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1、摘 要本文研究设计了一种用于公共场所及室内具有检测及超限报警功能的甲醛智能测试仪。其设计方案基于89C51单片机，选择瑞士蒙巴波公司的CH20/S-10甲醛传感器。系统将传感器输出的420mA的标准信号通过以AD0832为核心的A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，最后由LCD显示甲醛浓度值。文中详细介绍了数据采集子系统、数据处理过程以及数据显示子系统和报警电路的设计方法和过程。系统对于采样地点超出规定的甲醛容许浓度时采用三极管驱动的单音频报警电路提醒监测人员。同时，操作人员对于具体报警点的上限值可以通过单片机编程进行设置。 另外，该系统对浓度信号进行了信号补偿等处理，减少了测量误差，
2、因此，具有较高的测量精度，而且结构简单，性能优良。本系统的量程为0-10ppm,精度为0.039ppm。关键词: 甲醛检测，数据采集处理系统，硬件电路，软件设计，A/D转换器，AT89C52单片机目 录第章 绪论31.1 引言3第章 概述42.1系统总概述42.2总体方案设计42.3硬件设计52.4软件设计52.5 硬件结构框图2.152.6 软件结构框图2.25第3章 硬件设计6 3.1.1 硬件选择63.1.2 MCU的选择与简介63.1.3 单片机最小系统的实现83.2.1 数据采集系统143.2.2 模数转换的选择与简介153.2.3 按键选择与简介173.2.4 外围扩充存储器183
3、.2.5 时钟芯片选择与简介193.2.6 上拉电阻213.2.7 液晶显示器简介。213.2.8 报警电路243.2.9 硬件仿真环境介绍25第4章 软件设计274.1编写语言的选择274.2 编译软件介绍274.3主程序模块314.4模数转换324.5按键模块324.6时钟模块334.7液晶显示模块33第5章 系统仿真35第6章 结束语36致 谢37参考文献38附录39第章 绪论1.1 引言1.1.1甲醛的特性及危害甲醛是一种无色，有强烈刺激性气味的气体。化学式（HCHO ）易溶于水、醇和醚。甲醛在常温下是气态，通常以水溶液形式出现。其37%的水溶液称为福尔马林，医学和科研部门常用于标本的
4、防腐保存。此溶液沸点为19.5故在室温时极易挥发，随着温度的上升甲醛的挥发速度加快。在我国有毒化学品优先控制名单中甲醛列居第二位。1.1.2甲醛的来源1. 室内装修所用的合成板材，如胶合板、细木工板、高密度板、刨花板。这些板材中甲醛起胶合剂、防腐剂的作用，主要用于加强板材的硬度、防虫、防腐。板材中残留的和未参与反应的甲醛逐渐向周围环境释放，是室内空气中甲醛的主要来源。2. 用合成板材制造的家具，厂家为了追求利润使用不合格的板材，再粘贴面材料时使用不合格的胶水，造成家具中甲醛含量超标。3.含有甲醛成分并有可能向外界散发的各类装饰材料，如壁纸、地毯、油漆。第章 概述2.1系统总概述本论文主要完成甲
5、醛检测仪软件设计，设计内容包括：A/D转换器程序、控制程序、超标报警、键盘检测、数据显示等。本系统采用单片机为控制核心，以实现便携式甲醛检测仪的基本控制功能。系统主要功能内容包括：数据处理、时间设置、开始测量、超标报警、键盘检测、自动休眠：仪器若不进行称量操作，5分钟后自动进入休眠模式，以降低电源消耗。本系统设计采用功能模块化的设计思想，系统主要分为总体方案设计、硬件和软件的设计三大部分。2.2总体方案设计室内甲醛污染对人身体健康影响较大，标准规定的方法绝大多数是化学分析法,使用的手段是实验室分析仪器 主要有比色计、 分光光度计、化学滴定、 气相和液相色谱。但这些方法费力费时、成本高、自动化程
6、度低过程复杂、大多数过程是人工操作很难做到现场实时控制随着传感器和计算机技术的不断发展，现已有了基于单片机的便携式甲醛测试仪，并且测试测试范围、分辨率、精度、稳定性已接近标准要求。因此本设计可选用基于电化学原理的甲醛传感器，其原理是空气中的甲醛在电极下发生氧化反应，产生的扩散电极电流与空气中的甲醛浓度成正比，通过检测放大电路和放大倍数的调整经A/D转换后送单片机 、由单片机现场自动控制检测并显示甲醛浓度。由于甲醛含量超量的话，将对人体健康造成很大的影响。具有民用价值的便携式甲醛检测仪的研制受到了人们的高度重视。设计能够满足生活需要，携带方便的便携式甲醛检测仪迫在眉睫。针对目前的现状，本系统设计
7、遵守体积小，质量轻，性价比高的原则。2.3硬件设计硬件设计部分主要包括：（MCU、A/D、时钟芯片、LCD、外围扩展数据RAM）等芯片的选择； 硬件主电路设计、数据采集、模数转换电路设计、液晶显示电路设计、外围扩充存储器接口电路、时钟电路、复位电路、键盘接口电路等功能模块电路设计。2.4软件设计软件设计部分主要包括：编写语言的选择、主程序/子程序流程的设计、功能模块程序的编写、软/硬件结合调试与演示。主要包括一下功能模块：51驱动、检测、液晶显示、时钟、键盘、模数软换。2.5 硬件结构框图如图2.1所示图2.1 硬件结构框图2.6 软件结构框图如图2.2所示 图2.2 软件结构框图第3章 硬件
8、设计3.1 硬件选择 3.1.1 MCU的选择与简介1. 单片机的概念和特点 现代社会中，尽管PC机的应用已经相当普遍，但是，在工控领域，在日益追求小而精、轻而薄的自动化控制器、自动化仪器仪表、家电产品等方面,PC机仍有所不相适宜的地方。而工业控制、仪器仪表、家电产品等市场广阔，要求PC机技术与之相适应。在这种情况下，单片机应运而生了（也称作微型计算机）。微型计算机的基本机构是由中央处理器、储存器、和I/O设备构成的。所谓的单片机是指将微型计算机3个单元的多个分体中的主要功能用1个集成电路芯片来实现，该芯片具有一个微型计算机的基本功能。这种超大规模集成电路芯片即称为单片微型计算机，通常简称单片
9、机。单片机具有以下特点：(1) 受集成度限制，片内存储容量较小，一般8位单片机的ROM小于8/16K字节，RAM小于256字节，但可在外部扩展，通常ROM、RAM可分别扩展至64K字节。(2) 可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般通用CPU；程序指令及常数、表格固化在ROM中不易破坏；许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。(3) 易扩展。片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。(4) 控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中具有极丰富的条件分支转移指令、
10、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。一般说来，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。(5) 一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只放置有用户调试好的应用程序。但近年来也开始出现了在片内固化有BASIC解释程序的单片机。2. 单片机的发展与趋势 由于单片机具有以上特点，因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用。随着微电子工艺水平的提高，近十年来单片微型计算机有了飞速的发展。归纳起来，它是沿着两条路发展的：1.改进集成电路制造工艺，提高芯片的工作速度，降低工作电压和降低功耗：2.在保留共同的CPU体系结构，最基本的外设装置（如异步串
11、行口，定时器等）和一套公用的指令系统的基础上，根据不同的应用领域，把不同的外设装置集成到芯片内，在同一个家族内繁衍滋生出各种型号的单片机。另外在单片机的应用中，可靠性是首要因素，为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，主要表现在一下几点：(1) EFT(Electrical Fast Transient)技术(2) 低噪音布线技术及驱动技术(3) 采用低频时钟总之，单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：l 可靠性及应用水平越来越高，和internet连接已是一种明显的走向；l 所集成的部件越来
12、越多；l 功耗越来越低；l 和模拟电路结合越来越多。 3.单片机选择AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。3.1.2 AT89S52功能及特性AT89S52具有以下标准功能：4k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个
13、数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。l 与MCS-51单片机产品兼容l 8K字节在系统可编程Flash存储器l 10000次擦写周期l 全静态操作：0Hz33Hzl 三级加密程序存储器l 32个可编程I/O口线l 三个16位定时器/计数器l 全双工UART串行通道l 低功耗空闲和掉电模式
14、l 掉电后中断可唤醒l 看门狗定时器l 双数据指针l 掉电标识符2. AT89S52各个管脚说明VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在 flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写
15、“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3-1所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的 管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给 出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特
