基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)(共13頁(yè))

1、基于(jy)單片機(jī)的室內(nèi)甲醛檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的室內(nèi)(sh ni)甲醛檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)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(wèn)題。因此，測(cè)定室內(nèi)甲醛含量也成為一個(gè)具有意義的研究。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)居民住樓的甲醛含量可能超標(biāo)設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)采用電化學(xué)甲醛傳感器作為數(shù)據(jù)的感知部分(b fen)，電化學(xué)甲醛傳感器器較其他的甲醛含量檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，適合用于實(shí)驗(yàn)的研究和室內(nèi)甲醛含量的檢測(cè)。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(lái)，當(dāng)甲醛含量超過(guò)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

2、 方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以MSP430F149單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心，通過(guò)按鍵控制液晶顯示和驅(qū)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。其乘法和除法指令給編程帶來(lái)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(duì)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(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址。7中尋址方式，111條系統(tǒng)指令，操作簡(jiǎn)單適合于簡(jiǎn)單系統(tǒng)。 方案三：MSP430F149單片機(jī)內(nèi)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(jì)的系統(tǒng)簡(jiǎn)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(cè)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(diǎn)。方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電化學(xué)傳感器法操作簡(jiǎn)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(jià)格過(guò)高差分光學(xué)吸收光譜法靈敏度高需要很長(zhǎng)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(zhǎng)光程方可達(dá)到要求的靈敏度，不適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)衰蕩腔光譜法靈敏度高光路復(fù)雜，成本高甲醛(ji qun)電化學(xué)傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)量范圍： 010ppm響應(yīng)(xingyng)時(shí)間: 小于50秒最大負(fù)荷(fh)： 50ppm輸出信號(hào)：1200300Na/ ppm分辨率：0.05 ppm根據(jù)以上表格

4、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(shí)驗(yàn)。CH2O/M-10型號(hào)的甲醛電化學(xué)傳感器。1.3人機(jī)模塊的選擇論證方案一：采用獨(dú)立按鍵和數(shù)碼管作為人機(jī)接口。編程簡(jiǎn)單可行，但是顯示過(guò)于枯燥，獨(dú)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(gè)按鍵，設(shè)置更為靈活，具有字庫(kù)使顯示更加明了，編程簡(jiǎn)單。采用方案二。二 硬件電路設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)部分：傳感器接口電路設(shè)計(jì)，放大電路設(shè)計(jì)，外圍模塊的電路設(shè)計(jì)（電源模塊，液晶顯示模塊，無(wú)線模塊，鍵盤模塊，串口通信模塊等）以單片機(jī)為核心(hxn)，接收到傳感器經(jīng)過(guò)接口電路、信號(hào)放大電路后的的信號(hào)，在單片機(jī)內(nèi)部集成的AD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)

5、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(bào)警。報(bào)警部分顯示部分MSP430F149傳感器接口電路信號(hào)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(kuò)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(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(hào)，產(chǎn)生的電流為微安級(jí)。由于信號(hào)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(duì)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(cè)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

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(xué)反應(yīng)，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(hào)很微弱，需要進(jìn)行信號(hào)的放大。如下圖所示，該信號(hào)放大電路為二級(jí)放大，第一級(jí)放大U1的放大倍數(shù)最高可達(dá)100倍，并且(bngqi)可以通過(guò)R1調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。第二級(jí)放大U2與第一級(jí)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(guò)兩級(jí)放大，已經(jīng)可以滿足要求。信號(hào)放大電路圖2.3測(cè)量(cling)電路由于對(duì)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(hào)經(jīng)過(guò)R3，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。傳感器的測(cè)量(cling)電路電路圖2.4外圍模塊設(shè)計(jì)便攜式甲醛檢測(cè)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(shè)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(guò)單片機(jī)處理過(guò)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(shè)計(jì)(shj)采用(ciyng)1602液晶顯示以顯示數(shù)據(jù)液晶顯示電路設(shè)計(jì)2.4.2鍵盤界面設(shè)計(jì) 鍵盤模塊是為了讓用戶輸入數(shù)據(jù)，啟動(dòng)或暫停儀器的工作，實(shí)現(xiàn)

8、人機(jī)互動(dòng)。設(shè)計(jì)采用4*4矩陣鍵盤。 4*4矩陣(j zhn)鍵盤電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)(shj)，可以節(jié)省時(shí)間降低成本。MSP430的ADC模塊為12位，有12個(gè)模擬通道。三 軟件設(shè)計(jì)3.1軟件總體設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，方便快捷。通過(guò)按鍵啟動(dòng)儀器，如果需要可以設(shè)置甲醛上限報(bào)警，整個(gè)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(dòng)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。否是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(shè)計(jì)由鍵盤控制(kngzh)是否進(jìn)行采樣并設(shè)定采樣的間隔時(shí)間，鍵盤輸入信號(hào)，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(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)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(shè)計(jì) 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(dòng)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(gè)(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(duì)于本課題所用的LCD1602驅(qū)動(dòng)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?yàn)樵诒菊n題的實(shí)際編程中對(duì)于液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)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(dá)的精度為0.01mg/m3主要的誤差來(lái)源：AD轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差A(yù)D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(duì)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

11、1/2LSB。提高(t go)AD的分辨率可以減小量化誤差。相對(duì)濕度引起(ynq)的干擾電化學(xué)傳感器中含有能與被測(cè)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(shí)必要的。然而，過(guò)多的水分子的存在，會(huì)在電極上引起干擾，以因?yàn)樗肿右矔?huì)在電極上被分解而形成電流。當(dāng)外界甲醛的含量為0時(shí)，如果空氣的相對(duì)濕度超過(guò)45%，則輸出的電壓不為零。如果空氣相對(duì)濕度低于45%，傳感器中的水分向外散出， 輸出電壓為負(fù)。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(cè)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(shì)是：

12、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(jì)方面，將濕度和氣體干擾產(chǎn)生誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提高測(cè)量的精度。參考文獻(xiàn)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(xué)，2008.2 謝躍東. 基于MSP430的室內(nèi)甲醛(ji qun)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)D.太原理工大學(xué)，20123 凌振寶等.基于MSP430單片機(jī)的智能(zh nn)變送器設(shè)計(jì)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(guó)測(cè)試技術(shù)，2008，34（1）：100104.5 張曉鳳.甲醛檢測(cè)方法研究進(jìn)展 J.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（1）.6 朱春紅.淺談甲醛檢測(cè)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(cè)儀的研究 D.吉林大學(xué)，2006.8.杜娟.便攜式現(xiàn)場(chǎng)甲醛檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)D.鄭州大學(xué)，20