室内甲醛污染智能监控系统的研制

青岛大学 硕士学位论文 室内甲醛污染智能监控系统的研制 姓名：秦健 申请学位级别：硕士 专业：材料学 指导教师：彭智 20090606 摘要 甲醛是_ 种重要的化工原料和有机溶剂，是制造油漆、塑料、橡胶、染料等的 原料。目前，应用于家庭装修的材料中不可避免的含有甲醛。另外，甲醛作为消毒 剂、防腐剂、熏蒸剂等也普遍存在于人们的身边，严重的危害着人们的健康。目前， 已有了很多甲醛的检测方法，本文通过甲醛气体传感器构建智能控制系统，检测甲 醛的浓度，当其浓度超过国家标准时及时打开窗户通风同时进行语音与电话报警。 本文围绕如何构建一个基于甲醛的智能控制系统进行了展开和研究，提出了以 A T 8 9 C 5 1 单片机为核心的解决方案。A T 8 9 C 5 1 是8 位单片机，性价比高，外围电路丰 富，本设计采用串行通信方式，利用少量的i o 接口，采用T L C 2 5 4 3 串行A D 转换 芯片，扩展出一个数据采集系统，采用串行通信模块C R 6 2 6 9 A 扩展出智能报警系统， 简化了系统的配置且降低了设计成本。 关键词：甲醛；单片机：传感器；T L C 2 5 4 3 ；C R 6 2 6 9 A A b s t r a c t F o r m a l d e h y d ei s a l li m p o r t a n tc h e m i c a lr a wm a t e r i a l sa n do r g a n i cs o l v e n t s ，a r e m a n u f a c t u r i n gp a i n t ，p l a s t i c s ，r u b b e r ，d y e sa n do t h e rr a wm a t e r i a l s A tp r e s e n t ，t h e m a t e r i a l su s e di nh o m ed e c o r a t i o ni n e v i t a b l ec o n t a i n i n gf o r m a l d e h y d e I na d d i t i o n ， f o r m a l d e h y d e a sd i s i n f e c t a n t s ，p r e s e r v a t i v e s ，f u m i g a n t sa r ea l s oc o m m o n l yf o u n di n p e o p l e Ss i d e ，s e r i o u s l ye n d a n g e r i n gp e o p l e Sh e a l t h A tp r e s e n Lt h e r ea r eal o to f f o r m a l d e h y d ed e t e c t i o nm e t h o d s ，t h i sp a p e rf o r m a l d e h y d eg a ss e n s o r st ob u i l di n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e mt od e t e c tt h ec o n c e n t r a t i o no ff o r m a l d e h y d e ，w h e ni t sc o n c e n t r a t i o n e x c e e d e dt h en a t i o n a ls t a n d a r d sf o ro p e nw i n d o w sa n dv e n t i l a t i o ni nat i m e l ym a n n e ra t t h es a m et i m ev o i c ea n dp h o n ea l a r m T h i sa r t i c l eo nh o wt ob u i l daf o r m a l d e h y d e - b a s e di n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h 、析mA T 8 9 C 5 1 s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r a st h ec o r es o l u t i o n A T 8 9 C 51o r e8 - b i ts i n g l e c h i p ，c o s t - e f f e c t i v e ，r i c hp e r i p h e r a lc i r c u i t s ，t h ed e s i g nU S e Sa s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm e a n s ，u s i n gas m a l la m o u n to fI Oi n t e r f a c e ，u s i n gT L C 2 5 4 3 S e r i a lA Dc o n v e r s i o nc h i p s ，t h ee x p a n s i o no fad a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，S e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l eC R 6 2 6 9 At h ei n t e l l i g e n ta l a r ms y s t e mt oe x p a n da n ds i m p l i f yt h e s y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dt or e d u c ed e s i g nc o s t K e yw o r d s ：F o r m a l d e h y d e ；S i n g l eC h i pM i r c o c o m p u t e r ；S e n s o r ；T L C 2 5 4 3 ；C R 6 2 6 9 A 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：旁证日期砷年7 月c 晤 | 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密彤 敝作者签名：粼日期：讳多月，各日 导师签名：巧乌 日期：出彳年；月彩目 ( 本声明的版权归青岛厌学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用 第一章绪论 1 , 1 课题的背景和意义 第一章绪论 甲醛具有比较高的毒性并且被我国列入在有毒化学品优先控制名单上。甲醛己 经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质。它是公认的变态反应源，也是潜在的 强致突变物质之一。甲醛问题己成为全球公共卫生关注的焦点。 近年来，家庭装修成为人们时尚的追求，但在美化了居室环境的同时，也因很 多装饰材料中含有毒物质，造成室内空气污染，特别是室内甲醛污染更为严重，对 人体的健康造成了极大的危害。 甲醛是一种良好的溶剂，具有较强的粘合性，同时还可以加强板材的硬度和防 虫、防腐能力，被广泛用于生产脲醛树脂、含醛油漆等原料。室内装修过程中大量 使用的以脲醛树脂为原料的各种人造板( 胶合板、纤维板、刨花板等) 、脲醛树脂隔 热材料( U F F I ) 、含醛类消毒防腐剂的水溶性材料是室内甲醛的主要来源。脲醛树脂 是一种由尿素和甲醛缩聚而成的氨基树脂合成剂，它会慢慢的释放甲醛，高温和高 湿下脲醛树脂会加快水解，甲醛释放量增多，夏季甲醛释放量会高出平时的2 0 3 0 。另外家用纺织品如窗帘、布艺沙发，装饰用的墙布、墙纸等也是甲醛的重要来 源2 1 。室内装修所导致室内空气中的甲醛污染具有普遍性、潜在性和长期性( 日本 横滨国立大学研究表明室内装修导致的甲醛污染释放期为3 1 5 年) 。 甲醛对人体健康的影响主要表现在嗅觉异常、刺激、过敏、肺功能异常、肝功 能异常和免疫功能异常等方面。长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病、鼻咽 癌、结肠癌、脑瘤、月经紊乱、妊娠综合症、白血病以及青少年记忆力和智力下降 等1 。室内空气中甲醛浓度达N o 0 6 “ - 0 0 7 m g m 3 时，儿童就会发生轻微气喘：达到 0 1 m g m 3 时，就有异味和不适感；达N o 5 m g m 3 时，可刺激眼睛，引起流泪；达到 0 6 m g m 3 时，可引起咽喉不适或疼痛：浓度更高时，可引起恶心呕吐，咳嗽胸闷， 气喘甚至肺水肿；达到3 0 m g m ：时，会立即致入死亡。国家卫生标准的甲醛最高允许 浓度为0 0 8 m g m 3 “胡。日本横滨国立大学的研究表明，竣工1 0 年后的建筑物室内空 气中，甲醛高出室外6 倍。目前，我国每年因装修污染引起呼吸道疾病致死的儿童有 2 1 0 万人，其中1 0 0 多万5 岁以下儿童的死因与室内空气污染有关“1 。根据中国红十 字会提供的资料，目前我国白血病患者已经超过了5 0 0 万人，其中一半以上是儿童。 而且这个数字还在以每年1 0 的速度增加。甲醛污染己成为骇人听闻的隐形杀手! 因此加强对甲醛污染的监测和控制，对于保护人类健康具有要的理论意义和实 践意义。除采用常规方法将其去除外，对存在甲醛的环境及时通风是关键。本文针 对甲醛检测、开窗通风、电话报警展开设计，稀释甲醛浓度，使其达到允许浓度， 青岛大学硕士学位论文 同时电话语音报警，即使主人不在室内，也能通过电话知晓甲醛的污染情况。本系 统不仅适用于家庭，也适用于生产装潢材料、家具厂等场合。 1 2 国内外研究和动态 甲醛的化学性质十分活泼，因此，可采用多种定量分析方法测定甲醛。常用的 方法有分光光度法、色谱法、光学法、极谱法等仪器分析方法，另外，已研究开发 出多种快速检测甲醛的装置，有电化学传感器、快速测定仪等。 1 - 2 1 分光光度法 分光光度法检测甲醛是利用甲醛与显色剂反应生成稳定的化合物，其颜色深度 与甲醛含量成正比，用分光光度计进行比色定量分析根据所选用的显色剂的不同， 分光光度法可分为乙酞丙酮法、酚试剂法、变色酸法、间苯三酚法、盐酸苯丙麟法、 4 一氨基- - 3 - 联氨一5 一硫基一1 ，2 ，4 - - 氮杂茂( A H M T ) 法、品红亚硫酸法、酶法等“ 1 ， 检测甲醛的国家标准方法就是利用的分光光度法。用该方法检测甲醛，仪器设备简 单，操作简便，投资少。但是分光光度法对吸收液要求较高、灵敏度低且不稳定， 因而阻碍了这类方法的推广应用阳1 。 1 2 2 色谱法 色谱法是一种分离分析方法，它根据分析物质在固定相和流动相之间的分配系 数的不同达到分离目的，并将分析物质的浓度转换成易被测量的电信号( 电压、电流 等) ，然后由记录仪记录下来。目前应用于检测甲醛的色谱法主要有气相色谱法、高 效液相色谱法。 1 气相色谱法 气相色谱法检测甲醛是利用吸附剂吸附空气中的甲醛，用脱附剂洗脱，将含甲 醛或者甲醛衍生物的洗脱液用气相色谱柱分离，用检测器进行检测。目前，常用的 吸附剂有2 ，4 一二硝基苯肼( 2 ，4 一D N P H ) 6 2 0 1 担体9 1 ，石墨碳和碳分子筛结合的物质 等盯。常用火焰离子化检测器( F I D ) n ，电子捕获检测器( E C D ) 2 1 或者和质谱( M S ) 1 们联用对甲醛进行检测。气相色谱法具有高效、高速、高灵敏度、样品用量少等优 点，可将甲醛直接进样检测或解吸后进样检测，操作简便，测定线性范围宽，分离 度好。 2 高效液相色谱法 液相色谱法检测甲醛的方法是利用衍生试剂把甲醛吸收，经液相色谱分离， 用检测器对生成的衍生物进行检测。目前，常用的衍生试剂为2 ，4 一二硝基苯阱( 2 ，4 - - D N P H ) ，常用的检测器为紫外检测器和二级管阵列检测器3 1 。与气相色谱相比， 2 第一章绪论 高效液相色谱法同样具有高效、快速、高灵敏度、样品用量少的优点。但是该种方 法须使甲醛与衍生试剂发生反应后才能检测，操作比较复杂耶1 。另外，目前常用的 衍生试齐U D N P H 与其他的醛、酮也反应，所以当这些物质也存在时，将导致分析时间 的延长，并且要求采用梯度洗脱的方式进行多组分的分离n 。 3 离子色谱法 甲醛在氢氧化钠和过氧化氢存在时，于1 1 0 加热l h ，能完全氧化成甲酸钠，通 过抑制离子色谱柱，以氢氧化钾作为淋洗液测定甲酸根离子的含量来间接测定甲醛 n 舳。该法快速、简单、无干扰。 1 2 3 化学发光法 化学发光法检测甲醛的原理：是基于甲醛与某种物质反应产生化学发光，化学发 光的强度正比于甲醛的浓度迸行检测的。化学发光法发光强度比较弱，已经有文献 报道了将流动注射技术和化学发光法结合起来测定空气中甲醛的方法。目前所用的 的化学发光体系有没食子酸一过氧化氢一甲醛体系，甲醛一溴酸钾一若丹明6 G 体系 等5 1 其中没食子酸一过氧化氢一甲醛体系是最常用的发光体系，用该种方法检测 甲醛，反应迅速、特异性强、灵敏度高且碳氢化合物、S 0 。、C O 、C 0 2 、含氮氧化物、 丙烯醛、苯甲醛、臭氧对测定无干扰。但是乙醛和丙醛对测定有较小影响“钉。 1 2 4 极谱法 许多含有羧基结构的醛( 酮) 化合物通过联氨衍生化可以用示波极谱法测定。该 法是利用甲醛在一定p H 值的溶液中能和某些物质发生氧化还原反应的特性来对其进 行检测的。目前，常用甲醛和肼发生氧化还原或者甲醛和氨、乙酞丙酮的溶液发生 反应来进行检测。极谱法测定空气中甲醛的灵敏度和准确度都很高，适合定量测定 室内空气中的微量甲醛“。与分光光度法和高效液相色谱法相比，极谱法的优势是 可使用标准加入法测定样品，有利于消除基体干扰1 订。但是极谱法检测甲醛常用电 极为汞电极，这会对环境造成汞污染。 1 2 5 化学传感器 甲醛的化学传感器通常是用经过化学修饰的电极制成的电化学传感器。化学修 饰电极对甲醛具有电催化性能。它通过测定甲醛的电化学氧化峰电流来进行检测。 甲醛电化学传感器检测限低，线性范围宽，与生物传感器相比使用寿命长，具有广 阔的应用前景。 1 2 6 快速测定仪 为适应室内空气甲醛现场快速检测的要求，目前人们己研制开发出不少甲醛快 青岛大学硕士学位论文 速测定仪，这些仪器可直接在现场测定甲醛浓度，当场显示，操作方便，适用于室 内和公共场所空气中甲醛浓度的现场测定，也适用于环境测试舱法测定木质板材中 的甲醛释放量。 1 2 7 光学测定仪 日本己研制出基于光学原理检测甲醛的自动监测仪，该检测仪是利用甲醛和多 孔纤维素反应后颜色发生变化的原理测定甲醛经过适当处理的纤维素带置于含有 甲醛的空气时，与甲醛发生反应，纤维带的颜色由黄色变为红色，颜色变换的程度 与在一定采样时间内、一定流速下的甲醛浓度成正比。可通过测定反射光的强度记 录颜色的变化，从而达到测定甲醛的目的。该检测仪操作简单，测定专一性强，便 于携带n 4 1 。目前，国产甲醛检测仪绝大多数是建立在分光光度法原理基础上的，这 类检测仪器灵敏度比较低。 1 2 8 电化学测定仪 检测甲醛的电化学测定仪是基于电化学原理研制而成。目前，市场上销售的电 化学测定仪主要有美国的4 1 6 0 型甲醛测定仪、英国P P M 4 0 0 型手持式现场甲醛测定仪 和日本的X P 2 3 0 8 和X P 2 3 0 8I I 型甲醛测定仪盯。其中，美国生产的4 1 6 0 型便携式甲醛 测定仪的工作原理是空气中的甲醛通过泵抽入电解池的电解液中，并且在适当电位 的工作电极上发生电氧化反应，氧化电流被仪器自动换算成空气中甲醛的浓度之后， 由仪器的数码显示屏实时显示出来。该仪器体积小，重量轻，操作方便，解决了化 学法采样后带回实验室分析的烦琐程序钉。该类仪器操作简便，可用于空气中甲醛 的快速连续测定，但是对甲醛测定专一性不强，其它物质如酚、醛类和醇类会干扰 测定结果。 比较以上甲醛的各种分析方法可知，分光光度法，气相色谱法、高效液相色谱 法、极谱法、荧光法等常用仪器分析方法均需先在监测现场采集气体样品，再将样 品带回实验室进行分析，分析周期长，成本高，步骤繁琐，不能实时地反映甲醛污 染的状况及满足现场大批测点的监测需求。而目前市售的电化学快速测定仪虽然可 以对甲醛进行现场的快速检测，但是该检测仪对甲醛的选择性不强，依靠人工读取 再采取措施消除甲醛，实时性不好，而且价格比较昂贵，难以普及和推广。因此， 迫切需要一种高灵敏度和稳定性、简易、廉价、具有高度智能的甲醛监测和预防系 统。本文的主要工作就是要解决这些问题。 1 3 本文的主要工作 本课题采用A T 8 9 C 5 1 为核心的软硬件平台，在此基础上扩展硬件，编写程序，完 4 第一章绪论 成相关功能。主要从以下几方面入手： 第一、智能控制系统设计总体规划。根据系统的具体要求，从性能、成本等考 虑，选择合适的微处理器及各类外围器件。 第二、智能控制系统硬件设计。介绍硬件电路的设计、工作原理等。 第三、智能控制系统软件设计。采用汇编指令编写各模块的驱动程序，最后连 成一体，构成面向过程的软件系统。介绍功能流程图及编写相应程序。 青岛大学硕士学位论文 第二章智能系统的总体设计 2 1 智能系统的总体组成 智能控制系统主要由甲醛检测环节、数据处理环节、电机执行环节、电话报警 环节组成。 、- ，u ，一 甲醛检测环节 A T 8 9 C 5 l 图2 1 智能控制系统框图 2 2 智能控制系统主处理器A T 8 9 C 5 1 智能控制系统信号处理电路主控制器采用美国A T M E L 公司的A T 8 9 C 5 1 单片机。采 用6 M H z 的晶振，获得稳定的时钟频率。单片机控制电路如图2 2 所示。 为了保证电路能够正常工作，防止出现系统失控，电路设计了复位电路。 图2 2 单片机控制电路 6 第二章智能系统的总体设计 2 2 1 复位电路与时钟电路 1 复位电路 复位电路为了保障系统在不同的异常条件下可靠地复位，防止系统失控，设计 了复位电路。 复位电路单片机的R S T 三J I 脚是复位信号输入端，R S T 引脚上保持两个机器周期( 2 4 个时钟周期) 以上的高电平时，就可使单片机内部可靠复位。单片机常用的外部复位 电路有两种，上电复位电路和上电复位兼手动复位电路，如图2 3 所示，本系统采用 上电兼手动复位电路，这样既可以上电复位，也可手动复位。 上电复位电路在R S T ；J I 脚上外接一个电容至供电电源V c c 端，下接一个电阻到地 既可。当系统上电时，复位电路通过电容加给R S T 端一个短的高电平信号，此高电平 随着V C C 对电容的充电过程而逐渐回落，I 叩R S T 端上的高电平取决于电容的充电时间， 为了保证系统能可靠的复位，R S T 端上的高电平必须维持足够长时间。 ( 1 ) 系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状 态下。单片机的复位引脚与高电平相接超过2 4 个振荡周期后，芯片进入复位状态， 而且一直在此复位状态下等待，直到复位引脚转为低电平后，才检查E A 引脚是高电 平或低电平，决定执行芯片内部还是外部程序。 ( 2 ) 复位状态复位后，单片机内部的各寄存器的内容将被初始化，包括程序计数 器P C 和特殊功能寄存器，其中( P C ) = 0 0 0 0 H 。这时，堆栈指针S P 为0 7 H ，A L E 、P O 、P 1 、 P 2 和P 3 口各引脚均为高电平。复位不影响片内R A M 和片； - R A M 中的内容。 + 5 V+ 5 V 图2 3 上电复位电路和上电复位兼手动复位电路 7 青岛大学硕士学位论文 2 时钟电路 时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准， 在此基础上，控制器按照指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号，控制 相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。A T 8 9 C 5 1 的外接石英晶体的时钟电路如图2 4 所示，电容容量的范围为3 0 P F I O P F ，石英晶体频率的范围为1 2 M H Z - 1 2 M H Z ，电路中 采用1 1 0 5 9 2 姗Z 的石英晶振。 图2 4 时钟电路 2 2 2A T 8 9 C 5 1 内部I O 口及其应用 1 I 0 口的特性 A T 8 9 C 5 1 单片机有4 个8 位并行输入输出接口，记作P 0 、P l 、P 2 和P 3 ，共3 2 根I o 口线，实际上它们就是特殊功能寄存器中的四个。它们都是双向通道，每一条I O 口线都能独立的用作输入或输出。做输出时数据可以锁存，做输入时可以缓冲。但 这四个通道的功能不完全相同，但其特性基本相同： ( 1 ) 作为输出口用时内部带锁存器，故可以直接和外设相连，不必外加锁存器。 ( 2 ) 作为输入口用时有两种工作方式，即所谓读端口和读引脚。读端口时实际上 并不从外部读入数据，而是把端口锁存器中的内容读到内部总线，经过某种运算和 变换后，再写回到端口锁存器。而读引脚才真正的把外部的数据读入到内部总线。 ( 3 ) 作为读引脚用时要先通过指令，把端口锁存器置l ，然后再实行读引脚操作， 否则就可能读入错误。若不先对端口置l ，端口锁存器中原来状态有可能为0 ，加到 输出驱动场效应管栅极的信号为1 ，该场效应管就导通，对地呈现低阻抗。这时即使 引脚上输入的是l 信号，也会因端口的低阻抗而使信号变低，使得外加的1 信号读入 后不一定是l 。若先执行置l 操作，则可以驱动场效应管截至，引脚信号直接加到三 态缓冲器，实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这 g 第二章智能系统的总体设计 类I 0 口被称为“准双向”口。 从特性上看，这四个端口还有所差别： P o 口，除了作为8 位i o n 外，在扩展外部程序存储器和数据存储器时，P o 口要 作为8 位地址总线和8 位数据总线用。即在这种情况下，P O 口不能做I 0 口用，而是先 作为地址总线对外传送低8 位地址，然后作为数据总线对外交换数据。 P 1 口，只有i o n 功能，没有其它功能。故在任何情况下，P 1 口均可做I 0 口使 用。 P 2 口，在扩展外部存储器时，要作为高8 位地址线用。 P 3 口，它的每个引脚都有不同的第二功能，见表2 1 。当它的某些引脚用作第二 功能时，P 3 口也不能做i o 口。 表2 1P 3 N 的第二功能 通道位第二功能注释 P 3 OR X D 串行口输入 P 3 1 T X D 串行口输出 P 3 2I N T O 外部中断0 输入 P 3 3I N T l外部中断1 输入 P 3 4T O 计数器0 计数输入 P 3 5T 1 计数器l 计数输入 P 3 6W R外部数据R A M 写选通信号 P 3 7R D 外部数据R A M 读选通信号 2 将外设当作数据存储器来连接 在实际的A T 8 9 C 5 1 系统中往往是在单片机外再加数据存储器，这时P 0 口要当作地 址总线的低8 位和数据总线来使用。P 2 口要作为地址总线的高8 位使用。而P 3 口的有 些引脚也不可避免的要使用它的第二功能，如P 3 6 用w R ，P 3 7 R D 等，这样P 3 口也 不能当作8 位I 0 口使用，可用的只有一个P 1 口了。这时若要直接通过i o 口来连接多 个外设就不可能了。 若是将外部设备( 或者通过外接的接口电路) 当作外接的数据存储器单位来与单 片机系统连接，问题就可以得到解决。单片机外部数据存储器的寻址范围有6 4 k B ， 若只采用8 位地址( P O l l ) ，也有2 5 6 个单元。只要把这些地址分出一部分来供外设使 用，就足可以连接相当数量的外部设备。当然，这部分地址的数据存储器单元只能 弃之不用。在实际连接中要注意正确使用译码电路，使之能准确地选择到所需的地 址单元。 外部R A M 、外设和单片机芯片的一般连接见图2 5 。为了节省引脚，P 0 口是双功 9 青岛大学硕士学位论文 能的，即是地址( 低8 位) 线，又是8 位数据线，分时复用。w R 和、R D 信号用来控制 数据的读写操作。所谓分时复用，即前半周期为输出低8 位地址，后半周期输入8 位 数据代码，而访问地址必须在整个访问期间均有效。为此，必须将前半周期的低8 位地址打入锁存器，使锁存器输出的低8 位地址在整个访问周期有效。然后将读出的 数据( 指令代码等) 通过此线输入给主机。这就是地址数据复用总线必须通过锁存器 的作用。 图2 5 外部R A M 、外设和单片机芯片的一般连接 A B ( 毫曩位) A l l ( 低l 位) D B 将外设当作外部R A M 单元处理时，和外设交换数据要采用M O V X 指令。当外设的地 址是两位十六进制数时，使用指令： M O V XA ， R i ：输入 M O V X R i 。A：输出 而当外设使用1 6 位地址时，要用指令： M O V XA ， D P T R ：输入 M O V X D P T R 。A ：输出 2 2 3 访问程序存储器的控制信号 队为片内、外程序存储器访问选择信号。E A = O ：访问片外；E A = I ：访问片内。A L E 为地址锁存允许信号，在访问外部存储器时，在P 0 0 P 0 7 引脚线上输出外部存储器 低8 位地址的同时还在A L E 线上输出一个高电位脉冲，用于把这个外部存储器低8 位地 址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P 0 O P 0 7 引脚线去传送随后而来的外部存 储器读写数据。在不访问外部存储器时，A T 8 9 C 5 1 自动在A L E 线上输出频率为振荡频 率1 6 的脉冲序列。该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。 1 0 第二章智能系统的总体设计 2 2 4 程序状态寄存器( P S W ) P S W 是一个八位标志寄存器，主要用于存放程序状态信息以及运算结果的标志， 所以又称标志寄存器。其格式如表2 2 ( D l 位没有定义) ： 表2 2 程序状态寄存器格式 D 7 D 6D 5 D 49 3D 2D lD O C YA CF OR S IR S OO VP c Y 为进位标志位，用于表示加减运算过程中最高位A 7 ( 累加器最高位) 有无进位 或错位。 A c 为辅助进位标志位，用于表示加减运算时低4 位( i 1 1 A 3 ) 有无向高4 位( 即A 4 ) 进 位或错位。 F 0 为用户标志位，F 0 标志为的状态通常不是机器在执行指令过程中自动形成的， 是由用户根据程序执行的需要通过传送指令确定的。 R S l 、R S O 为工作寄存器区选择控制位，A T 8 9 C 5 1 共有8 个八位工作寄存器，分别 命名为R 0 R 7 。工作寄存器R 0 R 7 常常被用户来进行程序设计，但它在R A M 中的实际物 理地址是可以根据需要选定的。R S l 和R S O 就是为了这个目的提供给用户使用的，用 户通过改变R S l 和R S O 的状态可以方便地决定R 0 R 7 的实际物理地址。工作寄存器R 0 一 R 7 的物理地址和R S l 、R S O 的关系如表2 3 所列。 表2 3 工作寄存器R O A R 7 的物理地址和R S I 、R S O 的关系 R S lR S O R O A R 7 的组号R O A R 7 的物理地址 O00O O H 0 7 H O1 10 8 H O F H 1021 0 H 1 7 H ll31 8 H l F H 采用A T 8 9 C 5 1 的单片机控制系统，开机后的R S I 和1 R S O 总是为零状态，故R o R 7 的 物理地址为O O H 0 7 H ，I i P R o 的地址为O O H ，R 1 的为O I H ，R 7 的为0 7 H 。但若及其 执行如下指令： M O VP S W 。# 0 8 H 贝J J R S l 、R S O 显然为0 1 B ，故R O R 7 的物理地址变为0 8 H O F H 。因此，用户利用这种 方法可以很方便地达到保护R 0 R 7 中数据的目的，这对用户的程序设计是非常有利的 1 2 , 】 青岛大学硕士学位论文 2 2 5 串行口的结构 8 9 C 5 1 单片机通过引脚R X D ( P 3 0 ，串行数据接收端) 和引脚T X D ( P 3 1 ，串行数据 发送端) 与外界进行通信。 8 9 C 5 1 串行口主要由两个物理上独立的串行数据缓冲寄存器S B U F 、发送控制器、 接收控制器、输入移位寄存器和输出控制门组成。如图2 6 所示。发送缓冲寄存器S B U F 只能写，不能读：接收缓冲寄存器S B U F 只能读，不能写；两个缓冲寄存器共用一个 地址9 9 H ，可以用读写指令区分。 串行发送时，通过“M O VS B U F ，A “ 写指令，C P U 把累加器A 的内容写入发送 S B U F ( 9 9 H ) ，再由发送端T x D 一位一位地向外发送；串行接收时，接收端R X D 一位一位 地接收数据，直到接收到一个完整的字符数据后通知C P U ，再通过“M O VA ，S B U F ” 读指令，C P U 从接受的S B U F ( 9 9 H ) 读出数据，送到累加器A 中。发送和接收的过程可以 采用中断方式，从而可以大大提高C P U 的效率。 图2 6 串行口内部结构 系统中由两个特殊功能寄存器S C O N 和P C O N 来控制串行口的工作方式和波特率。 波特率发生器可用定时器T 1 或T 2 构成。 1 串行口控制器( S C O N ) S C O N 是一个特殊功能寄存器，地址为9 8 H ，具有位寻址功能。S C O N 包括串行口的 工作方式选择位S M O 、S M l ，多机通信标志S M 2 ，接收允许位R E N ，发送接收的第九位 数据T B 8 、R B 8 ，以及发送和接收中断标志T I 和R I 。S C O N 的格式及各位的定义如表2 4 1 2 第二章智能系统的总体设计 所示。 表2 4 控制字定义 D 7 D ! B ， D 5D 4D 3D 2D 1 D O R I ：接收中断标志 T I ：发送中断标志 R B 8 ：数据接收第九位 T B 8 ：发送数据第九位 R E N ：接收控制0 ：禁止接收1 ：允许接收 S M 2 ：多级通信0 ：单机对单机1 ：多级通讯 S M O 和S M l 是串行口工作方式选择位。两个选择位对应4 种通信方式，如表2 5 所 示。 表2 5 通信方式 S M OS M l工作方式说明波特率 0O 方式O同步移位寄存器f o s c 1 2 0l 方式l1 0 位异步收发由定时器控制 10方式2 1 1 位异步收发 f o s c 3 2 或f o s c 6 4 11 方式3l l 位异步收发由定时器控制 2 电源控制寄存器( P C O N ) P C O N 主要是为H C M O S 型单片机的电源控制而设置的专用寄存器，地址为8 7 H 。其 格式如表2 6 所示。 表2 6P C O N 格式 D 7D 6D 5D 4D 3D 2D lD 0 S M O D 为波特率倍增位。在方式1 、方式2 、方式3 串行通信波特率与2 S I O D 成正比。 当S M O D = I 时，串行通信波特率可提高一倍。复位时S M O D = O 。 3 串行口的工作方式 根据实际需要，8 9 C 5 1 串行口可设置4 种工作方式，它们是由S C O N 中的S M O 、S M l 这两位定义的。其中，方式0 并不用于通信，而是通过外接移位寄存器芯片实现扩展 并行I o 功能。方式1 、方式2 和方式3 都是异步通信方式，方式l 是8 位异步通信接口， 一帧信息由1 0 位组成，用于双机通信；方式2 和方式3 都是9 位异步通信接口，方式2 青岛大学硕士学位论文 和3 主要是波特率不同，两者均可用于多机通信和双机通信。 当S M OS M I = O 时，串行接口选择工作方式l ，为可变波特率的8 位异步通信方式。 发送数据由T X D 端输出，接收数据由R X D 端输入。方式1 以1 0 位为一帧传输，其帧格式 为一个起始位( O ) 、8 个数据位和1 个停止位( 1 ) ，如表2 7 所示伽1 。 表2 7 通信格式 起始位停止位 2 2 3 甲醛检测部分 1 检测原理 甲醛主要是以气态形式存在，所以对甲醛的检测主要是检测甲醛气体。采用氧 化物气体传感器是目前比较通用的做法。 甲醛传感器的工作原理是空气中的甲醛透过涂有贵金属触媒烧制的聚四氟乙烯 膜时，在适当的敏感电极电位下发生氧化反应，对应电极发生氧化还原反应的方程 式如下。 工作电极：H C H O + H 2 0 一C O z + 4 H + + 4 e 对电极：0 2 + 4 H + + 4 e H ：0 总反应：H C H O + O ：- - - C O , , + H ：O 产生与空气中甲醛浓度成正比的扩散电流，这一电流转化为电压值并送给放大 电路。此电流可表示为 i , = n F A D C 6 式中：i 。为极限扩散电流 1 1 为每摩尔反应物的电子数 F 一为法拉第常数，9 6 5 0 0 库仑 A 一为平面电极的面积，c m z D 一为气体扩散常数，代表扩散介质中气体渗透率因素和溶解度因素的 乘积 C 一为甲醛气体浓度，m o l c m 3 6 一一为扩散长度，C I I I 传感器的结构示意图如图2 7 。 1 4 第二章智能系统的总体设计 对电 图2 7 传感器的结构示意图 从对电极发生的反应来看，氧气显然是当前反应发生的必需气体，通常通过传 感器的前部，或通过传感器的两边扩散( 通常几千p p m 己经足够了) 。传感器持续暴 露在绝氧样品气体中可能导致信号不稳定，不管氧气进入的途径怎样，不要将传感 器与树脂一起放置或完全地浸没在绝氧气体中。在特定情况下，如果传感器必须经 常地暴露于高浓度电解质中，例如废气分析，应当保证氧气从另外的通道进入对电 极。 电化学气体传感器在工作电极和对电极上分别发生氧化与还原反应。相应气体 进入传感器后被氧化或者被还原，在另一电极发生与之对应的逆反应，这样在外部 电路上就会形成电流。由于气体进入传感器的速度由气体扩散通过障碍控制，所以 产生的电流与传感器外的当前气体浓度成比例，并能直接测量当前气体含量。通过 被测气体氧化还原反应时所产生的电流可推知被测气体的体积分数和质量浓度。 2 甲醛检测部分主要由测量电路与A D 转换器构成 测量电路由C H 2 0 S - I O 甲醛传感器、电流电压变换器R C V 4 2 0 芯片、A D 转换芯片 等组成。甲醛传感器由甲醛探头、C H 2 0 组成，当空气被内部的采样系统吸收后，将 产生的电流信号与相连产生一个与甲醛浓度成正比的电流，该电流经过4 2 0 m A 甲醛 模块的信号调理，与I O 变换器R C V 4 2 0 芯片转换成0 5 V 的电压，该电压经过A D 转换 器与单片机相连，与内部设定的浓度值比较，超过设定浓度时驱动电机正转，打开 窗户，同时进行语音电话报警。 1 5 青岛大学硕士学位论文 2 3 电话报警部分 介绍收发模块、摘挂机控制模块、信号音判断模块和振铃判断模块的工作原理、 电路设计，最后采用基于上述电路原理的C R 6 2 6 9 A 电话模块进行系统设计，结构紧 密，接线简单，编程方便，仅需两根串行线即可完成数据交换。 2 4 电机执行部分 采用H 型电路，直流电机带动丝杆丝杠结构，正转开窗，反转关窗，同时为日 常生活方便，设计手动开关窗功能。 1 6 第三章甲醛检测部分的设计 3 1 甲醛传感器 第三章甲醛检测部分的设计 3 1 1C H 2 0 s 一1 0 型甲醛传盛器原理 C t z 0 s 一1 0 型甲醛传感器是电流型传感器，它是在控制扩散的条件下运行的， 样气的气体分子被吸收到电化学敏感电极，经过扩散介质后，在适当的敏感电极电 位下气体分子发生电化学反应，这一反应产生一个与气体浓度成正比的电流将这 一电流转换为电压值输出并送给下级放大器。 外部电压偏执在敏感电极上维持一个恒定的电位这个电位以传感器中的不可 极化的参考电极为基准，“不可极化的”指的是反电极能维持一个电流流动而不受电 位变化的影响。这样，反电极也可用作参考电极，所以就不需要第三个电极和反馈 电路1 0 3 1 2 甲醛传感器的技术说明 C t t z 0 s 1 0 传感器的结构图如图31 及外形图如图3 2 所示。 壳体斗军型拄覃一 摄博辫叶一 对电楹 性日口日| 曩圜呵_ 一 I 马臼印 图3 1 结构图 透气孔 过记嚣 透气盛 电解液 参比电摄 f 脚 青岛大学硕士学位论文 安装孔 目j 0 井形目 传感器是专门的甲醛气体监搠4 用的传感器，它的相关技术参数如下： 测量范围：0 一l O p p m ( p p m 为毫克升) ； 最大负荷：5 0 p p m ； 输出信号：1 2 0 0 3 0 0 n A p p m ； 分辨率：0 0 5 p p m ： 温度范围：一2 0 “ C 一4 5 “ C ； 工作寿命：空气中3 年； 响应时间： 5 0 秒： 线性度输出：线性。 为了验证甲醛传感器的线性度输出，通过测量甲醛传感器所处的环境中甲醛的 浓度，测量传感器的输出电流，得到一个近似甲醛传感器特性图3 3 。 拔 i 。 曛鬻 第三章甲醛检测部分的设计 l I I l A ) 图3 3 近似甲醛传感器特性图 为了使传感器处于“准备工作的状态，传感器供货时，在工作电极与参比电 极之间有一短连接( 用一导线直接连接起来) 。传感器在储藏过程中必须保留此短连 接，而且只有当准备使用传感器的时候，才能去掉这个短连接。在仪器不供电时， 如果工作电极和参比电极不再短连接，一旦再次使用，传感器就需要很长的一段“启 动时间”。 为使传感器正确的工作，传感器的对电极和参比电极需要很少量的氧气供应。 这些氧气经常是由采样来的气流供应的，通过空气扩散到传感器的前端，或者通过 传感器的周围和后端扩散到传感器的前端( 通常几千p p m 的氧气就足够了) 。如果传 感器没有后端氧气供应通路，持续暴露在厌氧性的采样气体中，则传感器就会失灵。 传感器一定不能被完全地放入到树脂中或整个地浸入到厌氧性的气体混合物中。 3 1 3 传感器补偿算法 在一个测量系统中，选择使用传感器的目的是搜集被测量的信息并将其变换成 电信号。指望传感器只对所考察的量敏感以及输出信号完全依赖于输入信号是不切 实际的。测量从来就不可能在理想情况下进行。因此，我们必须面向现实情况。在 此，我们遵循布林( D o e b e l i n ) 提出的方法。图3 4 示出对仪器进行有用信号增益 和干扰输入增益分类的通用方框图。有用信号X S 经增益单元G s 传送至输出端Y 。 干扰输入) 【1 代表仪器并不打算检测的量。这些量经增益单元G l 传送到输出端Y 。 调整输入x M 是经G M ，S 引起有用信号的G s 变化以及经过G M ，1 引起干扰输入的G l 变 化的量。增益G 可能呈线性、非线性、不断变化或者随机特性H 3 。 1 9 青岛大学硕士学位论文 图3 4 通用方框图 干扰输入和调整输入的影响可以通过改变系统设计或者通过向系统设计增加新 的组成部分加以克服。最好的方法是将系统设计成对于干扰不敏感而只对有用信号 起响应，但是由于一些明显的实际原因，这种方法并不总是万能的。 在系统中引入负反馈是用来降低调整输入影响的常用方法，并且是零测量系统 中所用的方法。 滤波是降低干扰的一种常用方法。滤波器是按照信号的频率或者其他准则来对 信号进行分离的任何装置。当信号和干扰的频谱不重叠时，滤波器十分有用。滤波 器可以放置在输入级或者任何中间级。他们可以是电滤波器、机械滤波器、气动滤 波器、热滤波器或者电磁滤波器。放置在中间级的滤波器通常为电滤波器。 用于干扰输入和调整输入的另一种常用补偿技术是补偿温度变化的反相输入。 例如，依赖于具有正温度系数的电阻器的增益随温度的变化而发生变化，可以与受 影响的电阻串联另一电阻器。如果增加的电阻器具有负温度系数，则即使温度变化 也能维持增益恒定不变。 当干扰输出和传感器输出之间的数学关系已知时，则干扰可以在测量干扰变量 的幅度之后，通过数字计算进行补偿。这种方法是只能传感器中常用的方法“。 本智能系统采用上述中最后一种补偿方式，即拟合出气体传感器与温度和湿度 变化而变化的曲线，列出相应的方程式，通过方程计算，计算出受温度和湿度影响 的量值进行补偿。这样设计的优点是具有较大的灵活性和宽范围的拟合功能“”。 2 0 第三章甲醛检测部分的设计 3 2 测量电路 3 2 1R C V 4 2 0 电流电压转换芯片 R C V 4 2 0 精密I U 变换器能将4 - - - 2 0 m A 的环路电流变换成o 5 V 的电压输出。作为一种 单片集成电路具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密运放和电阻网络外，还集 成有l O V 基准电压源。在不需要外调整的情况下，可以获得8 6 d B 的共模抑制比和4 0 V 的共模电压输入。在全量程范围内输入阻抗仅有1 5 V 的压降，对于环路电流具有很 好的变换能力。 在使用中1 0 、1 1 和1 2 脚相连，2 、5 和1 3 脚相连接地，1 4 和1 5 脚相连接，作为0 5 V 电压信号的输出端，当需要调整增益时1