基于单片机的甲醛浓度检测仪的设计
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目录
1引言…………………………………………………………………………………………………………3 1.1甲醛的特性及危害………………………………………………………………………………………3 1.2甲醛的来源………………………………………………………………………………………………3 2总体设计方案………………………………………………………………………………………………3 2.1系统设计方案基本要求…………………………………………………………………………………3 2.2系统设计思路……………………………………………………………………………………………3 3系统设计方案论证…………………………………………………………………………………………4 3.1方案一:基于普通51单片机和国产MQ138传感器的设计方案………………………………………4 3.2方案二基于增强型单片机和进口传感器的设计方案…………………………………………………4 4单片机甲醛检测技术………………………………………………………………………………………4 4.1STC12C5A60S2单片机……………………………………………………………………………………4 4.2LTC1049CN8运算放大器…………………………………………………………………………………5 4.3LCD1602液晶屏 …………………………………………………………………………………………6 4.4甲醛传感器………………………………………………………………………………………………6 5系统硬件部分设计…………………………………………………………………………………………7 5.1系统整体电路原理………………………………………………………………………………………8 5.1.1系统放大电路设计……………………………………………………………………………………8 5.1.2系统单片机及显示电路设计…………………………………………………………………………8 5.1.3系统报警电路设计……………………………………………………………………………………9 6系统软件部分设计…………………………………………………………………………………………10 7系统硬件仿真测试…………………………………………………………………………………………11 8误差分析及改进方法………………………………………………………………………………………12 9设计总结……………………………………………………………………………………………………13 致谢……………………………………………………………………………………………………………13 参考文献………………………………………………………………………………………………………13
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1.引言
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。在我国有毒化
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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
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神经紊乱等。
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。
2.总体设计方案
2.1系统设计基本要求
本次设计的主要内容是设计一种基于单片机的室内甲醛检测仪，主要利用单片机和放大电路对甲醛传感器的输出信号进行采集处理。
设计基本要求：
1.快速检测功能：当将仪器至于封闭环境时能快速测出甲醛浓度并显示。 2.超标报警功能：当甲醛浓度超出国标时给予报警提示。
2.2系统设计思路
随着现代电子技术的迅速发展，传感技术已形成一个独立的新兴的高科技领域。传感器的高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，其便携式的特点尤其适合于野外、现场分析的需要。本设计拟采用英国达特公司生产的CH20甲醛传感器，传感器的贵金属电极与挥发的甲醛气体发生反应，产生与挥发的甲醛浓度成正比的电信号。由于甲醛传感器产生的电信号十分微弱，不能直接与控制电路相连接使用，我们将其首先经过一个放大电路，将信号放大，再经过模／数转换器将模拟信号
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转换成数字信号，在单片机电路的作用下，通过LCD将空气中甲醛含量的浓度用数字显示出来。
创新点：
1.使化学检测转化为电信号检测。
2.应用单片机来显示最后结果，成本低。 3.设备便于携带，操作简单。 4.实现单片机控制的智能化。
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3.系统的设计方案
3.1方案一：基于普通51单片机和国产MQ138传感器的设计方案
国产MQ138传感器中能基本实现甲醛测量需要，其信号可以经过放大电路，在经过AD转换芯片后送给单片机进行处理最后显示。其工作模块可以分为：传感器、放大电路、AD电路、单片机、显示电路。通过这几个部分的结合可以基本实现设计的功能，但是由于MQ138传感器的线性度极其不理想，而且其测量范围为1ppm～10ppm，最低测量值已经远远超过国家标准的最低值0.8ppm。系统所采用的单片机只能进行数据处理，仍需要另外购买AD芯片，给系统造成成本增加，且对电路的性能会造成影响。
3.2方案二：基于增强型单片机和进口传感器的设计方案
英国达特（DART）公司的甲醛传感器虽然价格为MQ138的两倍，但其拥有稳定的线性度，且灵敏度达到0.01ppm,可以满足测量国家标准。系统工作模块也分为传感器、放大电路、AD电路、单片机、显示电路。系统才用的是增强型51单片机即STC12C5A60S2单片机，不但拥有超高的执行速度而且内置了10位的AD转换，可以简单化电路，更可以节约一定的成本，对整体电路的稳定性能更有保障。
两个方案的比较：方案一，虽然基本满足测量需求，但是0～1ppm的范围为盲区，无法测量更无法在超过国标时及时提醒，系统整体稳定性不高。方案二，完全能够满足测量需求，精度高，功耗更低，电路设计简单，稳定性高，更加可靠，所以选用方案二。
4.单片机甲醛检测技术
4.1STC12C5A60S2单片机
STC12C5A60S2单片机（引脚如图1）是宏晶科技生产的一种能够与传统8051完全兼容的新型单片机，它执行速度是传统51单片机的8—12倍，内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(即P1口)，因此具有很强大的数据处理能力，本身自带的10位A/D转换更是为本设计节约了成本。
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其基本参数如下：
1.与MCS-51产品指令和引脚完全兼容。 2.60K字节可重擦写FLASH闪存存储器。 3.100000次写/擦循环。
4.时钟频率：0Hz—35MHz相当于普通单片机的0—420M。 5.三级加密存储器。 6.1280字节内部RAM。
7.36/40/44个可编程I/O口线。 8.4个16位定时/计数器，7个中断源。 9.2路PWM。
10.低功耗的空闲和掉电模式。 11.片内振荡器和时钟电路。
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图1.STC12C5A60S2引脚
4.2LTC1049CN8运算放大器
LTC1049（引脚如图2）是一种高性能，低功耗的零漂移运算放大器。此外，LTC1049提供优越的DC和AC性能，其理论供应电流仅为200μA。LTC1049拥有典型失调电压漂移0.02μV/°C， 0.1Hz到10Hz输入噪声电压的3μV。转换速度电压增益为与典型的160dB与增益带宽产品的0.8MHz。超载从饱和状态的恢复时间6ms,比削波器放大器显着改善使用外部电容器，可以在LTC1049是一个插件替换与大多数标准运算amps大幅度提高DC性能和降低功耗。
其基本参数如下： 1.低电源电流：200μA 2.无需外部元件
3.最大失调电压：10μV
4.最大偏移电压漂移：0.1μV/°C 5.单电源供电：4.75V到16V 6.输入共模范围包括地面 8.典型的过载恢复时间：6ms
9.在8-Pin可用，以便和PDIP软件包兼容
图2 LTC1049CN8引脚图
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