基于51單片機的室內甲醛測試系統

　　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到0.06-0.07mg/m3時(shí)，兒童就會(huì )發(fā)生輕微氣喘。當室內空氣中甲醛含量為0.1mg/m3時(shí)，就有異味和不適感。達到0.5mg/m3時(shí)，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(jià)格低、穩定可靠等突出優(yōu)點(diǎn),在智能產(chǎn)品、測控系統等領(lǐng)域得到廣泛的應用。本文設計的測試儀可現場(chǎng)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(shí)綠燈亮，可以入住，當超過(guò)規定的室內居住標準值時(shí)紅燈亮開(kāi)始報警提醒人們暫時(shí)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(pán)，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(chǎn)生的電流信號與相連產(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甲醛模塊的信號調理，與I/U變換器RCV420芯片轉換成0~5V的電壓，該電壓經(jīng)過(guò)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(guò)國家規定的標準時(shí)進(jìn)行報警。CH20/S-10的相關(guān)參數如下：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。除具有精密運放和電阻網(wǎng)絡(luò )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(huán)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(shí)14和15腳之間接入電位器來(lái)調整增益，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，因此我們在使用時(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，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(guò)程中，使用的是IN+端。

　　1.2 5G14433A/D轉換器

　　5G14433A/D轉換器是國產(chǎn)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(jìn)制數)，自動(dòng)校零，自動(dòng)極性輸出，自動(dòng)量程控制信號輸出，動(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出，單基準電壓，外接元件少，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。但其轉換速度慢，約1～10次/秒在不要求高速轉換的場(chǎng)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(shí)， C1=0.1μF，R1=470KΩ;

　　當量程200mV時(shí)，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(shí)，每次的A/D轉換結果都被更新。

　　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(zhù)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(shí)， 輸出電壓度為VAG～VDD(0～+5V)：當VSS接VEE(-5V)時(shí)，輸出電壓幅度為VEE～VDD(-5～+5V)，10V的幅值。應用時(shí)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(gè)A/D轉換周期結束，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(gè)位。

　　Q0～Q3：BCD碼數據輸出線(xiàn)，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(pán)

　　鍵盤(pán)設置為3*3陣列鍵盤(pán),有功能選擇鍵、報警確認鍵、回車(chē)(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(diǎn)陣液晶顯示屏模塊組件,主要有LCD顯示器、控制器、驅動(dòng)器和偏壓產(chǎn)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(tài)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(pán)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(jìn)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(shí)斷開(kāi)各電器的電源。初始化完成后，系統開(kāi)始正常運轉。進(jìn)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(dòng)或采樣不穩定產(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 結論

　　本文對利用單片機實(shí)現室內甲醛濃度測量進(jìn)行了比較全面的描述和分析，本文所實(shí)現的甲醛濃度測量系統具有比較全面的功能。該測量系統操作方便、性?xún)r(jià)比適宜、運行可靠，測量精度高，還可以根據具體的需要對系統進(jìn)行適當的修改。