基于STC单片机的室内甲醛检测仪的设计

目录摘要.IAbstract.II1绪论.11.1引言.11.2甲醛检测仪的种类.12整体设计方案.32.1系统设计的基本要求.32.2系统设计的思想.32.3系统设计方案的对比选择.33设计开发工具介绍.53.1单片机的概念和特点.53.2单片机的发展和趋势.63.3STC12C5A60S2单片机.63.4LTC1049CN8运算放大器.73.5LCD1602液晶显示屏.83.6甲醛传感器.94系统硬件设计.114.1系统整体电路的原理.114.2系统晶振电路的设计.124.3系统复位电路的设计.124.4系统放大电路的设计.144.5系统单片机及显示电路的设计.144.6系统报警电路设计.155系统软件设计.175.1程序编写语言介绍.175.2编译软件介绍.175.3主程序模块.225.4模数转换.225.5按键模块.245.6液晶显示模块.266设计总结.306.1全文总结.306.2心得体会.30参考文献.32致谢.33附录.34I基于单片机的室内甲醛检测仪的设计摘要众所周知，甲醛对人体的危害很大,在当今的社会中甲醛通过各种途径侵入人们的生活，特别是在房屋装修的过程中，装修材料中残留大量的甲醛，所以应如何快速高效的检测室内甲醛的含量是否超标就显得尤为重要。传统的检测方法操作麻烦，而且精度不够高，于此本研究设计了一种在室内具有检测和超限报警功能的智能甲醛检测仪。该设计方案基于STC12C5A60S2单片机，选择英国达特公司生产的甲醛传感器。该系统将传感器输出的电流信号放大后，通过A/D转换电路调整,再通过单片机进行数据处理,最后由LCD显示甲醛浓度值。本设计具有显示报警功能，并且具有功耗低、精度高、便于携带等特点。关键词:甲醛；STC12C5A60S2；传感器；A/D；LCDIIDesignofIndoorFormaldehydeDetectorBasedonSCMAbstractAsisknowntoall,formaldehydedoesgreatharmtohumanbody.Nowadays,peopleslifeisinfluencebyformaldehydethroughdifferentways,especiallywhenbuildingshavebeendecorated.Thereareamountoftheresidualformaldehydeintheroom.Thus,itisimportanttodetectaccuratelythatifthecontentofindoorformaldehydeisoutoflimits.Theoperationoftraditionaltestmethodsistroublesomeandoflowaccuracy.Comparedwithwhich,anintelligentformaldehydeanalyzerwhichcantestthecontentofindoorformaldehydeandalarmwhentheformaldehydeisoutoflimitsisdesigned.BasedontheSTC12C5A60S2microcontroller,thedesignneedsaformaldehydesensorproducedbyDartmouthCompany.Inthesystem,currentsignaloutputbysensorwillbeamplifiedandwillbeadjustedthroughtheA/Dconverter.Thenthroughthesingle-chipmicrocomputerdataprocessing,formaldehydechromevaluewillbeshowedintheliquidcrystaldisplays(LCD).Thisdesignhasthefunctionofshowingalarmsandhaslotsofadvantagessuchaslowpowerconsumption,highprecision,easytocarry,etc.Keywords:formaldehyde;STC12C5A60S2;Sensors;A/D;LCD11绪论1.1引言甲醛是一种无色有强刺激性气味的气体。溶于水、醇类和醚。甲醛在室温下是气体,通常以水溶液的形式存在。37%的水溶液称为福尔马林，医疗和科研部门通常用来做标本的防腐保存。在我们国家有毒化学物质优先控制名单中甲醛位居第二。甲醛一直是世界卫生组织确定为癌症和导致畸形的物质材料1。甲醛可以和蛋白质结合,吸入高浓度甲醛会引起呼吸道严重的刺激和水肿、眼痛、头痛，也可能发生支气管哮喘，人的皮肤直接接触甲醛,可能会引起皮炎、皮肤色斑、皮肤坏死。经常吸入甲醛,也能导致慢性中毒,出现黏膜充血、皮肤刺激疾病、过敏性皮炎、指甲角化以及脆弱等。全身症状有头痛、疲劳、心悸、失眠、体重减轻和植物神经紊乱等2。甲醛的来源途径一般有这个方面：1室内装饰材料里面的合成板材,如胶合板、细木工板、高密度板、刨花板。甲醛在这些板材中起胶合剂、防腐剂的角色,主要用于加强材料的硬度、防虫、腐蚀。板材里的残余和未参与反应的甲醛向周围生态环境逐步释放甲醛,是室内空气中甲醛的主要来源。2使用合成板制造家具,厂家为追求利润的不惜使用不合格的木料板材,再粘贴材料表面时使用不合格的胶水,导致家具的甲醛含量超标。3含有甲醛并且可能会向周围环境发出的各种装饰材料,如墙纸、地毯、油漆等。1.2甲醛检测仪的种类目前,市场的甲醛检测器有许多不同的种类,其中比较常见的是使用试验纸光电光度法,当甲醛吹到浸有发色剂的试纸上时,浸有发色剂的TAB组合就会发生化学反应使标签颜色发生变化。在接触甲醛后溶解在试纸里的试药就会和甲醛发生化学反应产生化合物,试纸的颜色会从白色变成黄色。颜色改变的程度可以反映出所受光的反射光量，反射光量的强度变化率强度可以作为被测气体的甲醛含量的预测值。预先设定检测线,可以通过测量反应率来检测甲醛浓度的含量。在收集气体的方法上有的是使用自动吸引方式(内置微型空气泵),一些使用扩散式。用测试纸光电光度法分析甲醛的浓度,它的优点是灵敏度高,操作简单,快速测定。2但是这种方法在分析甲醛浓度时,往往是目视比色法,它的缺点是:（1）因为许多有色溶液是不够稳定的,不能长久保存,经常需要在测定的时候现配制溶液,比较费时费力费事。（2）目视比色法的精度低，准确率不高，一般相对误差为520。本文设计的便携式甲醛检测仪所使用的甲醛传感器是电化学传感器。它可以使甲醛的浓度转换成微弱的电流信号。这样可以通过电流电压变换电路使微弱的电流信号转换为可以测量的稳定的电压信号,增强了该电信号的稳定性。12整体设计方案2.1系统设计的基本要求本次设计的主要内容是设计一种基于单片机的室内甲醛检测仪，主要利用单片机和放大电路对甲醛传感器的输出信号进行采集处理。设计基本要求：（1）快速检测功能：当将仪器至于封闭环境时能快速测出甲醛浓度并显示。(2）超标报警功能：当甲醛浓度超出国标时给予报警提示。2.2系统设计的思想随着现代电子技术的迅速发展，传感技术已形成一个独立的新兴的高科技领域。传感器的高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，其便携式的特点尤其适合于野外、现场分析的需要。本设计拟采用英国达特公司生产的CH20甲醛传感器，传感器的贵金属电极与挥发的甲醛气体发生反应，产生与挥发的甲醛浓度成正比的电信号。由于甲醛传感器产生的电信号十分微弱，不能直接与控制电路相连接使用，我们将其首先经过一个放大电路，将信号放大，再经过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，在单片机电路的作用下，通过LCD将空气中甲醛含量的浓度用数字显示出来3。创新点：（1）使化学检测转化为电信号检测。（2）应用单片机来显示最后结果，成本低。（3）设备便于携带，操作简单。（4）实现单片机控制的智能化。2.3系统设计方案的对比选择方案一：基于普通51单片机和国产MQ138传感器的设计方案国产MQ138传感器中能基本实现甲醛测量需要，其信号可以经过放大电路，在经过AD转换芯片后送给单片机进行处理最后显示。其工作模块可以分为：传感器、放大电路、AD2电路、单片机、显示电路。通过这几个部分的结合可以基本实现设计的功能，但是由于MQ138传感器的线性度极其不理想，而且其测量范围为1ppm10ppm，最低测量值已经远远超过国家标准的最低值0.8ppm。系统所采用的单片机只能进行数据处理，仍需要另外购买AD芯片，给系统造成成本增加，且对电路的性能会造成影响。方案二：基于增强型单片机和进口传感器的设计方案英国达特（DART）公司的甲醛传感器虽然价格为MQ138的两倍，但其拥有稳定的线性度，且灵敏度达到0.01ppm,可以满足测量国家标准。系统工作模块也分为传感器、放大电路、AD电路、单片机、显示电路。系统才用的是增强型51单片机即STC12C5A60S2单片机，不但拥有超高的执行速度而且内置了10位的AD转换，可以简单化电路，更可以节约一定的成本，对整体电路的稳定性能更有保障。两个方案的比较：方案一，虽然基本满足测量需求，但是01ppm的范围为盲区，无法测量更无法在超过国标时及时提醒，系统整体稳定性不高。方案二，完全能够满足测量需求，精度高，功耗更低，电路设计简单，稳定性高，更加可靠，所以选用方案二。33设计开发工具介绍3.1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、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。43.2单片机的发展和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(ElectricalFastTransient)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：(1)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；(2)所集成的部件越来越多；(3)功耗越来越低；(4)和模拟电路结合越来越多。3.3STC12C5A60S2单片机STC12C5A60S2单片机（引脚如图3-1）是宏晶科技生产的一种能够与传统8051完全兼容的新型单片机，它执行速度是传统51单片机的812倍，内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(即P1口)，因此具有很强大的数据处理能力，本身自带的10位A/D转换更是为本设计节约了成本。其基本参数如下4：1.与MCS-51产品指令和引脚完全兼容。52.60K字节可重擦写FLASH闪存存储器。3.100000次写/擦循环。4.时钟频率：0Hz35MHz相当于普通单片机的0420M。5.三级加密存储器。6.1280字节内部RAM。7.36/40/44个可编程I/O口线。8.4个16位定时/计数器，7个中断源。9.2路PWM。10.低功耗的空闲和掉电模式。11.片内振荡器和时钟电路。图3-1STC12C5A60S2规范引脚3.4LTC1049CN8运算放大器LTC1049（引脚如图3-2）是一种高性能，低功耗的零漂移运算放大器。此外，LTC1049提供优越的DC和AC性能，其理论供应电流仅为200A。LTC1049拥有典型失调电压漂移60.02V/C，0.1Hz到10Hz输入噪声电压的3V。转换速度电压增益为与典型的160dB与增益带宽产品的0.8MHz。超载从饱和状态的恢复时间6ms,比削波器放大器显着改善使用外部电容器，可以在LTC1049是一个插件替换与大多数标准运算amps大幅度提高DC性能和降低功耗。其基本参数如下：1.低电源电流：200A2.无需外部元件3.最大失调电压：10V4.最大偏移电压漂移：0.1V/C5.单电源供电：4.75V到16V6.输入共模范围包括地面8.典型的过载恢复时间：6ms9.在8-Pin可用，以便和PDIP软件包兼容图3-2LTC1049CN8的引脚图3.5LCD1602液晶显示屏LCD显示有很多种，常用的有1602和12864两种，由于本设计中显示的甲醛含量属于较简单的字符，可以考虑使用1602，LCD1602具有显示内容丰富，接口电路简单，人机交流性强等特点，适合本次设计的研究。其具体参数如表3-1，接口信号参数如表3-24。7具体参数：表3-1LCD1602技术参数显示容量：162个字符芯片工作量：4.55.5V工作电流：2.0Ma(5.0V)模块最佳工作电压：5.0V字符尺寸：2.954.35（WH）mm接口信号参数：表3-2LCD1602接口信号表格编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2DataI/O2VSS电源正极10D3DataI/O3VL液晶显示偏压信号11D4DataI/O4RS数据/命令选择端12D5DataI/O5R/W读/写选择端13D6DataI/O6E使能信号14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光源正极8D1DataI/O16BLK背光源负极3.6甲醛传感器本甲醛检测仪采用英国达特（DART）公司生产的甲醛传感器如图3。该传感器是两电极电化学型的传感器，通过扩散原理实现，因此不需要外部采样硬件。当有甲醛气体存在的时候，将会有一个很小的直流产生；传感器本身不需要电源供应，但是产生的这个电流需要外部的数据采集将其变为可读的信号。主要参数如下6：1.正常检测0一10ppm，最大值50ppm；2.输出信号250300nAppm；3.分辨率001ppm；4.响应时间/调用外函数/#include#include#include#include#include#include/*初始化CPU*/voidinit_cpu()/初始化cPuEA=1;TR0=1;TR1=1;TMOD=0x11;TH1=0x3c;TL1=0xb0;/*voidtime1(void)interrupt3using1TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;keyval=P1;*/初始化CPU结束/voidmain_menu_initial()/LCD主菜单初始化./main1_menu0.menu_count=4;/有4个菜单项./main1_menu0.display=measurearray;/定义一个”开始测量“数组/main1_menu0.subs=NULL;main1_menu0.children_menus=measure_menu;/当前菜单子菜单的指针34main1_menu0.parent_menus=NULL;/还有“数据存储”、“时间设置”/voidmeasure_menu_initial()/“开始测量”菜单设置/measure_menu0.menu_count=2;measure_menu0.display=qr;/开始测量函数,确认.measure_menu0.subs=start_measure_function;/开始测量函数measure_menu0.children_menus=NULL;measure_menu0.parent_menus=main1_menu;measure_menu1.menu_count=2;measure_menu1.display=qx;/开始测量函数,取消.measure_menu1.subs=NULL;measure_menu1.children_menus=NULL;measure_menu1.parent_menus=main1_menu;/还有voidstore_menu_initial()、voidtime_menu_initial()/voidled_menu_pro()max_item=menu_led-menu_count;switch(keyval)case0:break;case1:/向上键.if(user_choosen=0)user_choosen=max_item;shuaxin=1;user_choosen-;break;35/“向上”“向下”“确认”“取消”键/if(shuaxin)/是否需要刷新LCD标志位.Clr_Scr();shuaxin=0;led_menu_show();voidled_menu_show()ucharn;max_item=menu_led-menu_count;if(max_item=4)/菜单项为3则表示为主菜单.for(n=0;n1)_nop_();_nop_();ADCLK=0;/拉低CLK端,形成下降沿3ADDI=1;/控制命令结束_nop_();_nop_();dat=0;for(i=0;i=1;ADCS=1;/拉低CS端ADCLK=0;/拉低CLK端ADDO=1;/拉高数据端,回到初始状态dat1)_nop_();_nop_();ADCLK=0;/拉低CLK端,形成下降沿3ADDI=1;/控制命令结束_nop_();_nop_();dat=0;for(i=0;i=1;ADCS=1;/拉低CS端ADCLK=0;/拉低CLK端ADDO=1;/拉高数据端,回到初始状态dat=8;dat|=ndat;return(dat);/returnadkvoidtra(uchar*p)/数组dsp里面的字符查询后，再储储存到另一个显示数组valuevoidmain_Menu()Clr_Scr();/先清屏/44CS2=1;CS1=0;hz_disp16(0,32,1,jiaquan);/甲/醛/测/量/数/据/存/储/delay(2000);do/*k=Adc0832(0);/AD转换结果l=k/255.0*100.0;ltemp=floor(l);dsw0=ltemp/10;dsw1=ltemp%10;/sprintf(dsw,%2.3f,l);/dsw0=1;switch(dsw0)case0:sz_disp16(2,32,1,sz0);break;case1:sz_disp16(2,32,1,sz9);switch(dsw1)case0:sz_disp16(2,40,1,sz0);break;case1:sz_disp16(2,40,1,sz9);*/sz_disp16(2,40,1,sz0);/*tra(dsw);CS2=1;CS1=0;sz_disp16(2,56,1,value);*/while(P1_3);45附录五按键程序#definenullkey0/定义/ucharget_key()/读键/ucharpass,kcodebuf;staticucharlastkcode,keytime=0;/定义为静态变量,外部不可见,但需要常驻内存.staticucharhavekey=0;staticucharkeylock=0;kcodebuf=P1keytime+;if(kcodebuf!=lastkcode)keytime=0;if(kcodebuf=0xff)havekey=0;keylock=0;keytime=0;pass=0;elsepass=nusekey;lastkcode=kcodebuf;return(pass);/*ucharget_key()elsepass=nusekey;return(pass);*/46附录六液晶程序sbitRST=P20;/复位端/sbitE=P21;/使能端/#defineDisp_On0x3f/显示开指令/#defineDisp_Off0x3e/显示关指令/#defineCol_Add0x40/定位到第0列指令/#definePage_Add0xb8/定位到第0页指令/#defineStart_Line0xc0/定位从DDROM中的第0行开始往屏幕上显示unsignedcharcodemeasurearray/*调入了一幅图像：测量：宽度x高度=96x16*/unsignedcharcodestorearray/*调入了一幅图像：存储：