本科毕业论文_基于单片机的室内甲醛检测仪的设计

刘工在线

1 绪论
  B# n' u3 ~1 ~. O& F0 x1.1 引言
1 c9 O7 [0 H* g! c/ k+ i甲醛是一种无色有强刺激性气味的气体。溶于水、醇类和醚。甲醛在室温下是气体,通常
以水溶液的形式存在。37%的水溶液称为福尔马林， 医疗和科研部门通常用来做标本的防腐保
存。在我们国家有毒化学物质优先控制名单中甲醛位居第二。甲醛一直是世界卫生组织确定
: S- ^0 ]5 e- ~8 G( o为癌症和导致畸形的物质材料[1]。甲醛可以和蛋白质结合,吸入高浓度甲醛会引起呼吸道严重
" z5 A5 [& s4 A6 d  T的刺激和水肿、眼痛、头痛，也可能发生支气管哮喘，人的皮肤直接接触甲醛,可能会引起皮
炎、皮肤色斑、皮肤坏死。经常吸入甲醛,也能导致慢性中毒,出现黏膜充血、皮肤刺激疾病、
# [" M% l* [& m2 C7 J过敏性皮炎、指甲角化以及脆弱等。全身症状有头痛、疲劳、心悸、失眠、体重减轻和植物
- l5 x$ O/ Y/ k# D# l神经紊乱等[2]。
甲醛的来源途径一般有这个方面：
1．室内装饰材料里面的合成板材,如胶合板、细木工板、高密度板、刨花板。甲醛在这些
板材中起胶合剂、防腐剂的角色,主要用于加强材料的硬度、防虫、腐蚀。板材里的残余和未
4 a! M/ W5 |( I% Z参与反应的甲醛向周围生态环境逐步释放甲醛,是室内空气中甲醛的主要来源。
2．使用合成板制造家具,厂家为追求利润的不惜使用不合格的木料板材,再粘贴材料表面时
0 T  f7 a9 ^6 R# h使用不合格的胶水,导致家具的甲醛含量超标。
3．含有甲醛并且可能会向周围环境发出的各种装饰材料,如墙纸、地毯、油漆等。
" @7 b( [7 U* ~; c5 d3 U1.2 甲醛检测仪的种类
* g3 {. ~% x3 h0 l: V目前, 市场的甲醛检测器有许多不同的种类, 其中比较常见的是使用试验纸光电光度法,
0 H( l5 w, o8 D  l; X当甲醛吹到浸有发色剂的试纸上时, 浸有发色剂的TAB组合就会发生化学反应使标签颜色发生
  i; @8 V, V% M( P$ _/ x- h变化。在接触甲醛后溶解在试纸里的试药就会和甲醛发生化学反应产生化合物, 试纸的颜色会
# }- M& v% ?* u8 N1 f# z从白色变成黄色。颜色改变的程度可以反映出所受光的反射光量，反射光量的强度变化率强
. @8 w( ~4 M4 l度可以作为被测气体的甲醛含量的预测值。预先设定检测线, 可以通过测量反应率来检测甲醛
浓度的含量。在收集气体的方法上有的是使用自动吸引方式( 内置微型空气泵), 一些使用扩散
式。用测试纸光电光度法分析甲醛的浓度, 它的优点是灵敏度高, 操作简单, 快速测定。但是这
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' J4 R7 [9 w3 _; t; [种方法在分析甲醛浓度时, 往往是目视比色法, 它的缺点是:
（1）因为许多有色溶液是不够稳定的, 不能长久保存, 经常需要在测定的时候现配制溶
  T. q, I+ B( N  Q* f. b液, 比较费时费力费事。
（2）目视比色法的精度低，准确率不高，一般相对误差为±5～20。
) Y& w$ p8 M* B4 O& f本文设计的便携式甲醛检测仪所使用的甲醛传感器是电化学传感器。它可以使甲醛的浓度
0 w; o( Q6 X- p转换成微弱的电流信号。这样可以通过电流电压变换电路使微弱的电流信号转换为可以测量
的稳定的电压信号, 增强了该电信号的稳定性。
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7 L2 r$ a; K: m# x, u2 整体设计方案
2.1 系统设计的基本要求
本次设计的主要内容是设计一种基于单片机的室内甲醛检测仪，主要利用单片机和放大
- s0 d* Q8 h, j电路对甲醛传感器的输出信号进行采集处理。
0 R9 j; H8 s. R7 G& `$ V# F- m设计基本要求：
（1）快速检测功能：当将仪器至于封闭环境时能快速测出甲醛浓度并显示。
' [( Q, P  ^  k; z' u6 t(2 ）超标报警功能：当甲醛浓度超出国标时给予报警提示。
- q3 y: d: V  R/ o8 G7 t9 i9 p1 D; h2.2 系统设计的思想
随着现代电子技术的迅速发展，传感技术已形成一个独立的新兴的高科技领域。传感器
的高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，其便携式的特点尤其
% `/ {6 O3 a% c2 i( n6 H" L适合于野外、现场分析的需要。本设计拟采用英国达特公司生产的CH20甲醛传感器，传感器
+ V* D( d4 l( N0 U7 v6 \6 ?! B7 z的贵金属电极与挥发的甲醛气体发生反应，产生与挥发的甲醛浓度成正比的电信号。由于甲
醛传感器产生的电信号十分微弱，不能直接与控制电路相连接使用，我们将其首先经过一个
- ?7 m8 R0 X- q/ E6 ^" M7 O& u放大电路，将信号放大，再经过模／数转换器将模拟信号转换成数字信号，在单片机电路的
6 u" w  ^( L# i1 j7 P  U4 q0 N作用下，通过LCD将空气中甲醛含量的浓度用数字显示出来[3]。
创新点：
（1）使化学检测转化为电信号检测。
（2）应用单片机来显示最后结果，成本低。
（3）设备便于携带，操作简单。
（4）实现单片机控制的智能化。
2.3 系统设计方案的对比选择
" v$ g9 I9 R4 I: ]7 e, p! b方案一：基于普通51单片机和国产MQ138传感器的设计方案
国产MQ138传感器中能基本实现甲醛测量需要，其信号可以经过放大电路，在经过AD转
换芯片后送给单片机进行处理最后显示。其工作模块可以分为： 传感器、放大电路、AD电路、
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单片机、显示电路。通过这几个部分的结合可以基本实现设计的功能，但是由于MQ138传感
, U1 [% ^! ~( b( F% ^, ~器的线性度极其不理想，而且其测量范围为1ppm～10ppm，最低测量值已经远远超过国家标
9 i  W. T& f/ c! Q准的最低值0.8ppm。系统所采用的单片机只能进行数据处理，仍需要另外购买AD芯片，给系
统造成成本增加，且对电路的性能会造成影响。
6 x- x; X& h$ B1 ~" W, K方案二：基于增强型单片机和进口传感器的设计方案
/ ]& ^" j+ P; `8 i英国达特（DART ）公司的甲醛传感器虽然价格为MQ138的两倍，但其拥有稳定的线性度，
且灵敏度达到0.01ppm,可以满足测量国家标准。系统工作模块也分为传感器、放大电路、AD
/ j' r' E2 [$ j0 x7 {/ F% F8 o/ P电路、单片机、显示电路。系统才用的是增强型51单片机即STC12C5A60S2单片机，不但拥有
& x. ~9 C3 U5 ~, U2 ~超高的执行速度而且内置了10位的AD转换，可以简单化电路，更可以节约一定的成本，对整
$ P9 i/ b; _' R2 k- `, d体电路的稳定性能更有保障。
两个方案的比较：方案一，虽然基本满足测量需求，但是0～1ppm的范围为盲区，无法测
量更无法在超过国标时及时提醒，系统整体稳定性不高。方案二，完全能够满足测量需求，
精度高，功耗更低，电路设计简单，稳定性高，更加可靠，所以选用方案二。
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; k' [& R+ I8 S# J% V: W# C3 设计开发工具介绍
3.1 单片机的概念和特点
现代社会中，尽管PC机的应用已经相当普遍，但是，在工控领域，在日益追求小而精、
, J6 V3 H! A9 ?0 a. Q  }& W2 ]轻而薄的自动化控制器、自动化仪器仪表、家电产品等方面,PC 机仍有所不相适宜的地方。而
工业控制、仪器仪表、家电产品等市场广阔，要求PC机技术与之相适应。在这种情况下，单
9 k# W' ^2 T4 c1 D' J片机应运而生了（也称作微型计算机） 。
4 k9 W0 A6 f# _: ^% i微型计算机的基本机构是由中央处理器、储存器、和I/O 设备构成的。所谓的单
# A8 h* e- {& s! ?; q2 W8 s片机是指将微型计算机3 个单元的多个分体中的主要功能用1 个集成电路芯片来实现， 该芯
: a! K& x7 z6 m' g8 m6 G1 t片具有一个微型计算机的基本功能。这种超大规模集成电路芯片即称为单片微型计算机，通
常简称单片机。
( ?( S8 L) M) \1 j. _单片机具有以下特点：
(1) 受集成度限制， 片内存储容量较小， 一般8 位单片机的ROM小于8/16K 字节，RAM小
  r3 @( |  @$ X! ?+ P9 t1 [于256 字节，但可在外部扩展，通常ROM、RAM可分别扩展至64K 字节。
' p9 i+ D% z9 j(2) 可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般通
- \0 ~( v& Q+ {: i; X. ~用CPU；程序指令及常数、表格固化在ROM中不易破坏；许多信号通道均在一个芯片内，故可
靠性高。
(3) 易扩展。片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总
线及并行、串行输入/ 输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
(4) 控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中具有极丰富的条件
分支转移指令、I/O 口的逻辑操作以及位处理功能。一般说来， 单片机的逻辑控制功能及运行
) u# f% b3 \! i速度均高于同一档次的微处理器。
4 s+ i9 w( q- j  v! o- F9 G(5) 一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只放置有用户调试好的应用程序。
4 E! N! k# x" F; ~2 i' m但近年来也开始出现了在片内固化有BASIC解释程序的单片机。
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5 K$ T0 b% N6 Q6 C6 [3 W3.2 单片机的发展和趋势
$ `, F  s- S$ p" k& }4 H由于单片机具有以上特点，因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和
各种家用电器等领域得到广泛的应用。随着微电子工艺水平的提高，近十年来单片微型计算
机有了飞速的发展。归纳起来，它是沿着两条路发展的：
. A. Y6 A: G9 V. A% i( |( ^: W1. 改进集成电路制造工艺，提高芯片的工作速度，降低工作电压和降低功耗：
1 T# h7 V. u& @2 f2. 在保留共同的CPU体系结构，最基本的外设装置（如异步串行口，定时器等）
. p- Z, F0 u8 |; U: {和一套公用的指令系统的基础上，根据不同的应用领域，把不同的外设装置集成到芯片
内，在同一个家族内繁衍滋生出各种型号的单片机。另外在单片机的应用中，可靠性是首要
因素，为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年
来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，主要表现在一下几
点：

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