基于C8051F單片機的甲醛檢測儀設計

1、基于c8051f單片機的甲醛檢測儀設計摘要：本文設計了一款便攜式的甲醛檢測儀，以c8051f021單片機為核心，用dart sensors 甲醛傳感器作為高精度的微弱信號檢測的傳感器，利用ad8571精密運算放大器進行信號處理，實現(xiàn)甲醛檢測儀的高精度檢測，同時儀器低功耗、智能化及便攜式的特點十分實用于室內(nèi)空氣中甲醛氣體含量的檢測。關(guān)鍵詞：甲醛檢測儀；低功耗；便攜式甲醛是一種無色、有刺激性氣味的氣體。其危害性眾所周知，其毒性較高、在常溫下極易揮發(fā)、長期接觸甲醛的人會引起慢性呼吸道疾病、基因突變等問題。近年來，隨著甲醛大量地被應用在室內(nèi)裝修，其在空氣中的含量越來越引起人們的高度關(guān)注。本文針對普通用

2、戶使用簡單方便等特點，以c8051f系列單片機為核心，設計一款便攜式、低功耗的甲醛檢測儀，使其具有便于攜帶、使用方便、智能化等特點。一、系統(tǒng)的總體設計檢測甲醛的方法有很多，大致分為：分光光度法、色譜法、電化學檢測法和傳感器法【1】等。對于便攜式甲醛檢測儀的設計，利用傳感器進行甲醛的檢測與傳統(tǒng)的利用化學試劑進行檢測，效率更高。其中，電化學傳感器的結(jié)構(gòu)相對簡單，檢測性能穩(wěn)定，能夠滿足檢測室內(nèi)甲醛氣體的要求，所以在本設計中，采用電化學甲醛傳感器對室內(nèi)的甲醛氣體濃度進行檢測。系統(tǒng)的總體設計圖如1-1所示：本設計通過甲醛傳感器、信號處理單元、單片機、人機交互等模塊組成。主要實現(xiàn)以下功能：1. 實時、快速

3、地檢測當前室內(nèi)空氣的甲醛含量；2. 顯示ppm和mg/m3兩種單位；3. 判斷當前氣體含量是否超出國家標準，如超出標準，要予以提示和警告；4. 可以查詢檢測的歷史數(shù)據(jù)；5. 儀器與電腦可進行通信。二、系統(tǒng)的硬件設計便攜式甲醛檢測儀的硬件部分主要由：甲醛傳感器、放大和濾波、單片機、液晶顯示和按鍵等部分組成。硬件結(jié)構(gòu)圖如2-1所示。1. 甲醛傳感器本設計所選用的甲醛傳感器為英國dart sensor公司生產(chǎn)的dart sensors甲醛傳感器。傳感器的示意圖如圖2-2所示。如圖所示，傳感器的表面有一層通透膜，其正中央有一個直徑為2.10min的圓孔，通透膜和圓孔的結(jié)合是為了空氣中氣體的進入，同時又

4、有效的阻擋了灰塵等雜質(zhì)進入傳感器以致影響傳感器的測量精度或減少傳感器的使用壽命。這種傳感器屬于電化學傳感器，具有兩個電極：正電極和負電極。其工作原理為：正電極和負電極組成一電極對，浸在電解液中。當傳感器工作時，空氣中的甲醛氣體分子通過圓孔進入到傳感器中，具有催化性能的正電極發(fā)生氧化反應，同時負電極發(fā)生還原反應。由此產(chǎn)生的電流信號由正電極輸出，且電流的大小與空氣中的甲醛含量成正比。這樣就形成了由空氣中的氣體濃度轉(zhuǎn)變?yōu)榱思兹﹤鞲衅鬏敵龅碾娏餍盘?。這種傳感器的檢測精度很好，輸出信號為250-300 na/ppm，使用壽命為5年?？蓹z測出國家標準甲醛含量內(nèi)的微弱信號，并且傳感器隨時間的變化的漂移量極小

5、，因此在設計時不用進行補償。在常溫20下傳感器的活性最好。使用此傳感器時要特別注意，當傳感器不工作時，要將傳感器的正負兩極短路，在保證傳感器的使用壽命的同時消耗兩極間積累的電荷，使其在正常工作時不會因為未將兩極短路將此電荷釋放2天以致影響檢測的效率。在傳感器工作時，要去掉其短路線，保證其正常工作。2. 信號處理與放大部分由于在通常情況下，室內(nèi)的甲醛含量極低，所以甲醛傳感器所檢測出的電流信號十分微弱。所以對于微弱信號的放大，有相當高的要求。本設計中，將傳感器輸出的微弱電流信號接入20k大小的電阻，使ua級別的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)閙v級別的電壓信號。之后，將信號傳輸?shù)絘d8571運算放大器進行信號的放大

6、與濾波。其中，信號的濾波由rc網(wǎng)絡組成。設置反饋電阻與輸入電阻的阻值，使其放大200倍。 ad8571是adi公司生產(chǎn)的性能參數(shù)良好的軌到軌輸入/輸出高精度運算放大器。其性能特點為：低失調(diào)電壓：1uv；輸入失調(diào)漂移：0.005uv/；可以進行單電源操作（5v/3.3v）；高增益：145 db（典型值）；共模抑制比（cmrr）：140 db（典型值）；超低輸入偏置電流：10 pa的典型；低電源電流：750a/運算放大器3。其高精度低漂移的性能參數(shù)，并帶有自調(diào)零電路，在微弱信號放大的過程中，可以有效地減少噪聲及誤差的引入，很好地保證了檢測儀的檢測精度。3. c8051f021單片機c8051f系列

7、單片機是由silicon laboratories 公司推出的真正能獨立工作的混合信號片上系統(tǒng)(system on a chip，soc)，即在單片機這一個芯片中除了具有與mcs-51內(nèi)核及指令完全兼容的微控制器和標準8051的數(shù)字外設之外，還集成了構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有的數(shù)字和模擬外圍接口和功能部件2。在本設計中，選用c8051f021單片機，該單片機包含與8051完全兼容的cip-5內(nèi)核，模擬多路選擇器、可編程增益放大器、12位和8位的adc、dac、64k的flash存儲器、uatr串口、電壓基準、數(shù)字i/o端口和看門狗定時器2等。本設計將經(jīng)ad8571濾波放大等處理

8、后的信號輸入到c8051f021單片機中。通過單片機的模擬多路選擇器ain0.0通道進行信號采集，并設置為單端輸入方式。利用單片機內(nèi)部的12位adc模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。此時，通過軟件設置進行信號大小的判斷：當通過硬件處理后的信號相對微?。ㄐ盘?.5mv）時，利用單片機內(nèi)部的可編程增益放大器進行2倍的放大，讓輸入到單片機的信號盡量接近其內(nèi)部的基準電壓(2.43v)，使a/d轉(zhuǎn)換更加精確。c8051f系列單片機的flash存儲器可以在系統(tǒng)重新編程，即既有程序存儲器的功能，又有非易失行數(shù)據(jù)存儲的功能。本設計在軟件編程時根據(jù)flash存儲器的這一特點將每次檢測到的結(jié)果存入存儲器中，發(fā)揮其非易失性數(shù)據(jù)存儲

9、的功能，通過按鍵的命令可以查詢之前檢測的歷史數(shù)據(jù)。方便用戶的測量比對。4. 人機交互利用單片機的i/o接口與晶聯(lián)訊公司的128*64的jlx12864039型號的lcd相連，進行輸出結(jié)果的顯示。同時，通過開、關(guān)、檢測、查詢等按鍵實現(xiàn)檢測儀相應的開關(guān)、檢測室內(nèi)甲醛濃度和查詢歷史檢測數(shù)據(jù)等功能。實現(xiàn)檢測儀的智能化與使用簡單的特點。5. 串口通信 本設計在儀器的底部設有232的通信接口，可通過232串口線與電腦相連。同時在軟件方面對串口通信增加相應的編程，使檢測到的結(jié)果同時輸出到電腦上，在超級終端上顯示檢測到的結(jié)果。其硬件芯片使用的是max3232，通過單片機uart串口通信的接收和發(fā)送端口與進行2

10、32通信的電平轉(zhuǎn)換電路相連，即可實現(xiàn)儀器與電腦的通信。三、系統(tǒng)軟件設計硬件電路搭建好之后，在silicon laboratories ide集成開發(fā)環(huán)境中編寫c語言程序，并通過c8051f mcu調(diào)試適配器下載到單片機中。ide集成開發(fā)環(huán)境是silicon laboratories公司開發(fā)的專門針對c8051f系列單片機的集成開發(fā)環(huán)境，通過和keil c51系列的開發(fā)工具集成提供了使用c51語言進行單片機開發(fā)的強大接口，主要包括編輯器、宏匯編器、調(diào)試器和編程器2。此調(diào)試器與單片機之間通過jtag接口實現(xiàn)快速和有效的系統(tǒng)編程和調(diào)試。通過單片機的控制，實現(xiàn)將傳感器檢測到的空氣中的甲醛含量在lcd液

11、晶顯示模塊中顯示。并根據(jù)操作者的不同的按鍵選擇來實現(xiàn)不同的功能。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3-1所示。當開/關(guān)鍵首次閉合時，檢測儀系統(tǒng)初始化，屏幕中出現(xiàn)開機顯示。當“檢測”按鍵按下時，待傳感器響應時間15秒之后，系統(tǒng)將自動檢測空氣中的甲醛含量，默認以ppm單位形式出現(xiàn)，輸出在液晶屏幕上。如果檢測結(jié)果超過了國家規(guī)定的標準，當前檢測結(jié)果將會閃爍予以提示。當再次按下“檢測”鍵時，系統(tǒng)將重新進行檢測。當有“單位轉(zhuǎn)換”按鍵按下時，屏幕上會自動顯示出當前檢測結(jié)果的mg/m3單位的檢測值。若有“查詢”按鍵按下，則顯示之前檢測到的歷史數(shù)據(jù)。四、檢測儀的低功耗設計在本設計中，所有元器件的選用均可采用3.3v供電，大大

12、降低了電池能量的消耗。1. c8051f021單片機的低功耗：單片機可在工業(yè)溫度（-4585）工作，并且工作電壓為2.7v3.6v。由此來減少5v供電的消耗。另外，在需要時可進行時鐘的切換，可有效地降低系統(tǒng)的功耗。2. ad8571低功耗：ad8571運算放大器可進行單電源(5v/3.3v)的操作，在本設計中，選用3.3v進行運算放大器的供電。4.液晶低功耗：本設計所使用的液晶的工作電壓為3.0v，在led背光情況下正常工作的電流為16ma5。為了節(jié)省儀器的功耗，是否背光由檢測儀的按鍵來控制，在默認情況下，背光功能不打開。在白天或光線較強的地方，lcd的字體足夠清晰。當在夜晚或光線較暗的地方，

13、用戶可按下打開背光選擇鍵，打開lcd的背光功能。5. 串口通信低功耗：由于max3232芯片消耗的電流較大4，所以在硬件設計時，由按鍵控制此功能的開閉。在默認狀態(tài)下，此串口通信功能是關(guān)閉的。當用戶需要檢測儀與電腦通信時，用232串口線將儀器與電腦連接上之后，按下串口通信按鍵，此模塊才發(fā)揮作用。這樣，就大大減少了檢測儀的功耗。6. 用戶使用時注意降低功耗： 為了降低功耗，對于檢測儀的設計，從元器件的選擇到功能模塊的設置，多方面最大限度的降低儀器的功耗。與此同時，用戶在使用是同樣注意到能源的節(jié)約會起到更好的效果。主要體現(xiàn)在：當不使用檢測儀時，要注意關(guān)閉電源、關(guān)閉lcd背光燈按鍵和串口通信按鍵。這樣，能更有效地體現(xiàn)本儀器的低功耗特點。五、結(jié)論 c8051f021單片機的片上資源充分，功能強大。在便攜式甲醛檢測儀的硬件設計上，可充分利用單片機的片上資源，從而大大減少了單片機的外圍電路，有效節(jié)省了使用空間，降低了成本，并增強了儀器的可靠性。儀器上各種功能按鍵為用戶提供了更多選擇