毕业设计（论文）基于单片机的新居室内甲醛检测系统设计

1、基于单片机的新居室内甲醛检测系统设计 摘 要众所周知，随着社会的飞速发展，生活质量的日益提高，越来越多的人们开始意识到房屋装修所残留的各种气体对人体的伤害，而房屋装修所残留的气体中最主要为甲醛（HCHO）。该设计方案是基于AT89C52单片机和模拟甲醛传感器得基础上，对新家居室内的甲醛含量进行检测，最后通过LCD液晶显示屏显示出来。并在并在甲醛含量超标时进行报警。 模拟甲醛传感器需要先经过一个放大电路，将电信号放大，再经过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，然后经过单片机进行数据处理，最后才能将甲醛含量的浓度通过LCD显示出来。为了使甲醛含量的检测更加准确，该设计增加了一个温湿度传感器，将温

2、湿度同甲醛含量一并显示在LCD上。 本设计一共分为以下几块：总体方案的设计；开发工具的介绍；系统的硬件电路设计；各模块所对应的软件设计。关键词: 甲醛；AT89C52；传感器Design of indoor formaldehyde detection system based on single chip microcomputerAbstract As is known to all, along with the rapid development of society, increasing the quality of life, more and more people began

3、 consciousness to the residue of the decoration of houses of various gases on the human body damage, and housing renovation by the residual gas in the main for formaldehyde (HCHO). The design is based on the AT89C52 microcontroller and analog formaldehyde sensor based, the new home of indoor formald

4、ehyde content were detected, finally, displayed through the LCD. And and when excessive levels of formaldehyde in alarm.Simulation of formaldehyde sensors need to go through an amplifying circuit, the signal amplification, again after a / D converter converts the analog signal into digital signal, a

5、nd then through the single-chip microcomputer for data processing, and finally to the concentration of formaldehyde content displayed through the LCD. In order to enable a more accurate detection of formaldehyde content, the design increased a temperature and humidity sensors, temperature and humidi

6、ty with formaldehyde content together with the display on the LCD.This design is divided into the following parts: the overall design of the program; the introduction of the development tool; system hardware circuit design; the corresponding software design of each module.Keywords: formaldehyde;AT89

7、C52 ;Sensors目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc13410 摘 要 HYPERLINK l _Toc25370 Abstract HYPERLINK l _Toc25370 目 录 HYPERLINK l _Toc32548 第1章 绪论1 HYPERLINK l _Toc13281 1.1 引言 PAGEREF _Toc13281 1 HYPERLINK l _Toc14026 PAGEREF _Toc14026 1 HYPERLINK l _Toc22435 1.1.2 甲醛的来源 PAGEREF _Toc22435 1 HYPERLINK l _

8、Toc4492 1.2 课题研究的意义与目的 PAGEREF _Toc4492 2 HYPERLINK l _Toc745 第2章 总体方案设计 PAGEREF _Toc745 3 HYPERLINK l _Toc13367 2.1 系统设计基本要求 PAGEREF _Toc13367 3 HYPERLINK l _Toc10254 2.2 系统设计的思想 PAGEREF _Toc10254 3 HYPERLINK l _Toc11638 2.3 系统设计方案论证 PAGEREF _Toc11638 3 HYPERLINK l _Toc20962 第3章 开发工具的介绍 PAGEREF _To

9、c20962 4 HYPERLINK l _Toc102 Proteus软件的简介 PAGEREF _Toc102 4 HYPERLINK l _Toc13426 Proteus软件的概念与特点 PAGEREF _Toc13426 4 HYPERLINK l _Toc24758 3.1.2 Proteus软件窗口与基本操作 PAGEREF _Toc24758 5 HYPERLINK l _Toc11554 3.2 单片机的概念和特点 PAGEREF _Toc11554 5 HYPERLINK l _Toc5349 3.3 AT89C52的介绍 PAGEREF _Toc5349 6 HYPERL

10、INK l _Toc5950 第四章 系统硬件的设计 PAGEREF _Toc5950 10 HYPERLINK l _Toc5508 4.1 系统总体结构及工作原理 PAGEREF _Toc5508 10 HYPERLINK l _Toc14847 4.2 系统主要模块的介绍 PAGEREF _Toc14847 11 HYPERLINK l _Toc9178 4. PAGEREF _Toc9178 11 HYPERLINK l _Toc208 4. 数据显示模块 PAGEREF _Toc208 13 HYPERLINK l _Toc30983 4. PAGEREF _Toc30983 13

11、HYPERLINK l _Toc1804 4. 模数转换模块 PAGEREF _Toc1804 14 HYPERLINK l _Toc14847 .5 按键电路模块 PAGEREF _Toc14847 11 HYPERLINK l _Toc9178 4. PAGEREF _Toc9178 11 HYPERLINK l _Toc208 4.4 系统晶振和复位电路的设计 PAGEREF _Toc208 13 HYPERLINK l _Toc30983 4.5 系统放大电路的设计 PAGEREF _Toc30983 13 HYPERLINK l _Toc30983 4.6系统整体电路的设计 PAGE

12、REF _Toc30983 13 HYPERLINK l _Toc19766 第5章 系统软件的设计 PAGEREF _Toc19766 15 HYPERLINK l _Toc28024 5.1 编译软件的介绍 PAGEREF _Toc28024 15 HYPERLINK l _Toc10781 5.2 主程序模块的设计 PAGEREF _Toc10781 20 HYPERLINK l _Toc31454 5.3 模数转换模块的设计 PAGEREF _Toc31454 20 HYPERLINK l _Toc6079 5.4 按键模块的设计 PAGEREF _Toc6079 22 HYPERLI

13、NK l _Toc27169 5.5 液晶显示模块的设计 PAGEREF _Toc27169 24 HYPERLINK l _Toc13462 第6章 总结与展望 PAGEREF _Toc13462 28 HYPERLINK l _Toc6747 6.1 总结 PAGEREF _Toc6747 28 HYPERLINK l _Toc15314 6.2 展望 PAGEREF _Toc15314 28 HYPERLINK l _Toc14470 参考文献 PAGEREF _Toc14470 30 HYPERLINK l _Toc21200 致谢 PAGEREF _Toc21200 31 HYPER

14、LINK l _Toc30644 附录 PAGEREF _Toc30644 32 HYPERLINK l _Toc32496 附录一 系统总原理图 PAGEREF _Toc32496 32 HYPERLINK l _Toc21492 附录二PCB 版 PAGEREF _Toc21492 33 HYPERLINK l _Toc28530 附录三 检测主程序程序 PAGEREF _Toc28530 37 HYPERLINK l _Toc32070 附录四 ADC0832程序 PAGEREF _Toc32070 41 HYPERLINK l _Toc25360 附录五 SHT11程序 PAGEREF

15、 _Toc25360 45 HYPERLINK l _Toc13137 附录六 液晶显示程序 PAGEREF _Toc13137 46绪论1.1 引言近年来，关于甲醛危害性的新闻已经屡见不鲜，随着时代的发展，人们 也越来越意识到这一点，那么甲醛究竟是什么呢？现实中我们能接触到的甲醛大多来自于新装修的房屋。因为它是一种没有颜色的气体，易溶于水，所以通常很难被人眼所发现，不过它有强烈的刺激性行为，含量一旦过高，人就能嗅出。 在我国现已查明的有害物质中，甲醛遥遥领先，位居第二。它不止被我国，也被世界权威机构确定为有害物质，能诱发癌症因子，导致婴儿畸形。因为能跟人体蛋白质结合的原因，它能对人体造成一系

16、列的伤害，对呼吸道，皮肤，甚至内脏都有不同轻重的破坏。一旦吸入过多，支气管发生严重哮喘、头痛、眼睛疼痛；还会引起皮炎、产生色斑；内脏大量充血；常见的全身症状比如莫名感觉心慌、夜晚经常失眠、经常感觉疲劳、神经紊乱和体重减轻等。1.1.2 甲醛的来源新家居甲醛来源途径无非就是几个方面，装修时所用各种制板的甲醛残留，不合格的家具，和其他不正规的装饰材料。因为甲醛在这些合成板材能起到增加材料的硬度、防止腐蚀的作用，所以大部分的家具装饰中都含有大量的甲醛，除了各种合成板，木工板之外，还有各种油漆，墙纸等。当然不乏部分厂家为了追求暴利，在家具方面使用不合格的材料，木板跟胶水等。这些都是家居内甲醛的主要来源

17、，因为来源过于广泛，所以有时，我们防不胜防。1.2 课题研究的意义与目的比较我们通常所见的甲醛检测方法，不止价格很高，而且检测起来都很费事。本文所讲的这种室内甲醛检测，是一款简单，可靠，操作维护方便的检测装置。它是一种通过单片机控制模拟甲醛传感器来检测甲醛含量的。本设计操作简单，适用性广，通过几个按键就能直接检测出甲醛的含量，这样此时室内的甲醛含量就会在显示屏上一目了然，所有人都可以操作。本系统除了有很高的灵活性外，集成度也很高。因为甲醛是大众所认定的破坏性极强的反应源，它在空气中的成分一旦超量的话，将会对给人的健康造成很大的危害。因此策划一款消费者实用的，并且体积较小，可以随身带着的甲醛检测

18、仪早已急如星火。 本系统能够很快且实时的检测到屋内所现有的甲醛占了空气的多少百分比，系统会发出蜂鸣声，一旦超过了系统原来的设定值。这样，居民可以直观的看到自己何时可以放心入住新居。 第 2 章 总体方案设计系统设计基本要求 本系统是以单片机作为主芯片，用单片机来控制甲醛传感器，以及其他的一些电路模块。系统的几大主要功能模块包括：用温湿度传感器来检测室内的温湿度含量模块；实现设置报警上限功能的按键模块；模拟传感器获取甲醛气体的模块；实验蜂鸣器报警功能模块；LCD液晶显示功能模块。设计基本要求：（1）快速检测功能：将仪器放入封闭环境时，能够快速地测出该室的温湿度，以及甲醛的浓度并进行显示。（2）超

19、标报警功能：当甲醛浓度一旦超过国家标准，温湿度超过上限或者低于下限时立马发出报警提示。（3）该设备还需要测量精准，能够随身携带移动，操作起来方便简单。 2.2系统设计的思想 该系统是以AT89C52作为控制芯片，控制获取甲醛的电路模块，因为获取甲醛的电路产生的电信号很微弱，直接与单片机连接，无法识别，因此我们需要先将不明显的电信号放大，使它通过一个放大电路，再经过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，此时，单片机可以识别并加以处理。最后将甲醛含量的浓度通过LCD显示屏显示出来。为了使甲醛含量的检测更加精准，该设计增加了一个温湿度传感器模块，将温湿度同甲醛含量一起显示。 2.3 系统设计方案论证

20、 常见的检测甲醛的方法有以下几种：（1）酚试化学药剂分离光度法 （2）AHMT分光光度法；（3）乙酰丙酮化学分光光度法； （4）电传感器法。经对以上方法实施了具体的测试，我发现电传感器法除了简单，容易操作外。总体的价格跟适用度也高、而且测量精度高。因此本文的设计部分选择了该方法。第3章 开发工具的介绍3.1 Protues软件的简介3.1.1 Proteus软件的概念与特点Proteus ISIS(下述Proteus），是一款可以进行电路分析与实物仿真的软件。它是被著名的LABCENTER公司发明，集仿真(simulation)、分析(spice)于一身，特点： 它能够使单片微型计算机和电路仿

21、真相结合。他被赋予了强大的仿真功能，能够实现数字和模拟电路的仿真、单片机和其外部电路组成的系统仿真、各种调试器、键盘和液晶显示屏的系统仿真； 它被包含了多种虚拟的仪器，其中有显示波形的仪器、逻辑分析仪、发生信号的仪器等。 Proteus能够实现与五一系列，Pic系列微处理器的调试仿真。比如 还有其他的68000系列，Arm系列、 Pic12系列，Pic16系列,Pic18系列、Msp430系列和Hc11系列。 在仿真中，它能编译跟调试KEIL C51 和，全速调试、单步调试、设置断点等调试也是它的一大特点。 还有强大的 绘图功能。总之，Proteus是一款强大的，适合初学者进行电路调试与仿真的

22、软件。3.1.2 Proteus软件窗口与基本操作 1.双击桌面的快捷图标，可启动Proteus的集成环境。 2.Proteus的工作界面是一种标准的Windows界面，包括标题栏，主菜单，工具栏，绘图工具栏，状态栏；还有许多按钮的设置，比如对象选择的按钮，预览方位的控制按钮，仿真进程中的各种控制按钮等；窗口基本分为三个，预览窗口，对象选择窗口，图形编辑窗口。Proteus工作界面图形编辑得基本操作中，我们首先需要根据电路的大小编辑窗口的纸张；然后才开始放置对象，放置对象的过程中我们需要添加添加对象，并对该对象进行编辑，包括删除，拖动，调整该对象大小以及方向，编辑其属性等。接下来开始绘制原理图

23、，Proteus的智能化可在画线时自动检测，包括画总线，总线分支；在进行电路原理图绘制时，由于有些线路即使可以在Proteus中连接，但在实际中无法实现物理连通，通常的解决方法是跳线。当然还有一个注意的，就是放置线路节点。加载目标代码文件文件时，我们需要单击菜单栏中的“Source/Add/Remove Source Code File”选项，在下拉列表中选择目标器件跟代码编译器，单击对话框中的New按钮，并找到要添加的ASM格式文件，单击OK，完成编译前的代码文件添加。然后进行编译。然后在Keil C工程中进行调试，直至得到正确的结果。当然前提是编写的源代码文件必须正确编译。3.2 单片机的

24、概念和特点 3.2单片机的概念和特点将中央处理器、计数器以及i/o接口等串行接口还有定时器和存储器等所有电路的集成称为单片机。也可将其成为微控器。可靠性高，片内的存储空间小，控制功能强，易扩展等是单片机的特点。因为单片机芯片是依照标准的工业检测设置的，它相比单片机的抗噪声很强；即使不同种信号的电路都在一块单片机内集中，但是它也不会被破坏或者丢失，这是由于它的可靠性。一般情况下像八个位的单片机的数据存储是不大于八或十六K字节，小于256字节的是程序存储，但是上述的数据存储和程序存储是在外部也可以进行存储。为了实现更高的作用，单片机有多种指令，比如：条件分支转移指令和I/O口指令。在单片机的外部也

25、有许多总线跟输入引脚和输出引脚，它们的功能是内部的扩展。单片机在许多地方都得到了广泛的运用，例如：采集数据、控制工业或者家里用的电子设备等，这些都是由于单片机的特点。在近几年计算机有着快速的发展，这是在微电子水平增强的基础上。所以综上诉述，单片机的发展路程有两条：（1）提升集成电路的工艺，将芯片的运行速度增强并且降低电压和功耗：（2）不改动CPU的内部结构、外设装置以及一整套的指令系统，在不同应用领域，在芯片内装入不一样的外设装置，这样就可以在同一个厂家生成不同的芯片规格。单片机的首要要素是可靠性，有一种比较见成效的方法提高单片机的可靠性，那是扩展单片机的领域和应用范围。近几年，生产单片机的多

26、个厂家在设计理念上运用了很多新的技术来增加单片机的可靠性，具体表现如下：电子快速暂态技术、低噪音布线技术及驱动技术和采用低频时钟总而言之，单片机在目前社会的形式下拥有以下几点表现：(1)较高的运用水平以及较强的可靠性，(2)所集成的部件越来越多；(3)较低的功能损耗；(4)很多的模拟电路的结合。 3.3 AT89C52的介绍AT89C52单片机在整个电子行业中有着广泛的应用，是本系统所用的单片机控制核心。A高性能的8位 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1012.htm t _blank 单片机，低电压，兼容MCS-5系统，能反复擦写，片内含八KB只读的程序内存，25

27、6字节的随机存取数据存储器是它的基本特点。接下介绍它主要功能特性：它可以编程特定的串行通道，外部中断和串行口中断各有两个。；一共有八个中断源，十六位的编程定时计数中断有三个；时钟频率零到二十四兆赫兹，8K的数据内存可反复擦写；兼容MCS51指令系统；封装形式的不同，是为了适应不同产品的需求。如下图所示它有四十个个引脚，除了三十二个双向输入输出口外，还分别有两个外部中断口，读写口，全双工的串行通信口，加上片内的振荡器和时钟电路，三个十六位可编程定时计数器,构成了该单片机。 AT89C52引脚功能： 第四章 系统硬件的设计4.1 系统总体结构及工作原理 为了实现此电路的功能，在上述的基础上，硬件设

28、计功能框图如图4-1所示：如上图所示，该系统是由传感器模块，A/D转换模块，液晶显示模块，报警模块，放大电路模块以及按键模块组成。工作原理：本系统是以单片机为总的控制中心，利用采集甲醛气体的电路获取甲醛含量数据，将该数据通过放大电路进行放大，然后通过AD转换器转换为单片机能够识别的信号，该信号最终经过单片机的处理会显示在LCD显示器上，当超过系统设置的标准时，单片机会控制报警电路进行报警。同时显示器还将利用SHT11传感器来获取室内温度与湿度，并通过单片机的处理也显示在LCD显示器上，以便居民准确的测试甲醛的含量。4.2 系统主要模块介绍4.2.1 数据采集模块在数据采集模块中，由模拟甲醛传感

29、器所采集的电流信号必须经过放大电路，放大后的信号才能被单片机识别和处理。在本系统中模拟甲醛传感器所采集的电信号经过MCP601低功耗运算放大器放大信号，再经A/D转换器转换为为单片机识别的信号。其中，MCP601的基本特点如下：能够满幅输出温度范围可分为工业级跟扩展级数据采集电路如下图所示：图4.2 数据采集电路4因为本课题要求检测新居室内甲醛的含量，所以要有一个数据显示器。本原理图采用Lm041L液晶显示器，它是16*4行，每行16个5*7点阵字符。其中，Lm041L的基本特点如下：显示的质量高，不存在闪烁，恒定发光数字式接口，与单片机连接方便可靠体积较小，重量很轻相较而言，功耗较低 下表为

30、其引脚说明。管脚名称管 脚 定 义VSS电源地VDD电源电压+5VV0对比度调节R/S指令数据信道R/W读写选择E使能选择DB0-DB7数据线图4.3 LMO41L的引脚说明图在Protues仿真环境下，Vdd接电源，默认电压为5V, Vss只要接地就行。它与单片机接口直接相连。以下为，LM041L与单片机的接线原理图见图4.4 显示模块电路图该显示器的接口可以进行的选择，但由于该芯片可以的引脚足够多，所以此电路中，选择并口方式，即把8个数据送到芯片。如上图所示，LCD的D0D7接单片机的P0.0P0.7，1号引脚接地，2号跟三号引脚接电源，4号引脚RS接单片机的P2.0管脚，5号引脚RW接接

31、单片的P2.2管脚，6号引脚E接单片机的P2.1管脚.4.2.3 报警电路生活中，我们会见到好多种报警的提醒方式，一种是语音提示报警，经常见的是验钞机发出的报警，这种语音提示的报警相对来说最为明显，因为它不仅可以发出提示，还可以告知人们提示的具体信息；另一种常见的是闪光报警，这种方式通常利用闪烁的指示灯来提醒人们，引起注意，比如充电器的指示灯；第三种是蜂鸣报警，通过发出蜂鸣声响提醒人们的注意。因为本系统的电路只要求甲醛含量超标时发出提示，所以选择了操作比较简单和功耗较低的蜂鸣报警方式。 下图为报警电路接线图：图4.5 报警模块电路图 上图所示，蜂鸣器一端接电源，另一端通过二极管与单片机连接，当

32、有报警信号时，会发出警报，来提醒人们甲醛超标，或者显示不正常。这种方式方便可靠。4.2.4 模数转换模块由于模拟甲醛传感器经过放大电路放大的电信号不能直接被单片机识别，因此必须经过A/D转换器将模拟量转变为数字量。本文采用ADC0832芯片来进行模数转换。A/D模数转换模块如下图所示：图4.6 A/D转换电路图分辨率、转换速率、量化误差、满刻度误差、线性度，是模数转换器的主要技术指标。 ADC0832是一个双通道的A/D转换芯片，有八位的分辨率电源供压在零到五伏之间。频率250K赫兹，功耗15毫瓦，能够多种封装，输入输出电平与TTL/CMOS兼容，是ADC0832得主要特点。ADC0832的引脚图如下所示:CS VccCH0 ClkCH1 DOGND DI图4.7 ADC0832引脚图4.2.5 按键电路模块如下图所示：图4.8 按键电路图该图属于典型的按键电路设置，K2，K3，K4，分别连接单片机的P2.5，P2.6，P2.7引脚。当K2，K3，K4，合上时，单片机引脚的信号为低电平，当K2，K3，K4，断开时，单片机引脚信号为高电平。4.2.5 温湿度传感器显示模块 本系统为了更加准确的检测出甲醛的含量，特地增加了一个温湿度传感器，在检测甲醛含量的同时，将 此时室内的温湿度通过SHT11传感器检测出来，经过单片机的识别处理，