基于51单片机的室内甲醛测试系统

甲醛是一种具有刺激气味的无色气体，也是一种潜在的致癌物质，对人体健康有较大的危害，许多疾病的诱发都与甲醛有关，如哮喘，白血病等。甲醛浓度在每立方米空气中达到0．06－0．07mg／m3时，儿童就会发生轻微气喘。当室内空气中甲醛含量为0．1mg／m3时，就有异味和不适感。达到0．5mg／m3时，可刺激眼睛，引起流泪，它对人体健康的危害不容忽视。单片机具有通用性强、体积小、价格低、稳定可靠等突出优点,在智能产品、测控系统等领域得到广泛的应用。本文设计的测试仪可现场可直接显示甲醛浓度值。当其浓度值小于国家规定的标准值（可按键修改）时绿灯亮，可以入住，当超过规定的室内居住标准值时红灯亮开始报警提醒人们暂时不要入住。
   1 硬件介绍
       基于单片机的室内甲醛测试仪由单片机系统，显示电路，功能键盘，甲醛传感器，测量电路及3位半双积分A/D转换器，报警输出电路构成。系统结构如图1所示：
   
       1.1测量电路
       测量电路由CH20/S-10甲醛传感器，I/U（电流/电压）变换器RCV420芯片，5G14433A/D转换器等组成如图2所示。
       甲醛传感器由甲醛探头，CH20传感器组成。当空气被内部的采样系统吸收后，将产生的电流信号与相连产生一个与甲醛浓度成正比的电流，该电流经过4~20MA甲醛模块的信号调理，与I/U变换器RCV420芯片转换成0~5V的电压，该电压经过5G14433A/D转换器，与8051单片机相连，在显示器上显示出甲醛的浓度值，当超过国家规定的标准时进行报警。CH20/S-10的相关参数如下：电化学工作原理；量程：0-10PPM；最大过载浓度：50PPM；最小分辨率：±0.05PPM；工作寿命：3年；灵敏度：1200±300nA／ppm，4~20MA甲醛模块；工作温度：-20～45，响应时间（T90）：＜50s。
       Burr-Brown公司生产的RCV420精密I/U变换器能将4~20mA的环路电流变换成0~5V的电压输出。作为一种单片集成电路具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密运放和电阻网络外，还集成有10V基准电压源。在不需要外调整的情况下，可以获得86dB的共模抑制比和40V的共模电压输入。在全量程范围内输入阻抗仅有1.5V的压降，对于环路电流具有很好的变换能力。其芯片引脚分布及内部结构图如图2和图3所示。
       在使用中10、11和12脚相连，2、5和13脚相连接地，14和15脚相连接，作为0~5V电压信号的输出端，当需要调整增益时14和15脚之间接入电位器来调整增益，但这样会减小共模抑制比，减少量是增益增加1%，共模抑制比将减少6dB，因此我们在使用时一般直接将14和15脚短接，7和8脚悬空，4和16脚分别接一个1μF的电容接地，IN+或IN-端接输入的电流信号，一般情况下，只使用一端，具体使用那端取决于输入信号的极性和所需输出电压的极性，我们在使用过程中，使用的是IN+端。
   

       1.2 5G14433A/D转换器
        5G14433A/D转换器是国产的广为流行的最典型的双积分3位半A/D转换器它具有抗干扰性能好，转换精度高（相当于11位二进制数），自动校零，自动极性输出，自动量程控制信号输出，动态字位扫描BCD码输出，单基准电压，外接元件少，价格低廉等特点。但其转换速度慢，约1～10次/秒在不要求高速转换的场合。5G14433芯片引脚参数及其与单片机的连接如下：
        VAG：被测电压VX和基准电压VR的接地端（模拟地）。
        VR：外接输入基准电压（+2V或+200mv）
        VX：被测电压输入端。
        R1、R1/C1、C1：外接积分电阻器和积分电容C1元件端，外接元件典型值：
        当量程为2V时， C1＝0.1μF，R1=470KΩ；
        当量程200mV时，C1=0.1μF，R1=27KΩ
        C01、C02：外接失调补偿电容C0端，C0的典型值为0．1μF。
        DU：更新输出的A／D转换数据结  果的输入端。当DU与EOC连接时，每次的A／D转换结果都被更新。
        CLKI和CLKO：时钟振荡器外接电阻Rc端，Rc的典型值为470kΩ，频率随着Rc增加而下降。
        VEE：模拟部分的负电源端，接-5V
        VSS：除CLKO端外所有输出端的低电平基准（数字地）。当VSS接VAGR模拟地、数字地相连）时， 输出电压度为VAG～VDD（0～+5V）：当VSS接VEE（-5V）时，输出电压幅度为VEE～VDD（-5～+5V），10V的幅值。应用时一般是VSS接VAG，即模拟地与数字地相连。
        EOC：转换周期结束标志输出。每当一个A/D转换周期结束，EOC端输出一个宽度为时钟周期二分之一宽度的正脉冲，与DU一起接单片机的P3.2引脚。
        DS1～DS4：多路选通脉冲输出端，分别接电片机的P1.4~P1.7引脚。DS1对应千位，DS4对应个位。
        Q0～Q3：BCD码数据输出线，分别接单片机的P1.0~P1.3引脚。其中Q0为最低位，Q3为最高位。当DS2、DS3和DS4选通期间，输出三位完整的BCD码。
        1.3功能键盘
        键盘设置为3*3阵列键盘,有功能选择键、报警确认键、回车(数值确认)键、数值键、键等。
        1.4 CD显示单元
        CD显示单元选用OCM 4×16字符点阵液晶显示屏模块组件,主要有LCD显示器、控制器、驱动器和偏压产生电路组成,用于显示当前被测温度值、电流输出值、温度报警设定值、P设定值、TI设定值、TD设定值、偏差量、报警状态等信息。
    2 软件设计
        软件采用模块化设计。全部软件由主程序、键盘处理子程序、数据采集子程序、报警程序组成。主程序是控制和管理的核心。系统上电后进行初始化和中断处理操作。初始化主要完成对报警值的设定和初次检查，同时断开各电器的电源。初始化完成后，系统开始正常运转。进行甲醛浓度检测和报警等操作，主程序的流程图如图3所示。
        为了提高测量精度，本文采用中值滤波法，就是对参数连续采样N次(一般N为奇数),然后把N次采样值从大到小或从小到大,按递增或递减顺序排序,再取中间值作本次采样值。中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样不稳定产生的误差比较有效,在N次采样中只要有一次是正确的,即可提高精度。
   
    3 结论
        本文对利用单片机实现室内甲醛浓度测量进行了比较全面的描述和分析，本文所实现的甲醛浓度测量系统具有比较全面的功能。该测量系统操作方便、性价比适宜、运行可靠，测量精度高，还可以根据具体的需要对系统进行适当的修改。