基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛測(cè)試系統(tǒng)

甲醛是一種具有刺激氣味的無(wú)色氣體，也是一種潛在的致癌物質(zhì)，對(duì)人體健康有較大的危害，許多疾病的誘發(fā)都與甲醛有關(guān)，如哮喘，白血病等。甲醛濃度在每立方米空氣中達(dá)到0.06-0.07mg/m3時(shí)，兒童就會(huì)發(fā)生輕微氣喘。當(dāng)室內(nèi)空氣中甲醛含量為0.1mg/m3時(shí)，就有異味和不適感。達(dá)到 0.5mg/m3時(shí)，可刺激眼睛，引起流淚，它對(duì)人體健康的危害不容忽視。單片機(jī)具有通用性強(qiáng)、體積小、價(jià)格低、穩(wěn)定可靠等突出優(yōu)點(diǎn),在智能產(chǎn)品、測(cè)控系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的測(cè)試儀可現(xiàn)場(chǎng)可直接顯示甲醛濃度值。當(dāng)其濃度值小于國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值(可按鍵修改)時(shí)綠燈亮，可以入住，當(dāng)超過(guò)規(guī)定的室內(nèi)居住標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)紅燈亮開(kāi)始報(bào)警提醒人們暫時(shí)不要入住。

1 硬件介紹

基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛測(cè)試儀由單片機(jī)系統(tǒng)，顯示電路，功能鍵盤(pán)，甲醛傳感器，測(cè)量電路及3位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，報(bào)警輸出電路構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1.1測(cè)量電路

測(cè)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(zhuǎn)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(dāng)空氣被內(nèi)部的采樣系統(tǒng)吸收后，將產(chǎn)生的電流信號(hào)與相連產(chǎn)生一個(gè)與甲醛濃度成正比的電流，該電流經(jīng)過(guò) 4~20MA甲醛模塊的信號(hào)調(diào)理，與I/U變換器RCV420芯片轉(zhuǎn)換成0~5V的電壓，該電壓經(jīng)過(guò)5G14433A/D轉(zhuǎn)換器，與8051單片機(jī)相連，在顯示器上顯示出甲醛的濃度值，當(dāng)超過(guò)國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行報(bào)警。CH20/S-10的相關(guān)參數(shù)如下：電化學(xué)工作原理;量程：0-10PPM;最大過(guò)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(yīng)時(shí)間(T90)：<50s。

Burr-Brown公司生產(chǎn)的RCV420精密I/U變換器能將4~20mA的環(huán)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(yùn)放和電阻網(wǎng)絡(luò)外，還集成有10V基準(zhǔn)電壓源。在不需要外調(diào)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(nèi)輸入阻抗僅有1.5V的壓降，對(duì)于環(huán)路電流具有很好的變換能力。其芯片引腳分布及內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(hào)的輸出端，當(dāng)需要調(diào)整增益時(shí)14和15腳之間接入電位器來(lái)調(diào)整增益，但這樣會(huì)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?cè)谑褂脮r(shí)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(gè)1μF的電容接地，IN+或IN-端接輸入的電流信號(hào)，一般情況下，只使用一端，具體使用那端取決于輸入信號(hào)的極性和所需輸出電壓的極性，我們?cè)谑褂眠^(guò)程中，使用的是IN+端。

1.2 5G14433A/D轉(zhuǎn)換器

5G14433A/D轉(zhuǎn)換器是國(guó)產(chǎn)的廣為流行的最典型的雙積分3位半A/D轉(zhuǎn)換器它具有抗干擾性能好，轉(zhuǎn)換精度高(相當(dāng)于11位二進(jìn)制數(shù))，自動(dòng)校零，自動(dòng)極性輸出，自動(dòng)量程控制信號(hào)輸出，動(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出，單基準(zhǔn)電壓，外接元件少，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。但其轉(zhuǎn)換速度慢，約1～10次/秒在不要求高速轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合。5G14433芯片引腳參數(shù)及其與單片機(jī)的連接如下：

VAG：被測(cè)電壓VX和基準(zhǔn)電壓VR的接地端(模擬地)。

VR：外接輸入基準(zhǔn)電壓(+2V或+200mv)

VX：被測(cè)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(dāng)量程為2V時(shí)， C1=0.1μF，R1=470KΩ;

當(dāng)量程200mV時(shí)，C1=0.1μF，R1=27KΩ

C01、C02：外接失調(diào)補(bǔ)償電容C0端，C0的典型值為0.1μF。

DU：更新輸出的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié) 果的輸入端。當(dāng)DU與EOC連接時(shí)，每次的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果都被更新。

CLKI和CLKO：時(shí)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(fù)電源端，接-5V

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

EOC：轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出。每當(dāng)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束，EOC端輸出一個(gè)寬度為時(shí)鐘周期二分之一寬度的正脈沖，與DU一起接單片機(jī)的P3.2引腳。

DS1～DS4：多路選通脈沖輸出端，分別接電片機(jī)的P1.4~P1.7引腳。DS1對(duì)應(yīng)千位，DS4對(duì)應(yīng)個(gè)位。

Q0～Q3：BCD碼數(shù)據(jù)輸出線，分別接單片機(jī)的P1.0~P1.3引腳。其中Q0為最低位，Q3為最高位。當(dāng)DS2、DS3和DS4選通期間，輸出三位完整的BCD碼。

1.3功能鍵盤(pán)

鍵盤(pán)設(shè)置為3×3陣列鍵盤(pán),有功能選擇鍵、報(bào)警確認(rèn)鍵、回車(數(shù)值確認(rèn))鍵、數(shù)值鍵、鍵等。

1.4 CD顯示單元

CD顯示單元選用OCM4×16字符點(diǎn)陣液晶顯示屏模塊組件,主要有LCD顯示器、控制器、驅(qū)動(dòng)器和偏壓產(chǎn)生電路組成,用于顯示當(dāng)前被測(cè)溫度值、電流輸出值、溫度報(bào)警設(shè)定值、P設(shè)定值、TI設(shè)定值、TD設(shè)定值、偏差量、報(bào)警狀態(tài)等信息。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。全部軟件由主程序、鍵盤(pán)處理子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、報(bào)警程序組成。主程序是控制和管理的核心。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化和中斷處理操作。初始化主要完成對(duì)報(bào)警值的設(shè)定和初次檢查，同時(shí)斷開(kāi)各電器的電源。初始化完成后，系統(tǒng)開(kāi)始正常運(yùn)轉(zhuǎn)。進(jìn)行甲醛濃度檢測(cè)和報(bào)警等操作，主程序的流程圖如圖3所示。

為了提高測(cè)量精度，本文采用中值濾波法，就是對(duì)參數(shù)連續(xù)采樣N次(一般N為奇數(shù)),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(duì)于去掉偶然因素引起的波動(dòng)或采樣不穩(wěn)定產(chǎn)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。

3 結(jié)論

本文對(duì)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)甲醛濃度測(cè)量進(jìn)行了比較全面的描述和分析，本文所實(shí)現(xiàn)的甲醛濃度測(cè)量系統(tǒng)具有比較全面的功能。該測(cè)量系統(tǒng)操作方便、性價(jià)比適宜、運(yùn)行可靠，測(cè)量精度高，還可以根據(jù)具體的需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>