基于單片機的室內(nèi)甲醛檢測儀的設計(共13頁)

1、基于(jy)單片機的室內(nèi)甲醛檢測儀的設計基于單片機的室內(nèi)(sh ni)甲醛檢測儀的設計摘要(zhiyo)：室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞直接影響到人體的健康，其中甲醛的危害更是亟待解決的問題。因此，測定室內(nèi)甲醛含量也成為一個具有意義的研究。本設計主要針對居民住樓的甲醛含量可能超標設計的。設計采用電化學甲醛傳感器作為數(shù)據(jù)的感知部分(b fen)，電化學甲醛傳感器器較其他的甲醛含量檢測方法操作簡單，成本相對較低，適合用于實驗的研究和室內(nèi)甲醛含量的檢測。該甲醛含量采集系統(tǒng)能夠達到0.01mg/m3的精度，并且將結(jié)果用液晶屏顯示出來，當甲醛含量超過設定標準是發(fā)出警告。關(guān)鍵詞：MSP430 電化學傳感器 甲醛含量一

2、 方案設計實驗以MSP430F149單片機作為系統(tǒng)的核心，通過按鍵控制液晶顯示和驅(qū)動放大電路。1.1單片機的選擇論證方案一：采用MC68HC05/08系列單片機對系統(tǒng)進行控制。其乘法和除法指令給編程帶來了便利。但是其指令系統(tǒng)共有89條指令，不利于CPU的執(zhí)行速度。 方案二：采用MCS-51系列單片機對系統(tǒng)進行控制。MCS-51系列單片機采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，其程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址。7中尋址方式，111條系統(tǒng)指令，操作簡單適合于簡單系統(tǒng)。 方案三：MSP430F149單片機內(nèi)部資源比51單片機豐富，并且具有可以調(diào)節(jié)的晶振頻率，是編程更為靈活。綜上所述由于設計的系統(tǒng)簡單，所以選擇方案三。綜上

3、所述選擇方案一。1.2傳感器的選擇論證檢測室內(nèi)甲醛含量的方法有許多種，以下表格給出一些典型的方法和其特點。方法優(yōu)點缺點電化學傳感器法操作簡單快速便攜方便易受其他氣體干擾，可調(diào)激光吸收光譜法靈敏度高儀器要求工藝高，價格過高差分光學吸收光譜法靈敏度高需要很長光程方可達到要求的靈敏度窄帶吸收法靈敏度高需要很長光程方可達到要求的靈敏度，不適合現(xiàn)場檢測衰蕩腔光譜法靈敏度高光路復雜，成本高甲醛(ji qun)電化學傳感器的主要技術(shù)指標如下：測量范圍： 010ppm響應(xingyng)時間: 小于50秒最大負荷(fh)： 50ppm輸出信號：1200300Na/ ppm分辨率：0.05 ppm根據(jù)以上表格

4、和電化學傳感器的主要技術(shù)指標，選擇電化學法進行實驗。CH2O/M-10型號的甲醛電化學傳感器。1.3人機模塊的選擇論證方案一：采用獨立按鍵和數(shù)碼管作為人機接口。編程簡單可行，但是顯示過于枯燥，獨立按鍵不利于人機交互。方案二：采用4*4鍵盤和LCD1602作為人機接口。4*4具有16個按鍵，設置更為靈活，具有字庫使顯示更加明了，編程簡單。采用方案二。二 硬件電路設計硬件設計部分：傳感器接口電路設計，放大電路設計，外圍模塊的電路設計（電源模塊，液晶顯示模塊，無線模塊，鍵盤模塊，串口通信模塊等）以單片機為核心(hxn)，接收到傳感器經(jīng)過接口電路、信號放大電路后的的信號，在單片機內(nèi)部集成的AD對數(shù)據(jù)進

5、行采樣，編寫程序?qū)?shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)結(jié)果即甲醛的濃度輸出，并且，如果甲醛的含量超標則報警。報警部分顯示部分MSP430F149傳感器接口電路信號放大電路甲醛傳感器AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)總流程(lichng)框圖2.1 恒電位電路(dinl)原理由甲醛傳感器的工作原理可知，甲醛氣體擴散至傳感器內(nèi)部，在與傳感器內(nèi)部的溶液發(fā)生氧化還原反應，工作電極的表面電極被消耗，轉(zhuǎn)移一定量的電子數(shù)目，從而產(chǎn)生電流信號，產(chǎn)生的電流為微安級。由于信號的產(chǎn)生，甲醛傳感器本身的電位發(fā)生變化，導致工作電極與對電極表面的氧化還原反應變得不穩(wěn)定，因此在傳感器的測量電路里，應加入傳感器的恒電位電路，以保證工作電極與參考電極之間的電壓穩(wěn)定

6、。在以下電路中U1B部分為恒電位電路，維持參考電壓RET和工作電壓WE之間的電壓穩(wěn)定，即使甲醛與內(nèi)容溶液發(fā)生化學反應，WE電壓依然穩(wěn)定。 恒電位(din wi)電路圖2.2放大電路(dinl)原理由于電壓信號很微弱，需要進行信號的放大。如下圖所示，該信號放大電路為二級放大，第一級放大U1的放大倍數(shù)最高可達100倍，并且(bngqi)可以通過R1調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。第二級放大U2與第一級放大基本一致，由R2調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，選擇0100的放大倍數(shù)。經(jīng)過兩級放大，已經(jīng)可以滿足要求。信號放大電路圖2.3測量(cling)電路由于對電極CE和參考電極REF由恒電位電路控制，CE和REF之間的電壓一直處于穩(wěn)定狀態(tài)

7、。輸出(shch)的電流信號經(jīng)過R3，轉(zhuǎn)換成電壓信號。傳感器的測量(cling)電路電路圖2.4外圍模塊設計便攜式甲醛檢測儀的硬件外圍模塊主要包括液晶顯示模塊，鍵盤模塊，電源模塊等。MSP430F149作為主控芯片，其外圍設備有液晶顯示模塊，矩陣鍵盤模塊，內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換模塊以及電源模塊。鍵盤模塊用于輸入和操作，顯示模塊用于顯示經(jīng)過單片機處理過的數(shù)據(jù)。MSP430 F149顯示模塊鍵盤模塊AD模塊供電模塊主控制器電路(dinl)2.4.1液晶模塊設計(shj)采用(ciyng)1602液晶顯示以顯示數(shù)據(jù)液晶顯示電路設計2.4.2鍵盤界面設計 鍵盤模塊是為了讓用戶輸入數(shù)據(jù)，啟動或暫停儀器的工作，實現(xiàn)

8、人機互動。設計采用4*4矩陣鍵盤。 4*4矩陣(j zhn)鍵盤電路設計2.4.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(m kui)MSP430F149自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，不需要另外設計(shj)，可以節(jié)省時間降低成本。MSP430的ADC模塊為12位，有12個模擬通道。三 軟件設計3.1軟件總體設計采用C語言進行編程，方便快捷。通過按鍵啟動儀器，如果需要可以設置甲醛上限報警，整個系統(tǒng)由主程序，中斷服務程序模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示子程序模塊組成。以下為系統(tǒng)流程圖，供電后，按下啟動按鍵即可進入主界面。在主界面里可以選擇需要控制的量。否是模塊初始化主界面設置上限設置采樣間隔恢復出廠設置刷新顯示顯示是否完成開始結(jié)束系統(tǒng)(x

9、tng)流程圖3.2數(shù)據(jù)(shj)采集處理模塊設計由鍵盤控制(kngzh)是否進行采樣并設定采樣的間隔時間，鍵盤輸入信號，經(jīng)由單片機處理并反映，控制ADC進行數(shù)據(jù)的采集。并將采集回來的數(shù)據(jù)進行處理。否 否 是 是 初始化 鍵盤 采樣？ 開始采樣 讀高位數(shù)據(jù)的地址，讀高位數(shù)據(jù) 讀低位數(shù)據(jù)的地址，讀低位數(shù)據(jù) 采樣完畢？ 計算甲醛含量 開始結(jié)束數(shù)據(jù)采集處理(chl)模塊流程圖3.3顯示模塊(m kui)設計 儀器的顯示模塊采用LCD1602，可以顯示數(shù)字和字符。所用到的驅(qū)動函數(shù)包括：液晶寫數(shù)據(jù)函數(shù)、液晶寫命令函數(shù)、液晶讀數(shù)據(jù)函數(shù)液晶讀狀態(tài)函數(shù)、液晶初始化函數(shù)、液晶在指定位置顯示一個(y )字符函數(shù)以

10、及液晶在指定位置顯示一串字符函數(shù)。顯示模塊的所有功能，對于本課題所用的LCD1602驅(qū)動函數(shù)，其中的液晶初始化函數(shù)已經(jīng)包括了初始化和清屏兩大功能，此外，在指定位置顯示一串字符的函數(shù)也已經(jīng)包括了設置顯示位置和顯示字符串的兩大功能，因為在本課題的實際編程中對于液晶顯示模塊的設計相對來說比較簡單。 開始結(jié)束初始化清屏顯示字符顯示數(shù)字顯示(xinsh)模塊流程圖五結(jié)論(jiln)儀器到達的精度為0.01mg/m3主要的誤差來源：AD轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差AD轉(zhuǎn)換產(chǎn)生量化誤差，量化誤差和AD的分辨率是統(tǒng)一的，量化誤差是由于有限數(shù)字(shz)對模擬數(shù)值進行量化而引起的誤差。因此，在理論上量化誤差為一單位分辨率，即

11、1/2LSB。提高(t go)AD的分辨率可以減小量化誤差。相對濕度引起(ynq)的干擾電化學傳感器中含有能與被測物質(zhì)起化學反應的電介質(zhì)，甲醛必須與少量的水分子結(jié)合后才與電介質(zhì)發(fā)生化學反應。因此少量的水分子存在時必要的。然而，過多的水分子的存在，會在電極上引起干擾，以因為水分子也會在電極上被分解而形成電流。當外界甲醛的含量為0時，如果空氣的相對濕度超過45%，則輸出的電壓不為零。如果空氣相對濕度低于45%，傳感器中的水分向外散出， 輸出電壓為負。其他氣體的影響在空氣中還含有其他可與電極發(fā)生氧化還原反應，比如二氧化硫等。如果可以測出這些氣體的含量，則可以在軟件部分作出補償或者修正。儀器的優(yōu)勢是：

12、在傳感器的選取上，選擇了精度更高的電化學甲醛傳感器，分辨率達到0.01ppm，達到精度要求，也減小了量化誤差。在軟件設計方面，將濕度和氣體干擾產(chǎn)生誤差進行補償，提高測量的精度。參考文獻1 孫偉.服用棉紡織物甲醛(ji qun)釋放規(guī)律研究J.天津工業(yè)大學，2008.2 謝躍東. 基于MSP430的室內(nèi)甲醛(ji qun)檢測儀的設計D.太原理工大學，20123 凌振寶等.基于MSP430單片機的智能(zh nn)變送器設計J.儀表技術(shù)與傳感器，2003（8）.4 祝艷濤，方正，羅建波，等.甲醛氣體傳感器研究進展J.中國測試技術(shù)，2008，34（1）：100104.5 張曉鳳.甲醛檢測方法研究進展 J.重慶工學院學報，2007（1）.6 朱春紅.淺談甲醛檢測的常用方法及影響因素J.黑龍江科技信息，2009（17）.7 李玉靜. 便攜式甲醛檢測儀的研究 D.吉林大學，2006.8.杜娟.便攜式現(xiàn)場甲醛檢測儀的設計D.鄭州大學，20