基于单片机的室内甲醛测试系统设计

基于单片机的室内甲醛测试系统设计内容摘要：

正极 8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源负极 表 32 LCD1602接口 信号表格 甲醛传感器 本甲醛检测仪采用英国达特（ DART）公司生产的甲醛传感器如图 33。 该传感器是两电极电化学型的传感器，通过扩散原理实现，因此不需要外部采样硬件。 当有甲醛气 体存在的时候，将会有一个很小的直流产生；传基于单片机的室内甲醛测试系统设计 8 感器本身不需要电源供应，但是产生的这个电流需要外部的数据采集将其变为可读的信号。 主要参数如下 [6]： 0一 10ppm，最大值 50ppm； 250～ 300nA／ ppm； 0． 01ppm； 30s； (+20℃ 一 +40C)lppm； 10℃ 一 40℃ ； ； 3年。 图 33 甲醛传感器的实物图 基于单片机的室内甲醛测试系统设计 9 4 系统硬件设计部分 系统整体电路的原理 基于上述的首选设备 ， 提出了硬件设计功能框图如图 41所示 甲醛检测仪的核心控制器选用 STC12C5A60S2单片机。 单片机与LTC1049CN8运算放大器 构成模拟量采集系统，完成数据的采集 ，并通过 A/D以及 LCD1602液晶显示器完成数据的 转换和显示。 系统晶振电路的设计 单片机在工作时的每个指令的微操作在时间上都有严格的秩序 ， 这样的微操作时间顺序称为时序，单片机时钟信号用于给单片机芯片里的各种微操作提供了一个时间基准 ， STC12C5A60S2的时钟生产方式分为两种 ， 一种是内 部 时钟方式 ， 一是外部时钟方式 [7]。 内部时钟的方式就是在单片机外部连接一个晶振电路和单片机内部的振荡器发生作用产生时钟脉冲信号。 外部时钟形式是把现有的外部时钟信号引入到控制器在里面 ， 这种方法通常被用于多片 STC12C5A60S2单片机同时工作时 ， 为了方便单片机系统的同步 ， 一般要求外部信号的高电平的持续时间超过 20 ns， 且为 频率 低 于 12MHz甲 醛 传 感 器 放大电路 STC12C5A60S2单片机 （ A/D 转换及数据处理） LCD1602 按键 模块 图 41 硬件功能框图 报警电路 图 41 硬件功能框图 基于单片机的室内甲醛测试系统设计 10 的方波 [8]。 该系统以尽量降低功耗的原则使用了内部时钟模式。 图 42 晶振电路图 在 STC12C5A60S2单片机 内部有一个震荡电路 ， 只要在单片机的处理器的 XTAL1和 XTAL2引脚外接石英晶体 (简称晶振 )就构成了自激振荡器并且在单片机内部产生时钟脉冲信号 ， 如 图 42中的电容器 C2和 C3起 稳定频率和快速起振 作用 ，电容值在 530pF， 典型值是 22 pF， 晶振 CYS选择的是 12 MHz。 系统复位电路的设计 ① 复位的意义 单片机开始工作的时候，必须处于一种确定的状态，否则，不知哪是第一条程序和如何开始运行程序。 端口线电平和输入输出状态不确定可能使外围设备误动作，导致严重事故的发生；内部一些控制寄存器（专用寄存器 ）内容不确定可能导致定时器溢出、程序尚未开始就要中断及串口乱传向外设发送数据 .因此，任何单片机在开始工作前，都必须进行一次复位过程，使单片机处于一种确定的状态。 ②复位电路原理 当在 STC12C5A60S2单片机的 RST引脚引入高电平并保持 2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。 实际的应用中 ， 复位操作有两种基本类型 :一种是上电复位 ， 另一种是上电和按键都有效的复位 ， 要求接通电源后 ， 单片机自动实现复位操作。 本次设计中的复位电路采用的是开关复位电路，开关 S7没有按下时是上电复位电路，上电复位电路在上电的瞬间 ， 由于电容上的电压不能突变 ，基于单片机的室内甲醛测试系统设计 11 电容充电 (导通 )状态 ， 所以 RST 引脚的电压和 VCC 相同。 随着电容的充电 ，RST 引脚上的电压会逐渐降低。 选择合理的充电常数 ， 就可以保证开关按下时 RST端有两个机器周期以上的高电平 ， 从而使 STC12C5A60S2 内部复位。 开关按下时是手动复位电路， RST 端口通过电阻与 VCC 电源相接通，通过电阻的分压来可以实现单片机的复位。 电路图见图 43。 图 43 复位电路图 系统放大电路设计 由于传感器的输出信号非常微弱，因此放大器需 要选择高放大倍数的运放。 电路设计和元器件的选择因此显得非常关键。 校准可以通过调整电路的放大倍数，从而在软件中实现校准。 具体放大电路如图 44，用 电 压 源信号 模拟甲醛传感器输出，放大器对其进行放大。 在系统中的高精度测量放大电路设计中，反馈电阻选为 470 k，同时并联一个 在没有反向响应时间的情况下降噪 [9]。 基于单片机的室内甲醛测试系统设计 12 图 44放大电路 电路原理图 系统单片机及显示电路的设计 由于 STC12C5A60S2 单片机与普通 51 单片机的引脚相同且完全兼容，因此在设计电路时可以采用普通的单片机最小系 统板进行布局即可，放大电路的信号可以经过 P1 口进入单片机进行 AD 转换和数据处理后经过连接P0 口的 LCD1062 进行显示。 其具体电路如图 45所示 基于单片机的室内甲醛测试系统设计 13 图 45显示电路 系统报警电路设计 当电路测试到甲醛浓度超过国家标准的限制性时 ， 将产生 一个 信号 给报警电路。 让报警电路报警以此来提醒工作人员查看解决 ， 超限报警电路如下图 46所示。 这是由 STC12C5A60S2的 ， 当 监测到的甲醛浓度 超过设置的 数值 PPM时 ， 通过预设的程序使 ， 从而使三极管导通，报 警电路 接通 ， 使蜂鸣器发出警号声。 这个任务的实现主要依靠程序来完成。 图 46 报警电路 基于单片机的室内甲醛测试系统设计 14 5 系统软件设 计 程序编写语言介绍 在 单片机的开发应用 中 ，逐渐引入了高级语言， C语言就是其中的一种。 汇编语言的可控性较高级语言来说更具优越性。 程序编写语言比较常见的有 C语言、汇编语言。 汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。 C语言编写的程序比用汇编编写的程序更符合人们的思考习惯。 还有很多处理器都支持 C 编译器，这样意味着处理器也能很快上手。 且具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点 ，且编写的模块程序易于移植 [10]。 基于 C语言和汇编语言的优缺点，本系统采用 C 语言编写方法。 主程序模块 主程序实现的功能： 图 51主程序流程图 基于单片机的室内甲醛测试系统设计 15 模数转换 (1)模数转换模块的主要功能就是把经放大器放大的模拟 电流 信号转化为单片机能够处理的数字信号，并传送给单片机。 (2)STC12C5A60S2 转换的流程图见下图 52所示。 图 52数模转换流程图 按键模块 (1)按键是显示人机对话的一个控制按钮，通过对按键的操作，对系统进行发送操作指令，后经与单片机串行通信 ，然后在液晶上显示。 (2)按键的流程图见下图 基于单片机的室内甲醛测试系统设计 16 图 53按键流程图 液晶显示模块 本系统使用 1602 液晶显示。 控制程序主要有三部分：向液晶中写入指令；向液晶中写入数据；液晶测试忙碌状态。 写命令时，首先测液晶是否忙碌，液晶忙碌信号消失后，置 RS及 RW 引脚低电平，然后使能端 EN 为高电平，下一条指令 EN 为低电平，有一定延时。 之后液晶将开始处理这条指令，置位忙碌信号，在指令处理期间将不再响应其他指令或数据请求；写数据，先测是否忙碌，液晶忙碌信号消失后；置 RS=1， RW=0，然后使能端EN=1；下一条指令 EN=0，之后液晶将开始处理这条指令，置位忙碌信号，在指令处理期间将不再响应其他指令或数据请求。 液晶的程序主要由初始化函数、写入函数、清 RAM函数，其中初始化液晶的工作状态，包括光标归位，显示设置，显示移位等，屏幕清空等命令，是使用液晶前必须要执行的函数。 子程序流程图如下图所示。 基于单片机的室内甲醛测试系统设计 17 图 54 液晶显示的操作流程图 6 系统仿真 Proteus 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件。 它 运行于 Windows 操作系统上，可以仿真、分析 (SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是： ①实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合。 具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及 其外围电路组成的系统的仿真、 RS232 动态仿真、I2C 调试器、 SPI 调试器、键盘和 LCD 系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 ②支持主流单片机系统的仿真。 目前支持的单片机类型有： 68000 系列、8051 系列、 AVR 系列、 PIC12 系列、 PIC16 系列、 PIC18 系列、 Z80 系列、HC11 系列以及各种外围芯片。 ③提供软件调试功能。 在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软基于单片机的室内甲醛测试系统设计 18 件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第 三方的软件编译和调试环境，如 Keil C51 uVision2 等软件。 ④具有强大的原理图绘制功能。 总之，该软件是一款集单片机和 SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。 本章介绍 Proteus ISIS 软件的工作环境和一些基本操作。 前面已经把单片机系统的硬件设计和软件设计完成了，下一步就可以着手进行仿真，因为在设计的过程之中肯定有许多的错误，需要进行仿真来发现错误和调试错误。 这样才能使单片机低功耗计数系统的设计更加完善，本次系统仿真采用的是软件仿真，使用的是 proteus 软件。 Proteus软件由 ISIS和 ARES两个软件构成，其中 ISIS是原理图编辑与仿真软件， ARES是布线编辑软件。 本次系统的硬件设计其中的原理图编辑和PCB布线就是在这个软件环境中完成的，至于软件设计，则是采用 proteus软件中的 ISIS和 Keil uVision进行联合调试。 当硬件设计和软件设计都完成的时候就可以看到虚拟的基于单片机的甲醛测试系统的运行，仿真效果见附件 一。 最后特别要指出的是：由于此款仿真软件中未有甲醛传感器，因此用滑动电 阻器代替，调节滑动变阻器阻值的大小来为本系统提供不同的采集。