电子测量大作业-甲醛检测系统设计

华东交通大学

电子测量大作业

题目甲醛检测系统的设计课程名称电子测量

院部名称信息工程学院

专业通信工程

班级 11 通信xx

学生姓名 xxx 学号 2011xxx

指导教师黄德昌

摘要

随着社会的发展，生活质量的提高，越来越多的人们意识到房屋装修所残留的气体对人体的伤害，而房屋装修所残留的气体主要为甲醛。甲醛对人体健康有较大的危害，许多疾病的诱发都与甲醛有关，如哮喘，白血病等。对此我们研究并设计了一种用于检测室内气体中所含甲醛含量的检测系统。该检测系统具有显示甲醛含量以及超标报警的功能。该系统设计方案是基于AT89C52单片机，选择MQ138型甲醛传感器。在系统中传感器模块输出的标准电流经由A/D转换电路转换为单片机能识别的信号，单片机对此信号进行处理，最后将甲醛含量显示在LCD上，并在甲醛含量超标时进行报警。

关键词：甲醛；单片机；传感器

Abstract

With the development of social, improved of life, more and more people realize the damage of the housing renovation residual gases on the human body, housing renovation of the residual gas is mainly for formaldehyde. Formaldehyde greater harm to human health, many diseases induced is relevant to formaldehyde, such as asthma, leukemia, etc. We study and design a detection system is used to detect indoor gas contained formaldehyde content. The detection system shows the formaldehyde content and Alarming. The system design based on AT89C52, select MQ138type formaldehyde sensor. Through the A/D converter circuit to convert the signal for the MCU can identify in the standard current output of the sensor module, MCU processing of this signal, finally, the formaldehyde content is displayed on the LCD, and alarm excessive levels of formaldehyde.

Key words: Formaldehyde; Singlechip; Sensor

目录

摘要------------------------------------------------------------------------------1 第一章绪论------------------------------------------------------------------3 1.1 引言------------------------------------------------------------------------3 1.1.1甲醛的特性及危害----------------------------------------------------3 1.1.2甲醛的来源-------------------------------------------------------------3 1.2甲醛检测仪的种类-------------------------------------------------------3 第二章传感器与处理器的介绍------------------------------------------4 2.1传感器----------------------------------------------------------------------4 2.2处理器----------------------------------------------------------------------4 第三章仪器方案设计------------------------------------------------------4 第四章硬件设计------------------------------------------------------------6 4.1 系统总体结构及工作原理----------------------------------------------6 4.2系统主要模块介绍-------------------------------------------------------6 4.2.1数据采集模块----------------------------------------------------------6 4.2.2数据显示模块-----------------------------------------------------------7 4.2.3报警电路----------------------------------------------------------------8 4.2.4数据转换模块----------------------------------------------------------9 第五章软件设计------------------------------------------------------------10 5.1编写语言及编写软件简介-----------------------------------------------10 5.2注程序模块-----------------------------------------------------------------10 5.3A/D转换流程图-----------------------------------------------------------10- 5.4 LCD显示流程图----------------------------------------------------------11 5.5按键流程图-----------------------------------------------------------------11 5.6系统仿真--------------------------------------------------------------------12 第六章总结与展望---------------------------------------------------------13 参考文献------------------------------------------------------------------------14

第１章绪论

1.1 引言

1.1.1甲醛的特性及危害

甲醛是一种无色，有强烈刺激性气味的气体。易溶于水、醇和醚。甲醛在常温下是气态，通常以水溶液形式出现。其37%的水溶液称为福尔马林，医学和科研部门常用于标本的防腐保存。此溶液沸点为19.5℃故在室温时极易挥发，随着温度的上升甲醛的挥发速度加快。在我国有毒化学品优先控制名单中甲醛列居第二位。甲醛已被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质。甲醛是原浆毒物，能与蛋白质结合，吸入高浓度甲醛后会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，也可发生支气管哮喘皮肤直接接触甲醛，可引起皮炎、色斑、坏死。经常吸入少量甲醛，能引起慢性中毒，出现粘膜充血、皮肤刺激症、过敏性皮炎、指甲角化和脆弱等。全身症状有头痛、乏力、心悸、失眠、体重减轻以及植物神经紊乱等。

1.1.2甲醛的来源

1.室内装修所用的合成板材，如胶合板、细木工板、高密度板、刨花板。这些板材中甲醛起胶合剂、防腐剂的作用，主要用于加强板材的硬度、防虫、防腐。板材中残留的和未参与反应的甲醛逐渐向周围环境释放，是室内空气中甲醛的主要来源。

2.用合成板材制造的家具，厂家为了追求利润使用不合格的板材，再粘贴面材料时使用不合格的胶水，造成家具中甲醛含量超标。

3.含有甲醛成分并有可能向外界散发的各类装饰材料，如壁纸、地毯、油漆。

1.2甲醛检测仪的种类

目前，市场上甲醛检测仪的种类是多种多样，其中较常见的是采用试验纸光电光度法，即：当甲醛气体吹到浸有发色剂的试纸上时,与浸有发色剂的TAB组合就会因发生化学反应而变色。甲醛同试纸接触后含在纸里的试药就会同甲醛反应生成化合物，颜色就会从白色变成黄色。变色的程度可反映出所受光的反射光量，反射光量的强度变化率可以作为被测气体的甲醛含量的应答值。预先设定检测线，便可通过测量其反应率来测出甲醛气体的浓度值。在气体的采集方面有的是采用自动吸引式（内藏微型气泵），有的采用扩散式。对于试验纸光电光度法

来分析甲醛的浓度，它的优点是灵敏度高，操作简便，测定速度快。而该方法在分析甲醛浓度时往往采用的是目视比色法，它的缺点是：

1.由于许多有色溶液不够稳定，不能久存，经常需要在测定的同时配制溶液，比较费时费事。

2.目视比色的准确度低，一般相对误差为±5～20%。本论文设计的便携式甲醛检测仪所涉及的甲醛传感器是电化学传感器。它可以将甲醛气体的浓度转换为微弱的电流信号。这样就可以通过电流电压变换电路将微弱的电流信号转换为可以测量的稳定的电压信号，增强了电信号的稳定性。

第2章传感器与处理器的介绍

2.1传感器

本系统采用的传感器为MQ138型甲醛传感器，该传感器具有广泛的探测范围，快速的响应恢复及较高的灵敏度，长期的工作稳定性，简单的测试电路等特点。主要应用于家庭、环境的有害气体探测装置，适宜于醇类、醛类、芳族化合物等有机溶剂的探测

管脚图如图所示：

甲醛传感器管脚图

MQ138气敏组件由微型陶瓷管、敏感层、测量电极和加热器构成的敏感组件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏组件提供了必要的工作条件。封装好的气敏组件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，两个用于提供加热电流。MQ138型气敏器件对不同的种类，不同的浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏组件是，灵敏度的调整是很重要的。建议用10ppm 甲苯或50ppm酒精蒸汽校准传感器。

2.2处理器

第三章仪器方案设计

本设计选用基于电化学原理的甲醛传感器，其原理是空气中的甲醛在电极下

发生氧化反应，产生的扩散电极电流与空气中的甲醛浓度成正比，通过检测放大电路和放大倍数的调整经A/D转换后送单片机。由于甲醛的含量超标的话将对人体的健康造成很大的伤害，因此本系统设计当单片机接收到A/D转换器转换后送来的信号时，单片机会检测该信号，并将信号转化为甲醛浓度的具体含量输出显示在LCD上，并且单片机会比较此信号，当此信号所表示的甲醛含量超过预先设定的警报标准时，会控制警报器发出超标警报。

前室内所含甲醛的含量，更能在含量超标是及时的报警提示。

本系统设计采用功能模块化的设计思想，系统主要分为总体方案设计、硬件和软件的设计三大部分。

室内甲醛污染对人身体健康影响较大，标准规定的方法绝大多数是化学分析法,使用的手段是实验室分析仪器主要有比色计、分光光度计、化学滴定、气相和液相色谱。但这些方法费力费时、成本高、自动化程度低过程复杂、大多数过程是人工操作很难做到现场实时控制随着传感器和计算机技术的不断发展，现已有了基于单片机的便携式甲醛测试仪，并且测试测试范围、分辨率、精度、稳定性已接近标准要求。因此本设计可选用基于电化学原理的甲醛传感器，其原理是空气中的甲醛在电极下发生氧化反应，产生的扩散电极电流与空气中的甲醛浓度

成正比，通过检测放大电路和放大倍数的调整经A/D 转换后送单片机 、由单片机现场自动控制检测并显示甲醛浓度。由于甲醛含量超量的话，将对人体健康造成很大的影响。具有民用价值的便携式甲醛检测仪的研制受到了人们的高度重视。设计能够满足生活需要，携带方便的便携式甲醛检测仪迫在眉睫。针对目前的现状，本系统设计遵守体积小，质量轻，性价比高的原则。

第四章硬件设计

4.1 系统总体结构及工作原理

系统是由传感器模块，A/D 转换模块，单片机最小系统，液晶显示模块，报警模块，外围存储模块以及按键模块组成。其中主要器件传感器选用的是MQ138型气体传感器，它的灵敏度高，价格便宜，外围驱动电路简单，单片机选用的是AT89C52，它的控制能力强。总体结构图如图所示。

硬件结构框图 本系统以单片机为控制中心，利用甲醛传感器采集室内甲醛含量的数据，传感器采集的数据经外围放大电路放大，此放大信号经AD 转换器转换为单片机可识别的信号，信号经由单片机处理显示在LCD 上，当超标时单片机控制报警电路报警。

硬件设计所涉及的主要有：MCU ，A/D ，LCD ,外围扩展数据RAM 等芯片的选择；硬件设计电路主要有：数据采集电路，数据转换电路，数据处理电路，显示电路，报警电路以及外围扩充内存电路的设计。

4.2系统主要模块介绍

4.2.1数据采集模块

在数据采集系统中，由甲醛传感器出来的电流信号必须经过放大，转换才能被单片机识别和处理。在本系统中甲醛传感器所检测的电流信号经电位器放大为电压信号，再经AD 转换为单片机识别的信号。

数据采集电路如下图所示：

AT89C52 传感器

信号放大 AD 转换

外围扩充存储 LCD 按键 报警

4.2.2数据显示模块

对于本设计要求显示所检测到的甲醛含量，所以在硬件设计中会有液晶显示的设计，最初所使用的液晶显示器为LCD1602液晶显示器，随着设计的深入发现1602显示器由若干个5X7点阵组成，只能显示简单的汉字，不能满足本系统的设计要求。经过筛选最后选定LCD12864显示器。12864是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128X64全点阵液晶显示器组成，可完成图形显示也可以显示8X4个汉字（16X16点阵）。

以下为LCD12864与单片机的接线原理图见

液晶显示原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就显示黑色，这样就可以显示出图形。字符显示：字符显示比较复杂，一个字符由16x8点阵组成，即要找到和显示屏是某几个位置对应的RAM区的字节，再使不同的位置为‘1’其它的为‘0’；为‘1’的点亮，为‘0’的不亮，这样就显示出一个字符。汉字显示和字符显示的原理差不多，就是一个汉字一般采用图形方式，事先从微机中用字模软件提取要显示的汉字的点阵码，每个汉字占32B，为两部分，各16B。根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数就可以找出显示RAM的对应地址，送上汉字要显示的第一字节，以此类推，最后送完32B，

这样汉字就显示出来了。

本系统所要显示的汉字和字符就是按照上述原理显示出来的，而相应字体的点阵码则是用字模软件提取出来的，然后把这些点阵码放在相应的LCD软件程序里。

4.2.3报警电路

在我们日常生活中所见到的相关报警方式有：一是语音提示报警，如验钞机的报警，这种报警不仅可以告知人们出现报警还能让人们知道所报警的信息；二是闪光报警，这种方式利用闪烁的指示灯提醒人们注意；三是蜂鸣报警，发出蜂鸣声响引起人们注意。由于本系统所需的报警电路只要求提醒人们注意甲醛含量超标，所以我们可以选择比较简单和低功耗的蜂鸣报警方式。

基于以上我选择了比较常见的单频音报警方式。实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音组件通常可采用压电蜂鸣器，当在蜂鸣器两引脚上加3～15V 直流工作电压，就能产生3kHZ左右的蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、耗电少，更适于在单片机系统中应用。压电式蜂器，约需10mA的驱动电流，可在某I/O口接上一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动，如图3.4所示。在图中，P14接三极管基极输入端，当P14输出高电平“1”时，三极管导通，蜂鸣器的通电而发音，当P14输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发音。

5V

P14

图单频音报警电路图

下图为报警电路接线图：

图报警模块

4.2.4数据转换模块 由于甲醛传感器放大的电压信号不能直接被单片机接收处理，这个电压信号必须经过A/D 转换为数字信号才能被MCU 接收和处理。A/D 转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D 转换前，输入到A/D 转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。

常用的几种A/D 转换器类型为：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容数组逐次比较型及压频变换型。

A/D 转换器的主要技术指标有：分辨率、转换速率、量化误差、便宜误差、满刻度误差、线性度。

由于逐次逼近式A/D 转换具有速度，分辨率高等优点，而且采用这种方法的ADC 芯片成本低，所以我们采用逐次逼近式A/D 转换器。逐次逼近型ADC 包括1个比较器、一个模数转换器、1个逐次逼近寄存器（SAR ）和1个逻辑控制单元。逐次逼近型是将采样信号和已知电压不断进行比较，一个时钟周期完成1位转换，依次类推,转换完成后，输出二进制数。这类型ADC 的分辨率和采样速率是相互牵制的。优点是分辨率低于12位时，价格较低，采样速率也很好。 在本系统中选用的是ADC 0832型模数转换器。ADC 0832模数转换器具有8位分辨率、双信道A/D 转换、输入输出电平与TTL/CMOS 相兼容、5V

电源供电时输入电压在0～5V 之间、工作频率为250KHZ 、转换时间为32 微秒、一般功耗仅为15MW 等优点。电路图如图3.6所示：

A/D 转换电路

ADC 0832的引脚图如下图3.7所示:

ADC0832引脚图

CS Vcc

CH0 Clk

CH1 DO

GND DI

第五章 软件设计及仿真

5.1编写语言及编写软件简介 单片机在应用过程中要最大化的节约CPU 与内存，除了汇编与C 之外，JA V A 和C++都不太适合做单片机的编程语言，C 语言可读性好，代码便于维护，便于开发；而汇编语言编写的程序不容易看懂，可维护性不好，但是执行效率高。与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。由于IC 工艺的成熟，MCU 的存储资源越来越便宜，工作频率也越来越高，所以在资源利用率以及执行效率上没有像以前要求那么高了。而且，实现的功能越来越强大，这些因素都助长了C 在MCU 编程中的应用。所以在本系统的软件编写上选择了C 语言。

Keil 是美国Keil Software 公司出品的51系列兼容单片机C 语言软件开发系统，Keil 提供了包括C 编辑器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision ）将这些部分组合在一起。运行Keil 软件需要WIN 98、NT 、WIN 2000、WINXP 等操作系统。Keil 的优点：Keil C 51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件是更能体现高级语言的优势。Keil C 51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全windows 接口。

5.2注程序模块

主程序实现的功能：与硬件相结合实现室内甲醛检测仪的各个功能。主要是检测与显示，数据存储。功能子函数的调用。主程序结构框架图如图4.1所示：

主程序结构框图 5.3A/D 转换流程图

A/D 转换模块的主要功能就是将传感器的放大信号转换为MCU 能识别的数字显示主菜单 读键

开始

初始化CPU

初始化LCD

忙?入口

读状态字写指令代码/显示数据读显示数据

否是 信号，A/D 转换流程图如图4.2所示：

A/D 转换流程图 5.4 LCD 显示流程图

LCD 显示模块的软件部分主要作用就是在LCD 屏上显示整个系统的开机画面，各个菜单，以及显示检测出的甲醛浓度等功能，LCD 显示流程框图如图4.3所示

5.5按键流程图 按键是显现人机对话的一个控制按钮，按键模块的软件主要是实现通过按键对系统进行发送操作指令。按键流程框图如图

4.4所示：

开始 初始化芯片 读取两个字节

多次采样 送显示

结束

按键程序入口

N

按键按下？

Y

延时

N

按键释放？

Y

键值传送

按键流程图

5.6系统仿真

以下是甲醛测试系统的仿真结果：

1．编译结束，添加HEX文件单击proteus运行按钮，系统开始工作此时LCD将显示开机主界面如图所示：

开机主界面

2.按下OK按键LCD进入主菜单选项，再按OK键系统将进入开始测量子菜单选项，先按DOWN再按OK键系统将进入返回开机主页面菜单选项。主菜单如图5.2所示：

系统主菜单

3.开始测量子菜单，当按OK键是系统将会开始测量甲醛含量，按CANCEL会返回上一页面。开始测量菜单选项如图5.3所示：

开始测量选择菜单

4.系统开始测量甲醛浓度后，会讲甲醛浓度含量显示在LCD上。在此页面按CANCEL键会返回开机画面。显示检测数据页面如图

5.4所示：

显示界面

第六章总结与展望

目前，公共场所民用建筑室内需要检测甲醛气体，同样建筑材料中甲醛含量也需要检测。由于甲醛含量超量的话，将对人体健康造成很大的影响。具有民用价值的便携式甲醛检测仪的研制受到了人们的高度重视。设计能够满足生活需要，携带方便的便携式甲醛检测仪迫在眉睫。针对目前的现状，该系统设计遵守体积小，质量轻，性价比高的原则。

甲醛检测仪的设计主要分为硬件设计和软件设计。根据设计前对该系统所要实现功能的要求，综合考虑虑我们采用AT89C52单片机为控制核心。

我这次大作业课题是甲醛检测系统的的设计，是一个实际的小工程。作为一个本科生，我对实际的工程设计认识不够，经验不足，难免在设计的整体框架中，有很多的细节没有考虑。通过查阅资料和询问同学，我慢慢整理处一个比较清晰的设计思路。沿着这条经验之路，不断地尝试摸索，慢慢地也掌握了设计的基本

流程和思考的方法。遇到了很多的难题，比如硬件器件的选择，功能的实现等。然而这样的问题并不是我一个能所能解决的，幸运的是有学长的指导和同学的全心帮助，所以一个个看似复杂的问题便迎刃而解。

参考文献

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