室内甲醛污染自动监控系统的设计和研究

宁夏理工学院毕业设计I摘要甲醛是一种重要的化工原料和有机溶剂，是制造油漆、塑料、橡胶、染料等的原料。目前，应用子家庭装修的材料中不可避免的含有甲醛。另外，甲醛作为消毒剂、防腐剂、熏蒸剂等也普遍存在于人们的身边，严重的危害着人们的健康。目前，己有了很多甲醛的检测方法，本文通过甲醛气体传感器构建智能控制系统，检测甲醛的浓度，当其浓度超过国家标准时及时打开窗户通风同时进行语音与电话报警。本文围绕如何构建一个基于甲醛的智能控制系统进行了展开和研究，提出了以AT89C51单片机为核心的解决方案。AT89C51是8位单片机，性价比高，外围电路丰富，本设计采用串行通信方式，利用少量的I/O接口，采用TLC2543串行A/D转换芯片，扩展出一个数据采集系统，采用串行通信模块CR6269A扩展出智能报警系统，简化了系统的配置且降低了设计成本。关键词甲醛、单片机、传感器、TLC2543、CR6269A宁夏理工学院毕业设计IIABSTRACTFORMALDEHYDEISANIMPORTANTCHEMICALRAWMATERIALSANDORGANICSOLVENTS,AREMANUFACTURINGPAINT,PLASTICS,RUBBER,DYESANDOTHERRAWMATERIALSATPRESENT,THEMATERIALSUSEDINHOMEDECORATIONINEVITABLECONTAININGFORMALDEHYDEINADDITION,FORMALDEHYDEASDISINFECTANTS,PRESERVATIVES,FUMIGANTSAREALSOCOMMONLYFOUNDINPEOPLESSIDE,SERIOUSLYENDANGERINGPEOPLESHEALTHATPRESENT,THEREAREALOTOFFORMALDEHYDEDETECTIONMETHODS,THISPAPERFORMALDEHYDEGASSENSORSTOBUILDINTELLIGENTCONTROLSYSTEMTODETECTTHECONCENTRATIONOFFORMALDEHYDE,WHENITSCONCENTRATIONEXCEEDEDTHENATIONALSTANDARDSFOROPENWINDOWSANDVENTILATIONINATIMELYMANNERATTHESAMETIMEVOICEANDPHONEALARMTHISARTICLEONHOWTOBUILDAFORMALDEHYDEBASEDINTELLIGENTCONTROLSYSTEMDEVELOPMENTANDRESEARCHWITHAT89C51SINGLECHIPMICROCOMPUTERASTHECORESOLUTIONAT89C51ARE8BITSINGLECHIP,COSTEFFECTIVE,RICHPERIPHERALCIRCUITS,THEDESIGNUSESASERIALCOMMUNICATIONMEANS,USINGASMALLAMOUNTOFI/OINTERFACE,USINGTLC2543SERIALA/DCONVERSIONCHIPS,THEEXPANSIONOFADATAACQUISITIONSYSTEM,SERIALCOMMUNICATIONMODULECR6269ATHEINTELLIGENTALARMSYSTEMTOEXPANDANDSIMPLIFYTHESYSTEMCONFIGURATIONANDTOREDUCEDESIGNCOSTKEYWORDSFORMALDEHYDESINGLECHIPMIRCOCOMPUTERSENSORTLC2543CR6269A宁夏理工学院毕业设计III目录摘要IABSTRACTII1绪论111课题的背景和意义112国内外研究和动态2121分光光度法2122色谱法2123化学发光法2124极谱法3125化学传感器3126快速测定仪3127光学测定仪3128电化学侧定仪313本文的主要工作42智能系统的总体设计521智能系统的总体组成522智能控制系统主处理器AT89C515221复位电路与时钟电路6222AT89C51内部I/O口及其应用7223访问程序存储器的控制信号8224程序状态寄存器PSW8225串行口的结构9226甲醛检测部分1223电话报警部分1324电机执行部分143甲醛检测部分的设计15宁夏理工学院毕业设计IV31甲醛传感器15311CH2O/S10型甲醛传感器原理15312甲醛传感器的技术说明15313传感器补偿算法1632测量电路17321RCV420电流和电压转换芯片17322TLC2543A/D转换器184电话报警的设计2241结构框图2242电路原理22421铃流检测电路22422摘机挂机电路23423CR6269A模块255系统软件设计3351主程序设计3352TLC2543A/D转换驱动子程序框图3353电话报警子程序框图34参考文献35结束语36致谢37附录一38附录二40附录三42附录四46宁夏理工学院毕业设计11绪论11课题的背景和意义甲醛具有比较高的毒性并且被我国列入在有毒化学品优先控制名单上。甲醛己经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质。它是公认的变态反应源，也是潜在的强致突变物质之一3。甲醛问题己成为全球公共卫生关注的焦点。近年来，家庭装修成为人们时尚的追求，但在美化了居室环境的同时，也因很多装饰材料中含有毒物质，造成室内空气污染，特别是室内甲醛污染更为严重，对人体的健康造成了极大的危害。甲醛是一种良好的溶剂，具有较强的粘合性，同时还可以加强板材的硬度和防虫、防腐能力，被广泛用于生产服醛树脂、含醛油漆等原料。室内装修过程中大量使用的以脉醛树脂为原料的各种人造板胶合板、纤维板、刨花板等、脉醛树脂隔热材料UFFI、含醛类消毒防腐剂的水溶性材料是室内甲醛的主要来源。脉醛树脂是一种由尿素和甲醛缩聚而成的氨基树脂合成剂，它会慢慢的释放甲醛，高温和高湿下腮醛树脂会加快水解，甲醛释放量增多，夏季甲醛释放量会高出平时的2030。另外家用纺织品如窗帘、布艺沙发，装饰用的墙布、墙纸等也是甲醛的重要来源。室内装修所导致室内空气中的甲醛污染具有普遍性、潜在性和长期性日本横滨国立大学研究表明室内装修导致的甲醛污染释放期为315年。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。长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病、鼻咽癌、结肠癌、脑瘤、月经紊乱、妊娠综合症、白血病以及青少年记忆力和智力下降等。室内空气中甲醛浓度达到006007MG/M3，时，儿童就会发生轻微气喘；达到0LMG/M3时，就有异味和不适感达到05MG/M3时，可刺激眼睛，引起流泪达到06MG/M3时，可引起咽喉不适或疼痛浓度更高时，可引起恶心呕吐，咳嗽胸闷，气喘甚至肺水肿达到30MG/M3时，会立即致人死亡。国家卫生标准的甲醛最高允许浓度为008MG/M3。日本横滨国立大学的研究表明，竣工10年后的建筑物室内空气中，甲醛高出室外6倍。目前，我国每年因装修污染引起呼吸道疾病致死的儿童有210万人，其中100多万5岁以下儿童的死因与室内空气污染有关。根据中国红十字会提供的资料，目前我国白血病患者己经超过了500万人，其中一半以上是儿童。而且这个数字还在以每年10的速度增加。甲醛污染己成为骇人听闻的宁夏理工学院毕业设计2隐形杀手因此加强对甲醛污染的监测和控制，对于保护人类健康具有要的理论意义和实践意义。除采用常规方法将其去除外，对存在甲醛的环境及时通风是关键。本文针对甲醛检测、开窗通风、电话报警展开设计，稀释甲醛浓度，使其达到允许浓度，同时电话语音报警，即使主人不在室内，也能通过电话知晓甲醛的污染情况。本系统不仅适用于家庭，也适用于生产装演材料、家具厂等场合5。12国内外研究和动态甲醛的化学性质十分活泼，因此，可采用多种定量分析方法测定甲醛。常用的方法有分光光度法、色谱法、光学法、极谱法等仪器分析方法，另外，己研究开发出多种快速检测甲醛的装置，有电化学传感器、快速测定仪等。121分光光度法分光光度法检测甲醛是利用甲醛与显色剂反应生成稳定的化合物，其颜色深度与甲醛含量成正比，用分光光度计进行比色定量分析、根据所选用的显色剂的不同，分光光度法可分为乙酞丙酮法、酚试剂法、变色酸法、间苯三酚法、盐酸苯丙麟法、4氨基3联氨5硫基1,2,4三氮杂茂AHMT法、品红亚硫酸法、酶法等，检测甲醛的国家标准方法就是利用的分光光度法4。用该方法检测甲醛，仪器设备简单，操作简便，投资少。但是分光光度法对吸收液要求较高、灵敏度低且不稳定，因而阻碍了这类方法的推广应用。122色谱法色谱法是一种分离分析方法，它根据分析物质在固定相和流动相之间的分配系数的不同达到分离目的，并将分析物质的浓度转换成易被测量的电信号电压、电流等，然后由记录仪记录下来。这里主要介绍气相色谱法。气相色谱法检测甲醛是利用吸附剂吸附空气中的甲醛，用脱附剂洗脱，将含甲醛或者甲醛衍生物的洗脱液用气相色谱柱分离，用检测器进行检测。目前，常用的吸附剂有2,4一二硝基苯脐2,4DNPH6201担体，石墨碳和碳分子筛结合的物质等。常用火焰离子化检测器FTD，电子捕获检测器ECD或者和质谱MS联用对甲醛进行检测。气相色谱法具有高效、高速、高灵敏度、样品用量少等优点，可将甲醛直接进样检测或解吸后进样检测，测定线性范围宽，分离度好。123化学发光法化学发光法检测甲醛的原理是基于甲醛与某种物质反应产生化学发光，化学发光的宁夏理工学院毕业设计3强度正比于甲醛的浓度进行检测的。化学发光法发光强度比较弱，己经有文献报道了将流动注射技术和化学发光法结合起来测定空气中甲醛的方法。目前所用的化学发光体系有没食子酸一过氧化氢一甲醛体系，甲醛一溴酸钾一若丹明6G体系等，其中没食子酸一过氧化氢甲醛体系是最常用的发光体系，用该种方法检测甲醛，反应迅速、特异性强、灵敏度高且碳氢化合物、SO2、CO、CO2、含氮氧化物、丙烯醛、苯甲醛、臭氧对测定无干扰。但是乙醛和丙醛对测定有较小影响。124极谱法许多含有羧基结构的醛酮化合物通过联氨衍生化可以用示波极谱法测定。该法是利用甲醛在一定PH值的溶液中能和某些物质发生氧化还原反应的特性来对其进行检测的。目前，常用甲醛和肼发生氧化还原或者甲醛和氨、乙酞丙酮的溶液发生反应来进行检测。极谱法测定空气中甲醛的灵敏度和准确度都很高，适合定量测定室内空气中的微量甲醛6。与分光光度法和高效液相色谱法相比，极谱法的优势是可使用标准加入法测定样品，有利于消除基体干扰。但是极谱法检甲醛常用电极为汞电极，这会对环境造成汞污染。125化学传感器甲醛的化学传感器通常是用经过化学修饰的电极制成的电化学传感器。化学修饰电极对甲醛具有电催化性能。它通过测定甲醛的电化学氧化峰电流来进行检测。甲醛电化学传感器检测限低，线性范围宽，与生物传感器相比使用寿命长，具有广阔的应用前景。126快速测定仪为适应室内空气甲醛现场快速检测的要求，目前人们己研制开发出不少甲醛快速测定仪，这些仪器可直接在现场测定甲醛浓度，当场显示，操作方便，适用于室内和公共场所空气中甲醛浓度的现场测定，也适用于环境测试舱法测定木质板材中的甲醛释放量。127光学测定仪日本己研制出基于光学原理检测甲醛的自动监测仪，该检测仪是利用甲醛和多孔纤维素反应后颜色发生变化的原理测定甲醛。经过适当处理的纤维素带置于含有甲醛的空气时，与甲醛发生反应，纤维带的颜色由黄色变为红色，颜色变换的程度与在一定采样时间内、一定流速下的甲醛浓度成正比。可通过测定反射光的强度记录颜色的变化，从而达到测定甲醛的目的。该检测仪操作简单，测定专一性强，便于携带。目前，国产甲醛检测仪绝大多数是建立在分光光度法原理基础上的，这类检测仪器灵敏度比较低。128电化学侧定仪检测甲醛的电化学测定仪是基于电化学原理研制而成。目前，美国生产的4160型便宁夏理工学院毕业设计4携式甲醛测定仪的工作原理是空气中的甲醛通过泵抽入电解池的电解液中，并且在适当电位的工作电极上发生电氧化反应，氧化电流被仪器自动换算成空气中甲醛的浓度之后，由仪器的数码显示屏实时显示来。该仪器体积小，重量轻，操作方便，解决了化学法采样后带回实验室分析的烦琐程序。该类仪器操作简便，可用于空气中甲醛的快速连续测定，但是对甲醛测定专一性不强，其它物质如酚、醛类和醇类会干扰测定结果。比较以上甲醛的各种分析方法可知分光光度法，气相色谱法、高效液相色谱法、极谱法、荧光法等常用仪器分析方法均需先在监测现场采集气体样品，再将样品带回实验室进行分析，分析周期长，成本高，步骤繁琐，不能实时地反映甲醛污染的状况及满足现场大批测点的监测需求。而目前市售的电化学快速测定仪虽然可以对甲醛进行现场的快速检测，但是该检测仪对甲醛的选择性不强，依靠人工读取再采取措施消除甲醛，实时性不好，而且价格比较昂贵，难以普及和推广。因此，迫切需要一种高灵敏度和稳定性、简易、廉价、具有高度智能的甲醛监测和预防系统7。本文的主要工作就是要解决这些问题。13本文的主要工作本课题采用AT89C51为核心的软硬件平台，在此基础上扩展硬件，编写程序，完成相关功能。主要从以下几方面入手1智能控制系统设计总体规划。根据系统的具体要求，从性能、成本等考虑，选择合适的微处理器及各类外围器件。2智能控制系统硬件设计。介绍硬件电路的设计、工作原理等。3智能控制系统软件设计。采用汇编指令编写各模块的驱动程序，最后连成一体，构成面向过程的软件系统。介绍功能流程图及编写相应程序。宁夏理工学院毕业设计52智能系统的总体设计21智能系统的总体组成智能控制系统主要由甲醛检测环节、数据处理环节、电机执行环节、电话报警环节组成。图21智能控制系统框图22智能控制系统主处理器AT89C51智能控制系统信号处理电路主控制器采用美国ATMEL公司的AT89C51单片机。采用6MHZ的晶振，获得稳定的时钟频率。单片机控制电路如图22所示。为了保证电路能够正常工作，防止出现系统失控，电路设计了复位电路8。图22单片机控制电路宁夏理工学院毕业设计6221复位电路与时钟电路1复位电路复位电路为了保障系统在不同的异常条件下可靠地复位，防止系统失控，设计了复位电路。复位电路单片机的RST引脚是复位信号输入端，RST引脚上保持两个机器周期24个时钟周期以上的高电平时，就可使单片机内部可靠复位。单片机常用的外部复位电路有两种，上电复位电路和上电复位兼手动复位电路，如图23所示，本系统采用上电兼手动复位电路，这样既可以上电复位，也可手动复位。上电复位电路在RST引脚上外接一个电容至供电电源VCC端，下接一个电阻到地既可。当系统上电时，复位电路通过电容加给RST端一个短的高电平信号，此高电平随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端上的高电平取决于电容的充电时间，为了保证系统能可靠的复位，RST端上的高电平必须维持足够长时间。1系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。单片机的复位引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，芯片进入复位状态，而且一直在此复位状态下等待，直到复位引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，决定执行芯片内部还是外部程序。2复位状态复位后，单片机内部的各寄存器的内容将被初始化，包括程序计数器PC和特殊功能寄存器，其中PCOOOOH。这时，堆栈指针SP为07H,ALE,P0,P1,P2和P3口各引脚均为高电平。复位不影响片内RAM和片外RAM中的内容。图23上电复位电路和上电复位兼手动复位电路2时钟电路时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准，在此基础上，控制器按照指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号，控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。AT89C51的外接石英晶体的时钟电路如图24所示，电容容量宁夏理工学院毕业设计7的范围为30PF10PF石英晶体频率的范围为12MHZ12MHZ，电路中采用110592MHZ的石英晶振。图24时钟电路222AT89C51内部I/O口及其应用1I/O口的特性AT89C51单片机有4个8位并行输入/输出接口，记作P0,P1,P2和P3，共32根I/O口线，实际上它们就是特殊功能寄存器中的四个。它们都是双向通道，每一条I/O口线都独立的用作输入或输出。做输出时数据可以锁存，做输入时可以缓冲。但这四个通道的功能不完全相同，但其特性基本相同1作为输出口用时内部带锁存器，故可以直接和外设相连，不必外加锁存器。2作为输入口用时有两种工作方式，即所谓读端口和读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器中的内容读到内部总线，经过某种运算和变换后，再写回到端口锁存器。而读引脚才真正的把外部的数据读入到内部总线。3作为读引脚用时要先通过指令，把端口锁存器置1，然后再实行读引脚操作，否则就可能读入错误。若不先对端口置1，端口锁存器中原来状态有可能为0，加到输出驱动场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通，对地呈现低阻抗。这时即使引脚上输入的是1信号，也会因端口的低阻抗而使信号变低，使得外加的1信号读入后不一定是1。若先执行置1操作，则可以驱动场效应管截至，引脚信号直接加到三态缓冲器，实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类I/O口被称为“准双向”口1。从特性上看，这四个端口还有所差别P0口，除了作为8位I/O口外，在扩展外部程序存储器和数据存储器时，P0口要作为宁夏理工学院毕业设计88位地址总线和8位数据总线用。即在这种情况下，P0口不能做I/O口用，而是先作为地址总线对外传送低8位地址，然后作为数据总线对外交换数据。P1口，只有I/O口功能，没有其它功能。故在任何情况下，P1口均可做I/O口使用。P2口，在扩展外部存储器时，要作为高8位地址线用。P3口，它的每个引脚都有不同的第二功能，见表21。当它的某些引脚用作第二功能时，P3口也不能做I/O口。表21P3口的第二功能通道为位第二功能注释P30RXD串行口输入P31TXD串行口输出P32INT0外部中断0输入P33INT1外部中断1输入P34T0计数器0计数输入P35T1计数器1计数输入P36WR外部数据RAM写选通信号P37RD外部数据RAM读选通信号2将外设当作数据存储器来连接在实际的AT89C51系统中往往是在单片机外再加数据存储器，这时P0口要当作地址总线的低8位和数据总线来使用。P2口要作为地址总线的高8位使用。而P3口的有些引脚也不可避免的要使用它的第二功能，如P36用/WR,P37/RD等，这样P3口也不能当作8位I/O口使用，可用的只有一个P1口了。这时若要直接通过I/O口来连接多个外设就不可能了2。223访问程序存储器的控制信号EA为片内、外程序存储器访问选择信号。EA0访问片外；EA1访问片内。ALE为地址锁存允许信号，在访问外部存储器时，在P00P07引脚线上输出外部存储器低8位地址的同时还在ALE线上输出一个高电位脉冲，用于把这个外部存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P00P07引脚线去传送随后而来的外部存储器读写数据。在不访问外部存储器时，AT89C51自动在ALE线上输出频率为振荡频率1/6的脉冲序列。该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。224程序状态寄存器PSW宁夏理工学院毕业设计9PSW是一个八位标志寄存器，主要用于存放程序状态信息以及运算结果的标志，所以又称标志寄存器。其格式如表22D1位没有定义表22程序状态寄存器格式D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVPCY为进位标志位，用于表示加减运算过程中最高位A7累加器最高位有无进位或错位。AC为辅助进位标志位，用于表示加减运算时低4位即A3有无向高4位即A4进位或错位。F0为用户标志位，F0标志为的状态通常不是机器在执行指令过程中自动形成的，是由用户根据程序执行的需要通过传送指令确定的。RS1,RS0为工作寄存器区选择控制位，AT89C51共有8个八位工作寄存器，分别命名为R0R7。工作寄存器R0R7常常被用户来进行程序设计，但它在RAM中的实际物理地址是可以根据需要选定的。RS1和RS0就是为了这个目的提供给用户使用的，用户通过改变RS1和RS0的状态可以方便地决定R0R7的实际物理地址。工作寄存器R0R7的物理地址和RS1,RS0的关系如表23所列。表23工作寄存器R0R7的物理地址和RS1,RS0的关系RS1RS0R0R7的组号R0R7的物理地址00000H07H01108H0FH10210H17H11318H1FH采用AT89C51的单片机控制系统，开机后的RSL和RS0总是为零状态，故R0R7的物理地址为00H07H，即R0的地址为00H,R1的为01H，R7的为07H。但若及其执行如下指令MOVPSW,08H则RSL,RS0显然为01B，故R0R7的物理地址变为08H0FH。因此，用户利用这种方法可以很方便地达到保护R0R7中数据的目的，这对用户的程序设计是非常有利的。225串行口的结构宁夏理工学院毕业设计1089C51单片机通过引脚RXDP30，串行数据接收端和引脚TXDP31，串行数据发送端与外界进行通信。89C51串行口主要由两个物理上独立的串行数据缓冲寄存器SBUF、发送控制器、接收控制器、输入移位寄存器和输出控制门组成。如图26所示。发送缓冲寄存器SBUF只能写，不能读接收缓冲寄存器SBUF只能读，不能写；两个缓冲寄存器共用一个地址99H，可以用读/写指令区分。串行发送时，通过“MOVSBUF，A”写指令，CPU把累加器A的内容写入发送SBUF99H，再由发送端TXD一位一位地向外发送；串行接收时，接收端RXD一位一位地接收数据，直到接收到一个完整的字符数据后通知CPU，再通过“MOVA,SBUF”读指令，CPU从接受的SBUF99H读出数据，送到累加器A中。发送和接收的过程可以采用中断方式，从而可以大大提高CPU的效率。图26串行口内部结构系统中由两个特殊功能寄存器SCON和PCON来控制串行口的工作方式和波特率。波特率发生器可用定时器TI或T2构成。1串行口控制器SCONSCON是一个特殊功能寄存器，地址为98H，具有位寻址功能。SCON包括串行口的工作方式选择位SM0,SM1，多机通信标志SM2，接收允许位REN，发送接收的第九位数据TB8,RB8，以及发送和接收中断标志TI和RI。SCON的格式及各位的定义如表24所示。D7D6D5D4D3D2D1D0宁夏理工学院毕业设计11SM1SM0SM2RENTB8RB8TIRI表24控制字定义RI接收中断标志TI发送中断标志RB8数据接收第九位TB8发送数据第九位REN接收控制0禁止接收1允许接收SM2多级通信0单机对单机1多级通讯SM0和SML是串行口工作方式选择位。两个选择位对应4种通信方式，如表25所示。表25通信方式SM0SM1工作方式说明波特率00方式0同步移位寄存器FOSC/1201方式110位异步收发由定时器收发10方式211位异步收发FOSC/32或FOSC/6411方式311位异步收发由定时器控制2电源控制寄存器PCONPCON主要是为HCMOS型单片机的电源控制而设置的专用寄存器，地址为87H。其格式如表26所示。表26PCON格式D7D6D5D4D3D2DLDOSMODGF0GF1PDIDLSMOD为波特率倍增位。在方式1、方式2、方式3串行通信波特率与2SMOD成正比。当SMOD1时，串行通信波特率可提高一倍。复位时SMOD03串行口的工作方式根据实际需要，89C51串行口可设置4种工作方式，它们是由SCON中的SM0,SM1这两位定义的。其中，方式0并不用于通信，而是通过外接移位寄存器芯片实现扩展并行I/O功能。方式1、方式2和方式3都是异步通信方式，方式1是8位异步通信接口，一帧信息由10位组成，用于双机通信；方式2和方式3都是9位异步通信接口，方式2和3主要是波特率不同，两者均可用于多机通信和双机通信。当SM0、SM10时，串行援口选择工作方式1，为可变波特率的8位异步通信方式。发送数据由TXD端输出，接收数据由RXD端输入。方式1以10位为一帧传输，其帧格式为一个起始位0、8个数据位和1个停止位1，如表27所示。宁夏理工学院毕业设计12表27通信格式起始位停止位0D0D1D2D3D4D5D6D71226甲醛检测部分1检测原理甲醛主要是以气态形式存在，所以对甲醛的检测主要是检测甲醛气体。采用氧化物气体传感器是目前比较通用的做法。甲醛传感器的工作原理是空气中的甲醛透过涂有贵金属触媒烧制的聚四氟乙烯膜时，在适当的敏感电极电位下发生氧化反应，产生与空气中甲醛浓度成正比的扩散电流，这一电流转化为电压值并送给放大电路。此电流可表示为IDNFADC/（式21）式中ID为极限扩散电流N为每摩尔反应物的电子数F为法拉第常数，96500库仑A为平面电极的面积，CM2D为气体扩散常数，代表扩散介质中气体渗透率素和溶解度因素的乘积C为甲醛气体浓度，MOL/CM3为扩散长度，宁夏理工学院毕业设计13图27传感器的结构示意图从对电极发生的反应来看，氧气显然是当前反应发生的必需气体，通常通过传感器的前部，或通过传感器的两边扩散通常几千PPM己经足够了。传感器持续暴露在绝氧样品气体中可能导致信号不稳定，不管氧气进入的途径怎样，不要将传感器与树脂一起放置或完全地浸没在绝氧气体中。在特定情况下，如果传感器必须经常地暴露于高浓度电解质中，例如废气分析，应当保证氧气从另外的通道进入对电极。电化学气体传感器在工作电极和对电极上分别发生氧化与还原反应。相应气体进入传感器后被氧化或者被还原，在另一电极发生与之对应的逆反应，这样在外部电路上就会形成电流。由于气体进入传感器的速度由气体扩散通过障碍控制，所以产生的电流与传感器外的当前气体浓度成比例，并能直接测量当前气体含量。通过被测气体氧化还原反应时所产生的电流可推知被测气体的体积分数和质量浓度。2甲醛检测部分主要由测量电路与A/D转换器构成测量电路由CH20/S10甲醛传感器、电流/电压变换器RCV420芯片、A/D转换芯片等组成。甲醛传感器由甲醛探头、CH2O组成，当空气被内部的采样系统吸收后，将产生的电流信号与相连产生一个与甲醛浓度成正比的电流，该电流经过420MA甲醛模块的信号调理，与I/U变换器RCV42Q芯片转换成05V的电压，该电压经过A/D转换器与单片机相连，与内部设定的浓度值比较，超过设定浓度时驱动电机正转，打开窗户，同时进行语音电话报警。23电话报警部分介绍收发模块、摘挂机控制模块、信号音判断模块和振铃判断模块的工作原理、电路宁夏理工学院毕业设计14设计，最后采用基于上述电路原理的CR6269A电话模块进行系统设计，结构紧密，接线简单，编程方便，仅需两根串行线即可完成数据交换。24电机执行部分采用H型电路，直流电机带动丝杆丝杠结构，正转开窗，反转关窗，设计自动开关窗功能。电机的正反转控制电路如下图所示图28电机自动正反转控制电路宁夏理工学院毕业设计153甲醛检测部分的设计31甲醛传感器311CH2O/S10型甲醛传感器原理CH2O/S10型甲醛传感器是电流型传感器，它是在控制扩散的条件下运行的，样气的气体分子被吸收到电化学敏感电极，经过扩散介质后，在适当的敏感电极电位下气体分子发生电化学反应，这一反应产生一个与气体浓度成正比的电流，将这一电流转换为电压值输出并送给下级放大器9。外部电压偏执在敏感电极上维持一个恒定的电位，这个电位以传感器中的不可极化的参考电极为基准，“不可极化的”指的是反电极能维持一个电流流动而不受电位变化的影响。这样，反电极也可用作参考电极，所以就不需要第三个电极和反馈电路。312甲醛传感器的技术说明CH2O/S10传感器的结构图如图31所示。图31结构图CH2O/S10传感器是专门的甲醛气体监测用的传感器，它的相关技术参数如下测量范围010PPMPPM为毫克/升；最大负荷50PPM；输出信号1200300MA/PPM；分辨率005PPM；温度范围2045；宁夏理工学院毕业设计16工作寿命空气中3年；响应时间50秒；线性度输出线性。为了验证甲醛传感器的线性度输出，通过测量甲醛传感器所处的环境中甲醛的浓度，测量传感器的输出电流，得到一个近似甲醛传感器特性图33。图33近似甲醛传感器特性图为了使传感器处于“准备工作”的状态，传感器供货时，在工作电极与参比电极之间有一短连接用一导线直接连接起来。传感器在储藏过程中必须保留此短连接，而且只有当准备使用传感器的时候，才能去掉这个短连接。在仪器不供电时，如果工作电极和参比电极不再短连接，一旦再次使用，传感器就需要很长的一段“启动时间”12。为使传感器正确的工作，传感器的对电极和参比电极需要很少量的氧气供应。这些氧气经常是由采样来的气流供应的，通过空气扩散到传感器的前端，或者通过传感器的周围和后端扩散到传感器的前端通常几千PPM的氧气就足够了。如果传感器没有后端氧气供应通路，持续暴露在厌氧性的采样气体中，则传感器就会失灵。传感器一定不能被完全地放入到树脂中或整个地浸入到厌氧性的气体混合物中13。313传感器补偿算法在一个测量系统中，选择使用传感器的目的是搜集被测量的信息并将其变换成电信号。指望传感器只对所考察的量敏感以及输出信号完全依赖于输入信号是不切实际的。测量从来就不可能在理想情况下进行。因此，我们必须面向现实情况。在此，我们遵循布林DOEBELIN提出的方法。图34示出对仪器进行有用信号增益和干扰输入增益分类的通用方框图。有用信号XS经增益单元GS传送至输出端Y。干扰输入X1代表仪器并不打算检测的量。这些量经增益单元G1传送到输出端Y。调整输入XM是经GM,S引起有用信号的宁夏理工学院毕业设计17GS变化以及经过GM,1引起干扰输入的G1变化的量。增益G可能呈线性、非线性、不断变化或者随机特性。图34通用方框图干扰输入和调整输入的影响可以通过改变系统设计或者通过向系统设计增加新的组成部分加以克服。最好的方法是将系统设计成对于干扰不敏感而只对有用信号起响应，但是由于一些明显的实际原因，这种方法并不总是万能的。在系统中引入负反馈是用来降低调整输入影响的常用方法，并且是零测量系统中所用的方法。32测量电路321RCV420电流和电压转换芯片RCV420精密I/U变换器能将420MA的环路电流变换成05V的电压输出。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L0V基准电压源。在不需要外调整的情况下，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阻抗仅有15V的压降，对于环路电流具有很好的变换能力。在使用中10、11和12脚相连，2、5和13脚相连接地，14和15脚相连接，作为05V电压信号的输出端，当需要调整增益时14和15脚之间接入电位器来调整增益，但这样会减小共模抑制比，减少量是增益增加1，共模抑制比将减少6DB，因此在使用时一般直接将14和15脚短接，7和8脚悬空，4和16脚分别接一个LUF的电容接地，IN或IN端接输入的电流信号，一般情况下，只使用一端，具体使用哪端取决于输入信号的极性宁夏理工学院毕业设计18和所需输出电压的极性。322TLC2543A/D转换器TLC2543是12位开关电容逐次逼近模数转换器，器件有三个控制输入端片选/CS、输入/输出时钟I/OCLOCK以及数据输入端DATAINPUT。通过一个串行三态输出端与处理器外围的串行口通信，可与主机高速传输数据，可编程输出数据长度和格式。片内含有一个14通道多路器，可从11个模拟输入和三个内部自测电压中选择一个。片内设有采样保持电路，用转换结束信号EOC指示转换的完成。系统时钟由片内产生并由I/OCLOCK同步。正负基准电压REF,REF由外部提供，通常为VCC或地，两者差值决定输入电压范围。片内转换器使器件有高速（10US）转换时间，高精度12位分辨率，最大1LSB的线性误差和低噪声的特点。图35引脚图图35中的AIN0AIN10为模拟输入端，11路输入信号由内部多路器选通；CS为片选端，在CS端由高变低时，内部计数器复位。由低变高时，在设定时间内禁止DATAINPUT和I/OCLOCK；DIN为串行数据输入端，由4位的串行地址输入来选择模拟量的输入通道；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端，CS为高时，处于高阻抗状态，CS为低时，处于激活状态；EOC为转换结束端，在最后的I/OCLOCK下降沿之后，EOC从高电平变为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止；CLK为I/O时钟，其接收串行信号并完成以下4个功能1在I/OCLOCK的前8个上升沿，8位输入数据存入输入数据寄存器；2在I/OCLOCK的第4个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到I/OCLOCK的最后一个下降沿为止；宁夏理工学院毕业设计193将前一次转换数据的其余11位输出到DATAOUT端，在I/OCLOCK的下降沿时数据开始变化；4I/OCLOCK的最后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位；REF为正基准电压端；REF为负基准电压端；VCC为电源；GND为内部电路的地回路端1516。图36内部结构1TLC2543的控制字格式17TLC2543有12个输入通道，有三种输出数据长度，每种数据又可以设定为不同的数据顺序高位在前还是低位在前。通道的选择、数据格式的设定，都是通过控制器向TLC2543写控制字来实现的。控制字格式如表31、表32所示。控制寄存器中各位定义表31控制字格式通道选择输出数据长度输出数据顺序极性选择D7MSBD6D5D4D3D2D1D0控制字相当于TLC2543内部一个8位的控制寄存器，用于选择通道、选择传输数据格式、传输数据长度。具体定义如表33、表34、表35所示。2转换过程宁夏理工学院毕业设计20TLC2543与AT89C51的接口电路如图所示。以片选信号CS的电平为参考，TLC2543的工作过程可分为A/D转换周期和I/O周期两部分交替进行17。1CS1,A/D转换周期此时I/OCLOCK,DATAIN被禁止，DATAOUT引脚呈现高阻态，EOC为高，TLC2543被禁止，为共同使用串行总线的其他芯片让出了总线使用权。这个周期是A/D转换周期，TLC2543仍在进行A/D转换，其A/D转换通道是上一次I/O周期从DATAIN输入信号高4位所确定的通道。表32通道的选择或侧试电压的选择通道选择功能D7MSBD6D5D40000选择通道00001选择通道11010选择通道101011选择VREFVREF/2作为测试电压1100VREF1101VREF1110软件关闭电源表33数据长度的选择D3D2输出数据长度018BITX012BIT1116BIT表34输出数据的格式D101功能输出数据的高位在MSB输出数据地位在前LSB宁夏理工学院毕业设计21表35极性的选择D001功能单极性二进制数双极性二进制数2CS0,I/O周期此时1/OCLOCK,DATAIN可用，DATAOUT脱离高阻状态，TLC2543既通过DATAIN脚读入数据，又通过DATAOUT脚输出数据。12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATAIN一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543高位先送入，同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地输出。TLC2543收到第4个时钟信号后，通道号也己经收到，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量液位值进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约为10US，转换完成后EOC变高，转换后的数据在输出寄存器中，等待下一个时钟周期输出。然后进行下一个工作周期。宁夏理工学院毕业设计224电话报警的设计41结构框图图41电话报普系统结构框图42电路原理该模块的构成原理由四个子模块构成，分别为收发模块、摘挂机控制模块、信号音判断模块和振铃判断模块，这四个模块的数据线、信号线和控制线通过单片机控制与数据接口与单片机相连接。其中D表示数据线，C表示控制线，S表示信号线。421铃流检测电路宁夏理工学院毕业设计231234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA4DATE5MAY2011SHEETOFFILEE新建文件夹MYDESIGNDDBDRAWNBY12J1电话线C1R1R2D1U1OPTOISO1AVCC图42铃流检测电路电话机铃响时，是因为电话机房对电话机送来了高达100V左右的交流电压，这个电压就是铃流电压，该电压只有在电话机铃响的时候才会存在，摘机以后就没有了。铃流电压进入电话机后，直接通过图9中的电容C进入收铃电路，而没有经过叉簧K，因此在没有摘机的情况下电话也会响铃。由C1,R1,D1,U1,R2组成的铃流检测电路，由于电容器C不能通过直流电压，因此在待机状态下收铃电路没有电流通过。当有人打来电话时，电话线路上就出现了100V的铃流电压，该铃流电压是交流电压，因此将通过C1,D,UL内部的LED,R1导通形成回路。UL是通用的光藕合器，型号为4N25，其内部有一个发光二极管LED左和一个光敏三极管右组成，当光敏三极管接受LED照射时，集电极和发射极立即导通，此时A点电压降为0V；当没有铃流信号时，U1内部的光敏三极管不导通，A点电压为高电平VCC。在交流电的两个半周中，其中有一个半周经过二极管D导通，另一个半周通过U1内部的LED导通。由此可见，A点的脉冲是随着铃流信号的出现而出现的，因此只要检测到A点有低电平脉冲出现，就说明线路上有铃流信号了，而且A点在单位时间内出现的脉冲个数就代表了振铃时间的长短，因此通过累加A点的脉冲个数就可以判断出振铃时间的长短和铃响次数的多少。A点的电平状态连接到单片机89C51的T1计数器口，即P35端口，用来统计铃响的次数。422摘机挂机电路宁夏理工学院毕业设计241234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE5MAY2011SHEETOFFILEE新建文件夹MYDESIGN1DDBDRAWNBY12CON2电话线D2BRIDGER3100KR447KR7100KR6100KR5350V2V1B1432图43摘机挂机电路该电路由D2,VI,V2等元件组成，图43中的1,3两个点是和电话线连接的。D2是由4个分立的二极管组成的全波整流电路，其作用是将线路上不确定极性的电压转换成确定的极性，也就是说，1和3两条线的正负极是不确定的，因为电话线在接入电话机的时候是不分正极和负极的，可以随便连接，但是到了内部，就必须区分出来哪一个是正极、哪一个是负极，用全波整流电路D2即可将正负极给定下来，因为无论1和3是如何连接的，从D2出来以后，正极和负极总是固定的，因为2这一点始终是正极，这样线路上48V的直流电压经D2出来以后就明确了。当B点控制电压为低电平0时，相当于对地短路，这样三极管V2由于没有基极偏置电压因此不能导通，即V2的集电极没有电流通过，相当于开路，由于V2的集电极是通过电阻R4和V1基极连接的，当V2集电极没有电流时，V1的基极也就没有偏置电压和电流，因此V1也不会导通，此时的V1也处于开路状态。由以上分析可见当单片机通过某条口线给B点施加一个低电平信号0时开关管V1并不会导通，电话线路上也没有电流通过，相当于电话机的叉簧断开。接下来再分析分析一下当B点控制电压的状态为高电平1时的情况，和上面的情况正好相反，当B点为高电平1时，B点有5V的高电平直流电压，该电压就是三极管V2的基极偏置电压，由于有了基极偏置电压，因此V2导通了。V2的集电极也有了电流通过，由于V2的集电极是通过电阻R4和V1的基极连接的，当V2集电极有电流时，V1的基极也就有了偏置电流和电压，因此V1也就导通了。此时从D2出来的正电压将通过V1的发射极和集电极后，再经过R5形成导通回路，并且将线路上的信号在R5两端产生电压降，此时R5相当于电话线路的负载电阻。实际上V1就是一个电子开关，该开关的导通与否受到单片机口线的控制。宁夏理工学院毕业设计25423CR6269A模块基于上述原理，系统采用CR6269A电话模块实现电话报警功能11。该模块包含实现自动电话应用所需全部功能电话接口、摘机电路、振铃识别、FSK来电号码接收、电话信号音识别、DTMF收发、多段数码语音、多和弦音乐和铃声、免提扩音、用户语音输入和电话语音输出、两路遥控驱动输出一，所有硬件的底层控制均由模块内MCU完成，用户通过一标准RS232接口完成指令和数据通讯，功能强大而应用非常简便，只需接入5V电源、电话线、串口线即可使用。图45CR6269A模块技术指标电源电压5VDC；电话接口符合中国邮电部C6以上程控交换机规范；电话信号振铃识别、DTMF接收、发送、拨号音、回铃音、忙音、催挂音识别、摘挂机识别、断线识别；来电信息接收FSK来电显示信息的日期时间和电话号码，兼容单数据和复合数据格式；音频输入LIN输入阻抗L0K，信号幅度标准线路信号，带宽3003400HZ；音频输出SP250MW功率输出必须加101000隔直电容，阻抗416欧姆；功率输出SPK350MW功率输出平衡输出，严禁对地连接，阻抗416欧姆；宁夏理工学院毕业设计26数码语音最长时间120秒、最多分段127段，最高采样率16KHZ、编码格式ADPCM，和弦音乐最多和弦数64、最多乐曲127首、音色库GM音色库，内容MIDI乐曲和铃音；串口规格RS232标准串口，9600BPS通用格式，支持PC串口和USB转串口VC,VB标准串口函数；参数空间256字节，提供一次性写入ID字表，用于产品ID识别；外形尺寸32英寸，PCB及电装工艺符合PC板卡标准，不具有污染环境的封装材料。表41引脚说明I/O说明I输入、O输出、P电源引脚名称I/O功能说明JK1电源接口JK115P电源5JK11GNDP电源地JK2电话线及遥控接口JK21EX1O遥控输出1，TTL电平输出JK22TII电话外线A（单线应用时和TLA短接）JK23TXDIRS232串口输出，9600BPSJK23RIGI电话外线B（单线应用时和TLB短接）JK25RXDIRS232串口输入，9600BPSJK26NC空JK27EX2O遥控输出2，TTL电平输出JK28TLAI电话内线AJK29GNDP地JK210TLBI电话内线BJK3喇叭接口JK31SPO喇叭输出416，严禁对地链接JK32SPO喇叭输出416，严禁对地链接JK4音频接口JK41SPO信号输出，一定要加隔直电容，严禁对地链接JK42TINO电话信号混合输出，不建议非专业用户使用宁夏理工学院毕业设计27JK43LINI用户音频信号输入端JK44GND地JP1跳线JP11TLB单线应用时JP112短路JP12RIGJP13TLA单线应用时JP134短路JP14TIP单线应用仅仅连接一条电话线的应用，通常的应用皆如此。这里的内外线也不是指电话外线和内部电话线，外线是指电话线路检测单元，内线是指模块话路单元，预留此跳线是为需要扩展多线切换的用户预备的，