甲醛氣體濃度檢測(cè)超限報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

目錄

1產(chǎn)品功能分析...........................................................................................................1

1.1設(shè)計(jì)背景與內(nèi)容...........................................................................................1

1.2功能分析.......................................................................................................1

2設(shè)計(jì)方案選擇...........................................................................................................2

2.1單片機(jī)的選擇...............................................................................................2

2.2顯示方案.......................................................................................................2

2.3系統(tǒng)框架圖...................................................................................................2

3產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)...........................................................................................................3

3.1STC89C52RC單片機(jī)......................................................................................3

3.2按鍵電路設(shè)計(jì)...............................................................................................4

3.3LCD1602液晶顯示模塊電路........................................................................5

3.4甲醛傳感器模塊電路...................................................................................7

4產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)...........................................................................................................8

4.1主程序流程圖...............................................................................................8

4.2LCD1602液晶顯示程序設(shè)計(jì)......................................................................10

5產(chǎn)品裝配與調(diào)試.....................................................................................................11

5.1產(chǎn)品裝配圖.................................................................................................11

5.2產(chǎn)品調(diào)試.....................................................................................................11

附錄1元器件清單.............................................................................................13

附錄2電路原理圖.............................................................................................13

附錄3PCB設(shè)計(jì)圖.............................................................................................14

附錄4產(chǎn)品實(shí)物圖.............................................................................................15

附錄5主程序代碼.............................................................................................15

參考資料.....................................................................................................................22

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甲醛氣體濃度檢測(cè)超限報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

1產(chǎn)品功能分析

1.1設(shè)計(jì)背景與內(nèi)容

當(dāng)人們的生活越來(lái)越好時(shí)已經(jīng)不僅僅只是關(guān)注于物質(zhì)生活對(duì)于健康的問(wèn)題

也越來(lái)越多，而在住房裝修的材料中有常常含有各種有害化學(xué)成分會(huì)引發(fā)一系

列的健康問(wèn)題。甲醛,其化學(xué)式為HCHO,是這些有害化學(xué)成分中常常被人談及的

一種,它是一種無(wú)色并具有刺激氣味的氣體,同時(shí)也是一種致癌物質(zhì),對(duì)人體健

康的危害較大,它會(huì)危害皮膚系統(tǒng)，危害眼部，危害呼吸道等。

甲醛檢測(cè)裝置也因此出現(xiàn)并應(yīng)用與檢查空氣中的甲醛濃度含量是否到達(dá)會(huì)

危害人體的程度，當(dāng)前我們能見(jiàn)到的甲醛的檢測(cè)方法中,電化學(xué)傳感器法是甲醛

監(jiān)測(cè)研究的熱點(diǎn)。在市面上可以見(jiàn)到的多數(shù)甲醛檢測(cè)儀,一般都使用電化學(xué)傳感

器。該傳感器擁有敏感電極,當(dāng)有甲醛體分子流經(jīng)此處時(shí),甲醛氣體分子會(huì)發(fā)生

電化學(xué)反應(yīng),該反應(yīng)能夠讓電路中產(chǎn)生微小的電流,當(dāng)電流與甲醛氣體的濃度成

一定的比例關(guān)系,便可以得到單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào),再通過(guò)運(yùn)算和標(biāo)定最

終能確定所檢測(cè)氣體當(dāng)中甲醛的濃度值。

甲醛檢測(cè)裝置的出現(xiàn)也為人們的健康帶來(lái)很大的保障。

1.2功能分析

(1)掌握51單片機(jī)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，并且利用C語(yǔ)言編程來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)程序

文件。

甲醛傳感器模塊檢測(cè)濃度，通過(guò)ZE08-ch2O甲醛傳感器模塊來(lái)給單片機(jī)處

理。

(2)通過(guò)LCD1602液晶第一行顯示實(shí)時(shí)的檢測(cè)值,第二行顯示報(bào)警值。

(3)通過(guò)二個(gè)按鍵，對(duì)報(bào)警值的大小進(jìn)行設(shè)置。

(4)正常時(shí)綠燈亮，紅燈滅。超限時(shí)綠燈滅，紅燈亮，同時(shí)蜂鳴器鳴叫。

(5)元器件布局及產(chǎn)品組裝，安全環(huán)保并符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1

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2設(shè)計(jì)方案選擇

2.1單片機(jī)的選擇

方案一：使用嵌入式DSP處理器作為系統(tǒng)控制器。因?yàn)镈SP是一種極其

擅長(zhǎng)于高速實(shí)現(xiàn)不同種類的數(shù)字信號(hào)的嵌入式處理器。由于對(duì)這款處理器的硬

件結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了特別的設(shè)計(jì)，可以讓他能夠高速完成各種數(shù)字信號(hào)處理算法但

是他的使用成本比較高而且他高頻時(shí)鐘的高頻干擾和功率消耗比較大。

方案二：采用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。由于單片機(jī)具有體積小、功耗低、

控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、小型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，

結(jié)合不同類型的傳感器可實(shí)現(xiàn)電壓，電流等等不同物理量的測(cè)量。采用單片機(jī)

控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，而且成本有比較低。

通過(guò)以上兩種方案比較，從設(shè)計(jì)方案的實(shí)用性，便利性和使用成本考慮，

擬定方案二，用STC89C52單片機(jī)作為中央處理單元進(jìn)行甲醛檢測(cè)裝置的設(shè)

計(jì)。

2.2顯示方案

采用LCD液晶顯示屏，這個(gè)顯示屏的顯示效果質(zhì)量高并且沒(méi)有電磁輻射以

及他的顯示面積大，采用數(shù)字式的接口和體積小巧以及功耗少的特點(diǎn)價(jià)格也比

較便宜。

對(duì)于甲醛檢測(cè)儀來(lái)說(shuō)能同時(shí)在屏幕上顯示測(cè)量結(jié)果和報(bào)警值，顯示畫(huà)面質(zhì)

量高且價(jià)格實(shí)惠并且一個(gè)1602液晶顯示屏足以。

2.3系統(tǒng)框架圖

液晶顯示模

電源模塊塊

鍵盤模塊單片機(jī)最LED燈模

系統(tǒng)塊

甲醛傳感蜂鳴器模

器模塊塊

2

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3產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)

3.1STC89C52單片機(jī)

3.1.1概述

STC89C52單片機(jī)是一種功耗低、性能高的CMOS8位的微型控制器，在系統(tǒng)

可編程Flash存儲(chǔ)器。在單芯片上有靈活而且小巧的8位CPU和可在系統(tǒng)編程

Flash，所以這種單片機(jī)為很多的采用嵌入式控制的應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供靈活

性、極其有效性的解決方案。

并擁有下面標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，RAM字節(jié)512，32位I/O接口

線，，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，全雙工

串行口并兼容MCS51指令系統(tǒng)。

3.1.2STC89C52單片機(jī)引腳圖及各引腳功能

140

P10VCC

239

P11P00

338

P12P01

437

P13P02

536

P14P03

635

P15P04

734

P16P05

833

P17P06

932

RESETP07

1031

P30/RXDEA

1130

P31/TXDALE

1229

P32/INT0PSEN

1328

P33/INT1P27

1427

P34/T0P26

1526

P35/T1P25

1625

P36/WRP24

1724

P37/RDP23

1823

XTAL2P22

1922

XTAL1P21

2021

GNDP20

圖3-1STC89C52引腳圖

STC89C52單片機(jī)采用40個(gè)引腳，雙列直插式封裝，使用HMOS制造工藝其

外部引腳如上圖3—1所示。其各引腳的功能為：

①主電源引腳

40腳（VCC），接正5V電源的；

3

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20腳（GND），接正5V電源的接地端；

②19腳和18腳是外接晶體或外部振蕩器的引腳

19腳（XTAL1），是一個(gè)接外部晶振的引腳，是一個(gè)在單片機(jī)內(nèi)部的反

相放大器的輸入端。當(dāng)他采用外部振蕩器時(shí)，此引腳必須要為接地端。

18腳（XTAL2），是另一個(gè)接外部晶振的引腳。

9腳（RESET），為復(fù)位信號(hào)輸入端，當(dāng)復(fù)位或掉電時(shí)里面RAM的電源

輸入端備用端。

30腳(ALE)，地址鎖存允許或編程脈沖輸入

29腳(PSEN)，為外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)端，當(dāng)為低電平時(shí)有效。

31腳(EA）,為訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器允許或編程電壓輸入。當(dāng)為高電平時(shí)為

訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器EA；當(dāng)為低電平訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器。

④多功能I/O口引腳

P0、P1、P2、P3為4個(gè)雙向I/O接線口，每一組I/O口接線都可

以單獨(dú)地使用做輸入或輸出口，其中：

P0口（32—39腳）—雙向口，可做為輸入和輸出口，LSTTL門電

路可驅(qū)動(dòng)8個(gè)。

P1口（1—8腳）—準(zhǔn)雙向口，可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL門電路。

P2口（21—828）—準(zhǔn)雙向口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL門電路。

P3口（10—17腳）—也叫準(zhǔn)雙向口，驅(qū)動(dòng)LSTTL門電路為四個(gè)。

有二個(gè)功能，作為第一個(gè)功能使用時(shí)，和P1口功能一樣；作為第二功能使用

時(shí)，每一位的用途都是不同特定的。

3.2按鍵電路設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品的按鍵電路設(shè)計(jì)中只采用了2個(gè)按鍵，其作用主要為調(diào)節(jié)報(bào)警閥值

的大小，分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)閾值大小的加減功能。按鍵的連接圖如下圖3-2所示；

4

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K1

KEY1

K2

KEY2

GND按鍵模塊

圖3-2按鍵電路模塊

3.3LCD1602液晶顯示電路模塊

3.3.1LCD1602液晶顯示器簡(jiǎn)介

LCD1602液晶顯示器為一種字符型的液晶顯示模塊而且使用范圍大。它是

由lcd字符型的液晶顯示屏以及控制驅(qū)動(dòng)主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路

HD44100，和一些電阻電容元件以及結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成。

此液晶顯示器有帶背光和不帶背光二種。帶背光和不帶背光的在使用中

并沒(méi)有什么很大的區(qū)別具體的分辨方法如下圖3-3所示；

圖3-3LCD液晶顯示器尺寸圖（mm)

技術(shù)參數(shù)

(1)顯示的容量:16×2個(gè)字符

(2)芯片的工作電壓:4.5-5.5V

(3)工作的電流:2.0mA，5v

(4)最佳工作電壓:5.0V

(5)字符尺寸:2.95mm×4.35mm(寬×高)

5

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3.3.2液晶顯示模塊電路及各引腳功能

(1)液晶顯示模塊接線圖（圖3—4）及各引腳功能介紹如下;

引腳1：VSS為地電源。

引腳2：VDD接5V正電源。

引腳3：VL是調(diào)整液晶顯示器對(duì)比度端，電源接正時(shí)顯示對(duì)比度最差，接

地時(shí)顯示對(duì)比度最好可以使用一個(gè)10KQ的電位器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

引腳4：RS是選擇寄存器腳。

引腳5：R/W為讀/寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操

作。

引腳6：EN為使能端，液晶模塊執(zhí)行命令時(shí)EN端將會(huì)由高電平變?yōu)榈碗?/p>

平。

引腳7-14：是8位的雙向數(shù)據(jù)線。

引腳15：背光源正極。

引腳16：背光源負(fù)極。

GND

LCD1

1

VSS

2

VCCVCC

3

VO

4RS

RS

5RW

RW

6ENR3

LEN

C7D0103

D0

8D1

DD1

9D2

D2

110D3

6D3

11D4

0D4

12D5

2D5

13D6

D6

14D7

D7

15GND

AVCC

16

K

GND

液晶顯示模塊

圖3-5液晶顯示模塊接線圖

6

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3.4甲醛傳感器模塊電路

3.4.1簡(jiǎn)介

ZE08-CH2O型甲醛模組是一個(gè)利用電化學(xué)原理對(duì)空氣中存在的甲醛進(jìn)行檢

測(cè)的通用型、小型化模組，具有不錯(cuò)的選擇，穩(wěn)定性。而且因內(nèi)置有溫度傳感

器，也可以進(jìn)行溫度等一些檢測(cè)。

3.4.2甲醛傳感器模塊電路接線圖

甲醛傳感器模塊的電路接線圖如圖3-6所示。傳感器共有7個(gè)引腳，因?yàn)?/p>

現(xiàn)在所用的是串口通信，所以只需要使用3個(gè)引腳既可，其中兩個(gè)連接GND和

VCC負(fù)責(zé)給甲醛模塊供電源，然后把的TXD引腳連接到單片機(jī)的P30引腳，該

引腳用于傳輸甲醛濃度的檢測(cè)結(jié)果。

GNDVCC

M1

GND

VCC

CH2O

TXD

ZE08-CH2O

甲醛檢測(cè)模塊

圖3-6甲醛檢測(cè)模塊接線圖

7

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4產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)

想要完整的正確實(shí)現(xiàn)甲醛檢測(cè)的功能，需要硬件和軟件二部分的共同支持

才能實(shí)現(xiàn)，上面部分為硬件設(shè)計(jì)部分由電子元器件和主要的單片機(jī)組成，在硬

件部分的充分支持下就需要軟件部分的支持來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能保證正常運(yùn)行我

們先使用Keilo軟件進(jìn)行程序的編譯，待程序編譯無(wú)錯(cuò)時(shí)在下載到單片機(jī)里，

從而完成產(chǎn)品的正常運(yùn)行。

KeilSoftware公司開(kāi)發(fā)的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，不

管是在功能上，維護(hù)性上還是在結(jié)構(gòu)性上，可讀性上，塑造性上都有著在程序

開(kāi)發(fā)領(lǐng)域明顯的優(yōu)勢(shì)，適合新手學(xué)習(xí)，容易掌握。

4.1主程序流程圖

此設(shè)計(jì)程序的軟件過(guò)程為，先進(jìn)行液晶功能的初始化，在進(jìn)行串口的初始

化然后進(jìn)行一個(gè)循環(huán)處理的過(guò)程首先讀取甲醛濃度的測(cè)量結(jié)果再顯示出測(cè)量結(jié)

果然后把測(cè)量結(jié)果和先前設(shè)置的報(bào)警閾值進(jìn)行比較，超出所設(shè)置的閾值話就啟

動(dòng)蜂鳴器并點(diǎn)亮紅色報(bào)警燈最后判斷二個(gè)按鍵是否有按下如果有就相對(duì)應(yīng)的進(jìn)

行增加或減少報(bào)警閾值的大小，就此完成一次循環(huán)過(guò)程，設(shè)計(jì)程序的主程序流

程圖如下圖4-1所示。

8

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圖4-1(主程序流程圖)開(kāi)始

液晶初始

化

串口初始化

讀取甲醛濃度測(cè)量結(jié)果

顯示測(cè)量結(jié)果

是

超出報(bào)警閥

值？

蜂鳴器報(bào)警，點(diǎn)亮

紅燈

否

是

按鍵按下？

調(diào)節(jié)報(bào)警閥值

否

結(jié)束

9

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4.2LCD1602液晶顯示程序設(shè)計(jì)

液晶開(kāi)始顯示內(nèi)容時(shí)先要確定一個(gè)位置，表示在能否在特定的地方顯示并

且液晶在顯示的時(shí)候是一位一位的如果數(shù)據(jù)顯示完則結(jié)束本次運(yùn)行如果沒(méi)有顯

示完則自動(dòng)返回直至完成顯示。流程圖如圖4-2所示。

開(kāi)始

定位行列坐標(biāo)

顯示一個(gè)字符

否

數(shù)據(jù)顯

示完？

是

結(jié)束

圖4-2液晶顯示流程圖

10

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5產(chǎn)品裝配與調(diào)試

5.1產(chǎn)品裝配圖

5.2產(chǎn)品調(diào)試

5.2.1實(shí)物調(diào)試

通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)調(diào)節(jié)液晶的清晰對(duì)比多使用一字螺絲刀等工具進(jìn)行轉(zhuǎn)

動(dòng)調(diào)節(jié)達(dá)到清晰顯示，傳感器上電后需要預(yù)熱三分鐘才能正常檢測(cè)，液晶第一

行顯示實(shí)時(shí)的檢測(cè)值，第二行顯示報(bào)警值通過(guò)二個(gè)按鍵最報(bào)警值的大小進(jìn)行調(diào)

整設(shè)置，正常時(shí)綠燈亮，紅燈滅，超限時(shí)則反之并同時(shí)蜂鳴器叫。

5.2.2軟件調(diào)試

（1）利用Keil5軟件進(jìn)行程序調(diào)試。

（2）新建工程，選擇STC89C51單片機(jī)，在工程里面添加main.c項(xiàng)目，

在main.c項(xiàng)目里面編實(shí)現(xiàn)甲醛檢測(cè)設(shè)計(jì)程序并保存到工程文件夾。

（3）編寫(xiě)完后對(duì)程序進(jìn)行編譯，編譯后在下面有一個(gè)錯(cuò)誤信息提示框，

11

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如果存在錯(cuò)誤就會(huì)提示錯(cuò)誤個(gè)數(shù)和錯(cuò)誤的地方并進(jìn)行相應(yīng)的修改

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附錄1元器件清單

附錄2電路原理圖

VCCR1

140

P10VCC1GND

LED1239D0

P11P002

338D1

P12P013LCD1

437D2

P13P0241VCC

VCCLED2536D3VSS

P14P0352

635D4VCCVCC

P15P0463

734D5VO

C1P16P0574RS

833D6RS

10uFP17P0685RWQ1R5BEEP

932D7RW

RESETP0796ENR38550

CH2O1031LEN10K

P30/RXDEAVCCC7D0103

R41130D0

P31/TXDALE1038D1

10KKEY11229DD1

P32/INT0PSEN9D2

KEY21328RSD2

P33/INT1P27110D3

1427RW6D3

P34/T0P2611D4

1526EN0D4

P35/T1P2512D5

GND16252D5

P36/WRP2413D6

1724D6

P37/RDP2314D7

X11823D7BEEP1

XTAL2P2215GND

121922AVCC

XTAL1P2116

2021BEEPK

GNDP20

11.0592M

GND

C2C3U1

30pF30pF

GND

GND蜂鳴器模塊

最小系統(tǒng)模塊液晶顯示模塊

GND

GNDVCC

VCCK1

J1KEY1

M1D1

16

R6LED1

25GND

34VCC10KK2

CH2OGREEN

powerTXDKEY2

SW1D2

R7

ZE08-CH2O