【正文】 mount of the residual formaldehyde in the room. Thus, it is important to detect accurately that if the content of indoor formaldehyde is out of limits. The operation of traditional test methods is troublesome and of low accuracy. Compared with which, an intelligent formaldehyde analyzer which can test the content of indoor formaldehyde and alarm when the formaldehyde is out of limits is designed. Based on the STC12C5A60S2 microcontroller, the design needs a formaldehyde sensor produced by Dartmouth Company. In the system, current signal output by sensor will be amplified and will be adjusted through the A/D converter. Then through the singlechip microputer data processing, formaldehyde chrome value will be showed in the liquid crystal displays (LCD). This design has the function of showing alarms and has lots of advantages such as low power consumption, high precision, easy to carry, etc. Keywords: formaldehyde。 STC12C5A60S2。 Sensors。 A/D。 LCD 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 引言 甲醛是一種無色有強(qiáng)刺激性氣味的氣體。溶于水、醇類和醚。甲醛在室溫下是氣體 ,通常以水溶液的形式存在。 37%的水溶液稱為福爾馬林，醫(yī)療和科研部門通常用來做標(biāo)本的防腐保存。在我們國家有毒化學(xué)物質(zhì)優(yōu)先控制名單中甲醛位居第二。甲醛一直是世界衛(wèi)生組織確定為癌癥和導(dǎo)致畸形的物質(zhì)材料 [1]。 甲醛可以和蛋白質(zhì)結(jié)合 ,吸入高濃度甲醛會(huì)引起呼吸道嚴(yán)重的刺激和水腫、眼痛、頭痛，也可能發(fā)生支氣管哮喘，人的皮膚直接接觸甲醛 ,可能會(huì)引起皮炎、皮膚色斑、皮膚壞死。經(jīng)常吸入甲醛 ,也能導(dǎo)致慢性中毒 ,出現(xiàn)黏膜充血、皮膚刺激疾病、過敏性皮炎、指甲角化以及脆弱等。全身癥狀有頭痛、疲勞、心悸、失眠、體重減輕和植物神經(jīng)紊亂等 [2]。 甲醛的來源途徑一般有這個(gè)方面： 1．室內(nèi) 裝飾材料里面的合成板材 ,如膠合板、細(xì)木工板、高密度板、刨花板。甲醛在這些板材中起膠合劑、防腐劑的角色 ,主要用于加強(qiáng)材料的硬度、防蟲、腐蝕。板材里的殘余和未參與反應(yīng)的甲醛向周圍生態(tài)環(huán)境逐步釋放甲醛 ,是室內(nèi)空氣中甲醛的主要來源。 2．使用合成板制造家具 ,廠家為追求利潤(rùn)的不惜使用不合格的木料板材 ,再粘貼材料表面時(shí)使用不合格的膠水 ,導(dǎo)致家具的甲醛含量超標(biāo)。 3．含有甲醛并且可能會(huì)向周圍環(huán)境發(fā)出的各種裝飾材料 ,如墻紙、地毯、油漆等。 甲醛檢測(cè)儀的種類 目前 ,市場(chǎng)的甲醛檢測(cè)器有許多不同的種類 ,其中比較常見的是使用試驗(yàn)紙光電光度法 ,當(dāng)甲醛吹到浸有發(fā)色劑的試紙上時(shí) ,浸有發(fā)色劑的 TAB組合就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使標(biāo)簽顏色發(fā)生變化。在接觸甲醛后溶解在試紙里的試藥就會(huì)和甲醛發(fā)生 化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生化合物 ,試紙的顏色會(huì)從白色變成黃色。顏色改變的程度可以反映出所受光的反射光量，反射光量的強(qiáng)度變化率強(qiáng)度可以作為被測(cè)氣體的甲醛含量的預(yù)測(cè)值。預(yù)先 設(shè)定檢測(cè)線 ,可以通過測(cè)量反應(yīng)率來檢測(cè)甲醛濃度的含量。在收集氣體的方法上有的是使用自動(dòng)吸引方式 (內(nèi)置微型空氣泵 ),一些使用擴(kuò)散式。用測(cè)試紙光電光度法分析甲醛的濃度 ,它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高 ,操作簡(jiǎn)單 ,快速測(cè)定。但是這青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 種方法在分析甲醛濃度時(shí) ,往往是目視比色法 ,它的缺點(diǎn)是 : （ 1） 因?yàn)樵S多有色溶液是不夠穩(wěn)定的 ,不能長(zhǎng)久保存 ,經(jīng)常需要在測(cè)定的時(shí)候現(xiàn)配制溶液 ,比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力 費(fèi)事 。 （ 2） 目視比色法的精度低，準(zhǔn)確率不高，一般相對(duì)誤差為 177。5 ～ 20。 本文設(shè)計(jì)的便攜式甲醛檢測(cè)儀 所使用的 甲醛傳感器是電化學(xué)傳感器。它可以使甲醛的濃度轉(zhuǎn)換成微弱 的 電流信號(hào)。 這樣 可以通過電流電壓變換電路使微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以測(cè)量的穩(wěn)定的電壓信號(hào) ,增強(qiáng)了該電信號(hào)的穩(wěn)定性。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 2 整體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求 本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛檢測(cè)儀，主要利用單片機(jī)和放大電路對(duì)甲醛傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采集處理。 設(shè)計(jì)基本要求： （ 1） 快速檢測(cè)功能：當(dāng)將儀器至于封閉環(huán)境時(shí)能快速測(cè)出 甲醛濃度并顯示。 (2） 超標(biāo)報(bào)警功能：當(dāng)甲醛濃度超出國標(biāo)時(shí)給予報(bào)警提示。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的 思想 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感技術(shù)已形成一個(gè)獨(dú)立的新興的高科技領(lǐng)域。傳感器的高度自動(dòng)化、微型化與集成化，減少了對(duì)使用者環(huán)境和技術(shù)的要求，其便攜式的特點(diǎn)尤其適合于野外、現(xiàn)場(chǎng)分析的需要。本設(shè)計(jì)擬采用英國達(dá)特公司生產(chǎn)的 CH20甲醛傳感器，傳感器的貴金屬電極與揮發(fā)的甲醛氣體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生與揮發(fā)的甲醛濃度成正比的電信號(hào)。由于甲醛傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)十分微弱，不能直接與控制電路相連接使用，我們將其首先經(jīng)過一個(gè)放大電路，將信 號(hào)放大，再經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在單片機(jī)電路的作用下，通過 LCD將空氣中甲醛含量的濃度用數(shù)字顯示出來 [3]。 創(chuàng)新點(diǎn)： （ 1） 使化學(xué)檢測(cè)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)檢測(cè)。 （ 2） 應(yīng)用單片機(jī)來顯示最后結(jié)果，成本低。 （ 3） 設(shè)備便于攜帶，操作簡(jiǎn)單。 （ 4） 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制的智能化。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的對(duì)比選擇 方案一：基于普通 51單片機(jī)和國產(chǎn) MQ138傳感器的設(shè)計(jì)方案 國產(chǎn) MQ138傳感器中能基本實(shí)現(xiàn)甲醛測(cè)量需要，其信號(hào)可以經(jīng)過放大電路，在經(jīng)過 AD轉(zhuǎn)換芯片后送給單片機(jī)進(jìn)行處理最后顯示。其工作模塊可以分為 ：傳感器、放大電路、 AD電路、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 單片機(jī)、顯示電路。通過這幾個(gè)部分的結(jié)合可以基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能，但是由于 MQ138傳感器的線性度極其不理想，而且其測(cè)量范圍為 1ppm～ 10ppm，最低測(cè)量值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)的最低值 。系統(tǒng)所采用的單片機(jī)只能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，仍需要另外購買 AD芯片，給系統(tǒng)造成成本增加，且對(duì)電路的性能會(huì)造成影響。 方案二：基于增強(qiáng)型單片機(jī)和進(jìn)口傳感器的設(shè)計(jì)方案 英國達(dá)特（ DART）公司的甲醛傳感器雖然價(jià)格為 MQ138的兩倍，但其擁有穩(wěn)定的線性度，且靈敏度達(dá)到 ,可以滿足測(cè)量國家 標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)工作模塊也分為傳感器、放大電路、 AD電路、單片機(jī)、顯示電路。系統(tǒng)才用的是增強(qiáng)型 51單片機(jī)即 STC12C5A60S2單片機(jī)，不但擁有超高的執(zhí)行速度而且內(nèi)置了 10位的 AD轉(zhuǎn)換，可以簡(jiǎn)單化電路，更可以節(jié)約一定的成本，對(duì)整體電路的穩(wěn)定性能更有保障。 兩個(gè)方案的比較：方案一，雖然基本滿足測(cè)量需求，但是 0～ 1ppm的范圍為盲區(qū)，無法測(cè)量更無法在超過國標(biāo)時(shí)及時(shí)提醒，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性不高。方案二，完全能夠滿足測(cè)量需求，精度高，功耗更低，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，更加可靠，所以選用方案二。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 3 設(shè) 計(jì)開發(fā)工具介紹 單片機(jī)的概念和特點(diǎn) 現(xiàn)代社會(huì)中，盡管 PC 機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，但是，在工控領(lǐng)域，在日益追求小而精、輕而薄的自動(dòng)化控制器、自動(dòng)化儀器儀表、家電產(chǎn)品等方面 ,PC 機(jī)仍有所不相適宜的地方。而工業(yè)控制、儀器儀表、家電產(chǎn)品等市場(chǎng)廣闊，要求 PC 機(jī)技術(shù)與之相適應(yīng)。在這種情況下，單片機(jī)應(yīng)運(yùn)而生了（也稱作微型計(jì)算機(jī)）。 微型計(jì)算機(jī)的基本機(jī)構(gòu)是由中央處理器、儲(chǔ)存器、和 I/O 設(shè)備構(gòu)成的。所謂的單 片機(jī)是指將微型計(jì)算機(jī) 3 個(gè)單元的多個(gè)分體中的主要功能用 1 個(gè)集成電路芯片來實(shí)現(xiàn)，該芯片具有一個(gè)微型計(jì)算機(jī)的基本功能。 這種超大規(guī)模集成電路芯片即稱為單片微型計(jì)算機(jī)，通常簡(jiǎn)稱單片機(jī)。 單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： (1) 受集成度限制，片內(nèi)存儲(chǔ)容量較小，一般 8 位單片機(jī)的 ROM 小于 8/16K 字節(jié)， RAM 小于 256 字節(jié)，但可在外部擴(kuò)展，通常 ROM、 RAM 可分別擴(kuò)展至 64K 字節(jié)。 (2) 可靠性好。芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，其抗工業(yè)噪聲干擾優(yōu)于一般通用 CPU；程序指令及常數(shù)、表格固化在 ROM 中不易破壞；許多信號(hào)通道均在一個(gè)芯片內(nèi)，故可靠性高。 (3) 易擴(kuò)展。片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件。芯片外部有許多供擴(kuò)展用的三總線及并 行、串行輸入 /輸出管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 (4) 控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中具有極豐富的條件分支轉(zhuǎn)移指令、 I/O 口的邏輯操作以及位處理功能。一般說來，單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微處理器。 (5) 一般單片機(jī)內(nèi)無監(jiān)控程序或系統(tǒng)通用管理軟件，只放置有用戶調(diào)試好的應(yīng)用程序。但近年來也開始出現(xiàn)了在片內(nèi)固化有 BASIC 解釋程序的單片機(jī)。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 單片機(jī)的發(fā)展和趨勢(shì) 由于單片機(jī)具有以上特點(diǎn)，因此在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、智能儀器儀表、智能化設(shè)備和各種家 用電器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計(jì)算機(jī)有了飛速的發(fā)展。歸納起來，它是沿著兩條路發(fā)展的： ，提高芯片的工作速度，降低工作電壓和降低功耗： CPU 體系結(jié)構(gòu)，最基本的外設(shè)裝置（如異步串行口，定時(shí)器等） 和一套公用的指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，把不同的外設(shè)裝置集成到芯片內(nèi)，在同一個(gè)家族內(nèi)繁衍滋生出各種型號(hào)的單片機(jī)。另外在單片機(jī)的應(yīng)用中，可靠性是首要因素，為了擴(kuò)大單片機(jī)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，提高單片機(jī)自身的可靠性是一種有效方法。近年來 ，單片機(jī)的生產(chǎn)廠家在單片機(jī)設(shè)計(jì)上采用了各種提高可靠性的新技術(shù)，主要表現(xiàn)在一下幾點(diǎn)： (1)EFT(Electrical Fast Transient)技術(shù) (2)低噪音布線技術(shù)及驅(qū)動(dòng)技術(shù) (3)采用低頻時(shí)鐘 總之，單片機(jī)在目前的發(fā)展形勢(shì)下，表現(xiàn)出幾大趨勢(shì)： (1)可靠性及應(yīng)用水平越來越高，和 inter 連接已是一種明顯的走向； (2)所集成的部件越來越多； (3)功耗越來越低； (4)和模擬電路結(jié)合越來越多。 STC12C5A60S2 單片機(jī) STC12C5A60S2單片機(jī)（引腳如圖 31）是宏晶 科技生產(chǎn)的一種能夠與傳統(tǒng) 8051完全兼容的新型單片機(jī)，它執(zhí)行速度是傳統(tǒng) 51單片機(jī)的 8—12倍，內(nèi)部集成 MAX810專用復(fù)位電路 ,2路PWM,8路高速 10位 A/D轉(zhuǎn)換 (即 P1口 )，因此具有很強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，本身自帶的 10位 A/D轉(zhuǎn)換更是為本設(shè)計(jì)節(jié)約了成本。 其基本參數(shù)如下 [4]： MCS51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 字節(jié)可重擦寫 FLASH 閃存存儲(chǔ)器。 次寫 /擦循環(huán)。 ： 0Hz— 35MHz 相當(dāng)于普通單片機(jī)的 0— 420M。 。 字節(jié)內(nèi) 部 RAM。 。 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 7 個(gè)中斷源。 路 PWM。 。 。 圖 31 STC12C5A60S2 規(guī)范引腳 LTC1049CN8 運(yùn)算放大器 LTC1049（引腳如圖 32）是一種高性能，低功耗的零漂移運(yùn)算放大器。此外， LTC1049提供優(yōu)越的 DC 和 AC 性能，其理論供應(yīng)電流僅為 200181。A。 LTC1049 擁有典型失調(diào)電 壓漂移青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 176。C， 到 10Hz 輸入噪聲電壓的 3181。V。轉(zhuǎn)換速度電壓增益為與典型的 160dB 與增益帶寬產(chǎn)品的 。超載從飽和狀態(tài)的恢復(fù)時(shí)間 6ms,比削波器放大器顯著改善使用外部電容器，可以在 LTC1049 是一個(gè)插件替換與大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算 amps 大幅度提高 DC 性能和降低功耗。 其基本參數(shù)如下： ： 200181。A ： 10181。V ： 176。C ： 到 16V ： 6ms 8Pin 可用，以便和 PDIP 軟件包兼容 圖 32 LTC1049CN8 的引腳圖 LCD1602 液晶顯示屏 LCD顯示有很多種，常用的有 1602和 12864兩種，由于本設(shè)計(jì)中顯示的甲醛含量屬于較簡(jiǎn)單的字符，可以考慮使用 1