甲醛除味控制系统的设计.doc

武汉理工大学微型计算机控制技术课程设计课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 甲醛除味控制系统的设计 初始条件：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。 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1） 该系统可以根据传感器的采样数据显示甲醛气体的浓度。（2） 当甲醛达到危害人体健康的浓度时有报警系统。（3） 当甲醛浓度增加时，电机转速会加快，迅速使甲醛浓度降低。时间安排： 任务时间（天）指导老师下达任务书，审题、查阅相关资料2分析、计算3编写程序2撰写报告2论文答辩1指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要甲醛除味控制系统主要是由于现实生活中，甲醛广泛存在于日常生活中的各个角落，并且当它达到一定浓度时会对人体构成伤害甚至危害人们的生命，鉴于此点，设计一个可以自动感知甲醛浓度，并且可以根据不同浓度来控制电机的转速以达到降低甲醛浓度的目的。在这个设计中我采用了AT89C51单片机作为控制器，ADC0808和MQ-138作为数据采样的元件，用H型驱动电路来驱动直流伺服电机。该设计基本能满足日常生活中对降低甲醛浓度的要求，达到了设计之初的目的。关键词: 甲醛；AT89C51；ADC0808；MQ-138AbstractThe Control System of Reducing the concentration of formaldehyde is mainly used in real life. Formaldehyde widely presents in everyday life. When its concentration reached the certain value, it will brings a huge harm to peoples lives .Viewing of that, designing an automatically senses formaldehyde concentration can be very necessary. It can control motor speed according to different concentrations of the formaldehyde in order to achieve the purpose of reducing the formaldehyde concentration. In this design I used AT89C51 microcontroller as the controller, ADC0808 and MQ-138 as a data sampling device, with H-drive circuit to drive the DC servo motor. The design can basically meet the daily requirements of reducing the concentration of formaldehyde. This design meets the requirements of the original. Keywords: formaldehyde ；AT89C51；ADC0808；MQ-138III目 录1 设计分析11.1 甲醛危害性11.2 设计任务分析12 ADC0808简介，传感器选择与采样22.1 ADC0808简介22.2 传感器的选择42.3 采样电路的设计53 直流伺服电机的驱动电路及调速方法63.1 直流伺服电机驱动电路的设计63.2 直流伺服电机的调速方法64 程序设计74.1 主程序的设计74.2 采用PWM波的程序设计84.3 显示程序设计104.4 采样程序设计105 电路设计及仿真116 调试分析127 小结与体会12参考文献14附录一15附录二20甲醛除味控制系统设计1 设计分析1.1甲醛危害性 最新研究表明甲醛已经成为第一类致癌物质。甲醛引起人类的鼻咽癌、鼻腔癌和鼻窦癌，并可引发白血病。根据国家强制性标准，关闭门窗1小时后，每立方米室内空气中，甲醛释放量不得大于0.08毫克；如达到0.1-2.0毫克，50%的正常人能闻到臭气；达到2.0-5.0毫克，眼睛、气管将受到强烈刺激，出现打喷嚏、咳嗽等症状；达到10毫克以上，呼吸困难；达到50毫克以上，会引发肺炎等危重疾病，甚至导致死亡。甲醛是一种极强的杀菌剂，广泛用于工业生产中。是制造合成树脂、油漆、塑料和人造 纤维的原料，是人造板工业制造脲醛树脂胶、三聚氰胺树脂胶和酚醛树脂胶的重要原料。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。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。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。浓度更高时可引起恶心呕吐，咳嗽胸闷，气喘、肺水肿、甚至会立即致人死亡。由此可见，甲醛在如今的社会生活中危害性是比较大的，所以设计一个全自动的甲醛检测除味系统非常必要。1.2设计任务分析此次课程设计的题目为甲醛除味控制系统的设计，主要任务是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。当被测系统中的甲醛浓度高于一定值时，传感器将采样值送入ADC0808，经A/D转换后传递给单片机，然后单片机根据传送过来的采样值按照一定的算法计算后通过控制口送出控制信息，直接控制直流伺服电机的转速，从而达到降低甲醛浓度的目的。在这个题目中，设计的重点是传感器模拟量的采集并经过A/D转换后传递给单片机，还有一个重点就是直流伺服电机转速的控制。2 ADC0808简介，传感器的选择与采样由于之前在微型计算机控制技术中我们学习的A/D转换元件是ADC0809，但是在PROTEUS元件库中，没有找到ADC0809，只好用ADC0808代替，两者的用法和原理是一样的。2.1ADC0808简介 ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。 ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，它 图2-1 ADC0808管脚图有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。 ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图2-1所示。各引脚功能如下： 15，2628（IN0IN7）：8路模拟量输入端。 8，14，15，1721：8位数字量输出端。 22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 6（START）： AD转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 7（EOC）： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 12（VREF（+）、16（VREF（-）：参考电压输入端 11（Vcc）：主电源输入端。 13（GND）：地。 2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 表2-1 通道选择对应表 极限参数：电源电压（Vcc）：6.5V 控制端输入电压：0.3V15V 其它输入和输出端电压：-0.3VVcc+0.3V 贮存温度：65+150 功耗（T=+25）：875mW 引线焊接温度：气相焊接（60s）：215；红外焊接(15s)：220 抗静电强度：400V2.2传感器的选择经过资料的搜索和查询，我们最终选择了MQ-138作为这个甲醛除味系统的传感器，该传感器广泛用于家庭、环境的有害气体探测。适宜于醇类、酮类、醛类、芳族化合物等有机溶剂的探测。它的主要特点是：1）广泛的探测范围；2）快速的响应恢复及较高的灵敏度；3）长期的工作稳定性及简单的测试电路。MQ-138传感器的基本结构如图2-2所示： 图2-2 MQ-138传感器的基本结构图 MQ-138的主要参数如表2-2,表2-3和表2-4：表2-2 MQ138标准工作条件表2-3 MQ138使用的环境条件表2-4 MQ138灵敏度特性MQ-138型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，应根据不同气体的特性来确定所测得的数值的意义，只有这样才能精确地使用该传感器。2.3采样电路的设计 由于此次设计中需要采集气敏传感器的输出电压，信号经放大器放大后经过ADC0808的转换，由模拟量变成数字量，然后传输至单片机。ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件，而在此次采样中只需要使用一路信号就足够了，我选择了IN0口作为数据采集口，将传感器电路中的信号送进ADC0808。由于在PROTEUS中没有气敏传感器，所以只能用电压模拟量代替，也免去了信号放大电路部分，直接可以用一个滑动变阻器来作为模拟信号。采样电路原理图如图2-3所示图2-3 采样电路基本原理图3 直流伺服电机的驱动电路及调速方法在这个设计中，我使用了直流伺服电机作为主要的控制对象，根据传递过来的信息控制电机的转速，从而达到降低甲醛浓度的目的。3.1直流伺服电机驱动电路的设计 由于我选用了直流伺服电机，所以经过仔细分析后我决定采用三极管构成的双臂H型驱动电路，此种驱动电路的主要特点是： 1）可以方便控制电机的正反转，当Q5的门极为低电平时，直流电机正转，若为高电平，则电机反转； 2）功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗实现隔离。3）H型电机驱动电路加入了保护二极管和大电阻，在一定范围内，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。图3-1即为该直流电机的驱动电路完整电路图 图3-1 直流伺服电机驱动电路3.2直流伺服电机的调速方法直流电动机的转速n由下式决定：由上式可以看出，调节直流电动机的电枢电压U,可改变转速n。即为调压调速法。在对直流电动机的电枢电压控制调节时，常用的有三种方法：发电机电动机调速，晶闸管调速和直流斩波调速（脉宽调制PWM）。PWM调速法的基本原理是：加在电动机电枢两端的电压是脉动的方波，使此脉冲的幅值和周期不变而改变脉冲高电平所占得宽度，即改变脉冲的占空比，就可以改变加在电动机电枢两端的电压平均值，从而达到调速的目的。脉宽调速波形如图3-2所示： 图3-2中，脉冲的周期为T，电枢两端高电压平时电压为，所用时间为，占空比。因此，电枢两端电压的平均值。 图3-2 脉冲调速波形4 程序设计根据硬件电路的分析及综合，程序设计的总体思路大致分为以下四个部分：第一：采样程序的设计；第二：显示程序的设计；第三：PWM算法程序的设计；第四：主程序及整体框架的构建。根据这个思路则可以有条理的编写程序代码，顺利的完成程序的设计任务。4.1 主程序的设计在程序设计部分，程序主要完成下面几个方面的功能：首先对各个器件初始化然后通过ADC0808采用查询方式进行采样，并将采样值输入到单片机中，再根据采样值计算当周期为10ms时PWM波为高电平和低电平的时间，然后利用定时器定时输出指定占空比的PWM波。主程序流程图，如图4-1所示。图4-1 主程序流程图4.2 产生PWM波的程序设计当ADC0808将采样值送给单片机后，通过计算能够得到在固定周期T内高电平和低电平的持续时间，然后通过控制单片机内部定时器进行延时，从而达到输出不同占空比的PWM波。具体程序如下：init() TMOD=0X10; /定时器T1工作于方式0 th1=60; tl1=176; TH1=th1; /给定定时器波特率 TL1=tl1; TR1=1; /启动定时器 ET1=1; /允许定时器T1中断 IT1=1; /定时器为下降沿触发 EA=1; /CPU开放所有中断请求void time1(void) interrupt 3 TR1=0; /关闭定时器 t2=10000-t1; /计算高电平时间 if(P2_7=0) th1=-t1/256; tl1=-t1%256; else th1=-t2/256;tl1=-t2%256; TH1=th1; TL1=tl1; P2_7=P2_7; /P2.7口的值取反 TR1=1; /启动定时器4.3 显示程序设计在该设计中，我采用了数码管来显示所测得空气中甲醛气体的浓度，由于采用的是4个7段数码管，我采用了P1口来作为数据的输出，P3口的P3.0P3.3作为四个数码管的选择控制信号。在显示过程中，我并没有将电压值对应成应有的甲醛的浓度，而是直接将采样电压显示出来，后面的仿真中列表作了说明。当ADC0808把采样值送给单片机后，因为送给单片机的采样值为V，而实际的采样电压为： 因此将所得的采样值先除510，得到的是显示电压的十位，取余得到的是剩下的，将它除去51，得到的是显示电压的个位，如此重复两次，可分别得到小数点后两位。在执行该显示算法的同时，控制对应的数码管，输出对应的数字，就可以完整的显示采样信号了。4.4 采样程序设计在此次程序设计中ADC0808没有采用寻址方式，而是直接通过单片机控制其端口的信号，从而使ADC0808分别工作在输入、A/D转换和输出三个状态。具体程序如下：test()ALE=0; /不锁存地址 OE=0; /禁止输入_nop_();_nop_(); ALE=1; /所存地址 _nop_(); _nop_(); ALE=0; /不锁存地址 _nop_(); /延时 _nop_(); _nop_(); _nop_(); while(EOC=0); /当转换结束时 OE=1; /允许输入 ad_data=P1=addata; /把采样值送给单片机 _nop_(); _nop_(); OE=0; /禁止输入 t1=ad_data*39; /换算成高电平时间从以上程序可知：t1代表PWM波为高电平的时间，周期T为10ms。其中ad-data为输入到单片机中的采样值，通过对ADC0808的相关计算可知，只需将采样值ad-data乘以39便可得到高电平的时间t1（us）,这样就完成了采样程序的设计。5 电路设计及仿真甲醛除味系统的硬件电路主要分为四大块：单片机控制块，ADC0808数据采样块，直流伺服电机控制块和浓度显示块四大部分。单片机我采用了AT89C51，因为之前学过了类似的知识，所以选择了它，用起来比较顺手，前面已经介绍了数据采集，直流伺服电机模块的基本知识，这里就不再赘述。浓度显示我采用了数码管进行显示，根据之前数点的知识，利用七段数码显示来显示传感器所检测到的甲醛的浓度，以此来提醒控制人或者控制系统。主电路见附录二。由于在设计的过程中没有直接将对应的电压输出转换成对应的甲醛浓度，也没有根据甲醛浓度设定直流伺服电机的转速，所以列表如下：根据表5-1可以得到对应甲醛浓度时电机的转速值。 表5-1 电机转速与甲醛浓度对应表显示电压U（V）电机转n（r/min）对应甲醛浓度(mg/)报警装置是否动作512450是4.491041050是485.3510是3.4967.72.05.0是3560.12.0是300.1否由于在模拟的过程中，滑动变阻器的阻值的调节是断续的，不是连续的，所以电机的转速在一定范围内是固定的，而在实际操作过程中，电机的转速是连续变化的量。由于采样值的连续性，所以在经过PWM算法处理后，所得出的值在一定意义上也是连续的，所以得到一个可以根据甲醛浓度值随时调整电机转速的自动控制装置，而当甲醛浓度高于某一个对于人类身体有伤害的值时，报警装置会动作，警笛声大作，提醒人们注意空气中甲醛的浓度已经对人类身体构成伤害了，完成了设计之处的目的。6 调试分析在电路设计及程序设计完成后，在Keil中输入程序，生成*.hex文件，将文件导入单片机后，在Proteus中仿真。当采样电压为低于2.5V时，电机停止转动，说明甲醛浓度对人身体构不成伤害，当甲醛浓度过大，即电压大于2.5V时，电机的转速会随着甲醛浓度的升高而升高，以达到降低甲醛浓度的目的。对应的转速及浓度可见表5-17 小结与体会两个星期的课程设计终于要结束了,在这对这回所做的设计和心得来总结一下,在这两个星期里按照任务要求,利用51单片机和自己所学的微型计算机控制技术的基本知识，完成了一个简易甲醇浓度检测系统的设计。在自己设计的过程中,不但熟悉了单片机及其相关的软件，如：proteus ，keil的应用，更将之前所学的微型计算机控制技术的知识进一步巩固，加深了印象。在使用单片机的时候,首先要理解清楚其工作原理和工作时序,那样的话才能对所要求电路进行编程，同时，也要充分利用微型计算机控制技术的知识，不然,一些任务就很难实现。还有就是在做设计的时候要十分认真的来对待,不管哪一点错了都要换个思维方式重新审视一下自己的错误,找到错误的知识点,这样自己才能得到更好的锻炼，同时自己的课程设计的基本任务才算完成。经过本次课程设计，我学到了很多，也深知单片机技术和微型计算机控制技术还有很多用途，我所学的只是一点皮毛而已，在以后的学习生活中我会更加努力的学习，争取更大的提高，同时也感谢老师在课程设计当中给予的帮助。参考文献1 于海生等.微型计算机控制技术.北京：清华大学出版社，19992 韩全立，王建明.单片机控制技术及应用.北京：电子工业出版社，20043 徐仁贵.微型计算机借口技术及应用.北京：机械工业出版社，19954 陈立周，陈宇.单片机原理及其应用.北京：机械工业出版社，20065 戴仙金.51单片机及其C语言程序开发实例.北京：清华大学出版社，20086 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，19907 周佩玲，彭虎，傅忠谦等.微机原理与接口技术.北京：电子工业出版社，200521附录一：完整程序#include reg51.h#include intrins.h#define ad_con P2#define addata P0#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define Disdata P1 sbit ALE=P23 ; sbit START=P24 ; sbit EOC=P37; sbit DISX=Disdata7; sbit OE=P25; sbit P2_7=P27;uchar a;uchar temp;uint t1,t2;uchar th1,tl1,th0,tl0; uchar data ad_data=0x00;uchar code dis_711=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar code scan_con4=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;uint data dis5=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;/延时程序/delay1ms(uint t) uint i,j;for(i=0;it;i+)for(j=0;j9;j+) ;/数码显示程序/scan() int h; uchar k; di