基于單片機的室內甲醛測試系統 - 全文

甲醛是一種具有刺激氣味的無色氣體，也是一種潛在的致癌物質，對人體健康有較大的危害，許多疾病的誘發都與甲醛有關，如哮喘，白血病等。甲醛濃度在每立方米空氣中達到0．06－0．07mg／m3時，兒童就會發生輕微氣喘。當室內空氣中甲醛含量為0．1mg／m3時，就有異味和不適感。達到0．5mg／m3時，可刺激眼睛，引起流淚，它對人體健康的危害不容忽視。單片機具有通用性強、體積小、價格低、穩定可靠等突出優點,在智能產品、測控系統等領域得到廣泛的應用。本文設計的測試儀可現場可直接顯示甲醛濃度值。當其濃度值小于國家規定的標準值（可按鍵修改）時綠燈亮，可以入住，當超過規定的室內居住標準值時紅燈亮開始報警提醒人們暫時不要入住。

1 硬件介紹

??? 基于單片機的室內甲醛測試儀由單片機系統，顯示電路，功能鍵盤，甲醛傳感器，測量電路及3位半雙積分A/D轉換器，報警輸出電路構成。系統結構如圖1所示：

??? 1.1測量電路

??? 測量電路由CH20/S-10甲醛傳感器，I/U（電流/電壓）變換器RCV420芯片，5G14433A/D轉換器等組成如圖2所示。

??? 甲醛傳感器由甲醛探頭，CH20傳感器組成。當空氣被內部的采樣系統吸收后，將產生的電流信號與相連產生一個與甲醛濃度成正比的電流，該電流經過4~20MA甲醛模塊的信號調理，與I/U變換器RCV420芯片轉換成0~5V的電壓，該電壓經過5G14433A/D轉換器，與8051單片機相連，在顯示器上顯示出甲醛的濃度值，當超過國家規定的標準時進行報警。CH20/S-10的相關參數如下：電化學工作原理；量程：0-10PPM；最大過載濃度：50PPM；最小分辨率：±0.05PPM；工作壽命：3年；靈敏度：1200±300nA／ppm，4~20MA甲醛模塊；工作溫度：-20～45，響應時間（T90）：＜50s。

??? Burr-Brown公司生產的RCV420精密I/U變換器能將4~20mA的環路電流變換成0~5V的電壓輸出。作為一種單片集成電路具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密運放和電阻網絡外，還集成有10V基準電壓源。在不需要外調整的情況下，可以獲得86dB的共模抑制比和40V的共模電壓輸入。在全量程范圍內輸入阻抗僅有1.5V的壓降，對于環路電流具有很好的變換能力。其芯片引腳分布及內部結構圖如圖2和圖3所示。

??? 在使用中10、11和12腳相連，2、5和13腳相連接地，14和15腳相連接，作為0~5V電壓信號的輸出端，當需要調整增益時14和15腳之間接入電位器來調整增益，但這樣會減小共模抑制比，減少量是增益增加1%，共模抑制比將減少6dB，因此我們在使用時一般直接將14和15腳短接，7和8腳懸空，4和16腳分別接一個1μF的電容接地，IN+或IN-端接輸入的電流信號，一般情況下，只使用一端，具體使用那端取決于輸入信號的極性和所需輸出電壓的極性，我們在使用過程中，使用的是IN+端。

?? 1.2 5G14433A/D轉換器

??? 5G14433A/D轉換器是國產的廣為流行的最典型的雙積分3位半A/D轉換器它具有抗干擾性能好，轉換精度高（相當于11位二進制數），自動校零，自動極性輸出，自動量程控制信號輸出，動態字位掃描BCD碼輸出，單基準電壓，外接元件少，價格低廉等特點。但其轉換速度慢，約1～10次/秒在不要求高速轉換的場合。5G14433芯片引腳參數及其與單片機的連接如下：

??? VAG：被測電壓VX和基準電壓VR的接地端（模擬地）。

??? VR：外接輸入基準電壓（+2V或+200mv）

??? VX：被測電壓輸入端。

??? R1、R1/C1、C1：外接積分電阻器和積分電容C1元件端，外接元件典型值：

??? 當量程為2V時， C1＝0.1μF，R1=470KΩ；

??? 當量程200mV時，C1=0.1μF，R1=27KΩ

??? C01、C02：外接失調補償電容C0端，C0的典型值為0．1μF。

??? DU：更新輸出的A／D轉換數據結? 果的輸入端。當DU與EOC連接時，每次的A／D轉換結果都被更新。

??? CLKI和CLKO：時鐘振蕩器外接電阻Rc端，Rc的典型值為470kΩ，頻率隨著Rc增加而下降。

??? VEE：模擬部分的負電源端，接-5V

??? VSS：除CLKO端外所有輸出端的低電平基準（數字地）。當VSS接VAGR模擬地、數字地相連）時，輸出電壓度為VAG～VDD（0～+5V）：當VSS接VEE（-5V）時，輸出電壓幅度為VEE～VDD（-5～+5V），10V的幅值。應用時一般是VSS接VAG，即模擬地與數字地相連。

??? EOC：轉換周期結束標志輸出。每當一個A/D轉換周期結束，EOC端輸出一個寬度為時鐘周期二分之一寬度的正脈沖，與DU一起接單片機的P3.2引腳。

??? DS1～DS4：多路選通脈沖輸出端，分別接電片機的P1.4~P1.7引腳。DS1對應千位，DS4對應個位。

??? Q0～Q3：BCD碼數據輸出線，分別接單片機的P1.0~P1.3引腳。其中Q0為最低位，Q3為最高位。當DS2、DS3和DS4選通期間，輸出三位完整的BCD碼。

??? 1.3功能鍵盤

??? 鍵盤設置為3*3陣列鍵盤,有功能選擇鍵、報警確認鍵、回車(數值確認)鍵、數值鍵、鍵等。

??? 1.4 CD顯示單元

??? CD顯示單元選用OCM 4×16字符點陣液晶顯示屏模塊組件,主要有LCD顯示器、控制器、驅動器和偏壓產生電路組成,用于顯示當前被測溫度值、電流輸出值、溫度報警設定值、P設定值、TI設定值、TD設定值、偏差量、報警狀態等信息。

2 軟件設計

??? 軟件采用模塊化設計。全部軟件由主程序、鍵盤處理子程序、數據采集子程序、報警程序組成。主程序是控制和管理的核心。系統上電后進行初始化和中斷處理操作。初始化主要完成對報警值的設定和初次檢查，同時斷開各電器的電源。初始化完成后，系統開始正常運轉。進行甲醛濃度檢測和報警等操作，主程序的流程圖如圖3所示。

??? 為了提高測量精度，本文采用中值濾波法，就是對參數連續采樣N次(一般N為奇數),然后把N次采樣值從大到小或從小到大,按遞增或遞減順序排序,再取中間值作本次采樣值。中值濾波對于去掉偶然因素引起的波動或采樣不穩定產生的誤差比較有效,在N次采樣中只要有一次是正確的,即可提高精度。