基于单片机的室内甲醛检测仪的设计.doc

基于单片机的室内甲醛检测仪的设计.doc

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基于单片机的室内甲醛检测仪的设计

基于单片机的室内甲醛检测仪的设计

摘要：

室内空气质量的好坏直接影响到人体的健康，其中甲醛的危害更是亟待解决的问题。

因此，测定室内甲醛含量也成为一个具有意义的研究。

本设计主要针对居民住楼的甲醛含量可能超标设计的。

设计采用电化学甲醛传感器作为数据的感知部分，电化学甲醛传感器器较其他的甲醛含量检测方法操作简单，成本相对较低，适合用于实验的研究和室内甲醛含量的检测。

该甲醛含量采集系统能够达到0.01mg/m3的精度，并且将结果用液晶屏显示出来，当甲醛含量超过设定标准是发出警告。

关键词：

MSP430电化学传感器甲醛含量

一方案设计

实验以MSP430F149单片机作为系统的核心，通过按键控制液晶显示和驱动放大电路。

1.1单片机的选择论证

方案一：

采用MC68HC05/08系列单片机对系统进行控制。

其乘法和除法指令给编程带来了便利。

但是其指令系统共有89条指令，不利于CPU的执行速度。

方案二：

采用MCS-51系列单片机对系统进行控制。

MCS-51系列单片机采用哈佛体系结构，其程序存储器和数据存储器独立编址。

7中寻址方式，111条系统指令，操作简单适合于简单系统。

方案三：

MSP430F149单片机内部资源比51单片机丰富，并且具有可以调节的晶振频率，是编程更为灵活。

综上所述由于设计的系统简单，所以选择方案三。

综上所述选择方案一。

1.2传感器的选择论证

检测室内甲醛含量的方法有许多种，以下表格给出一些典型的方法和其特点。

方法

优点

缺点

电化学传感器法

操作简单快速便携方便

易受其他气体干扰，

可调激光吸收光谱法

灵敏度高

仪器要求工艺高，价格过高

差分光学吸收光谱法

灵敏度高

需要很长光程方可达到要求的灵敏度

窄带吸收法

灵敏度高

需要很长光程方可达到要求的灵敏度，不适合现场检测

衰荡腔光谱法

灵敏度高

光路复杂，成本高

甲醛电化学传感器的主要技术指标如下：

测量范围：

0—10ppm

响应时间:

小于50秒

最大负荷：

50ppm

输出信号：

1200±300Na/ppm

分辨率：

0.05ppm

根据以上表格和电化学传感器的主要技术指标，选择电化学法进行实验。

CH2O/M-10型号的甲醛电化学传感器。

1.3人机模块的选择论证

方案一：

采用独立按键和数码管作为人机接口。

编程简单可行，但是显示过于枯燥，独立按键不利于人机交互。

方案二：

采用4*4键盘和LCD1602作为人机接口。

4*4具有16个按键，设置更为灵活，具有字库使显示更加明了，编程简单。

采用方案二。

二硬件电路设计

硬件设计部分：

传感器接口电路设计，放大电路设计，外围模块的电路设计（电源模块，液晶显示模块，无线模块，键盘模块，串口通信模块等）

以单片机为核心，接收到传感器经过接口电路、信号放大电路后的的信号，在单片机内部集成的AD对数据进行采样，编写程序对数据进行处理，将数据结果即甲醛的浓度输出，并且，如果甲醛的含量超标则报警。

报警部分

显示部分

MSP430F149

传感器接口电路

信号放大电路

甲醛传感器

AD转换

系统总流程框图

2.1恒电位电路原理

由甲醛传感器的工作原理可知，甲醛气体扩散至传感器内部，在与传感器内部的溶液发生氧化还原反应，工作电极的表面电极被消耗，转移一定量的电子数目，从而产生电流信号，产生的电流为微安级。

由于信号的产生，甲醛传感器本身的电位发生变化，导致工作电极与对电极表面的氧化还原反应变得不稳定，因此在传感器的测量电路里，应加入传感器的恒电位电路，以保证工作电极与参考电极之间的电压稳定。

在以下电路中U1B部分为恒电位电路，维持参考电压RET和工作电压WE之间的电压稳定，即使甲醛与内容溶液发生化学反应，WE电压依然稳定。

恒电位电路图

2.2放大电路原理

由于电压信号很微弱，需要进行信号的放大。

如下图所示，该信号放大电路为二级放大，第一级放大U1的放大倍数最高可达100倍，并且可以通过R1调节放大倍数。

第二级放大U2与第一级放大基本一致，由R2调节放大倍数，选择0—100的放大倍数。

经过两级放大，已经可以满足要求。

信号放大电路图

2.3测量电路

由于对电极CE和参考电极REF由恒电位电路控制，CE和REF之间的电压一直处于稳定状态。

输出的电流信号经过R3，转换成电压信号。

传感器的测量电路电路图

2.4外围模块设计

便携式甲醛检测仪的硬件外围模块主要包括液晶显示模块，键盘模块，电源模块等。

MSP430F149作为主控芯片，其外围设备有液晶显示模块，矩阵键盘模块，内置AD转换模块以及电源模块。

键盘模块用于输入和操作，显示模块用于显示经过单片机处理过的数据。

MSP430F149

显示模块

键盘模块

AD模块

供电模块

主控制器电路

2.4.1液晶模块设计

采用1602液晶显示以显示数据

液晶显示电路设计

2.4.2键盘界面设计

键盘模块是为了让用户输入数据，启动或暂停仪器的工作，实现人机互动。

设计采用4*4矩阵键盘。

4*4矩阵键盘电路设计

2.4.5模数转换模块

MSP430F149自带模数转换模块，不需要另外设计，可以节省时间降低成本。

MSP430的ADC模块为12位，有12个模拟通道。

三软件设计

3.1软件总体设计

采用C语言进行编程，方便快捷。

通过按键启动仪器，如果需要可以设置甲醛上限报警，整个系统由主程序，中断服务程序模块、数据处理模块和显示子程序模块组成。

以下为系统流程图，供电后，按下启动按键即可进入主界面。

在主界面里可以选择需要控制的量。

否

是

模块初始化

主界面

设置上限

设置采样间隔

恢复出厂设置

刷新显示

显示是

否完成

开始

结束

系统流程图

3.2数据采集处理模块设计

由键盘控制是否进行采样并设定采样的间隔时间，键盘输入信号，经由单片机处理并反映，控制ADC进行数据的采集。

并将采集回来的数据进行处理。

否

否

是

是

初始化

键盘

采样？

开始采样

读高位数据的地址，读高位数据

读低位数据的地址，读低位数据

采样完毕？

计算甲醛含量

开始

结束

数据采集处理模块流程图

3.3显示模块设计

仪器的显示模块采用LCD1602，可以显示数字和字符。

所用到的驱动函数包括：

液晶写数据函数、液晶写命令函数、液晶读数据函数液晶读状态函数、液晶初始化函数、液晶在指定位置显示一个字符函数以及液晶在指定位置显示一串字符函数。

显示模块的所有功能，对于本课题所用的LCD1602驱动函数，其中的液晶初始化函数已经包括了初始化和清屏两大功能，此外，在指定位置显示一串字符的函数也已经包括了设置显示位置和显示字符串的两大功能，因为在本课题的实际编程中对于液晶显示模块的设计相对来说比较简单。

开始

结束

初始化

清屏

显示字符

显示数字

显示模块流程图

五．结论

仪器到达的精度为0.01mg/m3主要的误差来源：

1.AD转换产生的误差

AD转换产生量化误差，量化误差和AD的分辨率是统一的，量化误差是由于有限数字对模拟数值进行量化而引起的误差。

因此，在理论上量化误差为一单位分辨率，即±1/2LSB。

提高AD的分辨率可以减小量化误差。

2.相对湿度引起的干扰

电化学传感器中含有能与被测物质起化学反应的电介质，甲醛必须与少量的水分子结合后才与电介质发生化学反应。

因此少量的水分子存在时必要的。

然而，过多的水分子的存在，会在电极上引起干扰，以因为水分子也会在电极上被分解而形成电流。

当外界甲醛的含量为0时，如果空气的相对湿度超过45%，则输出的电压不为零。

如果空气相对湿度低于45%，传感器中的水分向外散出，输出电压为负。

3.其他气体的影响

在空气中还含有其他可与电极发生氧化还原反应，比如二氧化硫等。

如果可以测出这些气体的含量，则可以在软件部分作出补偿或者修正。

仪器的优势是：

在传感器的选取上，选择了精度更高的电化学甲醛传感器，分辨率达到0.01ppm，达到精度要求，也减小了量化误差。

在软件设计方面，将湿度和气体干扰产生误差进行补偿，提高测量的精度。

参考文献

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