基于C8051F單片機(jī)的甲醛檢測儀設(shè)計(jì)

1、基于c8051f單片機(jī)的甲醛檢測儀設(shè)計(jì)摘要：本文設(shè)計(jì)了一款便攜式的甲醛檢測儀，以c8051f021單片機(jī)為核心，用dart sensors 甲醛傳感器作為高精度的微弱信號(hào)檢測的傳感器，利用ad8571精密運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)甲醛檢測儀的高精度檢測，同時(shí)儀器低功耗、智能化及便攜式的特點(diǎn)十分實(shí)用于室內(nèi)空氣中甲醛氣體含量的檢測。關(guān)鍵詞：甲醛檢測儀；低功耗；便攜式甲醛是一種無色、有刺激性氣味的氣體。其危害性眾所周知，其毒性較高、在常溫下極易揮發(fā)、長期接觸甲醛的人會(huì)引起慢性呼吸道疾病、基因突變等問題。近年來，隨著甲醛大量地被應(yīng)用在室內(nèi)裝修，其在空氣中的含量越來越引起人們的高度關(guān)注。本文針對(duì)普通用

2、戶使用簡單方便等特點(diǎn)，以c8051f系列單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一款便攜式、低功耗的甲醛檢測儀，使其具有便于攜帶、使用方便、智能化等特點(diǎn)。一、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)檢測甲醛的方法有很多，大致分為：分光光度法、色譜法、電化學(xué)檢測法和傳感器法【1】等。對(duì)于便攜式甲醛檢測儀的設(shè)計(jì)，利用傳感器進(jìn)行甲醛的檢測與傳統(tǒng)的利用化學(xué)試劑進(jìn)行檢測，效率更高。其中，電化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，檢測性能穩(wěn)定，能夠滿足檢測室內(nèi)甲醛氣體的要求，所以在本設(shè)計(jì)中，采用電化學(xué)甲醛傳感器對(duì)室內(nèi)的甲醛氣體濃度進(jìn)行檢測。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖如1-1所示：本設(shè)計(jì)通過甲醛傳感器、信號(hào)處理單元、單片機(jī)、人機(jī)交互等模塊組成。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1. 實(shí)時(shí)、快速

3、地檢測當(dāng)前室內(nèi)空氣的甲醛含量；2. 顯示ppm和mg/m3兩種單位；3. 判斷當(dāng)前氣體含量是否超出國家標(biāo)準(zhǔn)，如超出標(biāo)準(zhǔn)，要予以提示和警告；4. 可以查詢檢測的歷史數(shù)據(jù)；5. 儀器與電腦可進(jìn)行通信。二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)便攜式甲醛檢測儀的硬件部分主要由：甲醛傳感器、放大和濾波、單片機(jī)、液晶顯示和按鍵等部分組成。硬件結(jié)構(gòu)圖如2-1所示。1. 甲醛傳感器本設(shè)計(jì)所選用的甲醛傳感器為英國dart sensor公司生產(chǎn)的dart sensors甲醛傳感器。傳感器的示意圖如圖2-2所示。如圖所示，傳感器的表面有一層通透膜，其正中央有一個(gè)直徑為2.10min的圓孔，通透膜和圓孔的結(jié)合是為了空氣中氣體的進(jìn)入，同時(shí)又

4、有效的阻擋了灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入傳感器以致影響傳感器的測量精度或減少傳感器的使用壽命。這種傳感器屬于電化學(xué)傳感器，具有兩個(gè)電極：正電極和負(fù)電極。其工作原理為：正電極和負(fù)電極組成一電極對(duì)，浸在電解液中。當(dāng)傳感器工作時(shí)，空氣中的甲醛氣體分子通過圓孔進(jìn)入到傳感器中，具有催化性能的正電極發(fā)生氧化反應(yīng)，同時(shí)負(fù)電極發(fā)生還原反應(yīng)。由此產(chǎn)生的電流信號(hào)由正電極輸出，且電流的大小與空氣中的甲醛含量成正比。這樣就形成了由空氣中的氣體濃度轉(zhuǎn)變?yōu)榱思兹﹤鞲衅鬏敵龅碾娏餍盘?hào)。這種傳感器的檢測精度很好，輸出信號(hào)為250-300 na/ppm，使用壽命為5年。可檢測出國家標(biāo)準(zhǔn)甲醛含量內(nèi)的微弱信號(hào)，并且傳感器隨時(shí)間的變化的漂移量極小

5、，因此在設(shè)計(jì)時(shí)不用進(jìn)行補(bǔ)償。在常溫20下傳感器的活性最好。使用此傳感器時(shí)要特別注意，當(dāng)傳感器不工作時(shí)，要將傳感器的正負(fù)兩極短路，在保證傳感器的使用壽命的同時(shí)消耗兩極間積累的電荷，使其在正常工作時(shí)不會(huì)因?yàn)槲磳蓸O短路將此電荷釋放2天以致影響檢測的效率。在傳感器工作時(shí)，要去掉其短路線，保證其正常工作。2. 信號(hào)處理與放大部分由于在通常情況下，室內(nèi)的甲醛含量極低，所以甲醛傳感器所檢測出的電流信號(hào)十分微弱。所以對(duì)于微弱信號(hào)的放大，有相當(dāng)高的要求。本設(shè)計(jì)中，將傳感器輸出的微弱電流信號(hào)接入20k大小的電阻，使ua級(jí)別的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閙v級(jí)別的電壓信號(hào)。之后，將信號(hào)傳輸?shù)絘d8571運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)的放大

6、與濾波。其中，信號(hào)的濾波由rc網(wǎng)絡(luò)組成。設(shè)置反饋電阻與輸入電阻的阻值，使其放大200倍。 ad8571是adi公司生產(chǎn)的性能參數(shù)良好的軌到軌輸入/輸出高精度運(yùn)算放大器。其性能特點(diǎn)為：低失調(diào)電壓：1uv；輸入失調(diào)漂移：0.005uv/；可以進(jìn)行單電源操作（5v/3.3v）；高增益：145 db（典型值）；共模抑制比（cmrr）：140 db（典型值）；超低輸入偏置電流：10 pa的典型；低電源電流：750a/運(yùn)算放大器3。其高精度低漂移的性能參數(shù)，并帶有自調(diào)零電路，在微弱信號(hào)放大的過程中，可以有效地減少噪聲及誤差的引入，很好地保證了檢測儀的檢測精度。3. c8051f021單片機(jī)c8051f系列

7、單片機(jī)是由silicon laboratories 公司推出的真正能獨(dú)立工作的混合信號(hào)片上系統(tǒng)(system on a chip，soc)，即在單片機(jī)這一個(gè)芯片中除了具有與mcs-51內(nèi)核及指令完全兼容的微控制器和標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)之外，還集成了構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有的數(shù)字和模擬外圍接口和功能部件2。在本設(shè)計(jì)中，選用c8051f021單片機(jī)，該單片機(jī)包含與8051完全兼容的cip-5內(nèi)核，模擬多路選擇器、可編程增益放大器、12位和8位的adc、dac、64k的flash存儲(chǔ)器、uatr串口、電壓基準(zhǔn)、數(shù)字i/o端口和看門狗定時(shí)器2等。本設(shè)計(jì)將經(jīng)ad8571濾波放大等處理

8、后的信號(hào)輸入到c8051f021單片機(jī)中。通過單片機(jī)的模擬多路選擇器ain0.0通道進(jìn)行信號(hào)采集，并設(shè)置為單端輸入方式。利用單片機(jī)內(nèi)部的12位adc模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。此時(shí)，通過軟件設(shè)置進(jìn)行信號(hào)大小的判斷：當(dāng)通過硬件處理后的信號(hào)相對(duì)微?。ㄐ盘?hào)<0.5mv）時(shí)，利用單片機(jī)內(nèi)部的可編程增益放大器進(jìn)行2倍的放大，讓輸入到單片機(jī)的信號(hào)盡量接近其內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓(2.43v)，使a/d轉(zhuǎn)換更加精確。c8051f系列單片機(jī)的flash存儲(chǔ)器可以在系統(tǒng)重新編程，即既有程序存儲(chǔ)器的功能，又有非易失行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。本設(shè)計(jì)在軟件編程時(shí)根據(jù)flash存儲(chǔ)器的這一特點(diǎn)將每次檢測到的結(jié)果存入存儲(chǔ)器中，發(fā)揮其非易失性

9、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，通過按鍵的命令可以查詢之前檢測的歷史數(shù)據(jù)。方便用戶的測量比對(duì)。4. 人機(jī)交互利用單片機(jī)的i/o接口與晶聯(lián)訊公司的128*64的jlx12864039型號(hào)的lcd相連，進(jìn)行輸出結(jié)果的顯示。同時(shí)，通過開、關(guān)、檢測、查詢等按鍵實(shí)現(xiàn)檢測儀相應(yīng)的開關(guān)、檢測室內(nèi)甲醛濃度和查詢歷史檢測數(shù)據(jù)等功能。實(shí)現(xiàn)檢測儀的智能化與使用簡單的特點(diǎn)。5. 串口通信 本設(shè)計(jì)在儀器的底部設(shè)有232的通信接口，可通過232串口線與電腦相連。同時(shí)在軟件方面對(duì)串口通信增加相應(yīng)的編程，使檢測到的結(jié)果同時(shí)輸出到電腦上，在超級(jí)終端上顯示檢測到的結(jié)果。其硬件芯片使用的是max3232，通過單片機(jī)uart串口通信的接收和發(fā)送端口

10、與進(jìn)行232通信的電平轉(zhuǎn)換電路相連，即可實(shí)現(xiàn)儀器與電腦的通信。三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)硬件電路搭建好之后，在silicon laboratories ide集成開發(fā)環(huán)境中編寫c語言程序，并通過c8051f mcu調(diào)試適配器下載到單片機(jī)中。ide集成開發(fā)環(huán)境是silicon laboratories公司開發(fā)的專門針對(duì)c8051f系列單片機(jī)的集成開發(fā)環(huán)境，通過和keil c51系列的開發(fā)工具集成提供了使用c51語言進(jìn)行單片機(jī)開發(fā)的強(qiáng)大接口，主要包括編輯器、宏匯編器、調(diào)試器和編程器2。此調(diào)試器與單片機(jī)之間通過jtag接口實(shí)現(xiàn)快速和有效的系統(tǒng)編程和調(diào)試。通過單片機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)將傳感器檢測到的空氣中的甲醛含量在

11、lcd液晶顯示模塊中顯示。并根據(jù)操作者的不同的按鍵選擇來實(shí)現(xiàn)不同的功能。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3-1所示。當(dāng)開/關(guān)鍵首次閉合時(shí)，檢測儀系統(tǒng)初始化，屏幕中出現(xiàn)開機(jī)顯示。當(dāng)“檢測”按鍵按下時(shí)，待傳感器響應(yīng)時(shí)間15秒之后，系統(tǒng)將自動(dòng)檢測空氣中的甲醛含量，默認(rèn)以ppm單位形式出現(xiàn)，輸出在液晶屏幕上。如果檢測結(jié)果超過了國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前檢測結(jié)果將會(huì)閃爍予以提示。當(dāng)再次按下“檢測”鍵時(shí)，系統(tǒng)將重新進(jìn)行檢測。當(dāng)有“單位轉(zhuǎn)換”按鍵按下時(shí)，屏幕上會(huì)自動(dòng)顯示出當(dāng)前檢測結(jié)果的mg/m3單位的檢測值。若有“查詢”按鍵按下，則顯示之前檢測到的歷史數(shù)據(jù)。四、檢測儀的低功耗設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，所有元器件的選用均可采用3.3v供

12、電，大大降低了電池能量的消耗。1. c8051f021單片機(jī)的低功耗：單片機(jī)可在工業(yè)溫度（-4585）工作，并且工作電壓為2.7v3.6v。由此來減少5v供電的消耗。另外，在需要時(shí)可進(jìn)行時(shí)鐘的切換，可有效地降低系統(tǒng)的功耗。2. ad8571低功耗：ad8571運(yùn)算放大器可進(jìn)行單電源(5v/3.3v)的操作，在本設(shè)計(jì)中，選用3.3v進(jìn)行運(yùn)算放大器的供電。4.液晶低功耗：本設(shè)計(jì)所使用的液晶的工作電壓為3.0v，在led背光情況下正常工作的電流為16ma5。為了節(jié)省儀器的功耗，是否背光由檢測儀的按鍵來控制，在默認(rèn)情況下，背光功能不打開。在白天或光線較強(qiáng)的地方，lcd的字體足夠清晰。當(dāng)在夜晚或光線較暗

13、的地方，用戶可按下打開背光選擇鍵，打開lcd的背光功能。5. 串口通信低功耗：由于max3232芯片消耗的電流較大4，所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，由按鍵控制此功能的開閉。在默認(rèn)狀態(tài)下，此串口通信功能是關(guān)閉的。當(dāng)用戶需要檢測儀與電腦通信時(shí)，用232串口線將儀器與電腦連接上之后，按下串口通信按鍵，此模塊才發(fā)揮作用。這樣，就大大減少了檢測儀的功耗。6. 用戶使用時(shí)注意降低功耗： 為了降低功耗，對(duì)于檢測儀的設(shè)計(jì)，從元器件的選擇到功能模塊的設(shè)置，多方面最大限度的降低儀器的功耗。與此同時(shí)，用戶在使用是同樣注意到能源的節(jié)約會(huì)起到更好的效果。主要體現(xiàn)在：當(dāng)不使用檢測儀時(shí)，要注意關(guān)閉電源、關(guān)閉lcd背光燈按鍵和串口通信按鍵。這樣，能更有效地體現(xiàn)本儀器的低功耗特點(diǎn)。五、結(jié)論 c8051f021單片機(jī)的片上資源充分，功能強(qiáng)大。在便攜式甲醛檢測儀的硬件設(shè)計(jì)上，可充分利用單片機(jī)的片上資源，從而大大減少了單片機(jī)的外圍電路，有效節(jié)省了使用空間，降低了成本，并增強(qiáng)了儀器的可靠性。儀器上各種功能按鍵為用戶提供了更多選擇