基于單片機的室內(nèi)甲醛檢測系統(tǒng)設(shè)計-機械工程及自動化畢業(yè)論文

1、鄭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 基于單片機的室內(nèi)甲醛 檢測系統(tǒng)設(shè)計 院 系 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 機械工程及自動化 年 級 2012 學(xué)生姓名 XXX 指導(dǎo)教師 XXX 16年 06 月 07 日摘要近年來，人們生活質(zhì)量越來越高,人們對于健康也愈來愈關(guān)注,而住宅內(nèi)裝潢材料中含有的有害化學(xué)成分常常引發(fā)一系列健康問題，甲醛是這些有害化學(xué)成分中危害較大的一種。它是一種無色氣體，對人體有一定的刺激性，同時也是廣為人知的致癌物質(zhì)，對健康有較大的危害。單片機具有很強的通用性、穩(wěn)定性和可靠性，而且其體積小，在價格上優(yōu)勢。因此，被很多智能設(shè)備和控制系統(tǒng)所應(yīng)用。本課題主要研究一種能自動監(jiān)測室內(nèi)甲醛濃度的系統(tǒng)，它

2、使用一個電化學(xué)甲醛傳感器來測試室內(nèi)甲醛濃度，并且能夠通過液晶顯示器顯示該甲醛濃度值，通過一個蜂鳴器實現(xiàn)報警功能，并通過WiFi模塊實現(xiàn)遠程云端監(jiān)控。 關(guān)鍵詞：甲醛，單片機，甲醛傳感器，云端監(jiān)控AbstractIn recent years, the quality of life of the people more and more high, for people's health is also getting more and more attention, and residential decoration materials containing hazardous ch

3、emicals often lead to a range of health problems, formaldehyde is the more serious these harmful chemicals. It is a colorless gas, has a certain stimulation of the human body, but also widely known carcinogens, a greater harm to health. SCM has a strong versatility, stability and reliability, and it

4、s small size, the price advantage. As a result, many intelligent devices and control systems are used. The main task of this paper is to study a system of automatic monitoring of indoor formaldehyde concentration, it uses an electrochemical formaldehyde sensor to test the concentration of indoor for

5、maldehyde, and can show through the liquid crystal display the formaldehyde concentration, through a buzzer realize alarm function, and realize remote cloud monitoring through the WiFi module.Key words: formaldehyde, MCU, formaldehyde sensor, cloud monitoring目錄1 緒論51.1 研究的背景及意義51.2 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢71.3 主要工作9

6、本章小結(jié)92 系統(tǒng)方案設(shè)計102.1 系統(tǒng)總體方案102.2 硬件系統(tǒng)方案102.3 軟件系統(tǒng)方案11本章小結(jié)113 硬件系統(tǒng)設(shè)計123.1 單片機模塊123.1.1 STC90C516RD的參數(shù)及特點123.1.2 單片機各引腳及功能133.1.3 單片機最小系統(tǒng)模塊153.2 甲醛傳感器模塊163.2.1 傳感器的選擇163.2.2 傳感器原理及參數(shù)163.2.3 傳感器模塊引腳173.2.4 甲醛傳感器模塊的串口通信協(xié)議183.3 串口WiFi模塊193.3.1 WiFi模塊特性193.3.2 WiFi模塊的基本參數(shù)203.3.3 WiFi模塊的AT指令223.3.4 WiFi模塊的云端

7、通信23液晶顯示模塊243.4.1 液晶顯示模塊的概述243.4.2 顯示模塊引腳說明253.4.3 顯示模塊操作253.4.4 RAM映射表及字庫對照表283.5 蜂鳴器模塊303.6 電源降壓模塊303.7 串口通信的TTL電平匹配設(shè)計303.8 單片機程序下載器333.9 單片機中斷系統(tǒng)35串行通信383.10.1 串行通信方式383.10.2 80C51的串行接口39本章小結(jié)414 軟件系統(tǒng)設(shè)計42主程序的設(shè)計434.2 顯示模塊相關(guān)子程序設(shè)計454.3 串口程序設(shè)計464.3.1 串口初始化函數(shù)464.3.2 串口發(fā)送函數(shù)464.3.3 串口接收函數(shù)474.3.4 數(shù)據(jù)處理函數(shù)484

8、.4 WiFi模塊程序設(shè)計504.5 延時函數(shù)51仿真測試514.7 實物制作52本章小結(jié)545實驗與分析55設(shè)計總結(jié)57致謝58參考文獻59附錄60附錄1 畢業(yè)設(shè)計開題報告60附錄2 C程序清單60附錄3 仿真電路圖601 緒論1.1 研究的背景及意義 近年來，人們生活質(zhì)量越來越高,人們對于健康也愈來愈關(guān)注,而在住宅內(nèi)，裝潢材料常常中含有各種有害化學(xué)成分，它們會引發(fā)一系列的健康問題，人們常稱之為“裝潢病”。甲醛，其化學(xué)式為HCHO，是這些有害化學(xué)成分中常常被人們談及的一種，它是一種無色且具有刺激氣味的氣體，同時也是一種潛在的致癌物質(zhì)，對人體健康有較大的危害，它能誘發(fā)很多疾病，如哮喘，白血病等

9、。作為室內(nèi)空氣中常見的污染物，它主要有2個來源。第一個由建筑材料和家具釋放的，如壓木制品、膠粘劑、地板涂料、壁紙、油漆等。另一個來源是材料的燃燒，例如吸煙。由于甲醛在工業(yè)上有極其廣泛的應(yīng)用，因此在生活中對我們構(gòu)成了不小的潛在威脅。甲醛對人體存在較多的危害，它們主要表現(xiàn)如下：（1） 對皮膚黏膜的刺激作用：這是甲醛的主要危害，我們知道甲醛是一種原漿毒性物質(zhì)，能夠通過作用于蛋白質(zhì)中廣泛存在的氨基與蛋白質(zhì)相結(jié)合。通常，人體在吸入高濃度的甲醛時，呼吸道會受到嚴重的刺激甚至是水腫，于此同時的外在表現(xiàn)多為眼部刺激、頭痛等。（2） 免疫系統(tǒng)的致敏作用：皮膚直接與甲醛接觸會導(dǎo)致嚴重的后果，研究發(fā)現(xiàn)，甲醛會導(dǎo)致過

10、敏性皮炎，甚至是壞死。此外，有證據(jù)表明高濃度的甲醛在被人體吸入時會誘發(fā)支氣管哮喘。（3） 對細胞的致癌變作用：實驗室中發(fā)現(xiàn)，高濃度的甲醛可作為是一種基因毒性物質(zhì)存在。通過對實驗動物的研究，發(fā)現(xiàn)在吸入高濃度甲醛的情況下，能夠引起鼻咽腫瘤。突出表現(xiàn)：包括引起人體頭痛、頭暈、乏力等，此外不慎吸入者也會出現(xiàn)惡心、嘔吐、胸悶、眼痛、嗓子痛、胃納差等，比較嚴重的會出現(xiàn)心悸、失眠，進而體重減輕、記憶力減退，植物神經(jīng)紊亂等；孕婦長期吸入有可能出現(xiàn)胎兒畸形，甚至死亡，男性長期吸入可能會導(dǎo)致男子精子畸形、死亡等。 國家對于甲醛的安全濃度有所規(guī)定，我們可以查閱到空氣中甲醛的相對濃度危險度，如表所示： 不同濃度下甲醛

11、的危害甲醛濃度癥狀表現(xiàn)兒童發(fā)生輕微氣喘有異味和不適感刺激眼睛，引起流淚咽喉不適或疼痛。濃度更高時，可引起惡心嘔吐，咳嗽胸悶，氣喘甚至肺水腫30毫克/立方米立即致人死亡調(diào)查發(fā)現(xiàn)甲醛污染問題通常主要集中于居室、紡織品還有食品當中。當前人們居室裝飾材料和家具中使用的膠合板、纖維板、刨花板等，由于是人造板材，在其中含有大量以甲醛為主的脲醛樹脂，此外，各類油漆、涂料中也都含有甲醛。當前，國內(nèi)家庭當中甲醛主要有以下來源：(1) 室內(nèi)裝飾使用的的人造板材，如膠合板、刨花板等，它們是室內(nèi)空氣中甲醛的主要來源。這些板材在生產(chǎn)制造中通常會使用膠粘劑，而膠黏劑通常以甲醛為主要成分。在板材中會存在較多的甲醛，當他們被

12、使用時，殘留的甲醛會逐漸釋放出來，污染室內(nèi)空氣。(2) 用人造板材所制造的家具是室內(nèi)甲醛的另一大來源。為了追求利潤，一些廠家在生產(chǎn)制造時，會使用不合格的板材，或者是在粘接貼面材料時選擇使用劣質(zhì)的膠黏劑，而這些板材與膠黏劑當中存在著甲醛的嚴重超標。最終用戶購買的這些家具中所含有的甲醛也成為污染室內(nèi)空氣的一部分。(3) 含有甲醛成分的墻布、墻紙、化纖地毯、油漆涂料等，這些材料中的甲醛極有可能被釋放出來。因此，當前人們需要一種合理有效的甲醛檢測手段，室內(nèi)甲醛氣體的有效監(jiān)測將保障人們室內(nèi)生活的健康，避免人體的不利因素?？梢娧芯恳环N讓人們可以在自己家中能夠獨立完成檢測，同時又具有簡便、快速靈敏、準確直觀

13、等特點，而且又經(jīng)濟的甲醛檢測方法必將被大眾所接受，其必定有廣大的市場前景。本文主要介紹一種基于單片機、能自動監(jiān)測室內(nèi)甲醛濃度的系統(tǒng)。在微型處理器中，單片機具有很強的通用性，而且其體積小、價格低、穩(wěn)定性可靠性高。因此，在智能產(chǎn)品、測控系統(tǒng)等領(lǐng)域中，單片機得到了廣泛的應(yīng)用。通過甲醛傳感器測試室內(nèi)甲醛濃度，單片機接收處理傳感器數(shù)據(jù)，并且通過液晶顯示器顯示該甲醛濃度值，在濃度值超過指定值時實現(xiàn)報警功能。同時，在WIFI模塊的支持下，利用當前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)遠程云端監(jiān)控，監(jiān)測人員不必暴露于有害氣體當中，便可實時有效監(jiān)控，有效預(yù)防安全事故的發(fā)生，更好地保障我們的身心健康，構(gòu)建安全舒適的室內(nèi)環(huán)境。1.2

14、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 目前，國內(nèi)外研究中，甲醛的檢測主要有以下方法:(1) 分光光度法：該方法是一種對物質(zhì)進行定性和定量的分析方法。利用不同的分子結(jié)構(gòu)會對電磁輻射進行選擇性吸收，通過分辨不同分子的吸收特性，我們可以確定出其相關(guān)信息。針對甲醛的檢測，該方法的使用的試劑： 檢測方法及其試劑說明檢測方法說明乙酰丙酮法甲醛與乙酰丙酮酚試劑法甲醛與酚試劑AHMT法甲醛與AHMT 品紅一亞硫酸法甲醛與品紅一亞硫酸變色酸法甲醛在濃硫酸介質(zhì)中與鉻變酸間苯三酚法甲醛與間苯三酚亞硝基亞鐵氰化鈉法甲醛與亞硝基亞鐵氰化鈉三氯化鐵法甲醛與三氯化鐵(2) 電化學(xué)法:在化學(xué)反應(yīng)中會發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，因此在這過程中會產(chǎn)生電流（伏安法

15、）、電量（庫侖法）或電位（電位法）的變化，電化學(xué)分析法是基于這點被研究出來，通過判斷反應(yīng)體系中各分析物的濃度，進而對其進行定量分析，目前用于甲醛檢測的方法有極譜法和電位法2種，如表1.3所示：(3) 色譜法：該方法是一種分離和分析方法，具有強大的分離效能，因此不易受樣品基質(zhì)和試劑顏色的干擾，因此在化學(xué)、生物化學(xué)等分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于該方法需要強大的設(shè)備，并且對于含量低，物質(zhì)種類復(fù)雜的樣本，期表現(xiàn)出分析周期長，過程發(fā)雜等缺點。(4) 傳感器檢測法：當前應(yīng)用于甲醛檢測的傳感器主要有3類，它們的特點如表所示： 表電化學(xué)傳感器法是本設(shè)計所使用的方法。該傳感器擁有敏感電極，當有甲醛氣體分子流經(jīng)此處時，

16、甲醛氣體分子會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，該反應(yīng)能夠電路中產(chǎn)生微小的電流，該電流與甲醛氣體的濃度成一定的比例關(guān)系，通過放大電路可以將該電流轉(zhuǎn)換為電壓值，將該電壓值通過AD轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換，便可得到單片機可以處理的數(shù)字信號，再通過運算和標定，最終能確定所檢測氣體當中甲醛的濃度值。 當前，我們所能見到的甲醛的檢測方法中，電化學(xué)傳感器法是甲醛監(jiān)測研究的熱點。在市面上可以見到的多數(shù)檢測儀，一般都使用電化學(xué)傳感器。通過該傳感器，實現(xiàn)對空氣中甲醛濃度的測定。在甲醛監(jiān)測方面，國內(nèi)比較出名的有：江蘇安普電子工程的400型甲醛分析儀、北京賓達綠創(chuàng)科技生產(chǎn)的抑一308甲醛測定儀等。國外的有：美國ESC公司生產(chǎn)的Z-300甲醛檢

17、測儀、英國PPM公司生產(chǎn)的PPM-300甲醛檢測儀等。近年來，研究者多推崇以單片機為核心的控制系統(tǒng)，這是由于單片機系統(tǒng)具有高效、可靠、低功耗等特點。市面上各種以單片機為核心的甲醛監(jiān)測儀器正在或已經(jīng)被開發(fā)出來，其被用于實際生活中的甲醛監(jiān)測，為大眾提供有效的測量手段，也為人們的健康生活保駕護航。但電化學(xué)傳感器也有很多缺點，其主要表現(xiàn)在易于受其它氣體的干擾，因此較難實現(xiàn)高精度的測量。溫度對其也有一定影響，但可以通過溫度傳感器和甲醛氣體傳感器的溫度特性曲線，進行溫度誤差消除。高精度，小型化、高抗干擾能力、簡單易用是未來甲醛氣體監(jiān)測的發(fā)展方向，隨著高度集成化的發(fā)展，便宜而實用的甲醛監(jiān)測儀器必能為人們所服

18、務(wù)。1.3 主要工作 本設(shè)計的主要工作為： （1） 硬件系統(tǒng)的設(shè)計與Proteus仿真：使用Proteus繪制出硬件電路圖并完成仿真；（2） 各模塊軟件系統(tǒng)設(shè)計：傳感器模塊、液晶顯示模塊、報警模塊、WiFi模塊的C51程序設(shè)計；（3） 實物制作與實驗：制作出實物并進行實際測量。本章小結(jié)甲醛對于我們的健康擁有著極大地危害，而且它還廣泛的存在于我們的生活中，所以，設(shè)計開發(fā)出一種能夠準確、快速、便捷的室內(nèi)甲醛監(jiān)測系統(tǒng)有著很強的必要性，而且其必將有及其廣泛的應(yīng)用前景。2 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)總體方案 得益于當代工業(yè)的飛速發(fā)展，各種不同的功能模塊被設(shè)計生產(chǎn)出來，本課題運用模塊化思想完成設(shè)計。選用各集

19、成模塊，通過單片機進行控制，協(xié)調(diào)各模塊功能，完成甲醛氣體的實時監(jiān)測。2.2 硬件系統(tǒng)方案 本甲醛檢測系統(tǒng)選用STC公司的90C516RD單片機作為系統(tǒng)控制核心，選用嵐寶德源的甲醛傳感器模塊作為系統(tǒng)的氣體傳感器，選用安可信公司的ESP8266-01型WiFi模塊做為系統(tǒng)的遠程通信部分，選用1602液晶顯示器作為系統(tǒng)的顯示模塊，選用有源蜂鳴器作為報警模塊。 硬件系統(tǒng)組成如下：1602液晶WiFi模塊甲醛傳感器蜂鳴器90C51單片機 硬件系統(tǒng)方案簡圖2.3 軟件系統(tǒng)方案由于C語言的高效性，本設(shè)計選用C語言作為編程語言。在編程時同樣注意模塊化思想，將程序分為不同功能模塊，方便調(diào)試與調(diào)用。流程圖如圖所示

20、: 圖2.2 主程序流程圖本章小結(jié)本章初步明確了系統(tǒng)的主體設(shè)計思想，確立了軟件和硬件的基本組成，我們應(yīng)用此思想完成后續(xù)設(shè)計。3 硬件系統(tǒng)設(shè)計3.1 單片機模塊 STC90C516RD是STC公司生產(chǎn)的一種CMOS8位微控制器，具有低功耗、高性能等特點。其內(nèi)部具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。該款單片機采用MCS-51內(nèi)核 ，其標準功能有：(1) 64k Flash；(2) 1280byte SRAM；(3) 35（39） 位I/O接口線；(4) 看門狗定時器；(5) EEPROM；(6) MAX810復(fù)位電路；(7) 總共3個16 位定時器/計數(shù)器；(8) 4個外部中斷；(9) 一個全雙

21、工串行口。3.1.1 STC90C516RD的參數(shù)及特點 單片機參數(shù)如表3.1所示：項目參數(shù)工作電壓工作頻率范圍0-40MHz用戶應(yīng)用程序空間64K片內(nèi)RAM1280ByteEEPROM4KI/O口35(39)個UART1個外部中斷4個定時/計數(shù)器3個16位 該款單片機芯片內(nèi)帶4K字節(jié)EEPROM存儲空間，與以往產(chǎn)品相比，其能夠直接使用串口下載程序，這極大地方便了我們的開發(fā)。3.1.2 單片機各引腳及功能圖 STC90C516RD引腳圖雙列直插式90C516RD引腳圖如圖3.1所示，其中包含2個電源引腳，另個晶體引腳，4個控制或其他電源復(fù)用引腳和35(39)個輸入輸出接口引腳。（1） 電源引腳

22、VCC(40腳)：與+5V相接。VSS（20腳）：接電源地。（2） 外接晶體引腳XTAL1（19腳）與XTAL2(20腳)用于構(gòu)建時鐘電路，產(chǎn)生時鐘信號。我們可內(nèi)部方式或外部方式來產(chǎn)生時鐘信號。l 內(nèi)部時鐘方式：一般。l 外部時鐘方式：采用外部振蕩器，是用于多片芯片同時工作，其時鐘電路如圖3.3所示。（3） 控制引腳l RESET/VPD（9腳）：用于使單片機復(fù)位。l PSEN（29腳）：用于輸出片外程序存儲器選通信號。l ALE(30腳)：用于輸入地址鎖存運行信號。l EA/VPP（31腳）：用于控制是否允許訪問外部程序存儲器。（4） 輸入輸出引腳1) P0口（P0.0-P0.7）該端口為一

23、般IO口引腳，也可用作數(shù)據(jù)/低位地址總線復(fù)用引腳。該端口較特殊，在使用時需要外接上拉電阻（一般為千歐級別）。2) P1口（P1.0-P1.7）一般IO接口引腳，此外其P1.0和P1.1接口還具有第二功能，如表3.2所示：引腳號功能特性T2，時鐘輸出T2EX（定時/計數(shù)器2）3) P2口（P2.0-P2.7）該端口用作一般IO接口，此外其也能用作高位地址總線引腳。4) P3口（P3.0-P3.7）其為一般IO接口，同時也有用作第二功能，其第二功能如表3.3：3.1.3 單片機最小系統(tǒng)模塊 單片機最小系統(tǒng)：指在滿足單片機能正常工作的前提下，所能達到的最小外圍配置，這其中包括：一個時鐘（晶體震蕩）電

24、路用來產(chǎn)生時鐘信號、一個復(fù)位電路用于完成單片機初始化，以及必須的電源，如圖所示：圖 單片機最小系統(tǒng) 圖中C1和C2為是兩個電容，在震蕩電路中，其用于穩(wěn)定時鐘信號頻率以及快速起振。通常選用的電容值為5-30pF（常用30pF）。選用晶體振蕩器，以便模塊間的串口通信。本設(shè)計將選用89C52RC最小系統(tǒng)模塊來完成最終設(shè)計。3.2 甲醛傳感器模塊 傳感器模塊是本設(shè)計的關(guān)鍵性模塊，其用于檢測甲醛氣體，并向單片機傳輸氣體當前濃度信息。3.2.1 傳感器的選擇 傳感器用于保證檢測的精度，因此傳感器的精度決定了檢測系統(tǒng)的檢測精度，決定了系統(tǒng)能否滿足設(shè)計要求。本設(shè)計選用電化學(xué)傳感器來檢測甲醛氣體，在綜合考慮精度

25、因素和價格因素后，選用嵐寶德源的甲醛傳感器模塊。3.2.2 傳感器原理及參數(shù)該傳感器是一種兩極型電化學(xué)傳感器，當空氣中甲醛擴散到傳感器處便可實現(xiàn)檢測。因此，該傳感器測量時不需要外部采樣硬件的支持。當有甲醛氣體存在時，在傳感器的敏感電極上，將會有一個微笑的直流產(chǎn)生，通過運算放大電路的處理，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號最終通過AD轉(zhuǎn)化，得到能被單片機接收的數(shù)字信號。其參數(shù)如表所示： 表測量范圍0-5ppm使用壽命5年（無腐蝕空氣）輸出信號2000nA/ppm使用溫度-10-+40使用濕度15%-90%（無結(jié)露）輸出漂移每年<10%質(zhì)保時間兩年（無腐蝕空氣）質(zhì)量10-15g尺寸25mm*

26、23mm*8mm此電化學(xué)甲醛傳感器模塊是一個通用型模組。利用電化學(xué)原理對空氣中存在的甲醛氣體進行探測，此模塊與甲醛傳感器相結(jié)合，具有良好的穩(wěn)定性。此模塊帶有NTC溫度傳感器，可以進行溫度補償，減小傳感器誤差，該模塊是將成熟的電化學(xué)檢測技術(shù)與精良的電路設(shè)計緊密結(jié)合，設(shè)計制造出的通用型氣體模組。傳感器模塊參數(shù)如表所示： 表產(chǎn)品名稱甲醛模塊檢測氣體甲醛干擾氣體酒精，一氧化碳等氣體輸出數(shù)據(jù)UART輸出工作電壓或5V(用戶可訂制)預(yù)熱時間3分鐘響應(yīng)時間60秒恢復(fù)時間60秒量程0mg/m3分辨率0.01 mg工作溫度050工作濕度15%RH-90RH（無凝結(jié)）存儲溫度050使用壽命5年（無腐蝕空氣） 模塊

27、默認工作電壓為；工作電流10mA。模塊上電后需1分鐘預(yù)熱時間，1分鐘后測的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。3.2.3 傳感器模塊引腳 該傳感器共有四個引腳，其功能如表所示： 表管腳管腳說明1VCC(電壓輸入或5V)2RX(串口數(shù)據(jù)輸入)3TX(串口數(shù)據(jù)輸出)4GND(電源供電負極) 傳感器模塊電路圖如圖所示：圖 傳感器模塊電路圖 運算放大電路分析： 如圖，該模塊選用了一片LTC1049作為運算放大電路中的運算放大芯片。LTC1049是一種輸入失調(diào)電壓小，低功耗，零漂移的運算放大器。在這里能夠較好的保證采樣精度。此外，該傳感器模塊集成了STM 8S00F3P6單片機，其為一個8位的單片機，具有8K字節(jié)的flas

28、h存儲、128字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM、十位AD轉(zhuǎn)換接口，3個定時計數(shù)器、一個串行通信接口、SPI接口、IIC接口。因此，該單片機可以通過AD轉(zhuǎn)換接口直接接收模擬信號。該模塊通過此芯片完成傳感器信號處理，并通過串口輸出傳感器所測得的參數(shù)。89C52單片機通過與傳感器模塊進行串口通信獲取傳感器數(shù)據(jù)，從而計算出甲醛濃度。3.2.4 甲醛傳感器模塊的串口通信協(xié)議 該模塊通信協(xié)議為：l 模塊通訊波特率9600；l 無校驗；l 數(shù)據(jù)位8位；l 停止位1位。（9600，N，8，1）；l 該模塊以查詢方式進行通信，即每向傳感器發(fā)送一次命令，傳感器模塊響應(yīng)一次。通訊協(xié)議如下：讀取協(xié)議：0x800xaa0x020

29、xa5 0x5a發(fā)送： 起始 數(shù)量 指令 結(jié)束返回：0xaa0xxx 0xxx0xxx 0xxx0x800x060xa5 0x5a 起始 數(shù)量 指令 甲醛mg 甲醛ppm 結(jié)束校零協(xié)議：發(fā)送：0xaa0x850x020xa5 0x5a 起始 數(shù)量 指令 結(jié)束3.3 串口WiFi模塊 我們選用安可信公司的ESP8266-01型串口WiFi模塊作為本系統(tǒng)的WiFi模塊。該模塊具有體積小、穩(wěn)定性強、易擴展等特點。ESP826-01是一款UART-WiFi 透傳模塊，是安可信公司為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)所設(shè)計的通用化模組。該模塊出廠默認使用AT指令進行操控，用戶也可以燒錄自己的程序。該模塊開發(fā)工具較多，便于

30、學(xué)習(xí)開發(fā)。3.3.1 WiFi模塊特性該模塊具是一標準串口WiFi模組，其內(nèi)置32位MCU，出廠時燒錄了最新固件，該芯片可兼作應(yīng)用處理器，用戶可以自行燒錄程序。模塊工作電壓為3.3V，與傳感器模塊相同。其支持802.11 b/g/n 標準，具有完整WiFi功能。同時，該模塊擁有串行通信接口，可以通過串口向WiFi模塊發(fā)送指令或數(shù)據(jù)。模塊擁有STA、AP和STA+AP三種工作模式。 3.3.2 WiFi模塊的基本參數(shù)安可信ESP8266-01型WiFi模塊使用ESP8266芯片,其出廠時的基本參數(shù)如表3.7:表 WiFi模塊的基本參數(shù)WiFi模塊的實物圖及引腳功能圖如圖，圖所示 圖3.6 WiF

31、i模塊實物圖 圖3.7 WiFi模塊引腳圖 各引腳的定義如表所示：表 WiFi模塊的引腳定義 WiFi模塊最小系統(tǒng)如下：管腳GND 和VCC分別接電源地和正極，CH_PD腳拉高（可與VCC短接），此時系統(tǒng)即可以啟動，出場默認系統(tǒng)運行AT指令，接受客戶的指令。模塊正常啟動后，電流約70毫安。 3.3.3 WiFi模塊的AT指令 該WiFi模塊的默認系統(tǒng)運行AT指令，我們通過串口可以向模塊發(fā)送AT指令。 AT 即Attention，AT指令一種終端設(shè)備向終端適配器發(fā)送的的字符串。一條AT指令通常AT為首，以其他字符結(jié)束。通常，每一條指令執(zhí)行后，無論其成功與否都會有相應(yīng)的返回值。這種指令方式簡單易懂

32、，由于采用標準的串口來進行收發(fā)，使我們對于模塊的控制難度大大降低，易于幫助我們快速驅(qū)動模塊。Espressif AT指令集主要分為：基礎(chǔ) AT 命令、Wifi 功能 AT 命令、TCP/IP 工具箱 AT 命令等。指令格式如表所示： 表 AT指令的格式該模塊的每條AT指令都應(yīng)以回車換行符結(jié)束。采用出場默認的固件時，模塊串口通信的默認波特率為115200。3.3.4 WiFi模塊的云端通信 我們選擇貝殼物聯(lián)作為本系統(tǒng)的云端服務(wù)器，使用其提供的云端服務(wù)功能實現(xiàn)遠程監(jiān)控。通過互聯(lián)網(wǎng)以對話、遙控器等形式與你的智能設(shè)備進行對話、發(fā)送指令，查看實時數(shù)據(jù)，還可以跟實際需求設(shè)置報警條件，當滿足報警條件時，服務(wù)

33、器通過APP、郵件、短信、微博、微信等方式通知用戶。液晶顯示模塊 在甲醛氣體信息被單片機采集后，單片機輸出顯示信息，液晶模塊顯示出甲醛濃度。液晶是一種介于液態(tài)與結(jié)晶態(tài)之間的物質(zhì)，在不通電的時候其內(nèi)部排列會很混亂，這樣導(dǎo)致光線通過就很困難。而液晶在通電的時候，在電場的作用下其內(nèi)部則會有序排列，光線能夠很容易的通過；因此可以利用液晶來控制光線的通過與否。液晶顯示面板由兩片無鈉玻璃和其間夾著的一層液晶構(gòu)成。液晶顯示器具有體積小、功耗低、操作簡單等特點，因此，其在大規(guī)模IC電路中使用較多，而且彩色顯示較容易實現(xiàn)。在便攜式設(shè)備（如筆記本電腦、數(shù)碼攝像機、 等）中使用更為廣泛。但液晶顯示器也其有缺點，如使

34、用環(huán)境的溫度范圍很小，一般液晶正常工作的溫度范圍為0+55。所以，在使用液晶的時候，需要依據(jù)使用環(huán)境進行正確選擇。液晶顯示按照顯示方式的不同可以分為分段式LCD、字符式LCD、點陣式LCD等。按照驅(qū)動方式的不同又可以分為靜態(tài)驅(qū)動式、單純矩陣驅(qū)動式、主動矩陣驅(qū)動式。在這里我們選用工業(yè)字符型液晶LCD1602液晶作為本系統(tǒng)的顯示模塊。 液晶顯示模塊的概述 LCD1602的外形尺寸如圖所示：圖 LCD 1602的外形尺寸其主要技術(shù)參數(shù)如表： 表顯示容量：16x2字節(jié)芯片工作電壓工作電流毫安（）模塊最佳工作電壓字符尺寸2（WxH）毫米3.4.2 顯示模塊引腳說明 本系統(tǒng)選用具有標準16接口的LCD16

35、02液晶顯示模塊（帶有背光燈），各接口編號及其引腳定義如表所示：表 液晶引腳定義VSS（引腳1）：接電源地。VDD（引腳2）：與+5V電源連接。VL（引腳3）：此為對比度調(diào)節(jié)引腳。當其接通+5V電源時，顯示對比度最小，與電源地線連接時有最大對比度。實際測量發(fā)現(xiàn)，下拉3K電阻時有最佳顯示效果。3.4.3 顯示模塊操作（1） 基本操作時序：讀狀態(tài)：輸入：RS=1，RW=1，E=0；輸出：狀態(tài)字=D0-D7；寫指令：輸入：RS=0，RW=0，E=高脈沖，D0-D7=指令碼；輸出：無；讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=1，RW=1，E=1；輸出：數(shù)據(jù)=D0-D7；寫數(shù)據(jù)：輸入：RS=1，RW=0，E=高脈沖，D0-

36、D7=數(shù)據(jù)； 輸出：無（2） LCD1602的控制指令如表所示： 表 指令碼功能如下：l 顯示模式設(shè)置： 表l 顯示開關(guān)及光標設(shè)置： 表（3） 顯示模塊的初始化過程（復(fù)位過程）l 操作時序：讀操作時序（圖）：圖 液晶的讀操作時序?qū)懖僮鲿r序（圖）：圖 液晶的寫操作時序3.4.4 RAM映射表及字庫對照表 LCD1602顯示模塊內(nèi)部有80x8位（80字節(jié)）的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，其對應(yīng)顯示區(qū)域?qū)φ杖鐖D所示：圖 液晶的RAM對照表因此在向DDRAM寫C51字符代碼程序時可以直接用P1=A這樣的方法。編譯器在編譯時會把'A'轉(zhuǎn)換41H，即A所對應(yīng)的代碼。字符編碼和字符的對應(yīng)關(guān)系如圖所示：圖 字符

37、對照表 3.5 蜂鳴器模塊 蜂鳴器模塊的的功能是：當甲醛濃度超出指定值時，發(fā)出報警信號。蜂鳴器分為無源蜂鳴器和有源蜂鳴器兩種。 無源蜂鳴器：蜂鳴器內(nèi)部沒有震蕩源，需要外部輸入交變信號才能發(fā)聲，低電平觸發(fā)； 有源蜂鳴器：內(nèi)部擁有震蕩源，接通電源便能發(fā)聲。 蜂鳴器的選用。由于無源蜂鳴器在工作時需要單片機不停地產(chǎn)生輸出PWM波，導(dǎo)致一旦蜂鳴器報警，程序就需停下，而本檢測系統(tǒng)需要不間斷的檢測甲醛濃度，因此本系統(tǒng)選用有源蜂鳴器。3.6 電源降壓模塊 在前面甲醛傳感器模塊和WiFi模塊的介紹中我們可以看到，這兩個模塊工作的電壓為，然而單片機工作電壓為，因此，我們需要一個降壓模塊來匹配它們的工作電壓。在這里

38、我們選用電源穩(wěn)壓模塊來完成此項工作，該模塊配備了一片芯片。AMS1117系列固定穩(wěn)壓器設(shè)計提供了可調(diào)的800mA的輸出電流和低于1V的輸入輸出誤差。在保證最大輸出電流時，該設(shè)備的壓差最大為，在低負載電流時，壓差會下降。片上微調(diào)調(diào)整參考電壓為1%。其電流限制也做了調(diào)整，最大限度地減少了過載條件下調(diào)節(jié)器和電源電路的應(yīng)力。AMS1117采用與其他器件兼容的三端引腳，表面貼裝SOT-223封裝。整個降壓模塊的工作參數(shù)如下：(1) 輸入：直流(2) 輸出：，800mA （負載電流不能超過800ma）3.7 串口通信的TTL電平匹配設(shè)計由于甲醛傳感器模塊和WiFi模塊上控制芯片的工作電平均為，如果其串口與

39、單片機直接相連，則有可能因灌電流過大，導(dǎo)致模塊燒毀，因此必須設(shè)計電路來進匹配這些模塊的TTL電平。常用的轉(zhuǎn)換方法有：(1) 電阻分壓法：使用兩個k級別的電阻進行分壓，前級輸出分壓后輸出給后級。此操作較為簡單，但在某些應(yīng)用需要注意以下情況：1) 分壓電阻過大時，可能會導(dǎo)致后級流入電流過小，因此不適合用在某些需要有一定驅(qū)動能力的器件上；2) 如果分壓電阻過小，又會會導(dǎo)致功耗過大，導(dǎo)致其不適合于低功耗場合的應(yīng)用，并且由于前級引腳輸出存在一定的小阻值等效電阻，這樣會影響分壓； 3) 該方法不適合用于高速場合，由于后級輸入引腳大多存在對地的分布電容，這些電容通過RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成充電電路，RC電路會

40、導(dǎo)致信號傳輸延時，在低速信號鏈中，該影響可以不考慮。(2) 電阻限流法：在前級輸出上串接一個k級別的限流電阻。因為通常是電流造成后端器件損壞而非是電壓，所以該方法也能成立，通過串聯(lián)限流電阻的方法雖然不是很可靠，但對于某些場合，該方法較為方便。在使用時該方法也存在以下注意事項：1) 前級輸出電流較大時，此方法不適宜使用，但這種情況概率很低，對于一般的邏輯器件、MCU等都不會有太大的輸出電流；2) 該方法同樣不適合高速傳輸?shù)膱龊稀?3) 三極管鉗位法：通過電阻限制前級流入后級的電流大小，在通過使用三極管，過量的電流被導(dǎo)向地。這種方法也存在前面兩種方法的缺陷。(4) 二極管降壓：在前級串上具有合適壓

41、降的幾個二極管，使輸入到后級的端電壓范圍控制在左右，這種用法較簡單，但僅可單向傳輸。(5) 隔離法：該方法通過光耦，實現(xiàn)電-光-電的轉(zhuǎn)換，進而實現(xiàn)信號的傳輸。這種方法一般用于電氣隔離中。(6) 使用專用的芯片：可以通過專用的電平轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)，例如74AHC系列邏輯門電路，這類芯片的工作電壓接時，其輸入引腳上的電壓將不受電源電壓所限制，因而超過的（但不超過5V）也可以接，進而電平轉(zhuǎn)換得到實現(xiàn)。從本質(zhì)上來說，這類芯片的內(nèi)部集成了相應(yīng)的鉗位二極管。在最初的設(shè)計中，我們選擇74LVC4245電平轉(zhuǎn)換芯片來進行所需的電平轉(zhuǎn)換，74LVC4245采用雙電源供電，是一個典型的雙向收發(fā)器，其通過DIR管腳控

42、制傳輸方向，OE管腳做收發(fā)使能管腳，控制是否允許收發(fā)。74LVC4245A是一個高性能、低功耗 、低電壓， 硅基cmos 設(shè)備， 其兼容最最新CMOS TTL。該芯片是八位三態(tài)收發(fā)芯片。 其被設(shè)計用于到和到的電壓轉(zhuǎn)換，最多支持8路信號。該芯片引腳圖如圖所示： 圖該芯片的管腳定義為：VCCA和VCCB分別和，A1A8口接的信號與VCCA一致，B1B8接的信號與VCCB一致，DIR控制方向，OE控制使能。要求VCCA大于等于VCCB。 芯片的信號分A、B兩個組，其中一組輸入，另一組輸出。使用時，不用的引腳最好上拉到VCC或GND防止懸空。74LVC

43、4245芯片的真值表如所示： 表輸入輸出OEDIRAnBnLLAn= Bn（輸出）輸入LH輸入Bn= An（輸出）HXZZ 從整個系統(tǒng)考慮到成本，和設(shè)計難度，我們選擇了串限流電阻這種方法解決模塊與單片機的通信問題。通過對模塊工作電流的分析，確定出兩個限流電阻的大小為2K。通過對快的實際測試，發(fā)現(xiàn)使用該方法，傳感器模塊能夠正常工作。然而在最后的硬件測試中，我們發(fā)現(xiàn)，該方法的負載能力有限，難以同時驅(qū)動甲醛傳感器模塊和WiFi模塊。最終我們才用以下電路設(shè)計，如圖：圖3.14 串口TTL電平匹配電路該電路采用雙和雙電源供電，具有較強的串口驅(qū)動能力，最高支持穩(wěn)定的通信波特率為28800bps，符合各模塊

44、的通信需求。3.8 單片機程序下載器我們選擇第三代 STC增強型燒錄器作為本次開發(fā)中的程序燒錄器，該燒錄器具有以下特點：(1) 下載器支持STC全系列所有單片機程序的燒寫，并且其支持以BSL方式燒錄MSP430單片機（僅限于 MspFet 軟件燒錄）；(2) 燒錄器支持最高波特率115200。(3) 該編程器支持自動下載，無需冷啟動單片機，避免了頻繁給單片機斷電上電，這一功能使 STC 單片機程序下載變得非常便捷。(4) .支持3.3V 與5.0V 版本的 STC 單片機燒錄，下載器集成了3.3V 電源管理芯片，對外供電電流高達500MA。(5) 具有500MA 自恢復(fù)保險絲，防止過流。 下載

45、器引腳及其定義：提供或電源，與單片機的VCC連接；TXD ：下載器的串口發(fā)送端，接接單片機的（RXD）；RXD：下載器的串口接收端，接單片機的（TXD）；GND ：電源地，接單片機的 GND。此外，下載器還支持各種需要 USB-TTL串口信號的場合使用，例如串口通信 、 超級終端串口調(diào)試工具，這一功能給我們對傳感器模塊和WiFi模塊的調(diào)試帶來了極大的便利。3.9 單片機中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)的功能是：當CPU在處理一件事的時候，外部有另一件突發(fā)事件發(fā)生，這時CPU被請求處理中斷任務(wù)，這時CPU暫停當前進程，響應(yīng)中斷請求，轉(zhuǎn)入處理中斷代碼，當中斷服務(wù)代碼處理完畢時，CPU能夠返回斷點，進而繼續(xù)執(zhí)行之前

46、被終止進程。中斷技術(shù)的優(yōu)點：a) 實時性增強。CPU能夠及時的處理系統(tǒng)的隨機事件。b) 可靠性提高。CPU可以處理各種故障或掉電等突發(fā)事件。c) 利用率極高。CPU能通過分時為多個I/O設(shè)備服務(wù)。(1) 80C51單片機的中斷源80C51系列單片機擁有五個中斷源，如表所示： 表 80C51的中斷源 80C51單片機中斷系統(tǒng)中，通過對應(yīng)的中斷標志位，CPU可以獲得中斷狀態(tài)信息。中斷標志位包含在TCON和SCON這兩個特殊功能寄存器當中。前者是定時/計數(shù)器的控制寄存器。這里我們重點了解SCON寄存器，它是串口控制寄存器，其地址為98H，可進行位尋址。該寄存器的低兩位被用作串口中斷標志，其每位的定義

47、如表所示： 表位地址9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H位符號-TIRI SCON寄存器中每一位功能如下：1) RI：串口中斷的接收中斷請求標志位。當串口在方式0下工作時，每當?shù)?位數(shù)據(jù)被接收，將會由硬件置位RI；串口在其他工作方式時，每當接收到停止位，將會由硬件置位RI。需要注意的是，CPU在轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序入口時，RI不會被硬件復(fù)位，因此，程序編制時需要以軟件方式復(fù)位RI (置零)。2) TI：串口中斷的發(fā)送中斷請求標志位。當串口在方式0下工作時，每當?shù)?位數(shù)據(jù)被發(fā)送，將會由硬件置位TI；串口在其他工作方式時，每當發(fā)送到停止位，將會由硬件置位TI。而且，TI的復(fù)位也需要用軟件來

48、完成。(2) 單片機的中斷控制 80C51系列的單片機的中斷系統(tǒng)具有一個的中斷允許寄存器IE，該寄存器被來控制中斷是否被開啟。寄存器的地址為A8H，可進行位尋址，寄存器各地址與其對應(yīng)的內(nèi)容如表所示： 表位地址AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8H位符號EA-ESET1EX1ET0EX0每一位所對應(yīng)的功能如表所示：標志位功能EA中斷允許總控制位EA=0：CPU禁用所有中斷；EA=1：CPU開放中斷EX0(EX1)外部中斷允許控制位EX0(EX1)=0：禁止外部中斷；EX0(EX1)=1，允許外部中斷ET0(ET1)定時/計數(shù)器中斷允許控制位ET0(ET1)=0：禁止定時/計數(shù)器中斷；E

49、T0(ET1)：允許定時/計數(shù)器中斷ES 串口中斷允許控制位ES=0：關(guān)閉串口中斷；ES=1：開啟串口中斷 80C51系列單片機的中斷系統(tǒng)中，中斷被區(qū)分為一高一低兩個優(yōu)先級，通過優(yōu)先級控制器IP，我們可以對中斷的優(yōu)先級進行設(shè)定。該寄存器地址為B8H，各位地址何其對應(yīng)的內(nèi)容如表所示： 表位地址BFHBEHBDHBCHBBHBAHB9HB8H位符號-PSPT1PX1PT0PX0每一位所對應(yīng)的功能如表所示：表 功能位對應(yīng)表表中，若置零某一控制位，則其所對應(yīng)的中斷源會被定義為低優(yōu)先級；置一則為高優(yōu)先級。我們可以通過編程來置位或清零中斷優(yōu)先級控制器IP中的各個控制位。當單片機復(fù)位后，該寄存器中的各位都會

50、被清零。通過中斷優(yōu)先級的設(shè)定，我們可以實現(xiàn)中斷嵌套。中斷嵌套只能發(fā)生一次，中斷優(yōu)先級控制原則如下：a) 根據(jù)優(yōu)先級設(shè)定，在低優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序執(zhí)行時，CPU會高優(yōu)先級的中斷請求，低優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序被打斷，轉(zhuǎn)入高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序從而實現(xiàn)一層中斷嵌套。反之則不成立。b) 相同級別的中斷不能互相打斷。c) CPU在接收到多個相同優(yōu)先級的中斷請求時，將按照一定的按查詢次序確定被響應(yīng)的中斷請求，該次序為：首先查詢外部中斷0，其次是定時器/計數(shù)器0中斷，接下來是外部中斷1，然后定時器/計數(shù)器1中斷，串口中斷將會被最后響應(yīng)。(3) 中斷的處理過程 一個中斷請求的處理過程可以被分為三個階段，它們依次是

51、：1中斷響應(yīng)、2中斷處理、3中斷返回。根據(jù)這三個過程，80C51系列單片機的中斷處理如下：1) 中斷響應(yīng)：在CPU中斷和相應(yīng)中斷允許打開的情況下，中斷源發(fā)出中斷請求時，CPU將對中斷請求回答。在此過程中，CPU需要先完成中斷服務(wù)程序之前的準備工序，這包括主程序斷點的保護和將程序的運行地址轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序的入口地址處。2) 中斷處理：該過程指從中斷服務(wù)程序入口地址開始，一直執(zhí)行到中斷服務(wù)程序結(jié)束。該過程包括兩方面的內(nèi)容，即：現(xiàn)場保護和中斷源請求的處理。3) 中斷返回：指在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，CPU返回到主程序斷點繼續(xù)執(zhí)行主程序。串行通信串行通信指數(shù)據(jù)按照順序，一位一位的進行傳送，因此其一次只

52、能傳輸一位，對于一字節(jié)的數(shù)據(jù)需要分八位才能完成傳送。串行通信的特點是：數(shù)據(jù)傳輸線少，成本低、適用于遠距離數(shù)據(jù)傳輸，但其缺點就是傳輸速度慢。3.10.1 串行通信方式根據(jù)通信協(xié)議的不同，串行通信有以下兩種基本方式：1. 同步通信通信方式這是一種連續(xù)進行串行數(shù)據(jù)傳送的通信方式，在該方式中，一次通信只傳送一幀信息。每一個信息幀通常會包含有多個數(shù)據(jù)字符。這些字符有三種類型，它們分別是：用于保證同步的同步字符，所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字符和進行校驗的字符（CRC）。其中同步字符位于幀的開頭，該部分可以用來數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始，保證收發(fā)雙方數(shù)據(jù)的同步。數(shù)據(jù)字符為需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，其字符個數(shù)沒有限制，一般為所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的長度；校驗字符一般有有1到2個字符組成，通過它，接收端能夠?qū)λ邮盏降淖址蛄械倪M行校驗，用于確定數(shù)據(jù)是否正確。每一幀數(shù)據(jù)的開頭使用同步字符，保證收發(fā)雙方嚴格的同步，傳輸期間