近年来, 住宅内部装潢材料中含有的有害化学成分常常引发眼睛和喉咙疼痛, 皮炎等一系列健康问题, 人们习惯称之为“装潢病”, 在导致“装潢病”的诸多物质中, 甲醛可算是罪魁祸首。甲醛也叫蚁醛, 是一种无色具有强烈刺激性气味的气体, 易溶于水, 也是一种潜在的致癌物质, 这种物质常被用作树脂, 高分子合成材料的原料, 但它是“不安分”的, 很容易摆脱束缚, 从这些材料中“逃逸”出来, 对人体健康造成很大的伤害。在建筑装潢领域广泛使用的黏合剂中, 可以频频发现甲醛的“踪迹”, 这就难怪新建的住宅或是刚刚装修的房屋中甲醛含量常常超标。单片机具有通用性强、体积小、价格低、稳定可靠等优点, 在智能产品、测控系泛的应用统等领域得到了广泛应用。用单片机设计的甲醛浓度的测试系统, 可在实地直接显示甲醛浓度值, 及时报警, 方便实用。
1 课题研究的方案和设计
1.1 硬件方案
硬件设计时, 考虑甲醛浓度是由传感器把非电量转换为电量, 传感器输出的是4mA～20mA的电流值且电流值稳定, 外部干扰小等, 可以直接把传感器输出的电流经过电流电压转换器RCV420, 根据转换原理可将其转换为0～5V稳定电压值, 经过信号的预处理过程后, 将输出的模拟电压送入模数转换器5G14433采集数据, 将转换后数据送入单片机进行处理。此外还需接入数码管显示电路、报警电路、复位电路等。设计主要是由测量电路、单片机AT89C51、显示电路和报警电路组成。其中测量电路包括甲醛传感器采样信号、电流电压转换电路、模数转换电路。将数据采集的结果存储到单片机中, 通过单片机的控制电路, 分别实现其功能:显示电路显示测量的结果, 即浓度值。在软件编程时设定标准值, 当测量值超过设定的标准值时, 单片机控制报警电路报警。
1.1.1 电流电压转换电路
由甲醛传感器输出的4mA～20mA, 稳定电流, 须经过预处理才能进行A/D转换, 所以需要经过电流电压转换器RCV420将其转换为0～5V模拟电压, 二个REF COM引脚分别接地, REF IN、REF OUT和REF FB三个引脚相连, CT端接地, RCV OUT、RCV FB相连作为转换后模拟电压的输出端。
1.1.2 模数转换电路
将电流电压转换器输出的0～5V模拟电压, 输入到模数转换芯片5G14433的电压输入端进行A/D转换, 5G14433内部由模拟电路和数字电路两部分组成, 主要包括:时钟发生电路、模拟电路、计数器、锁存器、多路选择开关、超量程判别电路以及极性电路组成。时钟脉冲输入输出端接入一个300K的电阻, 构成RC振荡器。4、5、6引脚接入电阻和电容, 7、8引脚接入失调电压补偿电容, 这5个引脚组成积分比较电路, 实现自动校零。VREF引脚接入MC1403精密电源作为参考电源。
1.1.3 显示电路
显示电路采取4位数码管显示, 分别显示模数转换后的4个十进制数, 显示顺序为从左到右, P0口作为段码输出, 经同向驱动器7407分别与4个数码管的a～dp端相连, 单片机的P 2口低四位作为位码控制, 通过反相驱动器7545分别与数码管的公共端相连, 其中驱动电路的作用为为数码管显示提供较大的驱动电流。
1.1.4 报警电路
P2.4口接一个报警电路。P2.4口为高电平时输出一脉冲方波, 方波经放大滤波后, 驱动扬声器发声, 发出的声音为单频率的声音。当P2.4口为低电平时, 扬声器不发声报警。
1.1.5 复位电路
单片机AT89C51的RST端接入手动按键电平复位电路, 它主要是通过按键时使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。系统复位以后, 报警声停止, 2 7 H单元与28H单元中的内容清0, A与DPTR中的内容为零, P0～P3口为FFH。
1.2 软件方案
软件方案主要包括模数转换、存储、显示、报警等子程序。系统上电后经初始化, 允许CPU开中断。首先由传感器输出的电流经电流电压转换器转换为0～5V电压, 再送入模数转换器进行模数转换, 一次转换结束, 向单片机产生一个外部中断, 单片机执行中断服务程序, 将转换后的千位百位, 十位和个位分别存储在27H和28H单元。为了便于报警程序的编写, 将4个4位BCD分别存储在30H～33H单元, 调用显示子程序显示浓度值, 当超过规定值时, 调用报警子程序报警。
2 调试分析
调试分析包括硬件调试分析和软件调试分析及软、硬件联调。由于硬件调试分析和软件调试分析是独立进行的, 所以可以先调硬件再调软件。在调试中找出错误、缺陷, 判断各种故障, 并做出软硬件的修改, 直至没有错误。
2.1 硬件调试
用Protel 99 SE软件来连接电路图并进行电气规则检查, 在元器件库里选取元器件电流电压转换器RCV420, 精密电源M C1403, 4位数码管。在原理图的编辑页面, 将单片机8051芯片编辑成AT89C51引脚图, 将具有24个引脚的芯片编辑成模数转换器芯片5G14433, 将甲醛传感器用一个方框表示, 依次连接甲醛传感器与RCV420、5G14433、AT89C51和数码管, 同时进行RCV420、5G14433、AT89C51本身芯片的电路连接, 报警电路, 复位电路以及驱动电路的连接, 电路连接好之后, 把电阻电容等用到比较多的小元器件标上名称和序号, 保存后进行电气规格检查, 保证最后连接无错误。
由于甲醛传感器只用方框代替, 无电气特性, 所以整个电路连接后只有甲醛与RCV420连接一处有一个错误, 其余无错误。
2.2 软件调试
用Keil uUision2仿真软件对编写的程序进行纠错, 首先建立一个项目文件, 然后添加.asm文件, 将编写的CPU执行一段中断服务程序的过程 (初始化程序、A/D转换子程序、存储子程序、显示子程序和报警子程序) 写入文件进行编译、改错, 直到程序无错误。
3 结语
本课题主要任务是设计一个基于单片机的室内甲醛测试系统。通过详细设计, 实验结果满足设计的基本要求, 达到设计的指标。实现可用软件编程设定标准浓度值, 并用数码管显示, 而对超过标准值的浓度值进行发声报警。本设计过程包括了硬件电路设计和软件程序的编写两部分。硬件电路部分结构简单, 使用方便, 适合大众化使用。软件部分采用模块化设计思想, 各个子程序的功能相对独立, 便于调试和修改。
摘要：本文是利用单片机来实现的室内甲醛浓度的测试, 设计的总体思路是接收信号-信号转换-数据采集-存储-显示。首先是利用甲醛传感器将气体转换为电信号。当空气被其内部的采样系统吸收后, 产生一个与甲醛浓度成正比的电流, 此电流经过甲醛模块的信号调理, 经电流电压转换器RCV420转换成0～5V的电压, 该电压经过模数转换器5G14433进行数据采集, 将模拟信号转换成数字信号, 然后与8051单片机相连, 将转换后的结果存储在单片机中, 显示器上直接显示测试结果, 即甲醛浓度。本设计基本实现了单片机控制电路, 传感器输出范围要明确以及手动复位等知识点要求, 总体设计具有测量精度高、功能全、使用方便等特点。
关键词：单片机,甲醛传感器,模数转换器,电流电压转换器
参考文献
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