甲醛检测装置设计

目录摘要IABSTRACTII第1章绪论311课题背景及意义3111课题背景3112课题的研究的意义312本课题国内外研究动态和发展现状413本课题的目标和内容5131本课题研究的目标5132本文的主要内容5第2章甲醛检测系统总体设计621气体传感器的工作原理622电化学传感器的工作原理723部分元器件的介绍924本章小结10第3章甲醛检测系统的硬件设计1131系统电源11311传感器及信号调理的工作电源11312控制器电源电路设计1332检测电路设计14321甲醛传感器的结构14322信号调理电路1433控制电路17331A/D模拟转换电路18332LCD12864显示电路18333按钮开关控制电路2034硬件抗干扰技术2135本章小结21第4章系统软件设计2241主要设计流程图2242模块程序设计22421初始化程序设计模块22422启动模块24423数据采集25424数据分析27425数据显示2843本章小结28第5章总结29参考文献30致谢31附录133附录234I室内空气甲醛检测设备设计摘要甲醛检测设备，是一种基于单片机控制的智能仪表，能够快速精确的检测出室内空气中所含甲醛的浓度，并且能够提示出相应浓度下对人体的伤害，以便客服了解室内当前环境是否适宜居住。该设备通过电化学传感器，来测量气体，相比国内很多公司使用比色法来检测室内的甲醛浓度，更加先进，使用比色法测量，不仅仪器使用复杂需要专业的人士进行操作，同时检测周期长，要在采集地采集后，在到实验室进行分析，不能够实时对及室内空气中甲醛浓度进行测量。设计中使用的甲醛传感器属于恒定电位型电化学传感器，在使用这种传感器时，需要设计一个恒定电位电路，保证传感器稳定工作。系统采用低功耗、价格低廉的单片机89C51控制系统，能够很好的控制装置硬件的信号采集、转换并通过并口将数据通过LCD12864显示出来。本设计采用的核心技术也同样可以应用于其他智能仪表，价格低廉便于设备的推广使用。关键字单片机；智能仪表；甲醛；电化学传感器；恒定电位电路IIDESIGNOFINDOORFORMALDEHYDEDETECTIONEQUIPMENTABSTRACTFORMALDEHYDETESTINGEQUIPMENT,ISAMICROCONTROLLERBASEDCONTROLOFINTELLIGENTINSTRUMENTSTHATCANQUICKLYANDACCURATELYDETECTTHEINDOORAIRCONCENTRATEONOFFORMALDEHYDECONTAINEDIN,ANDCANSUGGESTTHECORRESPONDINGCONCENTRATIONOFTHEDAMAGEONTHEHUMANBODYTOCUSTOMERSERVICETOUNDERSTANDTHECURRENTENVIRONMENTISSUITABLEFORLIVINGROOMTHEDEVICEBYELECTROCHEMICALSENSORSTOMEASUREGAS,COMPAREDTOMANYDOMESTICCOMPANIESUSECOLORIMETRYTODETECTINDOORFORMALEHYDECONCENTRATION,MOREADVANCED,THEUSEOFCOLORIMETRICMEASUREMENTS,NOTONLYTHEUSEOFCOMPLEXEQUIPMENTNEEDEDTOOPERATEAPROFESSIONALWHO,WHILETESTINGCYCLELONG,TOCOLLECTINTHEACQUISITIONOFLANDAFTERTHELABORATORYFORANALYSIS,NOTINREALTIMEANDTHECONCENTRATIONOFFORMALDEHYDEININDOORAIRWEREMEASUREDREDESIGNOFTHEMAINUSESOFFORMALDEHYDEARECONSTANTPOTENTIOMETRICSENSORELECTROCHEMICALSENSORS,THEUSEOFSUCHSENSORS,THENEEDTODESIGNACONSTANTPOTENTIALTOENSURETHESENSORSWORKPROPERLYSYSTEMUSESLOWPOWER,LOWCOSTCONTROLSYSTEMOFAT89C51MICROCONTROLLER,CANWELLCONTROLTHESIGNALACQUISITIONHARDWARE,CONVERSIONANDDATAVIATHEPARALLELPORTTHROUGHLCD12864DISPLAYEDTHISDESIGNUSESTHESAMECORETECHNOLOGYCANBEAPPLIEDTOOTHERINTELLIGENTINSTRUMENTS,INEXPENSIVEEASYTOPROMOTETHEUSEOFEQUIPMENTKEYWORDSCM；INTELLIGENTINSTRUMENT；FORMALDEHYDE；ELECTROCHEMICALSENSORS；CONSTANTPOTENTIALCIRCUIT室内空气甲醛检测设备设计3第1章绪论11课题背景及意义111课题背景近年来，随着我国经济高速发展，人们生活水平显著提高，人们越来越求舒适的室内环境条件，于是以追求豪华、舒适的室内空间装饰装修大行其道。然而在进行室内装修的同时，室内装修污染问题也随之突显出来，严重影响人们的身体健康。室内污染的主要来源，大多来自于建筑和装修材料。人们在装修过程中越来越多的使用人造板材，而室内打造的家具过多过密，选择的大芯板价格低廉、质量低劣。从而产生大量的致癌物质甲醛。使用的劣质涂料、油漆则是造成苯系物列物质的主要原因。室内环境污染包括物理、化学和生物污染，主要分为室内和室外污染。室内来源主要包括日常用消费品、化学品、建筑材料和个人活动，室内环境的污染种类其中最主要、最常见、危害最大的污染物质甲醛、苯及同系物、氨、氡及石材本身的放射性。甲醛（HCHO）是无色、具有强烈气味的刺激性气体，其3540的水溶液，通称福尔马林。甲醛是原浆毒物能与蛋白质结合，吸入高浓度甲醛后，会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，也可发生支气管哮喘。皮肤直接接触甲醛，可能会引起皮炎、色斑、坏死。经常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出现粘膜充血、皮肤刺激症、过敏性皮炎、指甲角化和脆弱、甲床指端疼痛，全身会出现症状的有头痛、乏力、胃纳差、心悸、失眠、体重减轻以及植物神经紊乱等。为了提高生活质量，对室内环境污染的检测必须普遍，高精度有害气体的检测设备的研究与推广更是势在必行。112课题的研究的意义室内装修污染已成为社会所面临的最严重的问题之一。鉴于室内装修污染对人们的危害，对室内气体监测越来越显得重要，随着现代化计算机技术和微电子技术的迅猛发展。利用智能仪器仪表检测技术对室内危害气体的监测更加迅速方便。此室内空气甲醛检测设备设计4课题研究的主要是对室内污染最为严重的甲醛气体。此设备是一种新型、智能化的有毒气体检测系统，该系统能够实现以下几个功能（1）针对采集的室内甲醛实时精确的显示出气体的浓度的功能；（2）具有分析室内甲醛浓度，针对气体超标，能够发出报警信号，并且将会显示出相关浓度下可能会引发的身体健康问题；（3）对针对采集的气体能够显示出在室内全封闭下和通风的情况下室内气体的实时浓度；12本课题国内外研究动态和发展现状近几年来随着微电子技术的迅猛发展，以及各种新材料、新元件、新工艺及新技术的引入，集成电路的集成度越来越高，各种专用集成块得大量问世，再加上单片机技术的广泛使用于各种检测设备。使得仪器仪表的电子元器件数量越来越精简。室内有害气体检测系统正朝这方面发展，出现了很多种类型的检测空气质量的分析仪器。而随着传感器技术的飞速发展和计算机技术的不断进步和完善，越来越多的便携式检测设备开始发展，并且精度也越来越高，可靠性越来越好。目前国外一些著名品牌仪器的测试范围、分辨率、精确度和稳定性，已经接近或达到世界卫生组织所制定的范围要求内。目前国内外采用的检测方法主要推荐的方法都是现场采样，然后送往实验室在做相应的化学分析。常用的分析方法有比色法，分光度法，色谱法。如分光光度法有日本理研甲醛检测仪FP30，使用试验纸光电光度法，仪器能够很快的显示出甲醛的浓度并且能够将浓度的变化转换为图形显示出，但操作复杂，携带不方便，价格昂贵，不便于普及使用，美国ESC、ES300。甲醛检测仪，是通过电化学传感器来检测的，检测速度快、精度高等点，但是由于价格太贵不方便普及。在国外检测设备发展很快，并且开始使用于法定仲裁。在我们国内也有许多公司正在研制中，但整体检测功能上和国外还是有一定的差距。在国内企业中绝大部分的检测设备使用化学试剂分析方法，如徐州景程分光光度JC3室内甲醛设备检测仪，长春吉大小天鹅有限公司生产的全自动甲醛检测仪等。这些产品虽然准确，精度高等优点，但是操作复杂，需要专业的工作人员进行操作。当前，分析仪器的性能及功能的发展趋势将主要表现在以下三个方面第一灵敏度室内空气甲醛检测设备设计5和气体的选择性精度，第二分析仪器向微型化、智能化、低价格的方向发展，第三现场采样分析检测仪器越来越重视。通过对部分国内外现有的研究成果的分析，现有的有毒气体检测方法和技术具有以下特点检测原理多样性，检测仪器功能各异，检测精度和检测场合的运用。但多数的检测设备仪器复杂、成本高、检测过程复杂繁琐，过分的依赖人工操作，检测数据进行处理，使得检测周期长，不能做到在线检测的效果。根据现代自动化技术的飞速发展、新型气体检测传感器的出现，将使得检测设备更加智能化、检测速度实现现场检测，检测精度进一步的提高。仪器的智能化和结构的越来越简单，促进检测设备更加的普及，对于提高人民生活水平有很大的作用。13本课题的目标和内容131本课题研究的目标本课题研究的目标是研制出能够实时、快速、精确的检测出室内甲醛气体的浓度的检测系统。本系统的硬件由电源、甲醛传感器、传感器的信号调理电路、PGA程控放大器、AD574模数转换器、按键开关、89C51单片机、12864液晶显示屏、声光报警电路等部分组成，软件设计的结构化，数据算法采用去掉最大值、最小值在求平均值的方式对数据进行处理，提高系统检测精度。系统具有低功耗、现场处理分析、测量精度高、操作简单和界面友好的特点。此课题主要研究工作1、传感器的信号调理电路设计；2、电源低功耗设计；3、以单片机89C51为核心控制器的软硬件设计；4、以12864作为显示的界面设计；132本文的主要内容根据系统的结构模型，本文的主要工作分为以下几个部分来完成1、查阅大量参考文献的基础上，概述了本课题的选题背景、国内外研究动态和发展趋势以及本课题的研究意义。2、论述电化学传感器的工作原理及系统中使用元器件的介绍。3、系统的硬件电路的设计方法及过程进行详细的论述并给出相关的电路原理图，通过PROTEL99SE完成了硬件的设计和制作。室内空气甲醛检测设备设计64、阐述了系统的软件设计，结合算法和硬件设计，确定了软件设计的整体框架，对关键程序进行分析，并给出详细的设计流程图。5、全文的总结，并指出了论文的不足之处和心得体会。第2章甲醛检测系统总体设计甲醛检测系统是用于检测由于装修造成的甲醛气体监测仪器，能够很直观的把室内甲醛浓度和当前浓度下对人体的危害显示给客服，使人们知道室内环境是否适宜居住。本章在介绍气体传感器、电子器件及工作原理基础上提出了系统的总体设计。21气体传感器的工作原理检测气体的关键部分是气体传感器，气体传感器及气体敏感元件就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件，它能够将于气体种类和浓度有关的信息转换为电信号，从而可以进行检测、监控、分析和报警，通常安装在探头内。探测头通过气体采样泵采集的气体，由传感器对气体进行分析、采样。气体传感器的主要特性1、稳定性稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化区间漂移，是指传感器连续置于目标气体的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作的条件下，每年的零点漂移小于10。2、灵敏度灵敏度是指传感器输出变化量与被测其输入量变化之比，主要依赖于传感器的结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种感敏技术，它对目标气体的域值限或最低爆炸限的百分比的检测要有足够的灵敏性。3、选择性选择性也是被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传室内空气甲醛检测设备设计7感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想的传感器应具有高灵敏度和高选择性。4、抗腐蚀性抗腐蚀性是指传感器暴露在高体积分数目标气体中的能力，在气体大量泄漏时，探头应该能够承受期望气体体积分数1020倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点漂移校正值应尽可能小。从经济方面考虑，传感器还应具备以下条件1、低成本2、长寿命3、易于维护更换4、所产生的电信号不需要复杂的电路来处理5、无需要复杂的外围设备22电化学传感器的工作原理电化学气体传感器就是利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化反应或还原反应将浓度转换为电信号，通过检测信号的大小得到相应气体的浓度。电化学气体传感器是一种化学传感器。本人在课题中所使用的是甲醛传感器，是一种恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它的电化学反应是在电流强制作用下发生，是一种真正的库伦分析传感器。本课题中选用的瑞士公司生产的恒电位电解池型甲醛传感器。首先介绍一下甲醛传感器的结构、工作原理和本课题选用的甲醛传感器的技术指标。1、甲醛传感器的结构甲醛传感器的结构如图21所示，恒定电位电化学甲醛传感器是由三个电极构成。由两个反应电极、工作电极和对电极以及一个参比电极放置在特定电解液中，然后再反应电极之间加上足够的电压，是透过涂有重金属催化剂薄膜的待测气体进行氧化还原反应，再通过仪器中的电路系统测量气体电解时产生的电流，然后由其中的微处理器计算出气体的浓度。工作电极、对比电极和参比电极称为气体扩散电极，是由疏水性强的透气膜和导电性好的催化膜组成。透气膜是进气的通道，但它要防止电解池内的电解液外泄，还要防止电解池外的水汽深入，因此它是一层多孔的疏水性强的塑料薄膜。催室内空气甲醛检测设备设计8化膜是有催化剂作用下迅速产生电化学反应，并收集反应电荷。它需要有较好的催化活性和导电性能。电解液是三个电极间的导体，是构成电池的重要成分。图21甲醛传感器结构图2、甲醛传感器的工作原理由传感器的结构可见，工作电极与对电极组成一电极对，当这对电极侵入电解液中，两电极间加上电压会产生极化。若工作电极为正，对电极为负，则电解液中的负离子移向工作电极，而正离子移向对电极，此时被测气体扩散到工作电极上，在催化剂作用下会产生电化学反应释放出电荷。在CHOH传感器中，电解池中为酸性电解液，催化剂为铂、钌等金属微粒，当CHOH气体扩散到工作电极处，在催化剂的作用下产生了氧化还原反应工作电极（阳极）HCHOH2OCO24H4E21对电极O24H4E2H2O22总反应HCHOO2CO2H2O23此时工作电极上的C2HO发生氧化放出电子，对电极则发生还原反应获取电子，工作电极与对电极的电位发生变化产生电流，电流大小与电极电位和气体的浓度等因素有关。当电极电位一定时，反应电流与气体的浓度和扩撒系数成正比，与扩散电极厚度成反比。传感器的电极采用铂、金等金属，电极材料的不同，气体的反应性能也不同，因此，具有较高的选择性。一般采用酸性电解质溶液。电解电流与气体浓度之间的关系可用下式表示24/IFADCN式中I反应电流；N反应中1摩尔气体释放的电子数；F法拉第常数；A反应界面面积；D气体扩散系数；C气体浓度；气体扩散电极厚度。室内空气甲醛检测设备设计9甲醛传感器的技术指标测量范围010PPM最大负载50PPM工作寿命1200300NA/PPM分辨率005PPM温度范围20TO45压力范围大气压10响应时间（T90）50SECONDS湿度范围1590RH非凝结零点输出（纯净空体，20）01PPM最大零点漂移20TO4001PPM长期漂移2/每月推荐负载值10偏置电压无需线性度输出线性重复性2存储温度5TO20存储寿命6个月重量约32克为了是甲醛传感器处于准备状态，出厂后传感器的工作电极与参比电极之间有个短路连接（用一直导线直接连接连端），传感器在存储藏过程中必须保持此短路连接，只有准备使用的时候才能去除此短路连接，在仪器不供电时，如果工作电极和参比电极不在短连接，一旦再次使用，传感器就需要很长的一段“启动时间”。23部分元器件的介绍在本次课题中使用的数模转化模块是用的AD574，在信号调理电路中使用了PGA102程控放大器，为了能够将传感器输出的微弱信号更加精确的放大，通过程控放大器对信号强弱进行有区别的放大。显示模块使用的是12864液晶，通过该液晶显示屏能够很好的形成人机交流界面。AD574是美国模拟数字公司推出的单片高速12逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外界连接元器件少、功耗低、精度高等特室内空气甲醛检测设备设计10点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特点如下分辨率12位非线性误差小于1/2LBS或LBS转换速率25US模拟电压输入范围010V和020V，05V和010V两档四种电源电压15V和5V数据输出格式12位/8位芯片工作模式全速工作模式和单一工作模式程控放大器PGA102是一种高速，数字可控增益放大器。CMOS/TTL兼容的输入选择1，10或100V/V，每个增益各得有一个独立的输入端子，提供了一个输入多路复用器的功能。片上的金属膜增益设置电阻微调，以提供出色的增益精度。高速输入电路可复用的高速信号，程控放大器PGA102其主要功能特点如下数字可编程增益1、10、100低增益误差最大为0025快速转换28US001十六个塑料管脚封装液晶显示屏12864,汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。主要技术参数和显示特性电源VDD33V5V内置升压电路，无需负压；显示内容128列64行显示颜色黄绿显示角度600钟直视LCD类型STN与MCU接口8位或4位并行/3位串行配置LED背光多种软件功能光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。24本章小结本章节主要介绍了气体传感器的选择及工作原理，信号调理电路中所使用的元器件AD574室内空气甲醛检测设备设计11和程控放大器PGA102的介绍，以及在电路中起到的作用。使用12864液晶作为人机交流界面的平台介绍。通过使用这些主要器件所构成的检测设备硬件系统，为系统的设计奠定了基础。室内空气甲醛检测设备设计12第3章甲醛检测系统的硬件设计本章设计了以单片机89C51芯片为核心的室内甲醛检测系统的硬件部分。主要包括电源设计、传感器调理信号电路设计、控制器最小系统、显示报警电路设计。在硬件电路设计时要留有余地，电路设计力求准确无误，因此电路设计在本文中占有很重要的位置，硬件电路的合理性是本系统可靠性的最基本保证，本系统在保证实现所有功能的基础上，考虑一下几个设计原则1、尽量选用一些典型芯片，有典型的应用电路，这样可以保证电路设计的正确性，为系统的标准化和模块化打下基础；2、尽量减少硬件电路的复杂性，能在片内实现的功能，最好不要在外接电路，多选用集成度高的芯片；3、注意整体系统中各元件之间的匹配；4、进行PCB板设计时，考虑系统的可靠性和抗干扰性；31系统电源系统电源的设计主要考虑两个方面的内容一是如何降低电源的功耗，二是如何设计外围电路和控制器对不同的电源电压的需要。即电源分配方案的选择。根据电路设计的要求，本系统由一个ACDC的模块提供15V基础电源，在通过三端稳压管进行电压分配。一信号调理电路中恒定为电路供电电压正负3V；二、放大电路OP07放大器供电电压10V；三、程控放大器电压电压15V；四、单片机89C51和液晶12864供电电压5V；五、模拟数字转化AD574供电电源5V，基准输入电压12V。311传感器及信号调理的工作电源对于传感器的信号调理电路中使用的电压分别是场效管的3V，二次放大电路中的放大器使用的10V和12V电压，恒定位电路中放大器的3V。电源再设计中需遵循使用经典电路，电路注意散热和抗干扰等防护。本章节分别对各个电源设计进行详细分析。室内空气甲醛检测设备设计13123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2011SHEETOFFILEF使使使使使使使使DDBDRAWNBYVIN1GND2VOUT3U1LM7803C101UFC201UF3VR1POT218V图31场效应管3V电源供电电路电路的基础电源提供18V的直流电，为了使三端稳压管正常工作，需连接可变电阻R1对电源进行分压，使输入三端稳压管LM7803的电压，LM7803的正常工作输入电压范围之内3VVOUT5V。电路中由于负载不是很大，因此在三端稳压管两端增加了C101UF和C201UF的电容，对电路进行滤波处理，三端稳压管输出稳定的3V电压。在输出端得电容主要是改变负载端瞬态响应特性。下图为信号调理电路中放大电路10V供电电源电路。如图32所示，及原理与3V电路相同。为了防止三端稳压管过热，需采用散热片对及三端稳压管进行散热。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2011SHEETOFFILEF使使使使使使使使DDBDRAWNBYC401UFC301UFR2POT2VIN1GND2VOUT3U2LM781018V10V图3210V电源供电电路恒定电位电路中放大器OP07使用的3V电源如图33所示，基础电源提供18V电压，通过可调三端稳压电路提供3V电源。电路由LM117和LM137组成正负输出电压可调的稳压电路。电路中靠近三端稳压管输入引脚出接上电容C1、C2、C3、C4用来实现频率补偿，防止稳压器产生自激震荡和抑制电路引入的高频干扰，C5、C6，是减小稳压电源输出端由于电源引入的低频干扰。电路通过调节RP1、RP2的动端位置，从而改变电压输出，达到可调输出电压的效果。电路中连接的R1、R2，是为了保证空载情况下输出电压稳定。电路电压计算（31）31253ADJRVOUTI室内空气甲醛检测设备设计14123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2011SHEETOFFILEF使使使使使使使使DDBDRAWNBYVIN1GND2VOUT3LM117C101UFC310UFC410UFC201UFR112OR2120R32KR42K18V18V3V3VC51UFC61UFVIN1GND2VOUT3U2LM137图33恒定电位中OP07的电源供电电路312控制器电源电路设计系统中控制器单片机89C52、液晶12864和AD574使用的电源电压为5V，程控放大器PGA102KP供电电源为12V,AD574基准电压为正负12V由电路图35提供。供电电源电路设计分别为图34、35所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2011SHEETOFFILEF使使使使使使使使DDBDRAWNBY01UF01UF10KVIN1GND2VOUT3LM780518V5V图345V电源供电电路室内空气甲醛检测设备设计15123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2011SHEETOFFILEF使使使使使使使使DDBDRAWNBYVIN1GND2VOUT3U2LM7912VIN1GND2VOUT3U1LM7812C301UFC401UFC501UFC601UFC1033UFC2033UF18V18V12V12V10K10K图3512V电源供电电路32检测电路设计321甲醛传感器的结构甲醛传感器的核心是恒定电位电解式化学传感器，它是一种湿式气体传感器。如图21所示，它是用透气性隔膜、工作电极、对电极、参照电极和电解质溶液组成的密封结构的合成树脂容器。电路的功能是加电压于传感器电解液中的两个电极，使所测气体进行还原反应，测量气体电解时产生的电流然后推算，气体的浓度。加在传感器上的恒定电位称为给定电位，但由于传感器的阻抗随其结构而定，故检测到气体并产生电解电流时，给定电位就会发生变化。给定电位变化时，电极的电解反应就不会稳定，从而导致传感器的输出也不稳定。因此在传感器中设置一个没有电解电流的第三电极参考电极R通过控制使工作电极W和对电极（C）之间的电位保持一定,故工作电极和对电极C的电位保持一定，构成恒电位仪电路。其中传感器活性电极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。322信号调理电路（1）恒定电位仪电路恒电位仪是一个把工作电极和参比电极之间的电位，控制在某一固定电位和所选电位的装置。由于本系统选用的传感器是3个电极的电化学传感器，即对电极，参比电极和工作电极。传感器在工作时，由外电路在工作电极和参比电极之间施加一个恒电位差，使工作电极上保持一在图36所示为恒定电位仪电路，电路中C1、C2、R1、R2、Q1和U1构成恒电位仪，U1向对电极C提供电流以保持与工作电极W电流的平衡，U1信号放大器应该选择低漂移或无漂移的元器件，本系统选用的是OP07，OP07是一种高精度单片运算放大器，具有很低的输入失调电压和漂移。因为当接通工作电路时，J场效应管Q1就会处于高增益工作状态，U1向工作电极提供电流使其室内空气甲醛检测设备设计16电压和参比电极相同，任何U1中偏置电压带来的偏置效果都会使电路工作时产生一个极大的漂移，反过来输入U1的信号都与参比电极连接起来，并没有淹没参比电极的主要电流信号。在上图中U2是I/V转换电路其中R4是一个小电阻，在任何情况下,在R4产生的电压应该限制在10毫伏以内否则，传感器的性能会受到影响。在I/V转换电路中，采用运放OP07，当检测到甲醛气体时，传感器的工作电极产生一个电流信号，转换为电压信号为（31）4UIR图中R5为10K，由于传感器输出的电流信号是UA级的，所以经过I/V转换后，电压为毫伏级的，所以还需要进一步的处理。图36恒定电位仪电路（2）信号放大调理电路甲醛传感器信号调理电路如图37所示，从图中可以看出,U3、R7、R8、R9、R10、C3和C4构成低通滤波器，用来消除由于传感器和电流电压转换器产生的噪声，同时设置增益为10。在电路中设置最高频率为100HZ,取电容为01UF，经计算得电阻为106K，取标准电阻10K，这与计算值有点误差，可能导致截止频率比额定频率有点偏高。R7R8106K（32）由于传感器在工作时有一定的基本电流，使得被测气体的浓度为零时，输出电压不为零，为了较好的设计整个系统，考虑在电路中加入调零电路如图38所示，由于传感器输出的是微弱的电流信号，若处理不好，干扰信号很容易潜入，影响系123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2011SHEETOFFILEF使使使使使使使使DDBDRAWNBYCRWC201UFC101UFR210KR110KOP07R310KQ1J177R410VOUT1U1U2OP07R510KR61012V12V3V3V室内空气甲醛检测设备设计17统的精度和稳定性，因此设计一个性能良好的前置放大电路和基准电源也是输出信号稳定的一个重要因素，为了防止在弱信号传输过程中受干扰信号的扰动，需要将这部分电路和传感器组成一体，由U4、R11、R12、R13、R14、R15、D1和D2构成的从3V至3V的可调基准电压源，以满足调零电路的需要。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2011SHEETOFFILEF使使使使使使使使DDBDRAWNBYR710KR810KR91KR1010KC401UFC301UFU3OP0712V12VVOUT1VOUT2图37二阶低通滤波电路123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2011SHEETOFFILEF使使使使使使使使DDBDRAWNBYR1210KR1410KR1310KR1110KU4OP07D1D210K3V3V12V12VVOUT3VOUT2图38信号调零电路由于对检测精度的需求，传感器在检测气体浓度为01PPM之间时，输出的电流太弱，为了提高检测精度，需对信号进行分级放大。在设计中使用PGA102程控放大器，分别对01PPM和1PPM10PPM之间的进行放大，01PPM时在原来的基础上进行放大100倍，1PPM室内空气甲醛检测设备设计1810PPM放大10倍。通过单片机控制PGA102的增益，控制电路如图39所示，控制方式如310所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2011SHEETOFFILEF使使使使使使使使DDBDRAWNBY12345678161514131211109PGA102X10X100EVIN1X1VIN2X10VIN3X100VCCVOUTNC1VCCOFFSETADJUSTOFFSETADJUSTGAX10GAX10GNDU5VUOT3VUOT410V74LS771X1074LS771X100R15100K10V图39PGA102管脚接线图图310控制方式选择33控制电路基于单片机的控制电路设计，主要电路由AD转换电路、单片机外围电路、开关电路、显示电路构成。在整个控制过程中主要是通过单片机来控制各个锁存器，由锁存器来选择各个器件的使能开启，信号控制由单片机的P1口管脚控制，也是单片机通过锁存器来控制。在电路由P0口对数据的读取和输出。331A/D模拟转换电路电路中使用A/D模拟数字转换器，将模拟信号转换为数字信号，单片机通过读取数字信号，对数据进行处理。设计中使用AD574作为转换器件，电路设计如图311所示。电路为AD574与单片机连接线路图，其中使用三态锁存器74LS77，逻辑控制信号（CS和R/C）由单片机通过P0口数据发出，并有三态锁存器74LS77所存到输出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD547的工作过程。AD574转换的数据也是通过P0、P2数据总线连接至单片机。AD574A工作于单一模式，12位并行输出，P0口接高八位，P20P23接低四位。只需将12/8端接至5V电源端，A0接至0V，R/C用端来控制A/D室内空气甲醛检测设备设计19转换的启动和数据输出。在控制过程中选择芯片启动使E1，当R/C0时，启动A/D转换器，经25US后STS1，通过P13口对STS信号端进行读取判断此时将STS置1，表明A/D转换结束，即可从数据端读取数据。12345678910111213142827262524232221201918171615VL12/8_CSA0R/_CCEVCCREFOUTAGREFINVEEBIPOFF1OVIN20VINSTSDB11MSBDB10DB9DB8DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LSBDGAD5745V13V13VR18100R16100KR17100KR191003V3VP10P11P12VOUT41234876574LS77E1E2T1P0P2T015Q0Q1Q2Q3P13图311AD574模数转换电路332LCD12864显示电路随着液晶显示技术的发展和仪器仪表智能化程度的提高，人们对信息的显示方式的要求也在不断的提高，传统的数字显示已经不能表达复杂的信息，而液晶显示器由于功耗小、显示内容丰富等特点逐步得到广泛的应用。本系统选用12864液晶作为显示界面,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行和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LCD12864连接图如图312所示，液晶8位并行时序控制图如图313所示。本系统12864液晶使用并口通讯方式，数据和指令的输入由P0总线控制，逻辑控制信号通过P2口发出，由三态锁存器74LS77所存到输出端。液晶工作流程主要为从MPU中的写资料到模块中和从模块中读取资料到MPU中。写资料的控制方式时序图如313（A）所示并行控制信号PSB1，并行的指令/数据选择信号，R/S至高电平R/S1为指令选择，R/W0并行的读写选择信号，将是能信号至高电平E1，室内空气甲醛检测设备设计20开始把P0口上的信号写入模块中等待2MS后，对模块忙碌信号BF进行读，BF1模块忙碌，BF0模块闲置。模块读取的读取过程如图313（B）所示R/S1指令选择，R/W1读写数据，使能信号为E1，开始对模块进行读取，如读取的BF1则继续等待再读取，直到读取信号后确定模块处于闲置状态，在进行下一轮的数据读写。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2011SHEETOFFILEF使使使使使使使使DDBDRAWNBY1234567891011121314151617181920128641234876574LS77E1E2R/WEPSB/RETRSR16POT2VCCVCCQ0Q1Q2P0P20P21P2212864CE图312LCD12864接线图MPU写资料到模块（A）MPU从模块读出资料（B）图313LCD12864接口时序控制333按钮开关控制电路室内空气甲醛检测设备设计21本系统追求操作简单，在设计中主要采用的智能化，方便人们使用，不需要专业的人士操作。主要的操作过程如图314所示，首先闭合电源开关S1，LED灯L1有显示，液晶12864亮屏，闭合闭合开关S2，L2亮单片机上电，开始初始化，液晶显示“欢迎使用甲醛浓度检测仪，创造健康生活”。初始化完成后按下开关S3开始检测L3亮，液晶显示“检测正在进行中请等待”，仪器检测过程需要一段时间，检测完成后液晶显示出当前室内甲醛的浓度，如果浓度超标将会显示警告，并且显示当前浓度下对人体的伤害，敬请客服注意。检测完成后如果还需要重新检测可以，直接按下重新检测按钮，即可重新对室内的甲醛浓度再次检测，前面检测的数据将会被新的数据代替。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2011SHEETOFFILEF使使使使使使使使DDBDRAWNBYS1使使使使S2使使使使使使S3使使使使S4使使使使220VACDC89C515VVCCP10P115VR171ML1L2L3L4R18100KR19100KR20100K图314开关按钮控制电路图34硬件抗干扰技术系统在运行时总会受到来自系统内部或外部因素的各种干扰，包括噪声干扰、电磁干扰和放电干扰等，这些干扰轻则影响测量和控制精度，重则使测量和控制失灵，以降低产品的质量。为了保障和提高该系统的可靠性和安全性，必须采取各种抗干扰措施，本系统的硬件抗干扰措施主要包括1、模拟地与数字地分开；2、每个芯片的电源端接有去耦电容；3、增大电源线、地线宽度、使电源线、地线走向和数据传递方向一致；4、对于抗干扰能力弱、关断时电源变化大的芯片，在其电源线和地线之间直接接入退耦电容；室内空气甲醛检测设备设计225、为单片机设置专门的硬件复位电路；35本章小结本系统根据室内甲醛检测系统设备的要求，进行硬件电路的设计，主要包括系统的电源设计，气体传感器信号调理电路设计、AD模数转换电路设计、显示电路的设计等内容，充分的发挥了单片机89C51的片内资源，是电路拥有良好的扩展功能。电路设计采用的是经典的设计方法，硬件电路简单、体积小、保证了系统工作的稳定性，系统采用的是模块化设计方便维护。利用液晶12864能够很好的显示出甲醛的浓度，提供了良好的人机界面。室内空气甲醛检测设备设计23第4章系统软件设计本章在硬件设计基础上，提出了系统的软件设计。再设计软件系统时主要采用的是模块化的设计思想，首先进行主程序的模块化设计，然后是系统的初始化、数据采集模块、液晶显示模块、报警模块等。41主要设计流程图程序流程主要包括。系统的初始化、启动控制、数据的采集模块、数据的处理模块、和显示报警模块。流程如图41所示。图41程序流程图42模块程序设计421初始化程序设计模块在初始化程序模块中主要包含了几个小的模块I/O口初始化模块、液晶显示模块、AD574预置模块、PGA102预置模块。I/O口初始化模块是单片机上电后运行的初始化启动控制数据采集数据处理数据显示室内空气甲醛检测设备设计24，单片机启动后将P0、P1和P2口置低电位，方便下一步对各个器件的控制。液晶显示屏显示启动，显示出“欢迎使用甲醛检测仪、健康生活伴侣”的字样，显示启动后将PGA102启动，首先使将程控放大器PGA102的放大增益控制在最小0增益的状态下，接下来启动AD574开始转换，但是要控制不输出。初始化程序控制流程图如图42所示。图42初始化流程图模块中主要功能的模块流程图设计液晶12864显示模块设计,根据液晶12864的时序图，首先检测12864是否处于忙碌状态对液晶进行读取忙碌字符，读模块的时序，/PSB至低电平，液晶12864处于并口通讯，至RS高电平，指令选择信号，R/W至高电平对液晶模块进行读取。由P0口将数据读入单片机内对指令进行判断是否忙碌，如不忙碌则对液晶进行写数据，数据以并口方式写入，写数据过程为使RS1，写数据，RW1对液晶模块写入数据，启动转换是能信号E1,信号写入液晶模块中，延迟10MS,再将使能信号至低电平，接下来依次把各个数据写入液晶模块中。写完所有数据后再次读取液晶是否处于忙碌状态，如没有就停止读取，液晶显示出“欢迎使用甲醛检测仪、健康生活伴侣”的字样。程序设计如图43所示。单片机上电I/O口预置液晶显示启动AD574预置PGA102预置室内空气甲醛检测设备设计25Y图43液晶初始显示流程422启动模块启动模块主要是在程序执行完，初始化后启动信号的扫描检测，检测到启动信号输入端口P10为高电平时，进行去抖动处理，处理后确认为有效电平，然后将液晶显示改为“正在检测中请等待”的字样，在将AD574打开，使是能信号转换为高电平，开始采集数据。启动流程图如44所示。读取模块忙碌将数据写入模块数据读取完成PGA102预置NYNY室内空气甲醛检测设备设计26图44启动流程图423数据采集当启动AD转换后开始对数据采集，启动AD574输出，P0将数据分两次读入单片机内，第一次读取高八位，第二次读取低四位。将读取的数值存储，连续取十次数据。将取得数据进行分析，去掉最大值和最小值，再求8个数值的平均值。为了更加精确的检测到气体的浓度，需将不同浓度下气体所转换的信号进行不同级别的放大。将所求的值与开始设定的至N、X、M,进行比较如果超过N值，重新检测，小于N在进行下一步，所取得至小于X，将程控放大器PGA102开启放大增益至100倍，如果数值大于X小于M，将程控放大器PGA102增益设定为10倍，大于M是设定增益为1。数据采集完成后将PGA102已经控制在最适增益下。完成第一轮数据采集与分析后，开始正式采集合适的数值。数据采集流程图如图45所示。键盘扫描P101延迟10MSP101读取液晶BF输出显示启动AD转换YNYN室内空气甲醛检测设备设计27图45数据采集流程图424数据分析启动AD转换输出P0口读取数值DPGA102预置数据存储读取十组数值DXXDMDN采集十组数值数据分析YN重测CHOYNA100YNA10YN室内空气甲醛检测设备设计28数据分析主要是对数据的误差计算，连续采集十组数据，每组十个数。将每组数据中的最大值和最小值去掉，再求8个数的均值，将平均值存储。将每组值的均值在进行求均值，将取得数据转换为气体浓度值，计算公式41510UI灵敏度（NA/PPM）P气体浓度C（PPM）I传感器输出NA42根据程控放大器增益的不同，如果是在1倍、10倍、100倍的情况下放大的，对其相对应的浓度分别除以相应倍数，所得的数据为实际的浓度值。在将值进行显示。数据分析流程图如图46所示。取数据组取一组数值去掉最大值最小值求均值存储均值DJNZ10求十组数据的均值放大增益倍数YN室内空气甲醛检测设备设计29图46数据分析流程图425数据显示数据显示和初始化程序中的类似，将所测的实际浓度，通过液晶12864直观的显示出来，以便于观察。如果所测的值超标，液晶将会显示出报警信息。43本章小结本章主要介绍了整个软件设计的流程，运用模块化的设计思想，以便于设计思路的清晰，方便在调试过程中对程序的修改。同时也养成一种良好的设计思维。程序采用的是汇编语言设计，具体的软件设计在附录中详细描述。第5章总结C/1KC/10KC/100K实际浓度值K室内空气甲醛检测设备设计30本课题为甲醛检测仪设备设计，课题设计主要是基于单片机89C51控制，由电化学传感器甲醛传感器作为探头，通过调试电路将信号处理，再由AD574将信号转换为数字信号，通过单片机将数据处理，在由LCD12864将所测浓度显示出来。论文详细叙述了信号处理的硬件电路设计和数据处理的程序设计过程。课题主要步骤由以下几部分组成1、课题的资料查询初步认识这个课题思路，但是具体的设计方法和设计理念并不是很清楚。通过到网上查询资料，了解到国内外对这种设备的研究状况。通过查询资料基本确认设计思路主要由传感器信号调理电路、控制电路、显示电路组成。2、硬件电路的设计在设计硬件电路时主要是对传感器输出的信号进行处理，由于传感器输出的信号是UA级的，很容易受到元器件的误差干扰，所以再设计中尽量的采用高精度低漂移的器件。在设计信号处理电路中由于传感器是恒定电位电化学传感器，所以需要一个恒定电位，以确保传感稳定工作。传感器输出的信号很小，所以需要一个调理电路，对其信号进行放大处理。在电路中使用了程控放大器PGA102，对其不同的电压信号进行放大，以便更加精确测量浓度。信