基于单片机的室内环保测试系统设计毕业设计.doc

i 学士学位毕业设计（论文） 基于单片机的室内环保测 试系统设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的 指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注 ii 和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过 的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中 作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： iii 摘要 为满足人们对居室环境的要求，本设计采用了一种以 mcs51 单片机为主控器， 以有毒气体浓度等传感器为主要外围元件的室内环保智能测试系统。该系统是以 室内空气中有毒有害气体的检测为背景，是一种通用性很强的智能室内环保检测 系统的设计与实现。它的核心是 at89c51 单片机，实现对室内空气中有毒有害气 体苯、甲醛、氨气浓度参数的采集处理、存储、显示、报警等功能。该系统具有 显示直观、准确。使用方便可靠等优点，代表了室内环保测试系统的最新发展趋 势。在系统设计过程中充分考虑了性价比。选用价格低性能稳定的元器件。 关键词：关键词：单片机 室内空气 智能测试 abstract iv abstract in order to satisfy peoples request of the indoor circumstance, an indoor circumstance-protect intelligent testing system was introduced in this paper, which was composed by such as venomousness-gas senor so on. ,mcs-51 singlechip took the role of main controller, most of peripheral components were sensors which were used to measure temperature, humidity, carbon dioxide, etc. this system has many advantages, such as display intuifiomficly, accurate, stable and easy to use. its the representation of the latest development tendency of greenhouse testing system cost-performance was taken into account seriously during the process of design. by testing, the result was coherent with the design requirement. keywords: scm indoor air intelligent test 目录 v 目录 摘要i abstract.ii 目录iii 前言.iv 1 绪论1 1.1 最常见的室内污染.1 1.2 室内有毒气体的主要来源.1 2 设计方案4 2.1 系统组成及工作原理.4 2.2 系统的主要功能.4 2.3 系统的抗干扰设计.4 3 硬件设计6 3.1 主控模块 6 3.2 传感器 8 3.3 i/v 转换电路.9 3.4 多路转换电路 .10 3.5 a/d 转换电路11 3.6 显示模块13 4 软件设计.17 4.1 主程序设计 .17 4.2 显示子程序设计17 4.3 数据采集子程序设计18 4.4 报警子程序19 结论.21 参考文献.22 致谢.23 附录.24 前言 iv 前言 随着生活质量的提高,人们对环境质量有越来越高的要求大气中粉尘、的 2 so 含量，燃煤烟气、机动车辆尾气 排放，酸雨、光化学烟雾、水污染、土壤污染、 城市垃圾、核污染等问题，受到高度关注，并投入了较多的研究。相比之下，对 室内环境污染与防治的研究要薄弱得多。其实，居室、办公室、饭店、影剧院、 歌舞厅等建筑物室内环境对人体健康的影响比大气环境的影响更大。因为，成年 人 70 80的时间是在室内度过，老弱病残者在室内的时间更高，可达 90 以上，而室内环境质量常劣于空旷室外。 室内环保测试系统是以室内空气中有毒有害气体的检测为背景，是一种通用 性很强的智能室内环保检测系统的设计。该系统具有显示直观、准确、使用方便 可靠等优点，代表了室内环保测试系统的最新发展趋势。在系统设计过程中充分 考虑了性价比。选用价格低性能稳定的元器件。 本设计主要是以 at89c51 单片机作为控制核心，以有毒气体浓度等传感器为 主要外围元件的室内环保智能测试系统，实现对室内空气中有毒有害气体苯、甲 醛、氨气浓度参数的采集处理、存储、显示、报警等功能。包括系统硬件设计过 程，确定了机型及器件的选择，系统硬件电路设计、硬件设计结构框图并对所使 用各种芯片的功能与特性进行详细介绍。 1 1 绪论 1.1 最常见的室内污染 中国正式实施的第一部室内空气质量标准中专家把室内环境污染按照污 染物的性质分为三大类。 第一大类-化学污染：主要来自装修、家具、玩具、煤气热水器、杀虫 喷剂化妆品、抽烟、厨房的油烟等等； 第二大类-物理污染：主要来自室外及室内的电器设备产生的噪声、光和 建筑装饰材料产生的放射性污染等； 第三大类-生物污染：主要来自寄生于室内装饰装修材料、生活用品和空 调中产生的螨虫及其它细菌等。 这些有害物质相互影响会加重室内污染对人们健康的危害，比如室内空气中 的化学性污染会对人们的皮肤黏膜和眼结膜产生刺激和炎症，甚至会麻痹呼吸道 纤毛和损害黏膜上皮组织，在这种情况下人体对疾病的抵抗力就会大大减弱，使 病原微生物易于侵入并对人们健康造成危害。所以，人们要注意室内的环境污染， 特别是新房和新装修的家庭更要注意。 1.2 室内有毒气体的主要来源 1.2.1 室内环境中甲醛的来源及危害 1 1 来源 甲醛是一种无色、具有刺激性且易溶于水的气体。它有凝固蛋白质的作用， 其 35%40%的水溶液通称为福尔马林，常作为浸渍标本的溶液。甲醛为较高毒性 的物质，在我国有毒化学品优先控制名单上甲醛高居第二位。 室内环境中的甲醛从其来源来看大致可分为两大类： 1)来自室外空气的污染 工业废气、汽车尾气、光化学烟雾等在一定程度上均可排放或产生一定量的 甲醛，但是这一部分含量很少。据有关报道显示城市空气中甲醛的年平均浓度大 约是 0.0050.01 mg/，一般不超过 0.03mg/，这部分气体在一些时候可进 3 m 3 m 入室内，是构成室内甲醛污染的一个来源。 2)来自室内本身的污染 主要以建筑材料、装修物品及生活用品等化工产品在室内的使用为主，同时 也包括燃料及烟叶的不完全燃烧等一些次要因素。 甲醛具有较强的粘合性，同时可加强板材的硬度和防虫、防腐能力，因此目 前市场上的各种刨花板、中密度纤维板、胶合板中均使用以甲醛为主要成分的脲 醛树脂作为粘合剂，因而不可避免的会含有甲醛。另外新式家具、墙面、地面的 装修辅助设备中都要使用粘合剂，因此凡是有用到粘合剂的地方总会有甲醛气体 2 的释放，对室内环境造成危害。由于由脲醛树脂制成的脲甲醛泡沫树脂隔热材 料有很好的隔热作用，因此常被制成建筑物的围护结构使室内温度不受室外的影 响。此外甲醛还可来自化妆品、清洁剂、杀虫剂、消毒剂、防腐剂、印刷油墨、 纸张等。 因此，从总体上说室内环境中甲醛的来源还是很广泛的，一般新装修的房子 其甲醛的含量可达到 0.40 mg/，个别则有可能达到 1.50 mg/。经研究表明 3 m 3 m 甲醛在室内环境中的含量和房屋的使用时间、温度、湿度及房屋的通风状况有密 切的关系。在一般情况下，房屋的使用时间越长，室内环境中甲醛的残留量越少； 温度越高，湿度越大，越有利于甲醛的释放；通风条件越好，建筑、装修材料中 甲醛的释放也相应的越快，越有利于室内环境的清洁。 2 危害 甲醛具有强烈的致癌和促癌作用。大量文献记载，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。其浓度在每立方米空气中达到 0.060.07 mg/时，儿童就会发生轻微气喘。 3 m 当室内空气中甲醛含量为 0.1 mg/时，就有异味和不适感；达到 0.5 mg/时， 3 m 3 m 可刺激眼睛，引起流泪；达到 0.6 mg/，可引起咽喉不适或疼痛。浓度更高时， 3 m 可引起恶心呕吐，咳嗽胸闷，气喘甚至肺水肿；达到 30 mg/时，会立即致人死 3 m 亡。 长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病，引起鼻咽癌、结肠癌、脑瘤、 月经紊乱、细胞核的基因突变，dna 单链内交连和 dna 与蛋白质交连及抑制 dna 损伤的修复、妊娠综合症、引起新生儿染色体异常、白血病，引起青少年记忆力 和智力下降。在所有接触者中，儿童和孕妇对甲醛尤为敏感，危害也就更大。 世界卫生组织(who)工作组曾对甲醛规定了它对嗅觉、眼睛刺激和呼吸道刺激 潜在致癌力的阈值，并指出当甲醛的室内环境浓度超标 10%时，就应引起足够的 重视。甲醛污染危害严重的场所有新装修的居室、办公室、会议室、宾馆、ktv 包房和家具商场、建材商场等。室内空气中甲醛污染状况：人们的新居和办公室 等场所都要进行室内装饰和购买家俱，由于装修和家具制造要使用大量人造板材 （如胶合板、大芯板、中纤板、刨花板、强化地板和复合木地板等） ，而生产人造 板需大量使用毒性高的甲醛为原料制造的胶粘剂，由于胶粘剂中的甲醛释放期很 长，一般长达 15 年，导致甲醛成为室内空气中的主要污染物。 1.2.2 室内环境中苯的来源及危害 室内环境中苯的来源主要是燃烧烟草的烟雾、溶剂、油漆、染色剂、图文传 真机、电脑终端机和打印机、粘合剂、墙纸、地毯、合成纤维和清洁剂等。工业 上常把苯、甲苯、二甲苯统称为三苯，在这三种物质当中以苯的毒性最大。 一般认为苯毒性的产生是通过代谢产物所致，也就是说苯须先通过代谢才能 对生命体产生危害。苯可以在肝脏和骨髓中进行代谢，而骨髓是红细胞、白细胞 和血小板的形成部位，故苯进入体内可在造血组织本身形成具有血液毒性的代谢 产物。长期接触苯可引起骨髓与遗传损害，血象检查可发现白细胞、血小板减少， 3 全血细胞减少与再生障碍性贫血，甚至发生白血病。曾经有人对低浓度苯接触工 人健康状况进行调查，结果表明：外周血白细胞数虽在正常值范围之内，但非常 显著低于对照组；经常性苯接触工人淋巴细胞微核率分布高于非苯接触组，且制 苯车间观察人群的淋巴细胞微核率与对照组比较差异有显著性；随作业环境苯浓 度的增高，白细胞数有降低趋势，淋巴细胞微核率有增加的趋势。这些均证明低 浓度苯对作业人群的健康有损害，尤其要注意对人体遗传物质的损伤作用。吸入 4000ppm 以上的苯短时间除有黏膜及肺刺激性外，中枢神经亦有抑制作用，同时 会伴有头痛、欲呕、步态不稳、昏迷、抽痉及心律不整。吸入 14000ppm 以上的苯 会立即死亡。 1.2.3 室内环境氨的来源及危害 在我国北方地区，建造住宅楼、写字楼、宾馆、饭店等的建筑施工中，常人 为地在混凝土里添加高碱混凝土膨胀剂和含尿素的混凝土防冻剂等外加剂，以防 止混凝土在冬季施工时被冻裂，大大提高了施工进度。这些含有大量氨类物质的 外加剂在墙体中随着湿度、温度等环境因素的变化而还原成氨气从墙体中缓慢释 放出来，造成室内空气中氨浓度的大量增加。 同时室内空气中的氨也可来自室内装饰材料，比如家具涂饰时使用添加剂和 增白剂大部分都用氨水。烫发过程中氨水作为一种中和剂而被洗发店和美容院大 量使用。另外随着人们对氟氯昂类物质破坏臭氧层的认识加深，目前世界范围内 已开始禁止使用氟氯昂做为制冷剂。曾一度退出主导制冷剂地位的氨这种已经使 用了一个半世纪的制冷剂，又被重新开始利用。这也是一种潜在的污染源。 按毒理学分类，氨属于低毒类化合物。氨是无色气体，当环境空气中氨达到 一定浓度时，才有强烈的刺激气味。人对氨的嗅阈值为 0.51.0 mg/。氨是一 3 m 种碱性物质，进入人体后可以吸收组织中的水分，溶解度高，对人体的上呼吸道 有刺激和腐蚀作用，减弱人体对疾病的抵抗力。氨进入肺泡后易和血红蛋白结合 破坏运氧功能。短期内吸入大量的氨可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、头晕、 恶心等症状，严重者会出现肺水肿或呼吸窘迫综合症，同时发生呼吸道刺激症状。 美国制造化学师协会规定，允许工作人员在低于 100ppm 的氨浓度下工作 8 小时。 4 2 设计方案 2.1 系统组成及工作原理 本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成，硬件部分主要完成各种传感器 信号的采集、转换、各种信息的显示等；软件主要完成信号的处理及控制功能。 其工作原理是 89c51 单片机一次查询每个传感器的输出信号。然后 89c51 对输入 信号进行相应处理后通过显示模块 128x64 输出，同时还可输出各种报警信号。 2.2 系统的主要功能 该系统主要包括: 89c51 主控模块、传感器模块、模数转换模块 ad574a、128x64 显示模块等。 1. 89c51 主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能。 2. 传感器完成信号的采样功能。 3. 128x64 显示模块完成字符、数字的显示功能。 2.3 系统的抗干扰设计 在微机测控系统中，系统抗干扰性能的好坏直接影响到整个系统工作的可靠 性与安全性。因此，抗干扰设计是设计的一个主要内容，本系统采用的是由硬件 和软件相结合的抗干扰措施。 2.3.1 系统硬件抗干扰设计 1. 滤波技术：将电源变压器的进线段加入滤波器,以消弱瞬变噪声 干 扰；在直流电源线和地线之间接滤波电容,以控制电源噪声。 2. 去耦电路：在印刷电路板的各个集成电路的电源线端与地线端之间配置 去耦电容。 3. 屏蔽技术：屏蔽技术主要由电场屏蔽，电磁场屏蔽和磁场屏蔽三类，本 系统是电场和电磁场屏蔽的方法。主要是使用低电阻材料作为屏蔽材料， 把需要隔离的部分保卫起来。磁场屏蔽则应采用高导磁率的材料。 4. 光电隔离：在 i/o 通道上采用光电隔离器，将单片机系统与各种传感器、 开关从电器上隔离开来,很大一部分干扰可被阻挡。 2.3.2 系统软件抗干扰设计 对于微机测控系统，仅仅考虑硬件的抗干扰是远远不够的,采取一定的软件抗 干扰措施非常必要，它不仅能降低系统的硬件成本，又可以充分发挥软件的优势， 使系统具有自我诊断,自我回复的能力。本系统采用的软件抗干扰措施主要有以下 几种： 1. 数字滤波技术,采用数字滤波技术除去输入信号中所参杂的各种随机干扰。 5 2. 软件陷阱技术，当系统受到干扰，pc 值发生变化，程序“乱飞”等情况， 可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态。具体的讲,了以在 ram 中埋一些标志，在每次程序复位时，通过这些标志，可以判断复位原因 并根据不同的标志直接跳到相应的程序。这样可以使程序运行有连续性， 用户在使用时也不易察觉到程序被重新复位过。 6 3 硬件设计 3.1 主控模块 3.1.1 单片机的选择 单片机的选择原则： 1. 单片机的基本参数 2. 抗干扰性能好 3. 性价比高 4. 和其他外设芯片放在一起的综合考虑 根据上述原则，本系统主控芯片采用 at89c51。 3.1.2 at89c51 芯片介绍 at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能cmos 8位微处理器。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准 的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单 个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了 一种灵活性高且价廉的方案。 1. 主要特性： 1) 与mcs-51 兼容 2) 4k字节可编程闪烁存储器 3) 寿命：1000写/擦循环 ,数据保留时间：10年 4) 全静态工作：0hz24hz 5) 三级程序存储器锁定 6) 1288位内部ram 7) 32可编程i/o线 8) 两个16位定时器/计数器 9) 5个中断源 10) 可编程串行通道 11) 低功耗的闲置和掉电模式 12) 片内振荡器和时钟电路 2. 管脚说明 7 ea/vp 31 xtal 1 19 xtal 2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 vcc 40 vss 20 u1 at89c51 图1 at89c51引脚图 vcc： 供电电压。 gnd： 接地。 p0口： p0口为一个8位漏极开路双向i/o口，每脚可吸收8个ttl门电流。当p1口的 管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以 被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash 进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。 p1口： p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出 4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉 为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1 口作为第八位地址接收。 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口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和 校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3口： p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。 当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外 部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为 at89c51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 p3.0 rxd（串行输入口） 8 p3.1 txd （串行输出口） p3.2 （外部中断0） int0 p3.3 （外部中断1） int1 p3.4 t0 （记时器0外部输入） p3.5 t1（记时器1外部输入） p3.6 （外部数据存储器写选通） wr p3.7 （外部数据存储器读选通） rd p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst： 复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。 ale/： 当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地prog 位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的 频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出 的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过 一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行 movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部 执行状态ale禁止，置位无效。 ： 外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器psen 周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不psen 出现。 /vpp： 当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），eaea 不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为reset；当ea 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施ea 加12v编程电源（vpp）。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 3.2 传感器 3.2.1 传感器的选型 传感器元件是准确检测甲醛、苯、氨气气体浓度的关键。定电位电解式传感 器是一种湿式电化学气体传感器, 它的结构：在一个塑料制成的筒状池体内，安 装工作电极、对电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成 的隔膜，在顶部封装。前置放大器与传感器的电极连接，在电极之间施加了一定 的电位，使传感器处于工作状态。气体与的电解质内的工作电极发生氧化或还原 反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体 浓度成正比。 9 3.2.2 传感器的工作原理 定电位电解式传感器通过测定气体在某个确定电位电解时所产生的电流来测 量气体浓度。传感器共有三个电极（活性电极、参考电极、计数电极）,浸在液体 电解液中,整体密封在一个防化学腐蚀的塑料壳体中,目标气体通过活性电极邻近 的一个气体可渗透薄膜向传感器内部扩散。传感器的工作过程为:被测气体由进气 孔扩散到工作电极表面,在工作电极、电解液、对电极之间进行氧化或还原反应。 其反应的性质依据工作电极的热力学电位和被分析气体的电化学性质而定。传感 器在氧化反应中,电化学反应中参加反应的电子流出工作电极;在还原反应中,电化 学反应中参加反应的电子流向工作电极。流出和流向工作电极的电流与被分析气 体的浓度值成正比。 活性电极材料的选择原则是:该材料应对目标气体具有最优敏感性,而交叉敏 感度则应降至最低。在活性电极和计数电极之间的电压要预先调整好,并由一个外 部电压电路保持,其中参考电极作为电路的反馈控制。相对于选择性而言,由于每 一种目标气体都有其各自独特的电解电压,因而传感器的响应可以得到进一步优化。 传感器的输出是一个正比于气体浓度的线性电压差。最后与前置放大器匹配使用 转换为 4ma20ma 的标准电流信号。 3.2.3 传感器的基本性能 传感器的基本性能指的是传感器的基本考核指标,它反映传感器的质量和性能,但 其大多数性能指标要与前置放大器经过较好的匹配才能体现出来。其指标主要有: 输出信号、电极电位、响应时间、响应线形度、测量重复性、抗干扰性、传感器 期待寿命。可将上述特性指标分为静态和动态两大类 。静态特性是指传感器在被 测量的各个值处于稳定状态时,输出量和输入量之间的关系,包括温度漂移、线性 相关度、零点漂移、数据重现性、准确性、选择性等。动态特性是传感器对时间 变化的输入量的响应特性、通常指响应时间。为了减小定电位电解传感器存在的 交叉反应, 提高抗干扰能力,可以采用主动和被动的方法。 1. 主动方法 1) 合理的电极电位可以使其减小到最低程度; 2) 利用传感器矩阵; 3) 用计算机软件。 2. 被动方法 在传感器上安装过滤膜,或针对不同的传感器设计不同的过滤器。 3.3 i/v 转换电路 传感器输出的是标准的 4ma20ma 的信号为了满足后需电路的需要采用运算 放大器组成 i/v 转换电路。采用 rcv420 集成芯片同时有效地抑制了输入信号间的 共膜干扰和串模干扰。 rcv420 精密 i/v 转换器能将 4ma20ma 的环路电流转换成 05v 的电压输出， 10 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 10v 基准电压源。在不需要外部调整的情况下，可以获得 86db 的 共模抑制比和 40v 的共模电压输入。在全量程范围内输入抗组仅有 1.5v 的压降， 对于环路电流具有很好的转换能力。当 420ma 电流输入对应 05v 电压输出时， 要求电路的传输阻抗为： vout/iin=5v/16ma=0.3125v/ma 为了得到期望的输出（4ma 时 0v，20ma 时 5v） ，放大器的输出必须有一个偏置: vos=4ma(0.3125v/ma)=1.25v 图 2 是 rcv420 与后继放大电路的原理图。 图 2 rcv420 与后继放大电路 3.4 多路转换电路 采用集成的 cd4051 芯片实现多选一的功能,即实现 cpu 对室内空气中有害气 体甲醛、苯、氨的检测值进行分时采集数据。 4051 是典型的八选一 cmos 多路开关，他们用幅度为 0+vdd 的数字信号控 制幅度为+vdd-vee 的正负极性的模拟信号。4051 的静态功耗最大为 100，w 最大静态电流为 10，开关延迟时间为 720ns。a cd4051 相当于一个单刀八掷开关,开关接通哪一通道,由输入的 3 位地址码 abc 来决定。其真值表见表 1。 “inh”是禁止端,当“inh”=1 时,各通道均不接通。 此外,cd4051 还设有另外一个电源端 vee,以作为电平位移时使用,从而使得通常在 单组电源供电条件下工作的 cmos 电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关,并 使这种多路开关可传输峰峰值达 15v 的交流信号。 表 1 cd4051 真值表 11 输入状态接通通道 inhcba 0000 “0” 0001 “1” 0010 “2” 0011 “3” 0100 “4” 0101 “5” 0110 “6” 0111 “7” 1 均不接通 3.5 a/d 转换电路 ad574a 是 12 位逐次逼近式 a/d 转换器，如图 3 所示。它转换速度快，12 位 精度一次转换时间为 25，转换速率为 40。片内具有三态输出锁存缓冲器，smsps 全 8 位或 16 位微处理器接口，250s 总线读取时间，与微处理器接口简单，非 线性误差小于1/2lbs 或1lbs。在-55+125温度范围内满足线性要求。 引脚如图 3 说明 图 3 ad574a 引脚图 vcc:+5v 电源输入端。 12/ ：数据模拟选择端，通过此引脚可选择数据纵线是 12 位或 8 位输出。8 ：片选端。cs a0/sc:字节地址短周期控制端。与 12/ 端用来控制启动转换的方式和数据输出8 格式。需注意的是，12/ 端 ttl 电平不能直接+5v 或 0v 连接。8 r/:读转换数据控制端。c 12 ce:使能端。 ad574a 的 ce、12/ 、r/和 a0/sc 对其工作状态的控制过程。在8csc ce=1、=0 同时满足时，ad574a 才会正常工作，在 ad574a 处于工作状态时，当cs r/=0 时 a/d 转换，当 r/=1 时进行数据读出。12/ 和 a0/sc 端用来控制启动cc8 转换的方式和数据输出格式。a0=0 时，启动的是按完整 12 位数据方式进行的。 当 a0=1 时，按 8 位 a/d 转换方式进行。当 r/=1，也即当 ad574a 处于数据状态c 时，a0 和 12/ 控制数据输出状态的格式。当 12/ =1 时，数据以 12 位并行输出，88 当 12/ =0 时，数据以 8 位分两次输出。而当 a0=0 时，输出转换数据的高 8 位，8 a0=1 时，输出 a/d 转换数据的低 4 位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节 补零。 +vs：正电源输入端，输入+15v 电源。 refout：10v 基准电源电压输出端。 dc:模拟地端。 ref-in：基准电源电压输入端。 -vs：负电源输入端，输入-15v 电源。 10vspn：10v 量程模拟电压输入端。 20vspn：20v 量程模拟电压输入端。 ac：数字地端。 db0db11:12 条数据总线。通过这 12 条数据总线向外输出 a/d 转换数据。 status:工作状态指示信号端，当 status=1 时，表示转换器正处于转换状态，当 status=0 时，表示 a/d 转换结束。 ad574a 的工作模式：以上我们所述的是 ad574a 的全控状态，如果需 ad574a 工作于单一模式，只需将 ce、12/ 端接至+5v 电源端，和 a0 接至 0v，仅用8cs r/端来控制 a/d 转换的启动和数据输出。当 r/=0 时，启动 a/d 转换器，经cc 25s 后 status=1，表明 a/d 转换结束，此时将 r/置 1，即可从数据端读取数c 据。 表 2 ad574a 控制端标志意义 cecsr/c12/8a0工作状态 0禁止 1禁止 1000启动 12 位转换 1001启动 8 位转换 101接+5v12 位并行输出有效 101接 0v0高 8 位并行输出有效 101接 0v1低 4 位并行输出有效 3.6 显示模块 带中文字库的 128x64 是一种具有 4 位/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方 13 式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分 辨率为 12864, 内置 8192 个 1616 点汉字，和 128 个 168 点 ascii 字符集. 利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图 形界面。可以显示 84 行 1616 点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗 是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示 模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低 于相同点阵的图形液晶模块。 基本特性： 1 低电源电压（vdd:+3.0-+5.5v） 。 2 显示分辨率:12864 点内置汉字字库，提供 8192 个 1616 点阵汉字(简繁体 可选)。 3 内置 128 个 168 点阵字符。 4 2mhz 时钟频率。 5 显示方式：stn、半透、正显 6 驱动方式：1/32duty，1/5bias 7 视角方向：6 点 8 背光方式：侧部高亮白色 led，功耗仅为普通 led 的 1/51/10 9 通讯方式：串行、并口可选 10 内置 dc-dc 转换电路，无需外加负压 11 无需片选信号，简化软件设计 12 工作温度: 0 +55 ,存储温度: -20 +60 表 3 引脚功能 管脚号管脚名称电平功能 1vss0v 电源地 2vcc+5v 电源正 3v0 对比度（亮度）调整 4rs(cs)h/l rs=“h”,表示 db7db0 为显示数据 rs=“l”,表示 db7db0 为显示指令数 据 5r/w(sid)h/l r/w=“h”,e=“h”,数据被读到 db7 db0 r/w=“l”,e=“hl”, db7db0 的数 据被写到 ir 或 dr 液晶显示驱动电源 6e(sclk)h/l 使能信号 7dboh/l 三态数据总线 14 8db1h/l 三态数据总线 9db2h/l 三态数据总线 10db3h/l 三态数据总线 11db4h/l 三态数据总线 12db5h/l 三态数据总线 13db6h/l 三态数据总线 14db7h/l 三态数据总线 15psbh/l h：8 位或 4 位并口方式， l：串口方式（见注释 1） 16nc 空脚 17/reseth/l 复位端，低电平有效（见注释 2） 18vout lcd 驱动电压输出端 19avss 背光源负端（见注释 3） 20kvdd 背光源正端（+5v） （见注释 3） * *注释注释 1 1：如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将 psb 接固定高电平，也可以将模块上的 j8 和“vcc”用 焊锡短接。 * *注释注释 2 2：模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。 * *注释注释 3 3：如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的 ja、jk 用焊锡短接。 1、rs，r/w 的配合选择决定控制界面的 4 种模式： 表 4 rs，r/w 的配合选择 rsr/w功能说明 00mpu 写指令到指令暂存器（ir） 01 读出忙标志（bf）及地址 记数器（ac）的状态 10mpu 写入数据到数据暂存器（dr） 11mpu 从数据暂存器（dr）中读出数据 1、e 信号 表 5 e 信号 e 状态执行动作结果 高低i/o 缓冲dr配合/w 进行写数据或指令 高dri/o 缓冲配合 r 进行读数据或指令 低/低高无动作 忙标志:bf bf 标志提供内部工作情况.bf=1 表示模块在进行内部操作,此时模 块不接受外部指令和数据.bf=0 时,模块为准备状态,随时可接受外部指令和数据。 利用 status rd 指令,可以将 bf 读到 db7 总线,从而检验模块之工作状态. 字型产生 rom（cgrom） 字型产生 rom（cgrom）提供 8192 个此触发 器是用于模块屏幕显示开和关的控制。dff=1 为开显示（display on),ddram 的内容就显示在屏幕上，dff=0 为关显示（display off)。 dff 的状态是指 15 令 display on/off 和 rst 信号控制的。 显示数据 ram（ddram）模块内部显示数据 ram 提供 642 个位元组的空 间，最多可控制 4 行 16 字（64 个字）的中文字型显示，当写入显示数据 ram 时， 可分别显示 cgrom 与 cgram 的字型；此模块可显示三种字型，分别是半角英 数字型(16*8)、cgram 字型及 cgrom 的中文字型，三种字型的选择，由在 ddram 中写入的编码选择，在 0000h0006h 的编码中（其代码分别是 0000、0002、0004、0006 共 4 个）将选择 cgram 的自定义字型，02h7fh 的 编码中将选择半角英数字的字型，至于 a1 以上的编码将自动的结合下一个位元 组，组成两个位元组的编码形成中文字型的编码 big5（a140d75f） ， gb（a1a0-f7ffh） 。 地址计数器 ac 地址计数器是用来贮存 ddram/cgram 之一的地址,它可由 设定指令暂存器来改变，之后只要读取或是写入 ddram/cgram 的值时，地址 计数器的值就会自动加一，当 rs 为“0”时而 r/w 为“1”时，地址计数器的值会被 读取 地址计数器的值会被读取到 db6db0 中。 表 6 指令说明 指 令 码功 能 rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d0 清除 显示 0000000001 将 ddram 填满 “20h“,并且设定 ddram 的地址计数 器(ac)到“00h“ 地址 归位 000000001x 设定 ddram 的地址 计数器(ac)到“00h“, 并且将游标 移到开 头原点位置这个指令 不改变 ddram 的内容 显示 状态 开/关 0000001dcb d=1: 整体显示 on c=1: 游标 on b=1:游标位置反白允 许 进入 点 设定 00000001i/ds 指定在数据的读取与 写入时,设定游标的移 动方向及指定显示的 移位 16 游标 或显 示移 位控 制 000001i/d s/ d xx 设定游标的移动与显 示的移位控制位;这 个指令不改变 ddram 的内容 功能 设定 00001dlxrexx dl=0/1：4/8 位数据 re=1: 扩充指令操作 re=0: 基本指令操作 设定 cgr am 地址 0001 ac 5 ac 4 ac 3 ac 2 ac 1 ac 0 设定 cgram 地址 设定 ddr am 地址 0010 ac 5 ac 4 ac 3 ac 2 ac 1 ac 0 设定 ddram 地址 （显示位址） 第一行：80h87h 第二行：90h97h 读取 忙标 志和 地址 01bf ac 6 ac 5 ac 4 ac 3 ac 2 ac 1 ac 0 读取忙标志(bf)可以 确认内部动作是否完 成,同时可以读出地址 计数器(ac)的值 写数 据到 ram 10数据 将数据 d7d0 写 入到内部的 ram (ddram/cgram/i ram/gram) 读出 ram 的值 11数据 从内部 ram 读取数 据 d7d0 (ddram/cgram/i ram/gram) 17 4 软件设计 该系统软件主要由主程序、数据采集与 a/d 转换子程序、显示子程序、报警 子程序等四大模块组成。 4.1 主程序设计 主程序主要完成初始化、子程序调用等功能，主程序流程图如图 4 所示。 y n 开始 初始化 启动 cd4051 调数据采集子程序 有报警？ 调用报警子程序 调用显示子程序 图 4 主程序流程图 4.2 显示子程序设计 显示子程序完成符号、数值的显示输出。程序流程图如图 5 所示。 18 n y y n 开始 送显示地址 初始化 清 lcd lcd 显示忙？ 写文字 送显示 送完？ 返回 图 5 显示流程图 4.3 数据采集子程序设计 数据采集与 a/d 转换子程序根据输入参数对相应的模拟信号进行采集、量化 及处理，并将相应信号的数值返回主程序。程序流程图如图 6 所示。 19 y n 开始 启动 ad547a 通 道 转换完？ 读出 a/d 转换结果 结果存入 mx 数组中 返回 图 6 数据采集流程图 4.44.4 报警子程序报警子程序 主要实现异常情况下控制告警信号输出。如当室内甲醛升高到某一点时，或 苯含量升高到某一规定值时，音频报警装置会发出不同频率的告警信号，同时相 应的指示灯亮（点亮报警指示灯的人物由显示子程序完成） ，以引起工作人员的注 意。其流程图如图 7 所示。 20 y n n yn y y y y 开始 气体浓度大于 204？ 气体浓度在80,102? 102mx1=80? 气体浓度在102,204? 返回 设置报警标 志位 图 7 报警程序流程图 结论 21 结论 一、实现功能 经过查阅资料，设计方案，接口连接等几个阶段，所设计的基于单片机的室 内环保测试系统已经实现了所要求的基本功能，基本功能如下： 1.对室内有毒气体的采集和存储。 2.报警和显示。 二、心得体会 毕业设计是大学阶段学习效果的一次大的检测，是专业知识，动手能力，和 自学能力的综合考试，通过这次毕业设计，我学到了很多东西，归纳起来重要有 以下几点： 1. 在大学学习中，很多时间是在学习专业理论基础知识，真正动手的机会 很少。经过这次毕业设计，懂得了电路设计的一般原理，对各种元器件 的性能和设计方法有了更深的理解。 2. 我们应该知道怎样查阅资料和利用工具书。平时课堂上所学习的知识大 多比较陈旧，与实际有一定的距离。当你在设计过程中需要用一些不曾 用过的东西时，就要去有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，以提 高自己的应用能力，而且还能增长见识，补充最新的专业知识，毕业设 计中的实践能力得到了进一步的提高。 3.毕业设计培养了我严肃认真的态度和以及相对应的工程意识，其他同学 的友谊互助也充分的在毕业设计当中体现出来了。毕业设计对以前学过 的理论知识起到了回顾作用，并对其加以进一步的巩固和消化。 参考文献 22 参考文献 1胡汉才单片机原理及其接口技术m北京：清华大学出版社 2赵长德mcs 一 5198 单片机原理与应用m北京：机械工业出版社 3龚福民电流环接收器 rcv420 及其应用j国外电子元器件 4 陆坤电子设计技术m成都：电子科技大学出版社 5 王福瑞单片微机测控系统设计大全m北京：北京航空航天大学出版社. 6刘华东. 单片机原理与应用m.电子工业出版社. 7李朝青. 单片机原理及其接口技术m. 北京航空航天大学出版社. 8 刘浩 .新型的显示器件 无线电 2001 年第 4 期. 9 张友德.单片微型机原理、应用与实验 复旦大学出版社. 10杨振江，曹光纯.新颖实用电子设计制作.西安电子科技大学出版社. 11droy choudhury and shail jain. linear integrated ciruits. new york: johnwiney and sons inc .1991 12paul r. cray and robert g. meyer.analysis snd design of analog integrated circuits.third edition. new york: john wiley and sons inc.1993 13serial infrared physical layer specification, version 1.3. octo15,1998,ibm corporation ,hewlett-packard company, sharp inc. 14serial infrared link access protocol(irlap),version 1.1. june 16, 1996,ibm corporation ,hewlett-packard company, apple computer, inc., counterpoint systems foundry, inc. 15jimemezpetal.improvedppmschemesfor infrared wireless lan j.electronics lettrs,1996,10. 16sepcification version 2.0,parts a andb,philips semiconductors,1992 17张友德、赵志英、涂时亮. 单片微型机原理、应用与实验（第四版）上海： 复旦大学出版社， 2003 年7 月 18王福瑞. 单片微机测控系统设计大全. 北京：北京航空航天大学出版社， 1998.4 19杨文龙.单片机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2000.5 20刘红梅.微