【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 正極 8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源負(fù)極 表 32 LCD1602接口 信號(hào)表格 甲醛傳感器 本甲醛檢測(cè)儀采用英國(guó)達(dá)特（ DART）公司生產(chǎn)的甲醛傳感器如圖 33。該傳感器是兩電極電化學(xué)型的傳感器，通過(guò)擴(kuò)散原理實(shí)現(xiàn)，因此不需要外部采樣硬件。當(dāng)有甲醛氣 體存在的時(shí)候，將會(huì)有一個(gè)很小的直流產(chǎn)生；傳基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 感器本身不需要電源供應(yīng)，但是產(chǎn)生的這個(gè)電流需要外部的數(shù)據(jù)采集將其變?yōu)榭勺x的信號(hào)。 主要參數(shù)如下 [6]： 0一 10ppm，最大值 50ppm； 250～ 300nA／ ppm； 0． 01ppm； 30s； (+20℃ 一 +40C)lppm； 10℃ 一 40℃ ； ； 3年。 圖 33 甲醛傳感器的實(shí)物圖 基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分 系統(tǒng)整體電路的原理 基于上述的首選設(shè)備 ， 提出了硬件設(shè)計(jì)功能框圖如圖 41所示 甲醛檢測(cè)儀的核心控制器選用 STC12C5A60S2單片機(jī)。單片機(jī)與LTC1049CN8運(yùn)算放大器 構(gòu)成模擬量采集系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的采集 ，并通過(guò) A/D以及 LCD1602液晶顯示器完成數(shù)據(jù)的 轉(zhuǎn)換和顯示。 系統(tǒng)晶振電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)在工作時(shí)的每個(gè)指令的微操作在時(shí)間上都有嚴(yán)格的秩序 ， 這樣的微操作時(shí)間順序稱為時(shí)序，單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)用于給單片機(jī)芯片里的各種微操作提供了一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn) ， STC12C5A60S2的時(shí)鐘生產(chǎn)方式分為兩種 ， 一種是內(nèi) 部 時(shí)鐘方式 ， 一是外部時(shí)鐘方式 [7]。內(nèi)部時(shí)鐘的方式就是在單片機(jī)外部連接一個(gè)晶振電路和單片機(jī)內(nèi)部的振蕩器發(fā)生作用產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。外部時(shí)鐘形式是把現(xiàn)有的外部時(shí)鐘信號(hào)引入到控制器在里面 ， 這種方法通常被用于多片 STC12C5A60S2單片機(jī)同時(shí)工作時(shí) ， 為了方便單片機(jī)系統(tǒng)的同步 ， 一般要求外部信號(hào)的高電平的持續(xù)時(shí)間超過(guò) 20 ns， 且為 頻率 低 于 12MHz甲 醛 傳 感 器 放大電路 STC12C5A60S2單片機(jī) （ A/D 轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理） LCD1602 按鍵 模塊 圖 41 硬件功能框圖 報(bào)警電路 圖 41 硬件功能框圖 基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 的方波 [8]。 該系統(tǒng)以盡量降低功耗的原則使用了內(nèi)部時(shí)鐘模式。 圖 42 晶振電路圖 在 STC12C5A60S2單片機(jī) 內(nèi)部有一個(gè)震蕩電路 ， 只要在單片機(jī)的處理器的 XTAL1和 XTAL2引腳外接石英晶體 (簡(jiǎn)稱晶振 )就構(gòu)成了自激振蕩器并且在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào) ， 如 圖 42中的電容器 C2和 C3起 穩(wěn)定頻率和快速起振 作用 ，電容值在 530pF， 典型值是 22 pF， 晶振 CYS選擇的是 12 MHz。 系統(tǒng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì) ① 復(fù)位的意義 單片機(jī)開始工作的時(shí)候，必須處于一種確定的狀態(tài)，否則，不知哪是第一條程序和如何開始運(yùn)行程序。端口線電平和輸入輸出狀態(tài)不確定可能使外圍設(shè)備誤動(dòng)作，導(dǎo)致嚴(yán)重事故的發(fā)生；內(nèi)部一些控制寄存器（專用寄存器 ）內(nèi)容不確定可能導(dǎo)致定時(shí)器溢出、程序尚未開始就要中斷及串口亂傳向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù) .因此，任何單片機(jī)在開始工作前，都必須進(jìn)行一次復(fù)位過(guò)程，使單片機(jī)處于一種確定的狀態(tài)。 ②復(fù)位電路原理 當(dāng)在 STC12C5A60S2單片機(jī)的 RST引腳引入高電平并保持 2個(gè)機(jī)器周期時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)）。 實(shí)際的應(yīng)用中 ， 復(fù)位操作有兩種基本類型 :一種是上電復(fù)位 ， 另一種是上電和按鍵都有效的復(fù)位 ， 要求接通電源后 ， 單片機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。 本次設(shè)計(jì)中的復(fù)位電路采用的是開關(guān)復(fù)位電路，開關(guān) S7沒(méi)有按下時(shí)是上電復(fù)位電路，上電復(fù)位電路在上電的瞬間 ， 由于電容上的電壓不能突變 ，基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 電容充電 (導(dǎo)通 )狀態(tài) ， 所以 RST 引腳的電壓和 VCC 相同。隨著電容的充電 ，RST 引腳上的電壓會(huì)逐漸降低。選擇合理的充電常數(shù) ， 就可以保證開關(guān)按下時(shí) RST端有兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平 ， 從而使 STC12C5A60S2 內(nèi)部復(fù)位。開關(guān)按下時(shí)是手動(dòng)復(fù)位電路， RST 端口通過(guò)電阻與 VCC 電源相接通，通過(guò)電阻的分壓來(lái)可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位。電路圖見(jiàn)圖 43。 圖 43 復(fù)位電路圖 系統(tǒng)放大電路設(shè)計(jì) 由于傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，因此放大器需 要選擇高放大倍數(shù)的運(yùn)放。電路設(shè)計(jì)和元器件的選擇因此顯得非常關(guān)鍵。校準(zhǔn)可以通過(guò)調(diào)整電路的放大倍數(shù)，從而在軟件中實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。具體放大電路如圖 44，用 電 壓 源信號(hào) 模擬甲醛傳感器輸出，放大器對(duì)其進(jìn)行放大。在系統(tǒng)中的高精度測(cè)量放大電路設(shè)計(jì)中，反饋電阻選為 470 k，同時(shí)并聯(lián)一個(gè) 在沒(méi)有反向響應(yīng)時(shí)間的情況下降噪 [9]。 基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 圖 44放大電路 電路原理圖 系統(tǒng)單片機(jī)及顯示電路的設(shè)計(jì) 由于 STC12C5A60S2 單片機(jī)與普通 51 單片機(jī)的引腳相同且完全兼容，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以采用普通的單片機(jī)最小系 統(tǒng)板進(jìn)行布局即可，放大電路的信號(hào)可以經(jīng)過(guò) P1 口進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理后經(jīng)過(guò)連接P0 口的 LCD1062 進(jìn)行顯示。其具體電路如圖 45所示 基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 圖 45顯示電路 系統(tǒng)報(bào)警電路設(shè)計(jì) 當(dāng)電路測(cè)試到甲醛濃度超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限制性時(shí) ， 將產(chǎn)生 一個(gè) 信號(hào) 給報(bào)警電路。讓報(bào)警電路報(bào)警以此來(lái)提醒工作人員查看解決 ， 超限報(bào)警電路如下圖 46所示。 這是由 STC12C5A60S2的 ， 當(dāng) 監(jiān)測(cè)到的甲醛濃度 超過(guò)設(shè)置的 數(shù)值 PPM時(shí) ， 通過(guò)預(yù)設(shè)的程序使 ， 從而使三極管導(dǎo)通，報(bào) 警電路 接通 ， 使蜂鳴器發(fā)出警號(hào)聲。這個(gè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)主要依靠程序來(lái)完成。 圖 46 報(bào)警電路 基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 5 系統(tǒng)軟件設(shè) 計(jì) 程序編寫語(yǔ)言介紹 在 單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用 中 ，逐漸引入了高級(jí)語(yǔ)言， C語(yǔ)言就是其中的一種。匯編語(yǔ)言的可控性較高級(jí)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)更具優(yōu)越性。程序編寫語(yǔ)言比較常見(jiàn)的有 C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言的機(jī)器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。 C語(yǔ)言編寫的程序比用匯編編寫的程序更符合人們的思考習(xí)慣。還有很多處理器都支持 C 編譯器，這樣意味著處理器也能很快上手。且具有良好的模塊化、容易閱讀、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn) ，且編寫的模塊程序易于移植 [10]?；?C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用 C 語(yǔ)言編寫方法。 主程序模塊 主程序?qū)崿F(xiàn)的功能： 圖 51主程序流程圖 基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 模數(shù)轉(zhuǎn)換 (1)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的主要功能就是把經(jīng)放大器放大的模擬 電流 信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，并傳送給單片機(jī)。 (2)STC12C5A60S2 轉(zhuǎn)換的流程圖見(jiàn)下圖 52所示。 圖 52數(shù)模轉(zhuǎn)換流程圖 按鍵模塊 (1)按鍵是顯示人機(jī)對(duì)話的一個(gè)控制按鈕，通過(guò)對(duì)按鍵的操作，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)送操作指令，后經(jīng)與單片機(jī)串行通信 ，然后在液晶上顯示。 (2)按鍵的流程圖見(jiàn)下圖 基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 圖 53按鍵流程圖 液晶顯示模塊 本系統(tǒng)使用 1602 液晶顯示?？刂瞥绦蛑饕腥糠郑合蛞壕е袑懭胫噶?；向液晶中寫入數(shù)據(jù)；液晶測(cè)試忙碌狀態(tài)。寫命令時(shí)，首先測(cè)液晶是否忙碌，液晶忙碌信號(hào)消失后，置 RS及 RW 引腳低電平，然后使能端 EN 為高電平，下一條指令 EN 為低電平，有一定延時(shí)。之后液晶將開始處理這條指令，置位忙碌信號(hào)，在指令處理期間將不再響應(yīng)其他指令或數(shù)據(jù)請(qǐng)求；寫數(shù)據(jù)，先測(cè)是否忙碌，液晶忙碌信號(hào)消失后；置 RS=1， RW=0，然后使能端EN=1；下一條指令 EN=0，之后液晶將開始處理這條指令，置位忙碌信號(hào)，在指令處理期間將不再響應(yīng)其他指令或數(shù)據(jù)請(qǐng)求 。 液晶的程序主要由初始化函數(shù)、寫入函數(shù)、清 RAM函數(shù)，其中初始化液晶的工作狀態(tài)，包括光標(biāo)歸位，顯示設(shè)置，顯示移位等，屏幕清空等命令，是使用液晶前必須要執(zhí)行的函數(shù)。子程序流程圖如下圖所示。 基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 圖 54 液晶顯示的操作流程圖 6 系統(tǒng)仿真 Proteus 是英國(guó) Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它 運(yùn)行于 Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是： ①實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及 其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS232 動(dòng)態(tài)仿真、I2C 調(diào)試器、 SPI 調(diào)試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。 ②支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有： 68000 系列、8051 系列、 AVR 系列、 PIC12 系列、 PIC16 系列、 PIC18 系列、 Z80 系列、HC11 系列以及各種外圍芯片。 ③提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第 三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 Keil C51 uVision2 等軟件。 ④具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機(jī)和 SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。本章介紹 Proteus ISIS 軟件的工作環(huán)境和一些基本操作。 前面已經(jīng)把單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)完成了，下一步就可以著手進(jìn)行仿真，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的過(guò)程之中肯定有許多的錯(cuò)誤，需要進(jìn)行仿真來(lái)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和調(diào)試錯(cuò)誤。這樣才能使單片機(jī)低功耗計(jì)數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加完善，本次系統(tǒng)仿真采用的是軟件仿真，使用的是 proteus 軟件。 Proteus軟件由 ISIS和 ARES兩個(gè)軟件構(gòu)成，其中 ISIS是原理圖編輯與仿真軟件， ARES是布線編輯軟件。本次系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)其中的原理圖編輯和PCB布線就是在這個(gè)軟件環(huán)境中完成的，至于軟件設(shè)計(jì)，則是采用 proteus軟件中的 ISIS和 Keil uVision進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。 當(dāng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)都完成的時(shí)候就可以看到虛擬的基于單片機(jī)的甲醛測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行，仿真效果見(jiàn)附件 一。 最后特別要指出的是：由于此款仿真軟件中未有甲醛傳感器，因此用滑動(dòng)電 阻器代替，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值的大小來(lái)為本系統(tǒng)提供不同的采集