基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛檢測儀的設(shè)計

1、.基于單片機(jī)的室甲醛檢測儀的設(shè)計word資料.基于單片機(jī)的室甲醛檢測儀的設(shè)計摘要：室空氣質(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，測定室甲醛含量也成為一個具有意義的研究。本設(shè)計主要針對居民住樓的甲醛含量可能超標(biāo)設(shè)計的。設(shè)計采用電化學(xué)甲醛傳感器作為數(shù)據(jù)的感知部分，電化學(xué)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甲醛含量的檢測。該甲醛含量采集系統(tǒng)能夠達(dá)到0.01mg/m3的精度，并且將結(jié)果用液晶屏顯示出來，當(dāng)甲醛含量超過設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)出警告。關(guān)鍵詞：msp430電化學(xué)傳感器甲醛含量一方案設(shè)計實驗以msp430f149單片機(jī)作為系統(tǒng)

2、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(jī)的選擇論證方案一：采用mc68hc05/08系列單片機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)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(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行控制。mcs-51系列單片機(jī)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(jī)部資源比51單片機(jī)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(shè)計的系統(tǒng)簡單，所以選擇方案三。word資料.綜上所述選擇方案一。1.2傳感器的選擇論證檢測

3、室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。方法電化學(xué)傳感器法可調(diào)激光吸收光譜法優(yōu)點操作簡單快速便攜方便靈敏度高缺點易受其他氣體干擾，儀器要求工藝高，價格過高差分光學(xué)吸收光譜法靈敏度高需要很長光程方可達(dá)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(dá)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(fù)雜，成本高甲醛電化學(xué)傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：測量圍：010ppm響應(yīng)時間:小于50秒最大負(fù)荷：50ppm輸出信號：1200300na/ppm分辨率：0.05ppm根據(jù)以上表格和電化學(xué)傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)，選擇電化學(xué)法進(jìn)行實驗。ch2o/m-10型號的甲醛電化學(xué)傳感器。wo

4、rd資料.1.3人機(jī)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(jī)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(jī)交互。方案二：采用4*4鍵盤和lcd1602作為人機(jī)接口。4*4具有16個按鍵，設(shè)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(shè)計硬件設(shè)計部分：傳感器接口電路設(shè)計，放大電路設(shè)計，外圍模塊的電路設(shè)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(jī)為核心，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(jī)部集成的ad對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，編寫程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)則報警。甲醛傳

5、感器傳感器接口電路信號放大電路ad轉(zhuǎn)換顯示部分msp430f149報警部分word資料.系統(tǒng)總流程框圖2.1恒電位電路原理由甲醛傳感器的工作原理可知，甲醛氣體擴(kuò)散至傳感器部，在與傳感器部的溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng)，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(dǎo)致工作電極與對電極表面的氧化還原反應(yīng)變得不穩(wěn)定，因此在傳感器的測量電路里，應(yīng)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。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，即使甲醛與容溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，w

6、e電壓依然穩(wěn)定。word資料.恒電位電路圖2.2放大電路原理由于電壓信號很微弱，需要進(jìn)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(dá)100倍，并且可以通過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)。輸出的電流信號經(jīng)過r3，轉(zhuǎn)換成電壓信號。word資料.傳感器的測量電路電路圖2.4外圍模塊設(shè)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

7、塊等。msp430f149作為主控芯片，其外圍設(shè)備有液晶顯示模塊，矩陣鍵盤模塊，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(jī)處理過的數(shù)據(jù)。ad模塊msp430鍵盤模塊f149顯示模塊供電模塊word資料.主控制器電路2.4.1液晶模塊設(shè)計采用1602液晶顯示以顯示數(shù)據(jù)液晶顯示電路設(shè)計2.4.2鍵盤界面設(shè)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)人機(jī)互動。設(shè)計采用4*4矩陣鍵盤。word資料.4*4矩陣鍵盤電路設(shè)計2.4.5模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊msp430f149自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，不需要另外設(shè)計，可以節(jié)省時間降低成本。msp430的adc模塊為12位，有

8、12個模擬通道。三軟件設(shè)計3.1軟件總體設(shè)計采用c語言進(jìn)行編程，方便快捷。通過按鍵啟動儀器，如果需要可以設(shè)置甲醛上限報警，整個系統(tǒng)由主程序，中斷服務(wù)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(jìn)入主界面。在主界面里可以選擇需要控制的量。word資料.開始模塊初始化主界面設(shè)置上限設(shè)置采樣間隔恢復(fù)出廠設(shè)置否顯示是否完成是刷新顯示結(jié)束系統(tǒng)流程圖3.2數(shù)據(jù)采集處理模塊設(shè)計由鍵盤控制是否進(jìn)行采樣并設(shè)定采樣的間隔時間，鍵盤輸入信號，經(jīng)由單片機(jī)處理并反映，控制adc進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。并將采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。word資料.開始初始化鍵盤否采樣？是開始采樣讀高位數(shù)據(jù)的

9、地址，讀高位數(shù)據(jù)否讀低位數(shù)據(jù)的地址，讀低位數(shù)據(jù)采樣完畢？是計算甲醛含量結(jié)束數(shù)據(jù)采集處理模塊流程圖3.3顯示模塊設(shè)計word資料.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字符函數(shù)以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(shè)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(shè)計相對來說比較

10、簡單。開始初始化清屏顯示數(shù)字顯示字符結(jié)束顯示模塊流程圖五結(jié)論儀器到達(dá)的精度為0.01mg/m3主要的誤差來源：word資料.1.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)字對模擬數(shù)值進(jìn)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1/2lsb。提高ad的分辨率可以減小量化誤差。2.相對濕度引起的干擾電化學(xué)傳感器中含有能與被測物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)。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(dāng)外界甲醛的含量

11、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(fù)。3.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(yīng)，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(bǔ)償或者修正。儀器的優(yōu)勢是：在傳感器的選取上，選擇了精度更高的電化學(xué)甲醛傳感器，分辨率達(dá)到0.01ppm，達(dá)到精度要求，也減小了量化誤差。在軟件設(shè)計方面，將濕度和氣體干擾產(chǎn)生誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提高測量的精度。word資料.參考文獻(xiàn)1偉.服用棉紡織物甲醛釋放規(guī)律研究j.天津工業(yè)大學(xué)，2008.2謝躍東.基于msp430的室甲醛檢測儀的設(shè)計d.理工大學(xué)，20123凌振寶等.基于msp430單片機(jī)的智能變送器設(shè)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(jìn)展j.中國測試技術(shù)，200