基于單片機的室內甲醛測試系統(tǒng)

甲醛是一種具有刺激氣味的無色氣體，也是一種潛在的致癌物質，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，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，兒童就會發(fā)生輕微氣喘。當室內空氣中甲醛含量為0.1mg/m3時，就有異味和不適感。達到 0.5mg/m3時，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、價格低、穩(wěn)定可靠等突出優(yōu)點,在智能產品、測控系統(tǒng)等領域得到廣泛的應用。本文設計的測試儀可現(xiàn)場可直接顯示甲醛濃度值。當其濃度值小于國家規(guī)定的標準值(可按鍵修改)時綠燈亮，可以入住，當超過規(guī)定的室內居住標準值時紅燈亮開始報警提醒人們暫時不要入住。

1 硬件介紹

基于單片機的室內甲醛測試儀由單片機系統(tǒng)，顯示電路，功能鍵盤，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(tǒng)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(tǒng)吸收后，將產生的電流信號與相連產生一個與甲醛濃度成正比的電流，該電流經過 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，該電壓經過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，當超過國家規(guī)定的標準時進行報警。CH20/S-10的相關參數(shù)如下：電化學工作原理;量程：0-10PPM;最大過載濃度：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，響應時間(T90)：50s。

Burr-Brown公司生產的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絡外，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14和15腳之間接入電位器來調整增益，但這樣會減小共模抑制比，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，我們在使用過程中，使用的是IN+端。

1.2 5G14433A/D轉換器

5G14433A/D轉換器是國產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位二進制數(shù))，自動校零，自動極性輸出，自動量程控制信號輸出，動態(tài)字位掃描BCD碼輸出，單基準電壓，外接元件少，價格低廉等特點。但其轉換速度慢，約1～10次/秒在不要求高速轉換的場合。5G14433芯片引腳參數(shù)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， C1=0.1μF，R1=470KΩ;

當量程200mV時，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(shù)據結 果的輸入端。當DU與EOC連接時，每次的A/D轉換結果都被更新。

CLKI和CLKO：時鐘振蕩器外接電阻Rc端，Rc的典型值為470kΩ，頻率隨著Rc增加而下降。

VEE：模擬部分的負電源端，接-5V

VSS：除CLKO端外所有輸出端的低電平基準(數(shù)字地)。當VSS接VAGR模擬地、數(shù)字地相連)時， 輸出電壓度為VAG～VDD(0～+5V)：當VSS接VEE(-5V)時，輸出電壓幅度為VEE～VDD(-5～+5V)，10V的幅值。應用時一般是 VSS接VAG，即模擬地與數(shù)字地相連。

EOC：轉換周期結束標志輸出。每當一個A/D轉換周期結束，EOC端輸出一個寬度為時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對應個位。

Q0～Q3：BCD碼數(shù)據輸出線，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

鍵盤設置為3×3陣列鍵盤,有功能選擇鍵、報警確認鍵、回車(數(shù)值確認)鍵、數(shù)值鍵、鍵等。

1.4 CD顯示單元

CD顯示單元選用OCM4×16字符點陣液晶顯示屏模塊組件,主要有LCD顯示器、控制器、驅動器和偏壓產生電路組成,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、鍵盤處理子程序、數(shù)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(tǒng)上電后進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，同時斷開各電器的電源。初始化完成后，系統(tǒng)開始正常運轉。進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(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。中值濾波對于去掉偶然因素引起的波動或采樣不穩(wěn)定產生的誤差比較有效,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現(xiàn)室內甲醛濃度測量進行了比較全面的描述和分析，本文所實現(xiàn)的甲醛濃度測量系統(tǒng)具有比較全面的功能。該測量系統(tǒng)操作方便、性價比適宜、運行可靠，測量精度高，還可以根據具體的需要對系統(tǒng)進行適當?shù)男薷摹?/p>