【文章內(nèi)容簡介】 正極 8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源負極 表 32 LCD1602接口 信號表格 甲醛傳感器 本甲醛檢測儀采用英國達特（ 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型的傳感器，通過擴散原理實現(xiàn)，因此不需要外部采樣硬件。當有甲醛氣 體存在的時候，將會有一個很小的直流產(chǎn)生；傳基于單片機的室內(nèi)甲醛測試系統(tǒng)設計 8 感器本身不需要電源供應，但是產(chǎn)生的這個電流需要外部的數(shù)據(jù)采集將其變?yōu)榭勺x的信號。 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 甲醛傳感器的實物圖 基于單片機的室內(nèi)甲醛測試系統(tǒng)設計 9 4 系統(tǒng)硬件設計部分 系統(tǒng)整體電路的原理 基于上述的首選設備 ， 提出了硬件設計功能框圖如圖 41所示 甲醛檢測儀的核心控制器選用 STC12C5A60S2單片機。單片機與LTC1049CN8運算放大器 構成模擬量采集系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的采集 ，并通過 A/D以及 LCD1602液晶顯示器完成數(shù)據(jù)的 轉換和顯示。 系統(tǒng)晶振電路的設計 單片機在工作時的每個指令的微操作在時間上都有嚴格的秩序 ， 這樣的微操作時間順序稱為時序，單片機時鐘信號用于給單片機芯片里的各種微操作提供了一個時間基準 ， STC12C5A60S2的時鐘生產(chǎn)方式分為兩種 ， 一種是內(nèi) 部 時鐘方式 ， 一是外部時鐘方式 [7]。內(nèi)部時鐘的方式就是在單片機外部連接一個晶振電路和單片機內(nèi)部的振蕩器發(fā)生作用產(chǎn)生時鐘脈沖信號。外部時鐘形式是把現(xiàn)有的外部時鐘信號引入到控制器在里面 ， 這種方法通常被用于多片 STC12C5A60S2單片機同時工作時 ， 為了方便單片機系統(tǒng)的同步 ， 一般要求外部信號的高電平的持續(xù)時間超過 20 ns， 且為 頻率 低 于 12MHz甲 醛 傳 感 器 放大電路 STC12C5A60S2單片機 （ A/D 轉換及數(shù)據(jù)處理） LCD1602 按鍵 模塊 圖 41 硬件功能框圖 報警電路 圖 41 硬件功能框圖 基于單片機的室內(nèi)甲醛測試系統(tǒng)設計 10 的方波 [8]。 該系統(tǒng)以盡量降低功耗的原則使用了內(nèi)部時鐘模式。 圖 42 晶振電路圖 在 STC12C5A60S2單片機 內(nèi)部有一個震蕩電路 ， 只要在單片機的處理器的 XTAL1和 XTAL2引腳外接石英晶體 (簡稱晶振 )就構成了自激振蕩器并且在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號 ， 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)復位電路的設計 ① 復位的意義 單片機開始工作的時候，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備誤動作，導致嚴重事故的發(fā)生；內(nèi)部一些控制寄存器（專用寄存器 ）內(nèi)容不確定可能導致定時器溢出、程序尚未開始就要中斷及串口亂傳向外設發(fā)送數(shù)據(jù) .因此，任何單片機在開始工作前，都必須進行一次復位過程，使單片機處于一種確定的狀態(tài)。 ②復位電路原理 當在 STC12C5A60S2單片機的 RST引腳引入高電平并保持 2個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)）。 實際的應用中 ， 復位操作有兩種基本類型 :一種是上電復位 ， 另一種是上電和按鍵都有效的復位 ， 要求接通電源后 ， 單片機自動實現(xiàn)復位操作。 本次設計中的復位電路采用的是開關復位電路，開關 S7沒有按下時是上電復位電路，上電復位電路在上電的瞬間 ， 由于電容上的電壓不能突變 ，基于單片機的室內(nèi)甲醛測試系統(tǒng)設計 11 電容充電 (導通 )狀態(tài) ， 所以 RST 引腳的電壓和 VCC 相同。隨著電容的充電 ，RST 引腳上的電壓會逐漸降低。選擇合理的充電常數(shù) ， 就可以保證開關按下時 RST端有兩個機器周期以上的高電平 ， 從而使 STC12C5A60S2 內(nèi)部復位。開關按下時是手動復位電路， RST 端口通過電阻與 VCC 電源相接通，通過電阻的分壓來可以實現(xiàn)單片機的復位。電路圖見圖 43。 圖 43 復位電路圖 系統(tǒng)放大電路設計 由于傳感器的輸出信號非常微弱，因此放大器需 要選擇高放大倍數(shù)的運放。電路設計和元器件的選擇因此顯得非常關鍵。校準可以通過調整電路的放大倍數(shù)，從而在軟件中實現(xiàn)校準。具體放大電路如圖 44，用 電 壓 源信號 模擬甲醛傳感器輸出，放大器對其進行放大。在系統(tǒng)中的高精度測量放大電路設計中，反饋電阻選為 470 k，同時并聯(lián)一個 在沒有反向響應時間的情況下降噪 [9]。 基于單片機的室內(nèi)甲醛測試系統(tǒng)設計 12 圖 44放大電路 電路原理圖 系統(tǒng)單片機及顯示電路的設計 由于 STC12C5A60S2 單片機與普通 51 單片機的引腳相同且完全兼容，因此在設計電路時可以采用普通的單片機最小系 統(tǒng)板進行布局即可，放大電路的信號可以經(jīng)過 P1 口進入單片機進行 AD 轉換和數(shù)據(jù)處理后經(jīng)過連接P0 口的 LCD1062 進行顯示。其具體電路如圖 45所示 基于單片機的室內(nèi)甲醛測試系統(tǒng)設計 13 圖 45顯示電路 系統(tǒng)報警電路設計 當電路測試到甲醛濃度超過國家標準的限制性時 ， 將產(chǎn)生 一個 信號 給報警電路。讓報警電路報警以此來提醒工作人員查看解決 ， 超限報警電路如下圖 46所示。 這是由 STC12C5A60S2的 ， 當 監(jiān)測到的甲醛濃度 超過設置的 數(shù)值 PPM時 ， 通過預設的程序使 ， 從而使三極管導通，報 警電路 接通 ， 使蜂鳴器發(fā)出警號聲。這個任務的實現(xiàn)主要依靠程序來完成。 圖 46 報警電路 基于單片機的室內(nèi)甲醛測試系統(tǒng)設計 14 5 系統(tǒng)軟件設 計 程序編寫語言介紹 在 單片機的開發(fā)應用 中 ，逐漸引入了高級語言， C語言就是其中的一種。匯編語言的可控性較高級語言來說更具優(yōu)越性。程序編寫語言比較常見的有 C語言、匯編語言。匯編語言的機器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。 C語言編寫的程序比用匯編編寫的程序更符合人們的思考習慣。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、維護等優(yōu)點 ，且編寫的模塊程序易于移植 [10]?；?C語言和匯編語言的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)采用 C 語言編寫方法。 主程序模塊 主程序實現(xiàn)的功能： 圖 51主程序流程圖 基于單片機的室內(nèi)甲醛測試系統(tǒng)設計 15 模數(shù)轉換 (1)模數(shù)轉換模塊的主要功能就是把經(jīng)放大器放大的模擬 電流 信號轉化為單片機能夠處理的數(shù)字信號，并傳送給單片機。 (2)STC12C5A60S2 轉換的流程圖見下圖 52所示。 圖 52數(shù)模轉換流程圖 按鍵模塊 (1)按鍵是顯示人機對話的一個控制按鈕，通過對按鍵的操作，對系統(tǒng)進行發(fā)送操作指令，后經(jīng)與單片機串行通信 ，然后在液晶上顯示。 (2)按鍵的流程圖見下圖 基于單片機的室內(nèi)甲醛測試系統(tǒng)設計 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。控制程序主要有三部分：向液晶中寫入指令；向液晶中寫入數(shù)據(jù)；液晶測試忙碌狀態(tài)。寫命令時，首先測液晶是否忙碌，液晶忙碌信號消失后，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。之后液晶將開始處理這條指令，置位忙碌信號，在指令處理期間將不再響應其他指令或數(shù)據(jù)請求；寫數(shù)據(jù)，先測是否忙碌，液晶忙碌信號消失后；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，在指令處理期間將不再響應其他指令或數(shù)據(jù)請求 。 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)，包括光標歸位，顯示設置，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。 基于單片機的室內(nèi)甲醛測試系統(tǒng)設計 17 圖 54 液晶顯示的操作流程圖 6 系統(tǒng)仿真 Proteus 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它 運行于 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，該軟件的特點是： ①實現(xiàn)了單片機仿真和 SPICE 電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及 其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS232 動態(tài)仿真、I2C 調試器、 SPI 調試器、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、信號發(fā)生器等。 ②支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有： 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提供軟件調試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟基于單片機的室內(nèi)甲醛測試系統(tǒng)設計 18 件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第 三方的軟件編譯和調試環(huán)境，如 Keil C51 uVision2 等軟件。 ④具有強大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機和 SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。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)把單片機系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計完成了，下一步就可以著手進行仿真，因為在設計的過程之中肯定有許多的錯誤，需要進行仿真來發(fā)現(xiàn)錯誤和調試錯誤。這樣才能使單片機低功耗計數(shù)系統(tǒng)的設計更加完善，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兩個軟件構成，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)的硬件設計其中的原理圖編輯和PCB布線就是在這個軟件環(huán)境中完成的，至于軟件設計，則是采用 proteus軟件中的 ISIS和 Keil uVision進行聯(lián)合調試。 當硬件設計和軟件設計都完成的時候就可以看到虛擬的基于單片機的甲醛測試系統(tǒng)的運行，仿真效果見附件 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，因此用滑動電 阻器代替，調節(jié)滑動變阻器阻值的大小來為本系統(tǒng)提供不同的采集