1、.基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛檢測儀的設(shè)計(jì).基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛檢測儀的設(shè)計(jì)摘要：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題。因此，測定室內(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，電化學(xué)甲醛傳感器器較其他的甲醛含量檢測方法操作簡單， 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。 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， 當(dāng)甲醛含量超過設(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 方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以 MSP430F

2、149單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心， 通過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，操作簡單適合于簡單系統(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)簡單，所以選擇方案三。綜上所述選擇方

3、案一。1.2 傳感器的選擇論證檢測室內(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)格過高差分光學(xué)吸收光譜法靈敏度高需要很長光程方可達(dá)到要求的靈敏度窄帶吸收法靈敏度高需要很長光程方可達(dá)到要求的靈敏度，不適合現(xiàn)場檢測衰蕩腔光譜法靈敏度高光路復(fù)雜，成本高甲醛電化學(xué)傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：測量范圍：0 10ppm響應(yīng)時(shí)間 :小于 50 秒最大負(fù)荷：50ppm輸出信號(hào)： 1200300Na/ ppm分辨率： 0.05 ppm根據(jù)以上表格和電化學(xué)傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)，選擇電化學(xué)法

4、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。編程簡單可行，但是顯示過于枯燥，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，具有字庫使顯示更加明了，編程簡單。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，無線模塊，鍵盤模塊，串口通信模塊等）以單片機(jī)為核心， 接收到傳感器經(jīng)過接口電路、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)行采樣， 編寫程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理

5、， 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。.甲醛傳感器傳感器接口電路信號(hào)放大電路AD 轉(zhuǎn)換顯示部分MSP430F149報(bào)警部分系統(tǒng)總流程框圖2.1 恒電位電路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。在以下電路中 U1B 部分為恒電位

6、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。.恒電位電路圖2.2 放大電路原理由于電壓信號(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，并且可以通過 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 0 100 的放大倍數(shù)。經(jīng)過兩級(jí)放大，已經(jīng)可以滿足要求。信號(hào)放大電路圖.2.3 測量電路由于對(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)。輸出的電流信號(hào)經(jīng)過R

7、3，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。傳感器的測量電路電路圖2.4 外圍模塊設(shè)計(jì)便攜式甲醛檢測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)過單片機(jī)處理過的數(shù)據(jù)。.鍵盤模塊AD 模塊顯示模塊MSP430F149供電模塊主控制器電路2.4.1 液晶模塊設(shè)計(jì)采用 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)人機(jī)互動(dòng)。設(shè)計(jì)采用 4*4 矩陣鍵盤。.4*4 矩陣鍵盤電路設(shè)計(jì)2.

8、4.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊MSP430F149 自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊， 不需要另外設(shè)計(jì)，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 語言進(jìn)行編程，方便快捷。通過按鍵啟動(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。.開始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)置否顯示是否完成是刷新顯示結(jié)束系統(tǒng)流程圖3.2 數(shù)據(jù)采集處理模塊設(shè)計(jì)由鍵盤控制是否進(jìn)行采樣并設(shè)定采樣的間隔時(shí)

9、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。并將采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。.開始初始化鍵盤否采樣？是開始采樣讀 高 位 數(shù) 據(jù) 的 地址，讀高位數(shù)據(jù)否讀 低 位 數(shù) 據(jù) 的 地址，讀低位數(shù)據(jù)采樣完畢？是計(jì)算甲醛含量結(jié)束數(shù)據(jù)采集處理模塊流程圖3.3 顯示模塊設(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)字符函數(shù)以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

10、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)來說比較簡單。開始初始化清屏顯示數(shù)字顯示字符結(jié)束顯示模塊流程圖五結(jié)論儀器到達(dá)的精度為0.01mg/m3 主要的誤差來源：1. 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 1/2LSB。提高 AD 的分辨率可以減小量化誤差。.2. 相對(duì)濕度引起的干擾電化學(xué)傳感器中含有能與被測物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)的電介質(zhì)， 甲醛必須與少量的

11、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 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)。3. 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)勢是：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，提高測量的精度。.參考文獻(xiàn)1 孫偉 .服用棉紡織物甲醛釋放規(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)甲醛檢測儀的設(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. 中國測試技術(shù)， 2008，34（1）： 100104.5 張