室內(nèi)甲醛污染自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究

1、寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要 甲醛是一種重要的化工原料和有機(jī)溶劑，是制造油漆、塑料、橡膠、染料等的原料。 目前，應(yīng)用子家庭裝修的材料中不可避免的含有甲醛。另外，甲醛作為消毒劑、防腐劑、 熏蒸劑等也普遍存在于人們的身邊，嚴(yán)重的危害著人們的健康。目前，己有了很多甲醛 的檢測(cè)方法，本文通過甲醛氣體傳感器構(gòu)建智能控制系統(tǒng)，檢測(cè)甲醛的濃度，當(dāng)其濃度 超過國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)及時(shí)打開窗戶通風(fēng)同時(shí)進(jìn)行語音與電話報(bào)警。 本文圍繞如何構(gòu)建一個(gè)基于甲醛的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了展開和研究，提出了以 AT89C51 單片機(jī)為核心的解決方案。AT89C51 是 8 位單片機(jī)，性價(jià)比高，外圍電路豐富， 本設(shè)計(jì)采用串行通信方式，利用

2、少量的 I/O 接口，采用 TLC2543 串行 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，擴(kuò) 展出一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用串行通信模塊 CR6269A 擴(kuò)展出智能報(bào)警系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng) 的配置且降低了設(shè)計(jì)成本。 關(guān)鍵詞：甲醛、單片機(jī)、傳感器、TLC2543、 CR6269A 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) II Abstract Formaldehyde is an important chemical raw materials and organic solvents, are manufacturing paint, plastics, rubber, dyes and other raw materials. At pr

3、esent, the materials used in home decoration inevitable containing formaldehyde. In addition, formaldehyde as disinfectants, preservatives, fumigants are also commonly found in peoples side, seriously endangering peoples health. At present, there are a lot of formaldehyde detection methods, this pap

4、er formaldehyde gas sensors to build intelligent control system to detect the concentration of formaldehyde, when its concentration exceeded the national standards for open windows and ventilation in a timely manner at the same time voice and phone alarm. This article on how to build a formaldehyde-

5、based intelligent control system development and research with AT89C51 single-chip microcomputer as the core solution. AT89C51 are 8-bit single-chip, cost-effective, rich peripheral circuits, the design uses a serial communication means,using a small amount of I/O interface, using TLC2543 Serial A/D

6、 conversion chips,the expansion of a data acquisition system, Serial communication module CR6269A the intelligent alarm system to expand and simplify the system configuration and to reduce design cost. Key words:Formaldehyde;Single Chip Mircocomputer;Sensor;TLC2543;CR6269A. 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) III 目目 錄錄 摘 要

7、.I Abstract.II 1 緒論.1 1.1 課題的背景和意義.1 1.2 國內(nèi)外研究和動(dòng)態(tài).2 1.2.1 分光光度法.2 1.2.2 色譜法.2 1.2.3 化學(xué)發(fā)光法.2 1.2.4 極譜法.3 1.2.5 化學(xué)傳感器.3 1.2.6 快速測(cè)定儀.3 1.2.7 光學(xué)測(cè)定儀.3 1.2.8 電化學(xué)側(cè)定儀.3 1.3 本文的主要工作.4 2 智能系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì).5 2.1 智能系統(tǒng)的總體組成.5 2.2 智能控制系統(tǒng)主處理器 AT89C51.5 2.2.1 復(fù)位電路與時(shí)鐘電路.6 2.2.2 AT89C51 內(nèi)部 I/O 口及其應(yīng)用 .7 2.2.3 訪問程序存儲(chǔ)器的控制信號(hào).8 2

8、.2.4 程序狀態(tài)寄存器(PSW).9 2.2.5 串行口的結(jié)構(gòu).10 2.2.6 甲醛檢測(cè)部分.12 2.3 電話報(bào)警部分.13 2.4 電機(jī)執(zhí)行部分.14 3 甲醛檢測(cè)部分的設(shè)計(jì).15 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) IV 3.1 甲醛傳感器.15 3.1.1 CH2 O/s10 型甲醛傳感器原理 .15 3.1.2 甲醛傳感器的技術(shù)說明.15 3.1.3 傳感器補(bǔ)償算法.16 3.2 測(cè)量電路.18 3.2.1 RCV420 電流和電壓轉(zhuǎn)換芯片.18 3.2.2 TLC2543A/D 轉(zhuǎn)換器 .18 4 電話報(bào)警的設(shè)計(jì).23 4.1 結(jié)構(gòu)框圖.23 4.2 電路原理.23 4.2.1 鈴流檢測(cè)電路

9、.23 4.2.2 摘機(jī)掛機(jī)電路.24 4.2.3 CR6269A 模塊.25 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).33 5.1 主程序設(shè)計(jì).33 5.2 TLC2543A/D 轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)子程序框圖.33 5.3 電話報(bào)警子程序框圖.33 參考文獻(xiàn).34 結(jié)束語.35 致謝.36 附錄一.37 附錄二.39 附錄三.41 附錄四.45 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1.1 課題的背景和意義 甲醛具有比較高的毒性并且被我國列入在有毒化學(xué)品優(yōu)先控制名單上。甲醛己經(jīng)被 世界衛(wèi)生組織確定為致癌和致畸形物質(zhì)。它是公認(rèn)的變態(tài)反應(yīng)源，也是潛在的強(qiáng)致突變 物質(zhì)之一3。甲醛問題己成為全球公共衛(wèi)生關(guān)注的焦點(diǎn)。 近年來，家庭裝修

10、成為人們時(shí)尚的追求，但在美化了居室環(huán)境的同時(shí)，也因很多裝 飾材料中含有毒物質(zhì)，造成室內(nèi)空氣污染，特別是室內(nèi)甲醛污染更為嚴(yán)重，對(duì)人體的健 康造成了極大的危害。 甲醛是一種良好的溶劑，具有較強(qiáng)的粘合性，同時(shí)還可以加強(qiáng)板材的硬度和防蟲、 防腐能力，被廣泛用于生產(chǎn)服醛樹脂、含醛油漆等原料。室內(nèi)裝修過程中大量使用的以 脈醛樹脂為原料的各種人造板(膠合板、纖維板、刨花板等)、脈醛樹脂隔熱材料(UFFI)、 含醛類消毒防腐劑的水溶性材料是室內(nèi)甲醛的主要來源。脈醛樹脂是一種由尿素和甲醛 縮聚而成的氨基樹脂合成劑，它會(huì)慢慢的釋放甲醛，高溫和高濕下腮醛樹脂會(huì)加快水解， 甲醛釋放量增多，夏季甲醛釋放量會(huì)高出平時(shí)的

11、20%30%。另外家用紡織品如窗簾、布 藝沙發(fā)，裝飾用的墻布、墻紙等也是甲醛的重要來源。室內(nèi)裝修所導(dǎo)致室內(nèi)空氣中的甲 醛污染具有普遍性、潛在性和長期性(日本橫濱國立大學(xué)研究表明室內(nèi)裝修導(dǎo)致的甲醛污 染釋放期為 315 年)。 甲醛對(duì)人體健康的影響主要表現(xiàn)在嗅覺異常、刺激、過敏、肺功能異常、肝功能異 常和免疫功能異常等方面。長期接觸低劑量甲醛可引起慢性呼吸道疾病、鼻咽癌、結(jié)腸 癌、腦瘤、月經(jīng)紊亂、妊娠綜合癥、白血病以及青少年記憶力和智力下降等。室內(nèi)空氣 中甲醛濃度達(dá)到 0.060.07 mg/m3，時(shí)，兒童就會(huì)發(fā)生輕微氣喘；達(dá)到 0.l mg/m3時(shí)，就 有異味和不適感;達(dá)到 0.5mg/m3時(shí)

12、，可刺激眼睛，引起流淚;達(dá)到 0.6 mg/m3時(shí)，可引起咽 喉不適或疼痛;濃度更高時(shí)，可引起惡心嘔吐，咳嗽胸悶，氣喘甚至肺水腫;達(dá)到 30mg/m3 時(shí)，會(huì)立即致人死亡。國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的甲醛最高允許濃度為 0.08mg/m3。日本橫濱國立大 學(xué)的研究表明，竣工 10 年后的建筑物室內(nèi)空氣中，甲醛高出室外 6 倍。目前，我國每年 因裝修污染引起呼吸道疾病致死的兒童有 210 萬人，其中 100 多萬 5 歲以下兒童的死因 與室內(nèi)空氣污染有關(guān)。根據(jù)中國紅十字會(huì)提供的資料，目前我國白血病患者己經(jīng)超過了 500 萬人，其中一半以上是兒童。而且這個(gè)數(shù)字還在以每年 10%的速度增加。甲醛污染己 寧夏理工學(xué)

13、院畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 成為駭人聽聞的隱形殺手! 因此加強(qiáng)對(duì)甲醛污染的監(jiān)測(cè)和控制，對(duì)于保護(hù)人類健康具有要的理論意義和實(shí)踐意 義。除采用常規(guī)方法將其去除外，對(duì)存在甲醛的環(huán)境及時(shí)通風(fēng)是關(guān)鍵。本文針對(duì)甲醛檢 測(cè)、開窗通風(fēng)、電話報(bào)警展開設(shè)計(jì)，稀釋甲醛濃度，使其達(dá)到允許濃度，同時(shí)電話語音 報(bào)警，即使主人不在室內(nèi)，也能通過電話知曉甲醛的污染情況。本系統(tǒng)不僅適用于家庭， 也適用于生產(chǎn)裝演材料、家具廠等場(chǎng)合5。 1.2 國內(nèi)外研究和動(dòng)態(tài) 甲醛的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，因此，可采用多種定量分析方法測(cè)定甲醛。常用的方法 有分光光度法、色譜法、光學(xué)法、極譜法等儀器分析方法，另外，己研究開發(fā)出多種快 速檢測(cè)甲醛的裝置，有電化學(xué)傳感

14、器、快速測(cè)定儀等。 1.2.1 分光光度法 分光光度法檢測(cè)甲醛是利用甲醛與顯色劑反應(yīng)生成穩(wěn)定的化合物，其顏色深度與甲 醛含量成正比，用分光光度計(jì)進(jìn)行比色定量分析、根據(jù)所選用的顯色劑的不同，分光光 度法可分為乙酞丙酮法、酚試劑法、變色酸法、間苯三酚法、鹽酸苯丙麟法、4-氨基3- 聯(lián)氨-5硫基1,2,4 三氮雜茂(AHMT)法、品紅亞硫酸法、酶法等，檢測(cè)甲醛的國家標(biāo)準(zhǔn) 方法就是利用的分光光度法4。用該方法檢測(cè)甲醛，儀器設(shè)備簡單，操作簡便，投資少。 但是分光光度法對(duì)吸收液要求較高、靈敏度低且不穩(wěn)定，因而阻礙了這類方法的推廣應(yīng) 用。 1.2.2 色譜法 色譜法是一種分離分析方法，它根據(jù)分析物質(zhì)在固定相

15、和流動(dòng)相之間的分配系數(shù)的 不同達(dá)到分離目的，并將分析物質(zhì)的濃度轉(zhuǎn)換成易被測(cè)量的電信號(hào)(電壓、電流等)，然后 由記錄儀記錄下來。這里主要介紹氣相色譜法。 氣相色譜法檢測(cè)甲醛是利用吸附劑吸附空氣中的甲醛，用脫附劑洗脫，將含甲醛或 者甲醛衍生物的洗脫液用氣相色譜柱分離，用檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。目前，常用的吸附劑有 2,4 一二硝基苯臍(2,4DNPH) 6201 擔(dān)體，石墨碳和碳分子篩結(jié)合的物質(zhì)等。常用火焰離子 化檢測(cè)器(FTD)，電子捕獲檢測(cè)器(ECD) 或者和質(zhì)譜(MS)聯(lián)用對(duì)甲醛進(jìn)行檢測(cè)。氣相色譜 法具有高效、高速、高靈敏度、樣品用量少等優(yōu)點(diǎn)，可將甲醛直接進(jìn)樣檢測(cè)或解吸后進(jìn) 樣檢測(cè)，測(cè)定線性范圍寬，

16、分離度好。 1.2.3 化學(xué)發(fā)光法 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 化學(xué)發(fā)光法檢測(cè)甲醛的原理：是基于甲醛與某種物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，化學(xué)發(fā)光 的強(qiáng)度正比于甲醛的濃度進(jìn)行檢測(cè)的?；瘜W(xué)發(fā)光法發(fā)光強(qiáng)度比較弱，己經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道了 將流動(dòng)注射技術(shù)和化學(xué)發(fā)光法結(jié)合起來測(cè)定空氣中甲醛的方法。目前所用的化學(xué)發(fā)光體 系有沒食子酸一過氧化氫一甲醛體系，甲醛一溴酸鉀一若丹明 6G 體系等，.其中沒食子酸 一過氧化氫甲醛體系是最常用的發(fā)光體系，用該種方法檢測(cè)甲醛，反應(yīng)迅速、特異性 強(qiáng)、靈敏度高且碳?xì)浠衔?、SO2、CO、CO2、含氮氧化物、丙烯醛、苯甲醛、臭氧對(duì)測(cè) 定無干擾。但是乙醛和丙醛對(duì)測(cè)定有較小影響。 1.2.4 極譜

17、法 許多含有羧基結(jié)構(gòu)的醛(酮)化合物通過聯(lián)氨衍生化可以用示波極譜法測(cè)定。該法是利 用甲醛在一定 pH 值的溶液中能和某些物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)的特性來對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)的。 目前，常用甲醛和肼發(fā)生氧化還原或者甲醛和氨、乙酞丙酮的溶液發(fā)生反應(yīng)來進(jìn)行檢測(cè)。 極譜法測(cè)定空氣中甲醛的靈敏度和準(zhǔn)確度都很高，適合定量測(cè)定室內(nèi)空氣中的微量甲醛6。 與分光光度法和高效液相色譜法相比，極譜法的優(yōu)勢(shì)是可使用標(biāo)準(zhǔn)加入法測(cè)定樣品，有 利于消除基體干擾。但是極譜法檢甲醛常用電極為汞電極，這會(huì)對(duì)環(huán)境造成汞污染。 1.2.5 化學(xué)傳感器 甲醛的化學(xué)傳感器通常是用經(jīng)過化學(xué)修飾的電極制成的電化學(xué)傳感器?；瘜W(xué)修飾電 極對(duì)甲醛具有電催化性

18、能。它通過測(cè)定甲醛的電化學(xué)氧化峰電流來進(jìn)行檢測(cè)。甲醛電化 學(xué)傳感器檢測(cè)限低，線性范圍寬，與生物傳感器相比使用壽命長，具有廣闊的應(yīng)用前景。 1.2.6 快速測(cè)定儀 為適應(yīng)室內(nèi)空氣甲醛現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的要求，目前人們己研制開發(fā)出不少甲醛快速測(cè) 定儀，這些儀器可直接在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定甲醛濃度，當(dāng)場(chǎng)顯示，操作方便，適用于室內(nèi)和公共 場(chǎng)所空氣中甲醛濃度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，也適用于環(huán)境測(cè)試艙法測(cè)定木質(zhì)板材中的甲醛釋放量。 1.2.7 光學(xué)測(cè)定儀 日本己研制出基于光學(xué)原理檢測(cè)甲醛的自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，該檢測(cè)儀是利用甲醛和多孔纖 維素反應(yīng)后顏色發(fā)生變化的原理測(cè)定甲醛。經(jīng)過適當(dāng)處理的纖維素帶置于含有甲醛的空 氣時(shí)，與甲醛發(fā)生反應(yīng)，纖維帶的

19、顏色由黃色變?yōu)榧t色，顏色變換的程度與在一定采樣 時(shí)間內(nèi)、一定流速下的甲醛濃度成正比。可通過測(cè)定反射光的強(qiáng)度記錄顏色的變化，從 而達(dá)到測(cè)定甲醛的目的。該檢測(cè)儀操作簡單，測(cè)定專一性強(qiáng)，便于攜帶。目前，國產(chǎn)甲 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 醛檢測(cè)儀絕大多數(shù)是建立在分光光度法原理基礎(chǔ)上的，這類檢測(cè)儀器靈敏度比較低。 1.2.8 電化學(xué)側(cè)定儀 檢測(cè)甲醛的電化學(xué)測(cè)定儀是基于電化學(xué)原理研制而成。目前，美國生產(chǎn)的 4160 型便 攜式甲醛測(cè)定儀的工作原理是空氣中的甲醛通過泵抽入電解池的電解液中，并且在適當(dāng) 電位的工作電極上發(fā)生電氧化反應(yīng)，氧化電流被儀器自動(dòng)換算成空氣中甲醛的濃度之后， 由儀器的數(shù)碼顯示屏實(shí)時(shí)顯示來

20、。該儀器體積小，重量輕，操作方便，解決了化學(xué)法采 樣后帶回實(shí)驗(yàn)室分析的煩瑣程序。該類儀器操作簡便，可用于空氣中甲醛的快速連續(xù)測(cè) 定，但是對(duì)甲醛測(cè)定專一性不強(qiáng)，其它物質(zhì)如酚、醛類和醇類會(huì)干擾測(cè)定結(jié)果。 比較以上甲醛的各種分析方法可知：分光光度法，氣相色譜法、高效液相色譜法、 極譜法、熒光法等常用儀器分析方法均需先在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)采集氣體樣品，再將樣品帶回實(shí) 驗(yàn)室進(jìn)行分析，分析周期長，成本高，步驟繁瑣，不能實(shí)時(shí)地反映甲醛污染的狀況及滿 足現(xiàn)場(chǎng)大批測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)需求。而目前市售的電化學(xué)快速測(cè)定儀雖然可以對(duì)甲醛進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng) 的快速檢測(cè)，但是該檢測(cè)儀對(duì)甲醛的選擇性不強(qiáng)，依靠人工讀取再采取措施消除甲醛， 實(shí)時(shí)性不好，而

21、且價(jià)格比較昂貴，難以普及和推廣。因此，迫切需要一種高靈敏度和穩(wěn) 定性、簡易、廉價(jià)、具有高度智能的甲醛監(jiān)測(cè)和預(yù)防系統(tǒng)7。本文的主要工作就是要解決 這些問題。 1.3 本文的主要工作 本課題采用 AT89C51 為核心的軟硬件平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展硬件，編寫程序，完成 相關(guān)功能。主要從以下幾方面入手： 1)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體規(guī)劃。根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，從性能、成本等考慮，選擇合 適的微處理器及各類外圍器件。 2)智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。介紹硬件電路的設(shè)計(jì)、工作原理等。 3)智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。采用匯編指令編寫各模塊的驅(qū)動(dòng)程序，最后連成一體，構(gòu) 成面向過程的軟件系統(tǒng)。介紹功能流程圖及編寫相應(yīng)程序。 寧

22、夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 2 智能系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 2.1 智能系統(tǒng)的總體組成 智能控制系統(tǒng)主要由甲醛檢測(cè)環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)、電機(jī)執(zhí)行環(huán)節(jié)、電話報(bào)警環(huán)節(jié) 組成。 圖 2.1 智能控制系統(tǒng)框圖 2.2 智能控制系統(tǒng)主處理器 AT89C51 智能控制系統(tǒng)信號(hào)處理電路主控制器采用美國 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機(jī)。采 用 6MHz 的晶振，獲得穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率。單片機(jī)控制電路如圖 2.2 所示。 為了保證電路能夠正常工作，防止出現(xiàn)系統(tǒng)失控，電路設(shè)計(jì)了復(fù)位電路8。 圖 2.2 單片機(jī)控制電路 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 2.2.1 復(fù)位電路與時(shí)鐘電路 1)復(fù)位電路 復(fù)位

23、電路為了保障系統(tǒng)在不同的異常條件下可靠地復(fù)位，防止系統(tǒng)失控，設(shè)計(jì)了復(fù) 位電路。復(fù)位電路單片機(jī)的 RST 引腳是復(fù)位信號(hào)輸入端，RST 引腳上保持兩個(gè)機(jī)器周期 (24 個(gè)時(shí)鐘周期)以上的高電平時(shí)，就可使單片機(jī)內(nèi)部可靠復(fù)位。單片機(jī)常用的外部復(fù)位電 路有兩種，上電復(fù)位電路和上電復(fù)位兼手動(dòng)復(fù)位電路，如圖 2.3 所示，本系統(tǒng)采用上電兼 手動(dòng)復(fù)位電路，這樣既可以上電復(fù)位，也可手動(dòng)復(fù)位。 上電復(fù)位電路在 RST 引腳上外接一個(gè)電容至供電電源 Vcc 端，下接一個(gè)電阻到地既 可。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，復(fù)位電路通過電容加給 RST 端一個(gè)短的高電平信號(hào)，此高電平隨著 VCC 對(duì)電容的充電過程而逐漸回落，即 RST 端

24、上的高電平取決于電容的充電時(shí)間，為了 保證系統(tǒng)能可靠的復(fù)位，RST 端上的高電平必須維持足夠長時(shí)間。 (1)系統(tǒng)復(fù)位是任何微機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個(gè)控制芯片回到默認(rèn)的硬件狀態(tài)下。 單片機(jī)的復(fù)位引腳與高電平相接超過 24 個(gè)振蕩周期后，芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，而且一直在 此復(fù)位狀態(tài)下等待，直到復(fù)位引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查 EA 引腳是高電平或低電平，決 定執(zhí)行芯片內(nèi)部還是外部程序。 (2)復(fù)位狀態(tài)復(fù)位后，單片機(jī)內(nèi)部的各寄存器的內(nèi)容將被初始化，包括程序計(jì)數(shù)器 PC 和特殊功能寄存器，其中(PC) =OOOOH。這時(shí)，堆棧指針 SP 為 07H, ALE, P0, P1,P2 和 P3 口各引腳均為高電

25、平。復(fù)位不影響片內(nèi) RAM 和片外 RAM 中的內(nèi)容。 圖 2.3 上電復(fù)位電路和上電復(fù)位兼手動(dòng)復(fù)位電路 2)時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)是單片機(jī)內(nèi)部各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，在此 基礎(chǔ)上，控制器按照指令的功能產(chǎn)生一系列在時(shí)間上有一定次序的信號(hào)，控制相關(guān)的邏 輯電路工作，實(shí)現(xiàn)指令的功能。AT89C51 的外接石英晶體的時(shí)鐘電路如圖 2.4 所示，電 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 容容量的范圍為 30pF10pF 石英晶體頻率的范圍為 1.2MHZ-12MHZ，電路中采用 11.0592MHZ 的石英晶振。 圖 2.4 時(shí)鐘電路 2.2.2 AT89C51 內(nèi)部 I/O 口及其應(yīng)用 1)

26、I/O 口的特性 AT89C51 單片機(jī)有 4 個(gè) 8 位并行輸入/輸出接口，記作 P0, P1, P2 和 P3，共 32 根 I/O 口線，實(shí)際上它們就是特殊功能寄存器中的四個(gè)。它們都是雙向通道，每一條 I/O 口線都 獨(dú)立的用作輸入或輸出。做輸出時(shí)數(shù)據(jù)可以鎖存，做輸入時(shí)可以緩沖。但這四個(gè)通道的 功能不完全相同，但其特性基本相同： (1)作為輸出口用時(shí)內(nèi)部帶鎖存器，故可以直接和外設(shè)相連，不必外加鎖存器。 (2)作為輸入口用時(shí)有兩種工作方式，即所謂讀端口和讀引腳。讀端口時(shí)實(shí)際上并不 從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器中的內(nèi)容讀到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運(yùn)算和變換后， 再寫回到端口鎖存器。而讀引腳才真

27、正的把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。 (3)作為讀引腳用時(shí)要先通過指令，把端口鎖存器置 1，然后再實(shí)行讀引腳操作，否則 就可能讀入錯(cuò)誤。若不先對(duì)端口置 1，端口鎖存器中原來狀態(tài)有可能為 0，加到輸出驅(qū)動(dòng) 場(chǎng)效應(yīng)管柵極的信號(hào)為 1，該場(chǎng)效應(yīng)管就導(dǎo)通，對(duì)地呈現(xiàn)低阻抗。這時(shí)即使引腳上輸入的 是 1 信號(hào)，也會(huì)因端口的低阻抗而使信號(hào)變低，使得外加的 1 信號(hào)讀入后不一定是 1。若 先執(zhí)行置 1 操作，則可以驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管截至，引腳信號(hào)直接加到三態(tài)緩沖器，實(shí)現(xiàn)正確 的讀入，由于在輸入操作時(shí)還必須附加一個(gè)準(zhǔn)備動(dòng)作，所以這類 I/O 口被稱為“準(zhǔn)雙向” 口1。 從特性上看，這四個(gè)端口還有所差別： 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)

28、設(shè)計(jì) 9 P0 口，除了作為 8 位 I/O 口外，在擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0 口要作 為 8 位地址總線和 8 位數(shù)據(jù)總線用。即在這種情況下，P0 口不能做 I/O 口用，而是先作 為地址總線對(duì)外傳送低 8 位地址，然后作為數(shù)據(jù)總線對(duì)外交換數(shù)據(jù)。 P1 口，只有 I/O 口功能，沒有其它功能。故在任何情況下，P1 口均可做 I/O 口使用。 P2 口，在擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，要作為高 8 位地址線用。 P3 口，它的每個(gè)引腳都有不同的第二功能，見表 2.1。當(dāng)它的某些引腳用作第二功能 時(shí)，P3 口也不能做 I/O 口。 表 2.1 P3 口的第二功能 通道為位第二功能注釋 P3.0

29、RXD串行口輸入 P3.1TXD串行口輸出 P3.2INT0外部中斷 0 輸入 P3.3INT1外部中斷 1 輸入 P3.4T0計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)輸入 P3.5T1計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)輸入 P3.6WR外部數(shù)據(jù) RAM 寫選通信號(hào) P3.7RD外部數(shù)據(jù) RAM 讀選通信號(hào) 2)將外設(shè)當(dāng)作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來連接 在實(shí)際的 AT89C51 系統(tǒng)中往往是在單片機(jī)外再加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這時(shí) P0 口要當(dāng)作地 址總線的低 8 位和數(shù)據(jù)總線來使用。P2 口要作為地址總線的高 8 位使用。而 P3 口的有些 引腳也不可避免的要使用它的第二功能，如 P3. 6 用/WR, P3.7/RD 等，這樣 P3 口也不能 當(dāng)作 8

30、位 I/O 口使用，可用的只有一個(gè) P1 口了。這時(shí)若要直接通過 I/O 口來連接多個(gè)外 設(shè)就不可能了2。 2.2.3 訪問程序存儲(chǔ)器的控制信號(hào) EA 為片內(nèi)、外程序存儲(chǔ)器訪問選擇信號(hào)。EA=0：訪問片外；EA=1：訪問片內(nèi)。 ALE 為地址鎖存允許信號(hào)，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，在 P0.0P0.7 引腳線上輸出外部存儲(chǔ) 器低 8 位地址的同時(shí)還在 ALE 線上輸出一個(gè)高電位脈沖，用于把這個(gè)外部存儲(chǔ)器低 8 位 地址鎖存到外部專用地址鎖存器，以便空出 P0.0P0.7 引腳線去傳送隨后而來的外部存 儲(chǔ)器讀寫數(shù)據(jù)。在不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，AT89C51 自動(dòng)在 ALE 線上輸出頻率為振蕩頻率 寧夏理工

31、學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 1/6 的脈沖序列。該脈沖序列可用作外部時(shí)鐘源或作為定時(shí)脈沖源使用。 2.2.4 程序狀態(tài)寄存器(PSW) PSW 是一個(gè)八位標(biāo)志寄存器，主要用于存放程序狀態(tài)信息以及運(yùn)算結(jié)果的標(biāo)志，所 以又稱標(biāo)志寄存器。.其格式如表 2. 2 (D1 位沒有定義)： 表 2.2 程序狀態(tài)寄存器格式 D7D6D5D4D3D2D1D0 CYACF0RS1RS0OV P CY 為進(jìn)位標(biāo)志位，用于表示加減運(yùn)算過程中最高位 A7 累加器最高位)有無進(jìn)位或錯(cuò) 位。 AC 為輔助進(jìn)位標(biāo)志位，用于表示加減運(yùn)算時(shí)低 4 位(即 A3)有無向高 4 位(即 A4)進(jìn)位 或錯(cuò)位。 F0 為用戶標(biāo)志位，F(xiàn)0 標(biāo)志

32、為的狀態(tài)通常不是機(jī)器在執(zhí)行指令過程中自動(dòng)形成的，是 由用戶根據(jù)程序執(zhí)行的需要通過傳送指令確定的。 RS1, RS0 為工作寄存器區(qū)選擇控制位，AT89C51 共有 8 個(gè)八位工作寄存器，分別命 名為 R0R7。工作寄存器 R0R7 常常被用戶來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，但它在 RAM 中的實(shí)際 物理地址是可以根據(jù)需要選定的。RS1 和 RS0 就是為了這個(gè)目的提供給用戶使用的，用 戶通過改變 RS1 和 RS0 的狀態(tài)可以方便地決定 R0R7 的實(shí)際物理地址。工作寄存器 R0R7 的物理地址和 RS1, RS0 的關(guān)系如表 2.3 所列。 表 2.3 工作寄存器 R0R7 的物理地址和 RS1, RS0

33、的關(guān)系 RS1RS0R0R7 的組號(hào)R0R7 的物理地址 00000H07H 01108H0FH 10210H17H 11318H1FH 采用 AT89C51 的單片機(jī)控制系統(tǒng)，開機(jī)后的 RSl 和 RS0 總是為零狀態(tài)，故 R0R7 的物理地址為 00H07H，即 R0 的地址為 00H, R1 的為 01H.，R7 的為 07H。但若及其 執(zhí)行如下指令： MOV PSW, #08H 則 RSl, RS0 顯然為 01B，故 R0R7 的物理地址變?yōu)?08H0FH。因此，用戶利用這 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 種方法可以很方便地達(dá)到保護(hù) R0R7 中數(shù)據(jù)的目的，這對(duì)用戶的程序設(shè)計(jì)是非常有利的

34、。 2.2.5 串行口的結(jié)構(gòu) 89C51 單片機(jī)通過引腳 RXD (P3. 0，串行數(shù)據(jù)接收端)和引腳 TXD (P3. 1，串行數(shù)據(jù) 發(fā)送端)與外界進(jìn)行通信。 89C51 串行口主要由兩個(gè)物理上獨(dú)立的串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器 SBUF、發(fā)送控制器、接 收控制器、輸入移位寄存器和輸出控制門組成。如圖 2.6 所示。發(fā)送緩沖寄存器 SBUF 只 能寫，不能讀;接收緩沖寄存器 SBUF 只能讀，不能寫；兩個(gè)緩沖寄存器共用一個(gè)地址 99H，可以用讀/寫指令區(qū)分。 串行發(fā)送時(shí)，通過“ MOV SBUF，A”寫指令，CPU 把累加器 A 的內(nèi)容寫入發(fā)送 SBUF (99H)，再由發(fā)送端 TXD 一位一位地向外

35、發(fā)送；串行接收時(shí)，接收端 RXD 一位一 位地接收數(shù)據(jù)，直到接收到一個(gè)完整的字符數(shù)據(jù)后通知 CPU，再通過“MOV A, SBUF” 讀指令，CPU 從接受的 SBUF (99H)讀出數(shù)據(jù)，送到累加器 A 中。發(fā)送和接收的過程可以 采用中斷方式，從而可以大大提高 CPU 的效率。 圖 2.6 串行口內(nèi)部結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)中由兩個(gè)特殊功能寄存器 SCON 和 PCON 來控制串行口的工作方式和波特率。 波特率發(fā)生器可用定時(shí)器 TI 或 T2 構(gòu)成。 1)串行口控制器(SCON) SCON 是一個(gè)特殊功能寄存器，地址為 98H，具有位尋址功能。SCON 包括串行口的 工作方式選擇位 SM0, SM1，多機(jī)

36、通信標(biāo)志 SM2，接收允許位 REN，發(fā)送接收的第九位 數(shù)據(jù) TB8, RB8，以及發(fā)送和接收中斷標(biāo)志 TI 和 RI。SCON 的格式及各位的定義如表 2.4 所示。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SM1SM0SM2RENTB8RB8TIRI 表 2.4 控制字定義 RI：接收中斷標(biāo)志 TI：發(fā)送中斷標(biāo)志 RB8：數(shù)據(jù)接收第九位 TB8：發(fā)送數(shù)據(jù)第九位 REN：接收控制 0：禁止接收 1：允許接收 SM2：多級(jí)通信 0：單機(jī)對(duì)單機(jī) 1：多級(jí)通訊 SM0 和 SMl 是串行口工作方式選擇位。兩個(gè)選擇位對(duì)應(yīng) 4 種通信方式，如表 2.5 所示。 表

37、2.5 通信方式 SM0 SM1工作方式說明波特率 0 0方式 0同步移位寄存器fosc/12 0 1方式 110 位異步收發(fā)由定時(shí)器收發(fā) 1 0方式 211 位異步收發(fā)fosc/32 或 fosc/64 1 1方式 311 位異步收發(fā)由定時(shí)器控制 2)電源控制寄存器(PCON) PCON 主要是為 HCMOS 型單片機(jī)的電源控制而設(shè)置的專用寄存器，地址為 87H。其 格式如表 2.6 所示。 表 2.6 PCON 格式 D7 D6 D5 D4 D3 D2 Dl DO SMOD GF0GF1PDIDL SMOD 為波特率倍增位。在方式 1、方式 2、方式 3 串行通信波特率與 2SMOD 成正

38、 比。當(dāng) SMOD=1 時(shí)，串行通信波特率可提高一倍。復(fù)位時(shí) SMOD=0 3)串行口的工作方式 根據(jù)實(shí)際需要，89C51 串行口可設(shè)置 4 種工作方式，它們是由 SCON 中的 SM0, SM1 這兩位定義的。其中，方式 0 并不用于通信，而是通過外接移位寄存器芯片實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展并 行 I/O 功能。方式 1、方式 2 和方式 3 都是異步通信方式，方式 1 是 8 位異步通信接口， 一幀信息由 10 位組成，用于雙機(jī)通信；方式 2 和方式 3 都是 9 位異步通信接口，方式 2 和 3 主要是波特率不同，兩者均可用于多機(jī)通信和雙機(jī)通信。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 當(dāng) SM0、SM1=0 時(shí)，串

39、行援口選擇工作方式 1，為可變波特率的 8 位異步通信方式。 發(fā)送數(shù)據(jù)由 TXD 端輸出，接收數(shù)據(jù)由 RXD 端輸入。方式 1 以 10 位為一幀傳輸，其幀格 式為一個(gè)起始位(0)、8 個(gè)數(shù)據(jù)位和 1 個(gè)停止位(1)，如表 2.7 所示。 表 2.7 通信格式 起始位 停止位 0D0D1D2D3D4D5D6D71 2.2.6 甲醛檢測(cè)部分 1)檢測(cè)原理 甲醛主要是以氣態(tài)形式存在，所以對(duì)甲醛的檢測(cè)主要是檢測(cè)甲醛氣體。采用氧化物 氣體傳感器是目前比較通用的做法。 甲醛傳感器的工作原理是空氣中的甲醛透過涂有貴金屬觸媒燒制的聚四氟乙烯膜時(shí)， 在適當(dāng)?shù)拿舾须姌O電位下發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生與空氣中甲醛濃度成正

40、比的擴(kuò)散電流，這 一電流轉(zhuǎn)化為電壓值并送給放大 電路。此電流可表示為： Id = NFADC/ （式 2.1） 式中： Id為極限擴(kuò)散電流 N為每摩爾反應(yīng)物的電子數(shù) F為法拉第常數(shù)，96500 庫侖 A為平面電極的面積，cm2 D為氣體擴(kuò)散常數(shù)，代表擴(kuò)散介質(zhì)中 氣體滲透率素和溶解度因素的乘積 C為甲醛氣體濃度，mol/cm3 為擴(kuò)散長度， 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 圖 2.7 傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 從對(duì)電極發(fā)生的反應(yīng)來看，氧氣顯然是當(dāng)前反應(yīng)發(fā)生的必需氣體，通常通過傳感器 的前部，或通過傳感器的兩邊擴(kuò)散(通常幾千 ppm 己經(jīng)足夠了)。傳感器持續(xù)暴露在絕氧樣 品氣體中可能導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)定，不管氧氣

41、進(jìn)入的途徑怎樣，不要將傳感器與樹脂一起放 置或完全地浸沒在絕氧氣體中。在特定情況下，如果傳感器必須經(jīng)常地暴露于高濃度電 解質(zhì)中，例如廢氣分析，應(yīng)當(dāng)保證氧氣從另外的通道進(jìn)入對(duì)電極。 電化學(xué)氣體傳感器在工作電極和對(duì)電極上分別發(fā)生氧化與還原反應(yīng)。相應(yīng)氣體進(jìn)入 傳感器后被氧化或者被還原，在另一電極發(fā)生與之對(duì)應(yīng)的逆反應(yīng)，這樣在外部電路上就 會(huì)形成電流。由于氣體進(jìn)入傳感器的速度由氣體擴(kuò)散通過障礙控制，所以產(chǎn)生的電流與 傳感器外的當(dāng)前氣體濃度成比例，并能直接測(cè)量當(dāng)前氣體含量。通過被測(cè)氣體氧化還原 反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的電流可推知被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度。 2)甲醛檢測(cè)部分主要由測(cè)量電路與 A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成 測(cè)

42、量電路由 CH20/s-10 甲醛傳感器、電流/電壓變換器 RCV420 芯片、A/D 轉(zhuǎn)換芯片 等組成。甲醛傳感器由甲醛探頭、CH2O 組成，當(dāng)空氣被內(nèi)部的采樣系統(tǒng)吸收后，將產(chǎn)生 的電流信號(hào)與相連產(chǎn)生一個(gè)與甲醛濃度成正比的電流，該電流經(jīng)過 420mA 甲醛模塊的 信號(hào)調(diào)理，與 I/U 變換器 RCV42Q 芯片轉(zhuǎn)換成 05V 的電壓，該電壓經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器與 單片機(jī)相連，與內(nèi)部設(shè)定的濃度值比較，超過設(shè)定濃度時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，打開窗戶，同 時(shí)進(jìn)行語音電話報(bào)警。 2.3 電話報(bào)警部分 介紹收發(fā)模塊、摘掛機(jī)控制模塊、信號(hào)音判斷模塊和振鈴判斷模塊的工作原理、電 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 路設(shè)計(jì)，

43、最后采用基于上述電路原理的 CR6269A 電話模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊密，接 線簡單，編程方便，僅需兩根串行線即可完成數(shù)據(jù)交換。 2.4 電機(jī)執(zhí)行部分 采用 H 型電路，直流電機(jī)帶動(dòng)絲桿絲杠結(jié)構(gòu)，正轉(zhuǎn)開窗，反轉(zhuǎn)關(guān)窗，設(shè)計(jì)自動(dòng)開關(guān) 窗功能。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路如下圖所示： 圖 2.8 電機(jī)自動(dòng)正反轉(zhuǎn)控制電路 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 3 甲醛檢測(cè)部分的設(shè)計(jì) 3.1 甲醛傳感器 3.1.1 CH2 O/s10 型甲醛傳感器原理 CH2O/s10 型甲醛傳感器是電流型傳感器，它是在控制擴(kuò)散的條件下運(yùn)行的，樣氣 的氣體分子被吸收到電化學(xué)敏感電極，經(jīng)過擴(kuò)散介質(zhì)后，在適當(dāng)?shù)拿舾须姌O電位下氣體 分子發(fā)生

44、電化學(xué)反應(yīng)，這一反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)與氣體濃度成正比的電流，將這一電流轉(zhuǎn)換為 電壓值輸出并送給下級(jí)放大器9。 外部電壓偏執(zhí)在敏感電極上維持一個(gè)恒定的電位，這個(gè)電位以傳感器中的不可極化 的參考電極為基準(zhǔn)， “不可極化的”指的是反電極能維持一個(gè)電流流動(dòng)而不受電位變化的 影響。這樣，反電極也可用作參考電極，所以就不需要第三個(gè)電極和反饋電路。 3.1.2 甲醛傳感器的技術(shù)說明 CH2O/s10 傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖 3. 1 所示。 圖 3.1 結(jié)構(gòu)圖 CH2O/s10 傳感器是專門的甲醛氣體監(jiān)測(cè)用的傳感器，它的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下： 測(cè)量范圍：010ppm (ppm 為毫克/升)； 最大負(fù)荷：50ppm； 輸出信

45、號(hào)：1200300mA/ppm； 分 辨 率：0. 05ppm； 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 溫度范圍：-2045 ； 工作壽命：空氣中 3 年； 響應(yīng)時(shí)間：50 秒； 線性度輸出：線性。 為了驗(yàn)證甲醛傳感器的線性度輸出，通過測(cè)量甲醛傳感器所處的環(huán)境中甲醛的濃度， 測(cè)量傳感器的輸出電流，得到一個(gè)近似甲醛傳感器特性圖 3. 3 。 圖 3.3 近似甲醛傳感器特性圖 為了使傳感器處于“準(zhǔn)備工作”的狀態(tài)，傳感器供貨時(shí)，在工作電極與參比電極之 間有一短連接(用一導(dǎo)線直接連接起來)。傳感器在儲(chǔ)藏過程中必須保留此短連接，而且只 有當(dāng)準(zhǔn)備使用傳感器的時(shí)候，才能去掉這個(gè)短連接。在儀器不供電時(shí)，如果工作電極和 參比電極不再短連接，一旦再次使用，傳感器就需要很長的一