毕业报告甲醛检测仪软件设计.docx
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毕业报告甲醛检测仪软件设计
目录
第１章绪论1
1.1引言1
第２章概述3
2.1系统总概述3
2.2总体方案设计3
2.3硬件设计3
2.4软件设计4
2.5硬件结构框图2.14
第3章硬件设计5
3.1硬件选择5
3.2.1MCU的选择与简介5
3.2.2单片机最小系统的实现10
3.2.3数据采集系统13
3.2.4模数转换的选择与简介14
3.2.5按键选择与简介16
3.2.6外围扩充存储器17
3.2.7时钟芯片选择与简介18
3.2.8上拉电阻20
3.2.9液晶显示器简介。
20
3.2.10报警电路23
3.2.11硬件仿真环境介绍24
第4章软件设计26
4.1编写语言的选择26
4.2编译软件介绍27
4.3主程序模块32
4.4模数转换33
4.5按键模块33
4.6时钟模块34
4.7液晶显示模块34
第5章系统仿真35
第6章结束语37
致谢38
参考文献39
附录40
附录一硬件设计主电路图40
附录二检测主程序程序41
附录三ADC0832程序46
附录四按键程序50
附录五时钟程序51
附录六液晶程序56
附录七主程序嵌套子程序60
第１章绪论
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。
第２章概述
2.1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。
2.2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随着传感器和计算机技术的不断发展，现已有了基于单片机的便携式甲醛测试仪，并且测试测试范围、分辨率、精度、稳定性已接近标准要求。
因此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。
2.3硬件设计
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。
2.4软件设计
软件设计部分主要包括：
编写语言的选择、主程序/子程序流程的设计、功能模块程序的编写、软/硬件结合调试与演示。
主要包括一下功能模块：
51驱动、检测、液晶显示、时钟、键盘、模数软换。
2.5硬件结构框图2.1
图2.1
第3章硬件设计
3.1硬件选择
3.1.1MCU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。
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。
总之，单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：
●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；
●所集成的部件越来越多；
●功耗越来越低；
●和模拟电路结合越来越多。
3.单片机选择
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。
（2）AT89C52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
●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，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：
·Vcc：
电源电压
·GND：
地
·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。
·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还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表2-1。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
表2-1为P1.0和P1.1的第二功能
表3-1P1.0和P1.1的第二功能
·P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2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P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，同时可作输入口，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）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOV@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOV@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
·P3口：
P3口时一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电
阻输出电流（IIL）。
P3口作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-2所示：
此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
·RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
·ALE/
：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
表3-2P3口第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外中断0）
P3.3
（外中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
3.2.3数据采集系统
（1）从传感器过来的电压信号，必须放大，滤波，采集，转换才能被MCU识别和处理。
由于假若每一路都设置放大、滤波等器件，那么成本会很大，所以信号的采集一般用多路模拟通路进行选择。
然而选择多路模拟开关时必须考虑以下的几个因素：
通道数量、切换速度、开关电阻和器件的封装形式。
总之数据采集与硬件的选择有很大的关系。
（2）甲醛传感器的选择
甲醛传感器由甲醛探头CH20传感器组成。
甲醛传感器/甲醛模块（CH2O传感器）详细介绍如下表3-3：
（3）测量电路
测量电路由CH20/S-10甲醛传感器，ADC0832组成。
甲醛传感器由甲醛探头和CH20传感器组成。
当空气被内部的采样系统吸收后，产生一个与甲醛浓度成正比的电压信号，该电压信号经AD0832与AT89C52单片机相连，在显示器上显示出甲醛的浓度值，当超过国家规定的标准时报警。
表3-3传感器参数表
名称
甲醛传感器CH2O/S-10:
测量范围
0-10ppm
最大负荷
50ppm
工作寿命
空气中3年
输出
1200±300nA/ppm4-20mA（甲醛模块
分辨率
0.05ppm
温度范围
-20℃to45℃
压力范围
大气压±10%
响应时间（T90）
〈50seconds
湿度范围
-20℃to45℃
零点输出（纯净空体，20℃）
〈0.1ppm
最大零点漂移（20℃to40℃）
0.1ppm
长期漂移
〈2%/每月
推荐负载值
10Ω
线性度输出
线性
重量
约32克
3.2.4模数转换的选择与简介
实现A/D转换的基本方法很多，有计数法、逐次逼近法、双斜积分法和并行转换法。
由于逐次逼近式A/D转换具有速度，分辨率高等优点，而且采用这种方法的ADC芯片成本低，所以我们采用逐次逼近式A/D转换器。
逐次逼近型ADC包括1个比较器、一个模数转换器、1个逐次逼近寄存器（SAR）和1个逻辑控制单元。
逐次逼近型是将采样信号和已知电压不断进行比较，一个时钟周期完成1位转换，依次类推,转换完成后，输出二进制数。
这类型ADC的分辨率和采样速率是相互牵制的。
优点是分辨率低于12位时，价格较低，采样速率也很好。
由于ADC0832模数转换器具有8位分辨率、双通道A/D转换、输入输出电平与TTL/CMOS相兼容、5V电源供电时输入电压在0～5V之间、工作频率为250KHZ、转换时间为32微秒、一般功耗仅为15MW等优点，适合本系统的应用，所以我们采用ADC0832为模数转换器件。
电路图见图3.6如下：
（4）测量量程
本系统的量程为0-10ppm。
由于我所使用的是8位ADC0832,所以本系统的精度为：
10ppm/256=0.039ppm。
3.2.5按键选择与简介
本系统应用有人机对话功能，该功能即能随时发出各种控制命令和数据输入以及和LCD连接显示运行状态和运行结果。
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。
由于本系统只有UP、DOWN、OK、CANCEL4个控制命令，所需按键较少，所以本系统选择独立式按键。
独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路。
每个独立式按键占有一根I/O口线。
各根I/O口线之间不会相互影响。
在此电路中，按键输入部采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平，（AT89C52.P1口内部接有上拉电阻）所以就不需要再外接上拉电阻。
键盘抖动的消除：
抖动的消除大致可以分为硬件削抖和软件削抖。
①硬件削抖是采用硬件电路的方法对键盘的按下抖动及释放抖动进行削抖，经过削抖电路后使按键的电平信号只有两种稳定状态。
②软件削抖的基本原理是当检测出键盘闭合时，先执行一个延时子程序产生数毫秒的延时，待接通时的前沿抖动消失后再判别是否有健按下。
当按键释放时，也要经过数毫秒延时，待后沿抖动消失后再判别键是否释放。
③由于应用硬件削抖还需要外加器件，成本相对较高，所以本系统选择软件延时削抖的方法。
3.2.9液晶显示器简介。
对于本系统要有显示装置完成显示功能。
显示器最好能够显示数据、图形。
考虑到同种LCD显示器的屏幕越大体积越大，功耗越大的特点，在同类产品中选用了AMPIRE128X64液晶显示模块。
该型号显示器消耗电量比较低，可以满足系统要求。
该类液晶显示模块采用动态的液晶驱动，可用5V供电。
1．AMPIRE128X64液晶模块引脚说明
AMPIRE128X64液晶共有22个引脚，其引脚说明如表3-5所示：
表3-5液晶引脚说明图
管脚名称
管脚定义
/CSA
片选1
/CSB
片选2
VSS
数字地
VDD
逻辑电源+5V
V0
对比度调节
R/S
指令数据通道
R/W
读写选择
E
使能选择
DB0-DB7
数据线
CS1
片选1
CS2
片选2
/RES
复位信号
VEE
液晶驱动电源
LED+
LED背光正电源
LED-
LED接地端
表3-5
AMPIRE128X64液晶显示模块与计算机的接口电路有两种方式。
它与单片机的接口方法分为直接访问方式和间接控制方式。
直接访问方式是把液晶模块作为存储器或I/O设备直接接在单片机的总线上，单片机以访问存储器或I/O设备的方式操作液晶显示模块的工作。
间接控制方式则不使用单片机的数据系统，而是利用它的I／0口来实现与显示模块的联系。
即将液晶显示模块的数据线与单片机的Pl口连接作为数据总线，另外三根时序控制信号线通常利用单片机的P3口中未被使用的I／O口来控制。
这种访问方式不占用存储器空间，它的接口电路与时序无关，其时序完全靠软件编程实现。
本系统采用间接控制方式。
液晶显示工作原理介绍
2.在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个有点：
1）显示质量高：
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
2）数字式接口：
液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
3）体积小、重量轻：
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻的多。
4）功耗低：
相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其他显示器要少的多。
3.LCD按其显示方式通常可以分为断式、点字符式、点阵式等。
还有黑白、多灰度、彩色显示等。
液晶显示原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就显示黑色，这样就可以显示出图形。
针对于本系统要显示汉字，字母，数字等，以及其在一个界面同时要显示的字数，本系统要以图形的形式显示各运行结果，我们最终选择AMPIRE128x64型号的LCD。
字符显示：
字符显示比较复杂，一个字符由16x8点阵组成，即要找到和显示屏是某几个位置对应的RAM区的字节，再使不同的位置为‘1’其他的为‘0’；为‘1’
的点亮，为‘0’的不亮，这样就显示出一个字符。
4.汉字显示：
汉字显示和字符显示的原理差不多，就是一个汉字一般采用图形方式，事先从微机中用字模软件提取要显示的汉字的点阵码，每个汉字占32B，为为两部分，各16B。
根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数就可以找出显示RAM的对应地址，送上汉字要显示的第一字节，以此类推，最后送完32B，这样汉字就显示出来了。
系统的液晶显示字体和字母的显示就是按照上述的原理显示的，点阵码是用字模软件在相同的设置区域找出的。
然后把提取的点阵码放入编写的LCD软件程序里。
3.2.10报警电路
在单片机应用系统中，一般的工作状态可以通过指示灯或数码显示来指示，供操作人员参考，了解系统的工作状况。
但对于某些紧急状态，比如系统检测到的错误状态等，为了使操作人员不至于忽视，及时采取措施，往往还需要有某种更能引人注意，提起警觉的报警信号。
这种报警信号通常有三种类型：
一是闪光
报警，因为闪动的指示灯更能提醒人们注意；二是鸣音报警，发出特定的音响，作用于人的听觉器官，易于引起和加强警觉；三是语音报警，不仅能起到报警作用，还能直接给出警报种类的信息。
其中，前两种报警装置因硬件结构简单，软件编程方便，常常在单片机应用系统中使用；而语音报警虽然警报信息较直接，但硬件成本高，结构较复杂，软件量也增加。
本章小结
这一章比较具体的说明了系统硬件设计的内容，通过模块化的设计思想，把一个复杂的单片机系统按照功能划分成一个个单独的电路模型，分别进行设计，最后在集成到一起。
这种方法对于设计复杂的单片机系统很有效。
大大提高系统设计的效率与质量。
（说明：
系统硬件设计的电路原理图附在论文的附录里面。
）由于我主要负责的是硬件设计，所以只是简单的介绍硬件方面的内容。
下面是软件设计。
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