基于单片机的室内甲醛检测仪的设计

基于单片机的室内甲醛检测仪的设计

基于单片机的室内甲醛检测仪的设计

摘要：室内空气质量的好坏直接影响到人体的健康，其中甲醛的危害更是亟待解决的问题。因此，测定室内甲醛含量也成为一个具有意义的研究。本设计主要针对居民住楼的甲醛含量可能超标设计的。设计采用电化学甲醛传感器作为数据的感知部分，电化学甲醛传感器器较其他的甲醛含量检测方法操作简单，成本相对较低，适合用于实验的研究和室内甲醛含量的检测。该甲醛含量采集系统能够达到0.01mg/m3的精度，并且将结果用液晶屏显示出来，当甲醛含量超过设定标准是发出警告。

关键词：MSP430 电化学传感器甲醛含量

一方案设计

实验以MSP430F149单片机作为系统的核心，通过按键控制液晶显示和驱动放大电路。

1.1单片机的选择论证

方案一：采用MC68HC05/08系列单片机对系统进行控制。其乘法和除法指令给编程带来了便利。但是其指令系统共有89条指令，不利于CPU的执行速度。

方案二：采用MCS-51系列单片机对系统进行控制。MCS-51系列单片机采用哈佛体系结构，其程序存储器和数据存储器独立编址。7中寻址方式，111条系统指令，操作简单适合于简单系统。

方案三：MSP430F149单片机内部资源比51单片机丰富，并且具有可以调节的晶振频率，是编程更为灵活。

综上所述由于设计的系统简单，所以选择方案三。

综上所述选择方案一。

1.2传感器的选择论证

检测室内甲醛含量的方法有许多种，以下表格给出一些典型的方法和其特点。

甲醛电化学传感器的主要技术指标如下：

测量范围：0—10ppm

响应时间: 小于50秒

最大负荷：50ppm

输出信号：1200±300Na/ ppm

分辨率：0.05 ppm

根据以上表格和电化学传感器的主要技术指标，选择电化学法进行实验。CH2O/M-10型号的甲醛电化学传感器。

1.3人机模块的选择论证

方案一：采用独立按键和数码管作为人机接口。编程简单可行，但是显示过于枯燥，独立按键不利于人机交互。

方案二：采用4*4键盘和LCD1602作为人机接口。4*4具有16个按键，设置更为灵活，具有字库使显示更加明了，编程简单。

采用方案二。

二硬件电路设计

硬件设计部分：传感器接口电路设计，放大电路设计，外围模块的电路设计（电源模块，液晶显示模块，无线模块，键盘模块，串口通信模块等）

以单片机为核心，接收到传感器经过接口电路、信号放大电路后的的信号，在单片机内部集成的AD对数据进行采样，编写程序对数据进行处理，将数据结果即甲醛的浓度输出，并且，如果甲醛的含量超标则报警。

系统总流程框图

2.1 恒电位电路原理

由甲醛传感器的工作原理可知，甲醛气体扩散至传感器内部，在与传感器内部的溶液发生氧化还原反应，工作电极的表面电极被消耗，转移一定量的电子数目，从而产生电流信号，产生的电流为微安级。由于信号的产生，甲醛传感器本身的电位发生变化，导致工作电极与对电极表面的氧化还原反应变得不稳定，因此在传感器的测量电路里，应加入传感器的恒电位电路，以保证工作电极与参考电极之间的电压稳定。

在以下电路中U1B部分为恒电位电路，维持参考电压RET和工作电压WE之间的电压稳定，即使甲醛与内容溶液发生化学反应，WE电压依然稳定。

恒电位电路图

2.2放大电路原理

由于电压信号很微弱，需要进行信号的放大。如下图所示，该信号放大电路为二级放大，第一级放大U1的放大倍数最高可达100倍，并且可以通过R1调节放大倍数。第二级放大U2与第一级放大基本一致，由R2调节放大倍数，选择0—100的放大倍数。经过两级放大，已经可以满足要求。

信号放大电路图

2.3测量电路

由于对电极CE和参考电极REF由恒电位电路控制，CE和REF之间的电压一直处于稳定状态。输出的电流信号经过R3，转换成电压信号。

传感器的测量电路电路图

2.4外围模块设计

便携式甲醛检测仪的硬件外围模块主要包括液晶显示模块，键盘模块，电源模块等。MSP430F149作为主控芯片，其外围设备有液晶显示模块，矩阵键盘模块，内置AD转换模块以及电源模块。键盘模块用于输入和操作，显示模块用于显示经过单片机处理过的数据。

主控制器电路

2.4.1液晶模块设计

采用1602液晶显示以显示数据

液晶显示电路设计

2.4.2键盘界面设计

键盘模块是为了让用户输入数据，启动或暂停仪器的工作，实现人机互动。设计采用4*4矩阵键盘。

MSP430

F149 显示模块

键盘模块 AD 模块 供电模块

4*4矩阵键盘电路设计

2.4.5 模数转换模块

MSP430F149自带模数转换模块，不需要另外设计，可以节省时间降低成本。MSP430的ADC模块为12位，有12个模拟通道。

三软件设计

3.1软件总体设计

采用C语言进行编程，方便快捷。通过按键启动仪器，如果需要可以设置甲醛上限报警，整个系统由主程序，中断服务程序模块、数据处理模块和显示子程序模块组成。

以下为系统流程图，供电后，按下启动按键即可进入主界面。在主界面里可以选择需要控制的量。

系统流程图

3.2数据采集处理模块设计

由键盘控制是否进行采样并设定采样的间隔时间，键盘输入信号，经由单片机处理并反映，控制ADC进行数据的采集。并将采集回来的数据进行处理。

数据采集处理模块流程图

3.3显示模块设计

仪器的显示模块采用LCD1602，可以显示数字和字符。所用到的驱动函数包