【正文】 基于單片機(jī)的便攜式甲醛檢測儀的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 本文研究設(shè)計(jì) 了一種用于公共場所及室內(nèi)具有檢測及超限報(bào)警功能的甲醛智能測試儀。 其設(shè)計(jì)方案基于 89C51 單片機(jī)，選擇瑞士蒙巴波公司的 CH20/S10甲醛傳感器。 系統(tǒng)將傳感器輸出的 4~20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號通過以 AD0832 為核心的A/D 轉(zhuǎn)換電路調(diào)理后，經(jīng)由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后由 LCD 顯示甲醛濃度值 。 文中詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理過程以及數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)和報(bào)警電路的設(shè)計(jì)方法和過程。 系統(tǒng)對于采樣地點(diǎn)超出規(guī)定的甲醛容許濃度時(shí) 采用 三極管驅(qū)動(dòng)的單音頻報(bào)警 電路 提醒監(jiān)測人員。同時(shí)，操作人員對于具體報(bào)警點(diǎn)的上限值可以通過 單片機(jī)編程 進(jìn)行設(shè)置。另外， 該系統(tǒng)對濃度信號進(jìn)行了信號補(bǔ)償?shù)忍幚恚瑴p少了測量誤差，因此 ， 具有較高的測量精度，而且結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良。本系統(tǒng)的量程為 010ppm， 精度為 。 關(guān)鍵詞 : 甲醛檢測 ， 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng) ， 硬件電路，軟件設(shè)計(jì)， A/D 轉(zhuǎn)換器，AT89C52 單片機(jī) I 目 錄 1 緒論 .............................................................. 1 引言 ......................................................... 1 甲醛的特性及危害 ....................................... 1 甲醛的來源 ............................................. 1 甲醛檢測儀的種類 ............................................. 1 系統(tǒng)總概述 ................................................... 2 總體方案設(shè)計(jì) ................................................. 2 2 硬件設(shè)計(jì) .......................................................... 3 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) ................................................. 3 硬件設(shè)計(jì)主電路圖 ............................................. 3 硬件選擇 ..................................................... 3 的選擇與簡介 ........................................ 3 單片機(jī)最小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) ................................... 9 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) .......................................... 12 模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇與簡介 .................................. 13 按鍵選擇與簡介 ........................................ 15 外圍擴(kuò)充存儲(chǔ)器 ........................................ 16 時(shí)鐘芯片選擇與簡介 .................................... 17 上拉電阻 .............................................. 19 液晶顯示器簡介 ........................................ 20 報(bào)警電路 ............................................. 22 硬件仿真環(huán)境介紹 ..................................... 24 3 軟件設(shè)計(jì) ......................................................... 26 軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) ................................................ 26 編寫語言的選擇 .............................................. 26 主程序模塊 .................................................. 27 模數(shù)轉(zhuǎn)換 .................................................... 27 按鍵模塊 .................................................... 28 II 時(shí)鐘模塊 .................................................... 28 液晶顯示模塊 ................................................ 29 4 系統(tǒng)仿真 ......................................................... 30 5 結(jié)束語 ........................................................... 32 致 謝 .............................................................. 33 參考文獻(xiàn) ........................................................... 34 附 錄 .............................................................. 35 西 南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 引言 甲醛的特性及危害 甲醛是一種無色，有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體。易溶于水、醇和醚。甲醛在常溫下是氣態(tài)，通常以水溶液形式出現(xiàn)。其 37%的水溶液稱為福爾馬林，醫(yī)學(xué)和科研部門常用于標(biāo)本的防腐保存。此溶液沸點(diǎn)為 ℃ 故在室溫時(shí)極易揮發(fā)，隨著溫度的上升甲醛的揮發(fā)速度加快。 在我國有毒化學(xué)品優(yōu)先控制名單中甲醛列居第二位。甲醛已被 世界衛(wèi)生組織確定為致癌和致畸形物質(zhì)。甲醛是原漿毒物，能 與蛋白質(zhì)結(jié)合，吸入高濃度甲醛后會(huì)出現(xiàn)呼吸道的嚴(yán)重刺激和水腫、眼刺痛、頭痛，也可發(fā)生支氣管哮喘皮膚直接接觸甲醛，可引起皮炎、色斑、壞死。經(jīng)常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出現(xiàn)粘膜充血、皮膚刺激癥、過敏性皮炎、指甲角化和脆弱等。全身癥狀有頭痛、乏力、心悸、失眠、體重減輕以及植物神經(jīng)紊亂等。 甲醛的來源 （ 1） 室內(nèi)裝修所用的合成板材，如膠合板、細(xì)木工板、高密度板、刨花板。這些板材中甲醛起膠合劑、防腐劑的作用，主要用于加強(qiáng)板材的硬度、防蟲、防腐。板材 中殘留的和未參與反應(yīng)的甲醛逐漸向周圍環(huán)境釋放，是室內(nèi)空氣中甲醛的主要來源。 （ 2） 用合成板材制造的家具，廠家為了追求利潤使用不合格的板材，再粘貼面材料時(shí)使用不合格的膠水，造成家具中甲醛含量超標(biāo)。 （ 3） 含有甲醛成分并有可能向外界散發(fā)的各類裝飾材料，如壁紙、地毯、油漆。 甲醛檢測儀的種類 目前，市場上甲醛檢測儀的種類是多種多樣，其中較常見的是采用試驗(yàn)紙光電光度法，即：當(dāng)甲醛氣體吹到浸有發(fā)色劑的試紙上時(shí) ， 與浸有發(fā)色劑的 TAB組合就會(huì)因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而變色。 甲醛同試紙接觸后含在紙里的試藥就會(huì)同甲醛反應(yīng)生成化合 物，顏色就會(huì)從白色變成黃色。變色的程度可反映出所受光的反射光量，反射光量的強(qiáng)度變化率可以作為被測氣體的甲醛含量的應(yīng)答值。預(yù)先設(shè)定檢測線，便可通過測量其反應(yīng)率來測出甲醛氣體的濃度值。在氣體的采集方面有的西 南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 是采用自動(dòng)吸引式（內(nèi)藏微型氣泵），有的采用擴(kuò)散式。對于試驗(yàn)紙光電光度法來分析甲醛的濃度，它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，操作簡便，測定速度快。而該方法在分析甲醛濃度時(shí)往往采用的是目視比色法，它的缺點(diǎn)是： ，不能久存，經(jīng)常需要在測定的同時(shí)配制溶液，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)事。 ，一般相對 誤差為177。 5～ 20%。本論文設(shè)計(jì)的便攜式甲醛檢測儀所涉及的甲醛傳感器是電化學(xué)傳感器。它可以將甲醛氣體的濃度轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號。這樣就可以通過電流電壓變換電路將微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為可以測量的穩(wěn)定的電壓信號，增強(qiáng)了電信號的穩(wěn)定性。 系統(tǒng)總概述 本論文主要完成 甲醛檢測儀 軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括： A/D轉(zhuǎn)換器程序、控制程序、超標(biāo)報(bào)警、鍵盤檢測、數(shù)據(jù)顯示等。 本系統(tǒng)采用單片機(jī)為控制核心， 以 實(shí)現(xiàn) 便攜式甲醛檢測儀的 基本控制功能。系統(tǒng)主要功能內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)處理、時(shí)間設(shè)置、開始測量、超標(biāo)報(bào)警、鍵盤檢測、自動(dòng)休眠：儀器若不 進(jìn)行稱量操作， 5分鐘后自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，以降低電源消耗。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用功能模塊化的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)主要分為總體方案設(shè)計(jì)、硬件和軟件的設(shè)計(jì)三大部分。 總體方案設(shè)計(jì) 室內(nèi)甲醛污染對人身體健康影響較大，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法絕大多數(shù)是化學(xué)分析法 ， 使用的手段是實(shí)驗(yàn)室分析儀器 ， 主要有比色計(jì)、分光光度計(jì)、化學(xué)滴定、氣相和液相色譜。但這些方法費(fèi)力費(fèi)時(shí)、成本高、自動(dòng)化程度低過程復(fù)雜、大多數(shù)過程是人工操作很難做到現(xiàn)場實(shí)時(shí)控制 。 本 設(shè)計(jì)可選用基于電 化學(xué)原理的甲醛傳感器，其原理是空氣中的甲醛在電極下發(fā)生氧化反應(yīng)， 產(chǎn)生的擴(kuò)散電極電流與 空氣中的甲醛濃度成正比，通過檢測放大電路和放大倍數(shù)的調(diào)整經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后送單片機(jī) 、由單片機(jī)現(xiàn)場自動(dòng)控制檢測并顯示甲醛濃度。 由于 甲醛含量 超量的話 ，將對人體健康造成很大的影響。 具有 民 用價(jià)值的便攜式甲醛 檢測儀 的研制受到了人們的高度重視。 設(shè)計(jì)能夠滿足生活需要，攜帶方便的 便攜式甲醛檢測儀 迫在眉睫。針對目前的現(xiàn)狀， 本 系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵守體積小，質(zhì)量輕，性價(jià)比高的原則。 西 南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 2 硬件設(shè)計(jì) 硬件 設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu) 硬件設(shè)計(jì) 部分 主要 包括 ：（ MCU、 A/D、時(shí)鐘芯片、 LCD、外圍擴(kuò)展數(shù)據(jù) RAM）等芯片的選擇；硬件主電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換 電路設(shè)計(jì)、液晶顯示電路設(shè)計(jì)、外圍擴(kuò)充存儲(chǔ)器接口電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、鍵盤接口電路等功能模塊電路設(shè)計(jì)。 硬件結(jié)構(gòu)框圖 21： 圖 21硬件結(jié)構(gòu)框圖 硬件設(shè)計(jì)主電路圖 硬件設(shè)計(jì)住電路圖見附錄一 硬件選擇 的選擇與簡介 （ 1） 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)，通常簡稱單片機(jī)。 單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： 西 南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 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)。 （ 2） 單片機(jī)的發(fā)展與趨勢 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： ① 改進(jìn)集成電路制造工藝，提高芯片的工作速度，降低工作電壓和降低功耗： ② 在保留共同的 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