電子測量大作業(yè)-甲醛檢測系統(tǒng)設(shè)計

華東會通大學(xué)題目甲醛檢測系統(tǒng)的設(shè)計課程名稱電子測量院部名稱信息工程學(xué)院專業(yè)通信工程班級11通信XX學(xué)生姓名XXX學(xué)號2011XXX指導(dǎo)教師黃德昌隨著社會的發(fā)展，生活質(zhì)量的提高，越來越多的人們意識到房屋裝修所殘留的氣體對人體的傷害，而房屋裝修所殘留的氣體主要為甲醛。甲醛對人體健康有較大的危害，許多疾病的誘發(fā)都與甲醛有關(guān)，如哮喘，白血病等。對此我們研究并設(shè)計了一種用于檢測室內(nèi)氣體中所含甲醛含量的檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)具有顯示甲醛含量以及超標(biāo)報警的功能。該系統(tǒng)設(shè)計方案是基于AT89C52單片機，選擇MQ138型甲醛傳感器。在系統(tǒng)中傳感器模塊輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片機能識別的信號，單片機對此信號進(jìn)行處理，最后將甲醛含量顯示在LCD上，并在甲醛含量超標(biāo)時進(jìn)行報警。關(guān)鍵詞：甲醛；單片機；傳感器AbstractWiththedevelopmentofsocial,improvedoflife,moreandmorepeoplerealizethedamageofthehousingrenovationresidualgasesonthehumanbody,housingrenovationoftheresidualgasismainlyforformaldehyde.Formaldehydegreaterharmtohumanhealth,manydiseasesinducedisrelevanttoformaldehyde,suchasasthma,leukemia,etc.Westudyanddesignadetectionsystemisusedtodetectindoorgascontainedformaldehydecontent.ThedetectionsystemshowstheformaldehydecontentandAlarming.ThesystemdesignbasedonAT89C52,selectMQ138typeformaldehydesensor.ThroughtheA/DconvertercircuittoconvertthesignalfortheMCUcanidentifyinthestandardcurrentoutputofthesensormodule,MCUprocessingofthissignal,finally,theformaldehydecontentisdisplayedontheLCD,andalarmexcessivelevelsofformaldehyde.Keywords:Formaldehyde;Singlechip;Sensor目錄摘要TOC\o"1-5"\h\z第一章緒論3引言3甲醛的特性及危害3甲醛的來源3甲醛檢測儀的種類3第二章傳感器與處理器的介紹4傳感器4處理器4第三章儀器方案設(shè)計4第四章硬件設(shè)計6系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理6系統(tǒng)主要模塊介紹6數(shù)據(jù)采集模塊6數(shù)據(jù)顯示模塊7報警電路8數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊9第五章軟件設(shè)計10編寫語言及編寫軟件簡介10注程序模塊10A/D轉(zhuǎn)換流程圖10LCD顯示流程圖11按鍵流程圖11系統(tǒng)仿真12第六章總結(jié)與展望13參考文獻(xiàn)14第1章緒論1.1引言甲醛的特性及危害甲醛是一種無色，有強烈刺激性氣味的氣體。易溶于水、醇和醚。甲醛在常溫下是氣態(tài)，通常以水溶液形式出現(xiàn)。其37%的水溶液稱為福爾馬林，醫(yī)學(xué)和科研部門常用于標(biāo)本的防腐保存。此溶液沸點為19.5℃故在室溫時極易揮發(fā)，隨著溫度的上升甲醛的揮發(fā)速度加快。在我國有毒化學(xué)品優(yōu)先控制名單中甲醛列居第二位。甲醛已被世界衛(wèi)生組織確定為致癌和致畸形物質(zhì)。甲醛是原漿毒物，能與蛋白質(zhì)結(jié)合，吸入高濃度甲醛后會出現(xiàn)呼吸道的嚴(yán)重刺激和水腫、眼刺痛、頭痛，也可發(fā)生支氣管哮喘皮膚直接接觸甲醛，可引起皮炎、色斑、壞死。經(jīng)常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出現(xiàn)粘膜充血、皮膚刺激癥、過敏性皮炎、指甲角化和脆弱等。全身癥狀有頭痛、乏力、心悸、失眠、體重減輕以及植物神經(jīng)紊舌L等。甲醛的來源.室內(nèi)裝修所用的合成板材，如膠合板、細(xì)木工板、高密度板、刨花板。這些板材中甲醛起膠合劑、防腐劑的作用，主要用于加強板材的硬度、防蟲、防腐。板材中殘留的和未參與反應(yīng)的甲醛逐漸向周圍環(huán)境釋放，是室內(nèi)空氣中甲醛的主要來源。.用合成板材制造的家具，廠家為了追求利潤使用不合格的板材，再粘貼面材料時使用不合格的膠水，造成家具中甲醛含量超標(biāo)。.含有甲醛成分并有可能向外界散發(fā)的各類裝飾材料，如壁紙、地毯、油漆。1.2甲醛檢測儀的種類目前，市場上甲醛檢測儀的種類是多種多樣，其中較常見的是采用試驗紙光電光度法，即：當(dāng)甲醛氣體吹到浸有發(fā)色劑的試紙上時，與浸有發(fā)色劑的TAB組合就會因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而變色。甲醛同試紙接觸后含在紙里的試藥就會同甲醛反應(yīng)生成化合物，顏色就會從白色變成黃色。變色的程度可反映出所受光的反射光量，反射光量的強度變化率可以作為被測氣體的甲醛含量的應(yīng)答值。預(yù)先設(shè)定檢測線，便可通過測量其反應(yīng)率來測出甲醛氣體的濃度值。在氣體的采集方面有的是采用自動吸引式（內(nèi)藏微型氣泵），有的采用擴散式。對于試驗紙光電光度法來分析甲醛的濃度，它的優(yōu)點是靈敏度高，操作簡便，測定速度快。而該方法在分析甲醛濃度時往往采用的是目視比色法，它的缺點是：

.由于許多有色溶液不夠穩(wěn)定，不能久存,經(jīng)常需要在測定的同時配制溶液,比較費時費事。.目視比色的準(zhǔn)確度低，一般相對誤差為±5?20%。本論文設(shè)計的便攜式甲醛檢測儀所涉及的甲醛傳感器是電化學(xué)傳感器。它可以將甲醛氣體的濃度轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號。這樣就可以通過電流電壓變換電路將微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為可以測量的穩(wěn)定的電壓信號，增強了電信號的穩(wěn)定性。第2章傳感器與處理器的介紹傳感器本系統(tǒng)采用的傳感器為MQ138型甲醛傳感器，該傳感器具有廣泛的探測范圍，快速的響應(yīng)恢復(fù)及較高的靈敏度，長期的工作穩(wěn)定性，簡單的測試電路等特點。主要應(yīng)用于家庭、環(huán)境的有害氣體探測裝置，適宜于醇類、醛類、芳族化合物等有機溶劑的探測管腳圖如圖所示：331QIMpHABBAH甲醛傳感器管腳圖MQ138氣敏組件由微型陶瓷管、敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感組件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏組件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏組件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，兩個用于提供加熱電流。MQ138型氣敏器件對不同的種類，不同的濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏組件是，靈敏度的調(diào)整是很重要的。建議用0Ppm甲苯或50Ppm酒精蒸汽校準(zhǔn)傳感器。處理器第三章儀器方案設(shè)計本設(shè)計選用基于電化學(xué)原理的甲醛傳感器，其原理是空氣中的甲醛在電極下發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的擴散電極電流與空氣中的甲醛濃度成正比，通過檢測放大電路和放大倍數(shù)的調(diào)整經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送單片機。由于甲醛的含量超標(biāo)的話將對人

體的健康造成很大的傷害，因此本系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)單片機接收到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送來的信號時，單片機會檢測該信號，并將信號轉(zhuǎn)化為甲醛濃度的具體含量輸出顯示在LCD上，并且單片機會比較此信號，當(dāng)此信號所表示的甲醛含量超過預(yù)先設(shè)定的警報標(biāo)準(zhǔn)時，會控制警報器發(fā)出超標(biāo)警報。JLsa,口日口;raize1r：HiZLEBQ《日disq□sdHmysa口如口ME：ODAEECrm二rv-|JLsa,口日口;raize1r：HiZLEBQ《日disq□sdHmysa口如口ME：ODAEECrm二rv-|c：eg前室內(nèi)所含甲醛的含量，更能在含量超標(biāo)是及時的報警提示。本系統(tǒng)設(shè)計采用功能模塊化的設(shè)計思想，系統(tǒng)主要分為總體方案設(shè)計、硬件和軟件的設(shè)計三大部分。室內(nèi)甲醛污染對人身體健康影響較大，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法絕大多數(shù)是化學(xué)分析法，使用的手段是實驗室分析儀器主要有比色計、分光光度計、化學(xué)滴定、氣相和液相色譜。但這些方法費力費時、成本高、自動化程度低過程復(fù)雜、大多數(shù)過程是人工操作很難做到現(xiàn)場實時控制隨著傳感器和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)已有了基于單片機的便攜式甲醛測試儀，并且測試測試范圍、分辨率、精度、穩(wěn)定性已接近標(biāo)準(zhǔn)要求。因此本設(shè)計可選用基于電化學(xué)原理的甲醛傳感器，其原理是空氣中的甲醛在電極下發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的擴散電極電流與空氣中的甲醛濃度成正比，通過檢測放大電路和放大倍數(shù)的調(diào)整經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送單片機、由單片機現(xiàn)場自動控制檢測并顯示甲醛濃度。由于甲醛含量超量的話，將對人體健康造

成很大的影響。具有民用價值的便攜式甲醛檢測儀的研制受到了人們的高度重視。設(shè)計能夠滿足生活需要，攜帶方便的便攜式甲醛檢測儀迫在眉睫。針對目前的現(xiàn)狀，本系統(tǒng)設(shè)計遵守體積小，質(zhì)量輕，性價比高的原則。第四章硬件設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理系統(tǒng)是由傳感器模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，單片機最小系統(tǒng)，液晶顯示模塊，報警模塊，外圍存儲模塊以及按鍵模塊組成。其中主要器件傳感器選用的是MQ138型氣體傳感器，它的靈敏度高，價格便宜，外圍驅(qū)動電路簡單，單片機選用的是AT89C52,它的控制能力強。總體結(jié)構(gòu)圖如圖所示。硬件結(jié)構(gòu)框圖硬件結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)以單片機為控制中心，利用甲醛傳感器采集室內(nèi)甲醛含量的數(shù)據(jù)，傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)外圍放大電路放大，此放大信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為單片機可識別的信號，信號經(jīng)由單片機處理顯示在LCD上，當(dāng)超標(biāo)時單片機控制報警電路報警。硬件設(shè)計所涉及的主要有：MCU，A/D，LCD,外圍擴展數(shù)據(jù)RAM等芯片的選擇；硬件設(shè)計電路主要有：數(shù)據(jù)采集電路，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路，數(shù)據(jù)處理電路，顯示電路，報警電路以及外圍擴充內(nèi)存電路的設(shè)計。系統(tǒng)主要模塊介紹數(shù)據(jù)采集模塊在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由甲醛傳感器出來的電流信號必須經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)換才能被單片機識別和處理。在本系統(tǒng)中甲醛傳感器所檢測的電流信號經(jīng)電位器放大為電壓信號，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為單片機識別的信號。數(shù)據(jù)采集電路如下圖所示：

“IR510KHABEAH后“IR510KHABEAH后I-L1-jJMMQ138甲醛懾稚器數(shù)據(jù)顯示模塊對于本設(shè)計要求顯示所檢測到的甲醛含量，所以在硬件設(shè)計中會有液晶顯示的設(shè)計，最初所使用的液晶顯示器為LCD1602液晶顯示器，隨著設(shè)計的深入發(fā)現(xiàn)1602顯示器由若干個5X7點陣組成，只能顯示簡單的漢字，不能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。經(jīng)過篩選最后選定LCD12864顯示器。12864是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及128X64全點陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示也可以顯示8X4個漢字（16X16點陣）。以下為LCD12864與單片機的接線原理圖見液晶顯示原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就顯示黑色，這樣就可以顯示出圖形。字符顯示：字符顯示比較復(fù)雜，一個字符由16x8點陣組成，即要找到和顯示屏是某幾個位置對應(yīng)的RAM區(qū)的字節(jié)，再使不同的位置為‘1’其它的為‘0';為‘1’的點亮，為‘0’的不亮，這樣就顯示出一個字符。漢字顯示和字符顯示的原理差不多，就是一個漢字一般采用圖形方式，事先從微機中用字模軟件提取要顯示的漢字的點陣碼，每個漢字占32B，為兩部分，各16B。根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)就可以找出顯示RAM的對應(yīng)地址，送上漢字要顯示的第一字節(jié)，以此類推，最后送完32B，

這樣漢字就顯示出來了。本系統(tǒng)所要顯示的漢字和字符就是按照上述原理顯示出來的，而相應(yīng)字體的點陣碼則是用字模軟件提取出來的，然后把這些點陣碼放在相應(yīng)的LCD軟件程序里。4.2.3報警電路在我們?nèi)粘Ｉ钪兴姷降南嚓P(guān)報警方式有：一是語音提示報警，如驗鈔機的報警，這種報警不僅可以告知人們出現(xiàn)報警還能讓人們知道所報警的信息；二是閃光報警，這種方式利用閃爍的指示燈提醒人們注意；三是蜂鳴報警，發(fā)出蜂鳴聲響引起人們注意。由于本系統(tǒng)所需的報警電路只要求提醒人們注意甲醛含量超標(biāo)，所以我們可以選擇比較簡單和低功耗的蜂鳴報警方式?；谝陨衔疫x擇了比較常見的單頻音報警方式。實現(xiàn)單頻音報警的接口電路比較簡單，其發(fā)音組件通?？刹捎脡弘姺澍Q器，當(dāng)在蜂鳴器兩引腳上加3?15V直流工作電壓，就能產(chǎn)生3kHz左右的蜂鳴振蕩音響。壓電式蜂鳴器結(jié)構(gòu)簡單、耗電少，更適于在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用。壓電式蜂器，約需10mA的驅(qū)動電流，可在某I/O口接上一只三極管和電阻組成的驅(qū)動電路來驅(qū)動，如圖3.4所示。在圖中，P14接三極管基極輸入端，當(dāng)P14輸出高電平“1”時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的通電而發(fā)音，當(dāng)P14輸出低電平“0”時，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)音。P145VP145V圖單頻音報警電路圖下圖為報警電路接線圖：圖報警模塊圖報警模塊4.2.4數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊由于甲醛傳感器放大的電壓信號不能直接被單片機接收處理，這個電壓信號必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能被MCU接收和處理。A/D轉(zhuǎn)換器是用來通過一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。模擬量可以是電壓、電流等電信號，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號。但在A/D轉(zhuǎn)換前，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號。常用的幾種A/D轉(zhuǎn)換器類型為：積分型、逐次逼近型、并行比較型并行型、W-△調(diào)制型、電容數(shù)組逐次比較型及壓頻變換型。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有：分辨率、轉(zhuǎn)換速率、量化誤差、便宜誤差、滿刻度誤差、線性度。由于逐次逼近型/D轉(zhuǎn)換具有速度，分辨率高等優(yōu)點，而且采用這種方法的ADC芯片成本低，所以我們采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型ADC包括1個比較器、一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個逐次逼近寄存器(SAR)和1個邏輯控制單元。逐次逼近型是將采樣信號和已知電壓不斷進(jìn)行比較，一個時鐘周期完成1位轉(zhuǎn)換，依次類推，轉(zhuǎn)換完成后，輸出二進(jìn)制數(shù)。這類型ADC的分辨率和采樣速率是相互牽制的。優(yōu)點是分辨率低于12位時，價格較低，采樣速率也很好。在本系統(tǒng)中選用的是ADC0832型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有8位分辨率、雙信道A/D轉(zhuǎn)換、輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容、5V電源供電時輸入電壓在0?5V之間、工作頻率為250KHZ、轉(zhuǎn)換時間為32微秒、一般功耗僅為15MW等優(yōu)點。電路圖如圖3.6所示：亍ADC口第2AD轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0832的引腳圖如下圖3.7所示:ADC0832引腳圖第五章軟件設(shè)計及仿真編寫語言及編寫軟件簡介單片機在應(yīng)用過程中要最大化的節(jié)約CPU與內(nèi)存，除了匯編與C之外，JAVA和C++都不太適合做單片機的編程語言，C語言可讀性好，代碼便于維護(hù)，便于開發(fā)；而匯編語言編寫的程序不容易看懂，可維護(hù)性不好，但是執(zhí)行效率高。與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。由于IC工藝的成熟，MCU的存儲資源越來越便宜，工作頻率也越來越高，所以在資源利用率以及執(zhí)行效率上沒有像以前要求那么高了。而且，實現(xiàn)的功能越來越強大，這些因素都助長了C在MCU編程中的應(yīng)用。所以在本系統(tǒng)的軟件編寫上選擇了C語言。Keil是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，Keil提供了包括C編輯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。Keil的優(yōu)點：KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件是更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全windows接口。注程序模塊主程序?qū)崿F(xiàn)的功能：與硬件相結(jié)合實現(xiàn)室內(nèi)甲醛檢測儀的各個功能。主要是檢測與顯示，數(shù)據(jù)存儲。功能子函數(shù)的調(diào)用。主程序結(jié)構(gòu)框架圖如圖4.1所示：A/D轉(zhuǎn)換流程圖A/D轉(zhuǎn)換模塊的主要功能就是將傳感器的放大信號轉(zhuǎn)換為MCU能識別的數(shù)字信號，A/D轉(zhuǎn)換流程圖如圖4.2所示:讀取兩個字節(jié)A/D轉(zhuǎn)換流程圖讀取兩個字節(jié)A/D轉(zhuǎn)換流程圖LCD顯示流程圖LCD顯示模塊的軟件部分主要作用就是在LCD屏上顯示整個系統(tǒng)的開機畫面，各個菜單，以及顯示檢測出的甲醛濃度等功能，LCD顯示流程框圖如圖4.3所示按鍵流程圖按鍵是顯現(xiàn)人機對話的一個控制按鈕，按鍵模塊的軟件主要是實現(xiàn)通過按鍵對系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)送操作指令。按鍵流程框圖如圖4.4所示：

按鍵程序入口按鍵流程圖按鍵程序入口按鍵流程圖系統(tǒng)仿真以下是甲醛測試系統(tǒng)的仿真結(jié)果:.編譯結(jié)束，添加HEX文件單擊proteus運行按鈕，系統(tǒng)開始工作此時LCD將顯示開機主界面如圖所示:LCD2■■UGM12511HS1R歡迎使昆南師鑿學(xué)院

電氣信息工程學(xué)院開機主界面開機主界面.按下OK按鍵LCD進(jìn)入主菜單選項，再按OK鍵系統(tǒng)將進(jìn)入開始測量子菜單選項，先按DOWN再按OK鍵系統(tǒng)將進(jìn)入返回開機主頁面菜單選項。主菜單如圖5.2所示:系統(tǒng)主菜單.開始測量子菜單，當(dāng)按0K鍵是系統(tǒng)將會開始測量甲醛含量，按CANCEL會返回上一頁面。開始測量菜單選項如圖5.3所示：開始測量選擇菜單.系統(tǒng)開始測量甲醛濃度后，會講甲醛濃度含量顯示在LCD上。在此頁面按CANCEL鍵會返回開機畫面。顯示檢測數(shù)據(jù)頁面如圖5.4