室内甲醛污染自动监控系统的设计和研究毕业设计Word下载.docx
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1绪论
1.1课题的背景和意义
甲醛具有比较高的毒性并且被我国列入在有毒化学品优先控制名单上。
甲醛己经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质。
它是公认的变态反应源，也是潜在的强致突变物质之一[3]。
甲醛问题己成为全球公共卫生关注的焦点。
近年来，家庭装修成为人们时尚的追求，但在美化了居室环境的同时，也因很多装饰材料中含有毒物质，造成室内空气污染，特别是室内甲醛污染更为严重，对人体的健康造成了极大的危害。
甲醛是一种良好的溶剂，具有较强的粘合性，同时还可以加强板材的硬度和防虫、防腐能力，被广泛用于生产服醛树脂、含醛油漆等原料。
室内装修过程中大量使用的以脉醛树脂为原料的各种人造板（胶合板、纤维板、刨花板等）、脉醛树脂隔热材料（UFFI）、含醛类消毒防腐剂的水溶性材料是室内甲醛的主要来源。
脉醛树脂是一种由尿素和甲醛缩聚而成的氨基树脂合成剂，它会慢慢的释放甲醛，高温和高湿下腮醛树脂会加快水解，甲醛释放量增多，夏季甲醛释放量会高出平时的20%～30%。
另外家用纺织品如窗帘、布艺沙发，装饰用的墙布、墙纸等也是甲醛的重要来源。
室内装修所导致室内空气中的甲醛污染具有普遍性、潜在性和长期性（日本横滨国立大学研究表明室内装修导致的甲醛污染释放期为3～15年）。
甲醛对人体健康的影响主要表现在嗅觉异常、刺激、过敏、肺功能异常、肝功能异常和免疫功能异常等方面。
长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病、鼻咽癌、结肠癌、脑瘤、月经紊乱、妊娠综合症、白血病以及青少年记忆力和智力下降等。
室内空气中甲醛浓度达到0.06～0.07mg/m3，时，儿童就会发生轻微气喘；
达到0.lmg/m3时，就有异味和不适感;
达到0.5mg/m3时，可刺激眼睛，引起流泪;
达到0.6mg/m3时，可引起咽喉不适或疼痛;
浓度更高时，可引起恶心呕吐，咳嗽胸闷，气喘甚至肺水肿;
达到30mg/m3时，会立即致人死亡。
国家卫生标准的甲醛最高允许浓度为0.08mg/m3。
日本横滨国立大学的研究表明，竣工10年后的建筑物室内空气中，甲醛高出室外6倍。
目前，我国每年因装修污染引起呼吸道疾病致死的儿童有210万人，其中100多万5岁以下儿童的死因与室内空气污染有关。
根据中国红十字会提供的资料，目前我国白血病患者己经超过了500万人，其中一半以上是儿童。
而且这个数字还在以每年10%的速度增加。
甲醛污染己成为骇人听闻的隐形杀手!
因此加强对甲醛污染的监测和控制，对于保护人类健康具有要的理论意义和实践意义。
除采用常规方法将其去除外，对存在甲醛的环境及时通风是关键。
本文针对甲醛检测、开窗通风、电话报警展开设计，稀释甲醛浓度，使其达到允许浓度，同时电话语音报警，即使主人不在室内，也能通过电话知晓甲醛的污染情况。
本系统不仅适用于家庭，也适用于生产装演材料、家具厂等场合[5]。
1.2国内外研究和动态
甲醛的化学性质十分活泼，因此，可采用多种定量分析方法测定甲醛。
常用的方法有分光光度法、色谱法、光学法、极谱法等仪器分析方法，另外，己研究开发出多种快速检测甲醛的装置，有电化学传感器、快速测定仪等。
1.2.1分光光度法
分光光度法检测甲醛是利用甲醛与显色剂反应生成稳定的化合物，其颜色深度与甲醛含量成正比，用分光光度计进行比色定量分析、根据所选用的显色剂的不同，分光光度法可分为乙酞丙酮法、酚试剂法、变色酸法、间苯三酚法、盐酸苯丙麟法、4-氨基—3-联氨-5—硫基—1,2,4三氮杂茂（AHMT）法、品红亚硫酸法、酶法等，检测甲醛的国家标准方法就是利用的分光光度法[4]。
用该方法检测甲醛，仪器设备简单，操作简便，投资少。
但是分光光度法对吸收液要求较高、灵敏度低且不稳定，因而阻碍了这类方法的推广应用。
1.2.2色谱法
色谱法是一种分离分析方法，它根据分析物质在固定相和流动相之间的分配系数的不同达到分离目的，并将分析物质的浓度转换成易被测量的电信号（电压、电流等），然后由记录仪记录下来。
这里主要介绍气相色谱法。
气相色谱法检测甲醛是利用吸附剂吸附空气中的甲醛，用脱附剂洗脱，将含甲醛或者甲醛衍生物的洗脱液用气相色谱柱分离，用检测器进行检测。
目前，常用的吸附剂有2,4一二硝基苯脐（2,4—DNPH）6201担体，石墨碳和碳分子筛结合的物质等。
常用火焰离子化检测器（FTD），电子捕获检测器（ECD）或者和质谱（MS）联用对甲醛进行检测。
气相色谱法具有高效、高速、高灵敏度、样品用量少等优点，可将甲醛直接进样检测或解吸后进样检测，测定线性范围宽，分离度好。
1.2.3化学发光法
化学发光法检测甲醛的原理：
是基于甲醛与某种物质反应产生化学发光，化学发光的强度正比于甲醛的浓度进行检测的。
化学发光法发光强度比较弱，己经有文献报道了将流动注射技术和化学发光法结合起来测定空气中甲醛的方法。
目前所用的化学发光体系有没食子酸一过氧化氢一甲醛体系，甲醛一溴酸钾一若丹明6G体系等，.其中没食子酸一过氧化氢—甲醛体系是最常用的发光体系，用该种方法检测甲醛，反应迅速、特异性强、灵敏度高且碳氢化合物、SO2、CO、CO2、含氮氧化物、丙烯醛、苯甲醛、臭氧对测定无干扰。
但是乙醛和丙醛对测定有较小影响。
1.2.4极谱法
许多含有羧基结构的醛（酮）化合物通过联氨衍生化可以用示波极谱法测定。
该法是利用甲醛在一定pH值的溶液中能和某些物质发生氧化还原反应的特性来对其进行检测的。
目前，常用甲醛和肼发生氧化还原或者甲醛和氨、乙酞丙酮的溶液发生反应来进行检测。
极谱法测定空气中甲醛的灵敏度和准确度都很高，适合定量测定室内空气中的微量甲醛[6]。
与分光光度法和高效液相色谱法相比，极谱法的优势是可使用标准加入法测定样品，有利于消除基体干扰。
但是极谱法检甲醛常用电极为汞电极，这会对环境造成汞污染。
1.2.5化学传感器
甲醛的化学传感器通常是用经过化学修饰的电极制成的电化学传感器。
化学修饰电极对甲醛具有电催化性能。
它通过测定甲醛的电化学氧化峰电流来进行检测。
甲醛电化学传感器检测限低，线性范围宽，与生物传感器相比使用寿命长，具有广阔的应用前景。
1.2.6快速测定仪
为适应室内空气甲醛现场快速检测的要求，目前人们己研制开发出不少甲醛快速测定仪，这些仪器可直接在现场测定甲醛浓度，当场显示，操作方便，适用于室内和公共场所空气中甲醛浓度的现场测定，也适用于环境测试舱法测定木质板材中的甲醛释放量。
1.2.7光学测定仪
日本己研制出基于光学原理检测甲醛的自动监测仪，该检测仪是利用甲醛和多孔纤维素反应后颜色发生变化的原理测定甲醛。
经过适当处理的纤维素带置于含有甲醛的空气时，与甲醛发生反应，纤维带的颜色由黄色变为红色，颜色变换的程度与在一定采样时间内、一定流速下的甲醛浓度成正比。
可通过测定反射光的强度记录颜色的变化，从而达到测定甲醛的目的。
该检测仪操作简单，测定专一性强，便于携带。
目前，国产甲醛检测仪绝大多数是建立在分光光度法原理基础上的，这类检测仪器灵敏度比较低。
1.2.8电化学侧定仪
检测甲醛的电化学测定仪是基于电化学原理研制而成。
目前，美国生产的4160型便携式甲醛测定仪的工作原理是空气中的甲醛通过泵抽入电解池的电解液中，并且在适当电位的工作电极上发生电氧化反应，氧化电流被仪器自动换算成空气中甲醛的浓度之后，由仪器的数码显示屏实时显示来。
该仪器体积小，重量轻，操作方便，解决了化学法采样后带回实验室分析的烦琐程序。
该类仪器操作简便，可用于空气中甲醛的快速连续测定，但是对甲醛测定专一性不强，其它物质如酚、醛类和醇类会干扰测定结果。
比较以上甲醛的各种分析方法可知：
分光光度法，气相色谱法、高效液相色谱法、极谱法、荧光法等常用仪器分析方法均需先在监测现场采集气体样品，再将样品带回实验室进行分析，分析周期长，成本高，步骤繁琐，不能实时地反映甲醛污染的状况及满足现场大批测点的监测需求。
而目前市售的电化学快速测定仪虽然可以对甲醛进行现场的快速检测，但是该检测仪对甲醛的选择性不强，依靠人工读取再采取措施消除甲醛，实时性不好，而且价格比较昂贵，难以普及和推广。
因此，迫切需要一种高灵敏度和稳定性、简易、廉价、具有高度智能的甲醛监测和预防系统[7]。
本文的主要工作就是要解决这些问题。
1.3本文的主要工作
本课题采用AT89C51为核心的软硬件平台，在此基础上扩展硬件，编写程序，完成相关功能。
主要从以下几方面入手：
1）智能控制系统设计总体规划。
根据系统的具体要求，从性能、成本等考虑，选择合适的微处理器及各类外围器件。
2）智能控制系统硬件设计。
介绍硬件电路的设计、工作原理等。
3）智能控制系统软件设计。
采用汇编指令编写各模块的驱动程序，最后连成一体，构成面向过程的软件系统。
介绍功能流程图及编写相应程序。
2智能系统的总体设计
2.1智能系统的总体组成
智能控制系统主要由甲醛检测环节、数据处理环节、电机执行环节、电话报警环节组成。
图2.1智能控制系统框图
2.2智能控制系统主处理器AT89C51
智能控制系统信号处理电路主控制器采用美国ATMEL公司的AT89C51单片机。
采用6MHz的晶振，获得稳定的时钟频率。
单片机控制电路如图2.2所示。
为了保证电路能够正常工作，防止出现系统失控，电路设计了复位电路[8]。
图2.2单片机控制电路
2.2.1复位电路与时钟电路
1）复位电路
复位电路为了保障系统在不同的异常条件下可靠地复位，防止系统失控，设计了复位电路。
复位电路单片机的RST引脚是复位信号输入端，RST引脚上保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，就可使单片机内部可靠复位。
单片机常用的外部复位电路有两种，上电复位电路和上电复位兼手动复位电路，如图2.3所示，本系统采用上电兼手动复位电路，这样既可以上电复位，也可手动复位。
上电复位电路在RST引脚上外接一个电容至供电电源Vcc端，下接一个电阻到地既可。
当系统上电时，复位电路通过电容加给RST端一个短的高电平信号，此高电平随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端上的高电平取决于电容的充电时间，为了保证系统能可靠的复位，RST端上的高电平必须维持足够长时间。
（1）系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。
单片机的复位引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，芯片进入复位状态，而且一直在此复位状态下等待，直到复位引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，决定执行芯片内部还是外部程序。
（2）复位状态复位后，单片机内部的各寄存器的内容将被初始化，包括程序计数器PC和特殊功能寄存器，其中（PC）=OOOOH。
这时，堆栈指针SP为07H,ALE,P0,P1,P2和P3口各引脚均为高电平。
复位不影响片内RAM和片外RAM中的内容。
图2.3上电复位电路和上电复位兼手动复位电路
2）时钟电路
时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准，在此基础上，控制器按照指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号，控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。
AT89C51的外接石英晶体的时钟电路如图2.4所示，电容容量的范围为30pF±
10pF石英晶体频率的范围为1.2MHZ-12MHZ，电路中采用11.0592MHZ的石英晶振。
图2.4时钟电路
2.2.2AT89C51内部I/O口及其应用
1）I/O口的特性
AT89C51单片机有4个8位并行输入/输出接口，记作P0,P1,P2和P3，共32根I/O口线，实际上它们就是特殊功能寄存器中的四个。
它们都是双向通道，每一条I/O口线都独立的用作输入或输出。
做输出时数据可以锁存，做输入时可以缓冲。
但这四个通道的功能不完全相同，但其特性基本相同：
（1）作为输出口用时内部带锁存器，故可以直接和外设相连，不必外加锁存器。
（2）作为输入口用时有两种工作方式，即所谓读端口和读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器中的内容读到内部总线，经过某种运算和变换后，再写回到端口锁存器。
而读引脚才真正的把外部的数据读入到内部总线。
（3）作为读引脚用时要先通过指令，把端口锁存器置1，然后再实行读引脚操作，否则就可能读入错误。
若不先对端口置1，端口锁存器中原来状态有可能为0，加到输出驱动场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通，对地呈现低阻抗。
这时即使引脚上输入的是1信号，也会因端口的低阻抗而使信号变低，使得外加的1信号读入后不一定是1。
若先执行置1操作，则可以驱动场效应管截至，引脚信号直接加到三态缓冲器，实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类I/O口被称为“准双向”口[1]。
从特性上看，这四个端口还有所差别：
P0口，除了作为8位I/O口外，在扩展外部程序存储器和数据存储器时，P0口要作为8位地址总线和8位数据总线用。
即在这种情况下，P0口不能做I/O口用，而是先作为地址总线对外传送低8位地址，然后作为数据总线对外交换数据。
P1口，只有I/O口功能，没有其它功能。
故在任何情况下，P1口均可做I/O口使用。
P2口，在扩展外部存储器时，要作为高8位地址线用。
P3口，它的每个引脚都有不同的第二功能，见表2.1。
当它的某些引脚用作第二功能时，P3口也不能做I/O口。
表2.1P3口的第二功能
通道为位
第二功能
注释
P3.0
RXD
串行口输入
P3.1
TXD
串行口输出
P3.2
INT0
外部中断0输入
P3.3
INT1
外部中断1输入
P3.4
T0
计数器0计数输入
P3.5
T1
计数器1计数输入
P3.6
WR
外部数据RAM写选通信号
P3.7
RD
外部数据RAM读选通信号
2）将外设当作数据存储器来连接
在实际的AT89C51系统中往往是在单片机外再加数据存储器，这时P0口要当作地址总线的低8位和数据总线来使用。
P2口要作为地址总线的高8位使用。
而P3口的有些引脚也不可避免的要使用它的第二功能，如P3.6用/WR,P3.7/RD等，这样P3口也不能当作8位I/O口使用，可用的只有一个P1口了。
这时若要直接通过I/O口来连接多个外设就不可能了[2]。
2.2.3访问程序存储器的控制信号
EA为片内、外程序存储器访问选择信号。
EA=0：
访问片外；
EA=1：
访问片内。
ALE为地址锁存允许信号，在访问外部存储器时，在P0.0～P0.7引脚线上输出外部存储器低8位地址的同时还在ALE线上输出一个高电位脉冲，用于把这个外部存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.0～P0.7引脚线去传送随后而来的外部存储器读写数据。
在不访问外部存储器时，AT89C51自动在ALE线上输出频率为振荡频率1/6的脉冲序列。
该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。
2.2.4程序状态寄存器（PSW）
PSW是一个八位标志寄存器，主要用于存放程序状态信息以及运算结果的标志，所以又称标志寄存器。
.其格式如表2.2（D1位没有定义）：
表2.2程序状态寄存器格式
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
CY
AC
F0
RS1
RS0
OV
——
P
CY为进位标志位，用于表示加减运算过程中最高位A7累加器最高位）有无进位或错位。
AC为辅助进位标志位，用于表示加减运算时低4位（即A3）有无向高4位（即A4）进位或错位。
F0为用户标志位，F0标志为的状态通常不是机器在执行指令过程中自动形成的，是由用户根据程序执行的需要通过传送指令确定的。
RS1,RS0为工作寄存器区选择控制位，AT89C51共有8个八位工作寄存器，分别命名为R0～R7。
工作寄存器R0～R7常常被用户来进行程序设计，但它在RAM中的实际物理地址是可以根据需要选定的。
RS1和RS0就是为了这个目的提供给用户使用的，用户通过改变RS1和RS0的状态可以方便地决定R0～R7的实际物理地址。
工作寄存器R0～R7的物理地址和RS1,RS0的关系如表2.3所列。
表2.3工作寄存器R0～R7的物理地址和RS1,RS0的关系
R0～R7的组号
R0～R7的物理地址
00H～07H
1
08H～0FH
2
10H～17H
3
18H～1FH
采用AT89C51的单片机控制系统，开机后的RSl和RS0总是为零状态，故R0～R7的物理地址为00H～07H，即R0的地址为00H,R1的为01H.…，R7的为07H。
但若及其执行如下指令：
MOVPSW,#08H
则RSl,RS0显然为01B，故R0～R7的物理地址变为08H～0FH。
因此，用户利用这种方法可以很方便地达到保护R0～R7中数据的目的，这对用户的程序设计是非常有利的。
2.2.5串行口的结构
89C51单片机通过引脚RXD（P3.0，串行数据接收端）和引脚TXD（P3.1，串行数据发送端）与外界进行通信。
89C51串行口主要由两个物理上独立的串行数据缓冲寄存器SBUF、发送控制器、接收控制器、输入移位寄存器和输出控制门组成。
如图2.6所示。
发送缓冲寄存器SBUF只能写，不能读;
接收缓冲寄存器SBUF只能读，不能写；
两个缓冲寄存器共用一个地址99H，可以用读/写指令区分。
串行发送时，通过“MOVSBUF，A”写指令，CPU把累加器A的内容写入发送SBUF（99H），再由发送端TXD一位一位地向外发送；
串行接收时，接收端RXD一位一位地接收数据，
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