM存储空间更大，52还兼容51指令系统。

基于本系统设计内容的需要，综合考虑后，我们选择单片机ATME公司的AT89C52为控制核心；主要基于考虑AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM）、6个中断源；时钟频率0-24MHz；器件采用高密度、非易失性存储技术生产，并兼容标准MCS-51指令系统，功能强大。

②AT89C52介绍

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256Kbytes的随机存取数据存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大，AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。

主要性能参数：

●与MCS-51产品指令和引脚完全兼容

●

8K字节可重擦写FLASH闪存存储器

●1000次写/擦循环

●时钟频率：

0Hz—24MHz

●三级加密存储器

●256字节内部RAM

●32个可编程I/O口线

●3个16位定时/计数器

●6个中断源

●可编程串行UART通道图2-2引脚图

●低功耗的空闲和掉电模式

●片内振荡器和时钟电路

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，片内振荡器及时钟电路，引脚图见2-2。

AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发本。

AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

AT89C52引脚功能：

a）Vcc：

电源电压。

b）GND：

地。

c）P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问器件激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

d）P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作