甲醛除味控制系统设计

1 甲醛除味控制系统设计 1 设计意义及要求 1 1 设计意义 甲醛 HCHO 是一种无色易溶的刺激性气体 甲醛可经呼吸道吸收 其水溶液 福 尔马林 可经消化道吸收 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 甲醛已经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质 是公认的变态反应 源 也是潜在的强致突变物之一 研究表明 甲醛具有强烈的致癌和促癌作用 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 通过本次甲醛除味系统的设计再一次将自己所学的知识应用到生活实践中 增强学 生理论联系实践的能力 进一步学习掌握单片机应用的方法 熟悉各种重要芯片的功能 与使用的技巧 通过本次小组合作 学会与团队成员相互学习 相互帮助的方法 1 2 要求完成的主要任务 根据题目设计对传感器进行选型 设计单片机采集及控制系统 根据甲醛浓度来控 制电机转速进行抽风 降低甲醛浓度 1 选择自己熟悉的单片机 如 C51 AVR 430 等 Proteus 可以仿真的 2 传感器尽可能的选取模拟传感器 3 Proteus 里没有的传感器 自己在 Protues 里找相应的可以替代的 如果实在找不到 就用电压 或者电流作为模拟输入源 2 2 方案设计分析 结构框图 图 1 甲醛除味系统结构框图 原理说明 本设计主要完成甲醛除味控制系统的设计 设计以单片机 AT89C52 为控制核心的控 制系统 完成的主要功能是根据甲醛浓度来控制电机转速 通过可变电阻的阻值变化模拟甲醛浓度的变化 通过 A D 转换将模拟量转换为数字 量输入单片机 单片机工作 显示出甲醛浓度 通过 D A 转换器实现数字量到模拟量的 转换 通过单片机程序控制电机运行 同时 甲醛浓度过高时触发声光报警 AT89C52 模拟传感器 电机转动 显示甲醛浓度 D A转换 A D转换 外围扩充存 储器 声光报警 3 原理图 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D5 D7 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B1 B2 B4 B5 B6 B7 B3 D6 B20 B0 B21 B23 B24 B25 B26 B27 D4 D6 D3 D4 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 B20 B21 B22 B23 B24 B25 B26 B27 D1 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A0 B22 C0 C1 C2 C0 C1 C2 C3 C3 C4 C4 C5 C5 C6 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C52 C3 10u R2 1k R3 10k X2 CRYSTAL C1 22p C2 22p VIN 6 VIN 7 VREF 2 9 CLK IN 4 A GND 8 RD 2 WR 3 INTR 5 CS 1 D GND 10 DB7 MSB 11 DB6 12 DB5 13 DB4 14 DB3 15 DB2 16 DB1 17 DB0 LSB 18 CLK R 19 VCC 20 U2 ADC0804 88 8 Volts R1 10k C4 150p R4 1k R5 1k RV1 1k R6 10k D0 2 D1 3 D2 4 D3 5 D4 6 D5 7 D6 8 D7 9 Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 LE 11 OE 1 U4 74HC573 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 R7 1k R8 2k D6 LED RED Q1 PNP BUZ1 BUZZER IN1 2 OUT1 3 OUT2 6 OUT3 11 OUT4 14 IN2 7 IN3 10 IN4 15 EN1 1 EN2 9 VS 8 VSS 16 GNDGND U3 L293D 88 8 kRPM SCL 6 SDA 5 WP 7 A0 1 A2 3 A1 2 U5 FM24C128 VREF 8 GND 3 VCC 20 CS 1 WR1 2 DI3 4 DI2 5 DI1 6 DI0 7 RFB 9 GND 10 IOUT1 11 IOUT2 12 DI7 13 DI6 14 DI5 15 DI4 16 XFER 17 WR2 18 ILE BY1 BY2 19 U6 DAC0832 3 2 6 74 15 U7 LM741 5 R9 0R1 R10 0R1 D0 2 D1 3 D2 4 D3 5 D4 6 D5 7 D6 8 D7 9 Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 LE 11 OE 1 U10 74HC573 3 2 1 411 U8 A LM324 U8 A V U7 V U7 V U6 ILE BY1 BY2 U3 VS AMFM 图 2 甲醛除味系统原理图 4 3 单元电路设计 3 1 单片机的介绍 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 256K bytes 的随机存取数据存储器 器 件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 与标准 MCS 51 指令系统及 8052 产品引脚兼容 片内置通用 8 位中央处理器和 FLASH 存储单元 功能强大 AT89C52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合 AT89C52 有 40 个引脚 32 个外部双向输入 输出 I O 端口 同时内含 2 个外中断 口 3 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 2 个读写口线 片内振荡器及 时钟电路 AT89C52 可以按照常规方法进行编程 也可以在线编程 同时 AT89C52 可 降至 0Hz 的静态逻辑操作 并支持两种软件可选的节电工作模式 空闲方式停止 CPU 的 工作 但允许 RAM 定时 计数器 串行通信口及中断系统继续工作 掉电方式保存 RAM 中的内容 但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位 其将 通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起 特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地 降低开发本 AT89C52 有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品 的需求 图 3 AT89C52 引脚图 5 3 2 单片机时钟电路 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置为片内 振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 因为一个机器周期含有 6 个状态周期 而每个状态周期为 2 个振荡周期 所以一个 机器周期共有 12 个振荡周期 如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为 12MHZ 一个振荡 周期为 1 12us 故而一个机器周期为 1us 如图 4 所示为时钟电路 图 4 单片机时钟电路 3 3 单片机复位电路 复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位 单片机在时钟电路工作以后 在 RESET 端持续给出 2 个机器周期的高电平时就可以完成复位操作 例如使用晶振频率 为 12MHz 时 则复位信号持续时间应不小于 2us 本设计采用的是外部手动按键复位电 路 如图 5 示为复位电路 图 5 单片机复位电路 C C X 12MHZ XTAL1 XTAL2 6 3 4 模拟甲醛浓度 A D 转换电路 在现代过程控制及各种智能仪器和仪表中 为采集被控 被测 对象数据以达到由 计算机进行实时控制 检测的目的 常用微处理器和 A D 转换器组成数据采集系统 ADC0804 是用 CMOS 集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片 分辨率 8 位 转换 时间 100 s 输入电压范围为 0 5V 增加某些外部电路后 输入模拟电压可为 5V 该 芯片内有输出数据锁存器 当与计算机连接时 转换电路的输出可以直接连接在 CPU 数 据总线上 无须附加逻辑接口电路 如图 6 示为模拟甲醛浓度 A D 转换电路 图 6 模拟甲醛浓度 A D 转换电路 D5 D7 B1 B2 B4 B5 B6 B7 B3 D6 B0 VIN 6 VIN 7 VREF 2 9 CLK IN 4 A GND 8 RD 2 WR 3 INTR 5 CS 1 D GND 10 DB7 MSB 11 DB6 12 DB5 13 DB4 14 DB3 15 DB2 16 DB1 17 DB0 LSB 18 CLK R 19 VCC 20 U2 ADC0804 88 8 Volts R1 10k C4 150p R4 1k R5 1k RV1 1k R6 10k 7 3 5 甲醛浓度显示 由于 A0 A7 要重复使用 故通过 74HC573 锁存器锁存输出状态 将输出连到 7 段数 码管相应管脚 可实现甲醛浓度的显示 如图 7 示为模拟甲醛浓度显示电路 图 7 甲醛浓度显示电路 3 6 上拉电阻 在主电路图中接在 P0 口处有一个排阻 RP1 由于 P0 口没有内接上拉电阻 为了为 P0 口外接线路有确定的高电平 所以要接上排阻 RP1 以确保有 P0 口有稳定的电平 如 图 8 示为单片机上拉电阻电路 图 8 单片机上拉电阻电路 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A0 C0 C1 C2 D0 2 D1 3 D2 4 D3 5 D4 6 D5 7 D6 8 D7 9 Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 LE 11 OE 1 U4 74HC573 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 8 3 7 电机工作电路 通过 74HC573 进行数据锁存 数据输入 DAC0832 进行数模转换 将单片机的数字信 号转换为模拟信号输入 脉冲发生器产生三角波进行 PWM 调制后通过电机驱动电路驱动 电机运行 图 9 示为电机工作电路 图 9 电机工作电路 3 8 声光报警电路 实现单频音报警的接口电路比较简单 其发音元件通常可采用压电蜂鸣器 当在蜂 鸣器两引脚上加 3 15V 直流工作电压 就能产生 3kHZ 左右的蜂鸣振荡音响 压电式蜂 鸣器结构简单 耗电少 更适于在单片机系统中应用 P1 0 接三极管基极输入端 当 P1 0 输出高电平 1 时 三极管导通 蜂鸣器的通电而发音 当 P1 0 输出低电平 0 时 三极管截止 蜂鸣器停止发音 图 10 示为声光报警电路 图 10 声光报警电路 B20 B21 B23 B24 B25 B26 B27 D4 D6 D3 D4 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 B20 B21 B22 B23 B24 B25 B26 B27 D1 B22 C4 C5 IN1 2 OUT1 3 OUT2 6 OUT3 11 OUT4 14 IN2 7 IN3 10 IN4 15 EN1 1 EN2 9 VS 8 VSS 16 GNDGND U3 L293D 88 8 kRPM SCL 6 SDA 5 WP 7 A0 1 A2 3 A1 2 U5 FM24C128 VREF 8 GND 3 VCC 20 CS 1 WR1 2 DI3 4 DI2 5 DI1 6 DI0 7 RFB 9 GND 10 IOUT1 11 IOUT2 12 DI7 13 DI6 14 DI5 15 DI4 16 XFER 17 WR2 18 ILE BY1 BY2 19 U6 DAC0832 3 2 6 74 15 U7 LM741 5 R9 0R1 R10 0R1 D0 2 D1 3 D2 4 D3 5 D4 6 D5 7 D6 8 D7 9 Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 LE 11 OE 1 U10 74HC573 3 2 1 411 U8 A LM324 U8 A V U7 V U7 V U6 ILE BY1 BY2 U3 VS AMFM C3 R7 1k R8 2k D6 LED RED Q1 PNP BUZ1 BUZZER 9 4 系统流程分析 图 11 系统流程图 开始 A D转换 数码管显示 CPU初始化 甲醛浓度是否升高 甲醛浓度大于上限值 声光报警 手动关闭报警开关 声光报警关闭 D A转换 电机运行 甲醛浓度低于下限值 声光报警关闭 D A转换停止 电机停止 N Y N N YY Y N 10 5 仿真结果 5 1 数码管显示 数码管显示甲醛浓度 如图 12 所示为模拟电压为 4V 时数码管显示 显示数值为 16 进制 图 12 数码管显示 5 2 电机转动显示 单片机输出信号进行 D A 转换后产生 PWM 波 控制电机运行 如图 13 所示为电机 运行效果显示 图 13 电机转动显示 5 3 二极管报警电路显示 当甲醛浓度高于上限值时会触发电路自动声光报警 如图 14 所示为声光报警时二极管发光报警 图 14 二极管报警电路 11 5 4PWM 波控制显示 通过 PWM 波控制电机运行 如图 15 所示为示波器显示 PWM 波 图 15 PWM 波控制显示 12 6 调试分析 由于仿真电路中连线较多 容易出现连线错误 短路等情况 程序编写时容易出现 语法错误 故调试中出现问题是不可避免的 本系统应用单片机程序的主要是单片机 C 语言程序 由于以前接触较少的原因 使 用不熟练 出现了一些问题 经过详细的对课本和图书馆借来的资料的了解 以及同学 的帮助最终顺利的完成了程序 通过图书馆以及上网查阅的一些资料大致了解了单片机驱动电机电路的框架程序的 编写 完成写文件程序的主要部分 运行的时候出现问题 单片机无法正确工作 经检 查单片机主程序编写无误 检查电路连接 发现连接出错 如果连接低电平则EAEA CPU 访问外部存储器 应改为连接高电平 使 CPU 执行内部存储器中的指令 EA 程序修改运行后电机没有按预想中的步骤运行 检查发现是电动机驱动电路的程序 编写有问题 修改后电动机可以正常运行 通过不断的调试 运行 我认识到编程序是需要耐心与细心才能完成的事情 磨练 了我们的毅力 13 心得体会 通过本次课程设计学习甲醛除味系统 让我有很多感受和体会 深切的感受到了电 子技术在日常生活中的广泛应用 更加理解理论联系实际的意义 为以后的工作 学习 奠定了基础 本次课程设计中主要还是通过查阅课本 图书馆相关资料并上网查有关芯片的引脚 图才得以顺利完成 虽然设计出了电路 通过 Proteus 仿真成功 但还是有许多的不足之 处 比如可变电阻阻值变化不是连续的 不能真实模拟甲醛浓度的变化 只能大概上表 示浓度升高或降低 设计过程中不仅要参考书本上知识 还要有些自己的东西加进去 由于本次是分组 完成的 可以在小组内讨论 集思广益 收集好的建议完成作品 更体会到了群体的力 量 设计出电路以后可以考虑从另一个方面着手再设计一个方案 看可行性如何 尽可 能的将各种方案的优点集中到一个方案上来 完成了本次课程设计 有种如释重负的感觉 同时也感到一点点自豪 可以用学到 的知识完成一个看似平常但却包含很多知识的器件 大大提高了学习电子技术的积极性 这不仅仅是个人的成功 也是我们小组的成功 大家的功劳 享受到了团队精神带来的 快乐 以后的学习生活中 大家更要相互帮助 学习 集思才能广益 才能创作出好的作品 希望以后会有更多的让自己动手实践的机会来提高自己的实践能力 同时 在平时要要 求自己多看书 多查阅相关资料 完备自己的知识体系 相信在以后的实践活动中会做 出更好的作品 14 参考文献 1 薛均义 张彦斌 MCS 51 系列单片微型计算机及其应用 M 西安 西安交通大学出版 社 2005 2 李全利 单片机原理及接口技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 2004 3 余锡存 单片机原理及接口技术 M 西安 西安电子科技大学出版社 2000 4 徐爱钧 彭爱华 单片机高级语言 C51 应用程序设计 M 北京工业出版社 1999 5 马忠梅等 单片机的 C 语言应用程序设计 北京 北京航空航天大学出版社 1997 6 康华光 电子技术基础 模拟部分 M 北京 高等教育出版社 2004 15 附录 主程序清单如下 include 单片机头文件 define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar temp temp1 shi ge 宏定义 sbit wr P3 6 定义引脚 sbit rd P3 7 sbit adcs P3 5 sbit dula P2 0 sbit wela1 P2 1 sbit wela2 P2 2 sbit beef P2 3 sbit din1 P2 4 sbit din2 P2 5 sbit swt P2 7 sbit ad P3 0 sbit da P3 1 sbit dacs P3 4 uchar code table 定义 LED 显示数据 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 0 x77 0 x7c 0 x39 0 x5e 0 x79 0 x71 void display uchar shi