甲醛检测仪设计

基于C8051F单片机的甲醛检测仪设计 摘要：本文设计了一款便携式的甲醛检测仪，以C8051F021单片机为核心，用Dart sensors 甲醛传感器作为高精度的微弱信号检测的传感器，利用AD8571精密运算放大器进行信号处理，实现甲醛检测仪的高精度检测，同时仪器低功耗、智能化及便携式的特点十分实用于室内空气中甲醛气体含量的检测。 关键词：甲醛检测仪；低功耗；便携式 甲醛是一种无色、有刺激性气味的气体。其危害性众所周知，其毒性较高、在常温下极易挥发、长期接触甲醛的人会引起慢性呼吸道疾病、基因突变等问题。近年来，随着甲醛大量地被应用在室内装修，其在空气中的含量越来越引起人们的高度关注。 本文针对普通用户使用简单方便等特点，以C8051F系列单片机为核心，设计一款便携式、低功耗的甲醛检测仪，使其具有便于携带、使用方便、智能化等特点。 一、系统的总体设计 检测甲醛的方法有很多，大致分为：分光光度法、色谱法、电化学检测法和传感器法【1】等。对于便携式甲醛检测仪的设计，利用传感器进行甲醛的检测与传统的利用化学试剂进行检测，效率更高。其中，电化学传感器的结构相对简单，检测性能稳定，能够满足检测室内甲醛气体的要求，所以在本设计中，采用电化学甲醛传感器对室内的甲醛气体浓度进行检测。 系统的总体设计图如1-1所示： 本设计通过甲醛传感器、信号处理单元、单片机、人机交互等模块组成。主要实现以下功能： 1. 实时、快速地检测当前室内空气的甲醛含量； 2. 显示ppm和mg/m3两种单位； 3. 判断当前气体含量是否超出国家标准，如超出标准，要予以提示和警告； 4. 可以查询检测的历史数据； 5. 仪器与电脑可进行通信。 二、系统的硬件设计 便携式甲醛检测仪的硬件部分主要由：甲醛传感器、放大和滤波、单片机、液晶显示和按键等部分组成。硬件结构图如2-1所示。 1. 甲醛传感器 本设计所选用的甲醛传感器为英国Dart sensor公司生产的DART SENSORS甲醛传感器。传感器的示意图如图2-2所示。 如图所示，传感器的表面有一层通透膜，其正中央有一个直径为2.10MIN的圆孔，通透膜和圆孔的结合是为了空气中气体的进入，同时又有效的阻挡了灰尘等杂质进入传感器以致影响传感器的测量精度或减少传感器的使用寿命。这种传感器属于电化学传感器，具有两个电极：正电极和负电极。其工作原理为：正电极和负电极组成一电极对，浸在电解液中。当传感器工作时，空气中的甲醛气体分子通过圆孔进入到传感器中，具有催化性能的正电极发生氧化反应，同时负电极发生还原反应。由此产生的电流信号由正电极输出，且电流的大小与空气中的甲醛含量成正比。这样就形成了由空气中的气体浓度转变为了甲醛传感器输出的电流信号。 这种传感器的检测精度很好，输出信号为250-300 nA/ppm，使用寿命为5年。可检测出国家标准甲醛含量内的微弱信号，并且传感器随时间的变化的漂移量极小，因此在设计时不用进行补偿。在常温20℃下传感器的活性最好。 使用此传感器时要特别注意，当传感器不工作时，要将传感器的正负两极短路，在保证传感器的使用寿命的同时消耗两极间积累的电荷，使其在正常工作时不会因为未将两极短路将此电荷释放2天以致影响检测的效率。在传感器工作时，要去掉其短路线，保证其正常工作。 2. 信号处理与放大部分 由于在通常情况下，室内的甲醛含量极低，所以甲醛传感器所检测出的电流信号十分微弱。所以对于微弱信号的放大，有相当高的要求。本设计中，将传感器输出的微弱电流信号接入20K大小的电阻，使uA级别的电流信号转变为mV级别的电压信号。之后，将信号传输到AD8571运算放大器进行信号的放大与滤波。其中，信号的滤波由RC网络组成。设置反馈电阻与输入电阻的阻值，使其放大200倍。 AD8571是ADI公司生产的性能参数良好的轨到轨输入/输出高精度运算放大器。其性能特点为：低失调电压：1uV；输入失调漂移：0.005uV/℃；可以进行单电源操作（5V/3.3V）；高增益：145 dB（典型值）；共模抑制比（CMRR）：140 dB（典型值）；超低输入偏置电流：10 pA的典型；低电源电流：750μA/运算放大器[3]。 其高精度低漂移的性能参数，并带有自调零电路，在微弱信号放大的过程中，可以有效地减少噪声及误差的引入，很好地保证了检测仪的检测精度。 3. C8051F021单片机 C8051F系列单片机是由Silicon Laboratories 公司推出的真正能独立工作的混合信号片上系统(System on a Chip，SOC)，即在单片机这一个芯片中除了具有与MCS-51内核及指令完全兼容的微控制器和标准8051的数字外设之外，还集成了构成数据采集系统或控制系统所需要的几乎所有的数字和模拟外围接口和功能部件[2]。 在本设计中，选用C8051F021单片机，该单片机包含与8051完全兼容的CIP-5内核，模拟多路选择器、可编程增益放大器、12位和8位的ADC、DAC、64K的Flash存储器、UATR串口、电压基准、数字I/O端口和看门狗定时器[2]等。 本设计将经AD8571滤波放大等处理后的信号输入到C8051F021单片机中。通过单片机的模拟多路选择器AIN0.0通道进行信号采集，并设置为单端输入方式。利用单片机内部的12位ADC模块进行模数转换。此时，通过软件设置进行信号大小的判断：当通过硬件处理后的信号相对微小（信号<0.5mV）时，利用单片机内部的可编程增益放大器进行2倍的放大，让输入到单片机的信号尽量接近其内部的基准电压(2.43V)，使A/D转换更加精确。 C8051F系列单片机的Flash存储器可以在系统重新编程，即既有程序存储器的功能，又有非易失行数据存储的功能。本设计在软件编程时根据Flash存储器的这一特点将每次检测到的结果存入存储器中，发挥其非易失性数据存储的功能，通过按键的命令可以查询之前检测的历史数据。方便用户的测量比对。 4. 人机交互 利用单片机的I/O接口与晶联讯公司的128*64的JLX12864039型号的LCD相连，进行输出结果的显示。同时，通过开、关、检测、查询等按键实现检测仪相应的开关、检测室内甲醛浓度和查询历史检测数据等功能。实现检测仪的智能化与使用简单的特点。 5. 串口通信 本设计在仪器的底部设有232的通信接口，可通过232串口线与电脑相连。同时在软件方面对串口通信增加相应的编程，使检测到的结果同时输出到电脑上，在超级终端上显示检测到的结果。其硬件芯片使用的是MAX3232，通过单片机UART串口通信的接收和发送端口与进行232通信的电平转换电路相连，即可实现仪器与电脑的通信。 三、系统软件设计 硬件电路搭建好之后，在Silicon Laboratories IDE集成开发环境中编写C语言程序，并通过C8051F MCU调试适配器下载到单片机中。IDE集成开发环境是Silicon Laboratories公司开发的专门针对C8051F系列单片机的集成开发环境，通过和Keil C51系列的开发工具集成提供了使用C51语言进行单片机开发的强大接口，主要包括编辑器、宏汇编器、调试器和编程器[2]。此调试器与单片机之间通过JTAG接口实现快速和有效的系统编程和调试。 通过单片机的控制，实现将传感器检测到的空气中的甲醛含量在LCD液晶显示模块中显示。并根据操作者的不同的按键选择来实现不同的功能。系统主程序图如图3-1所示。 当开/关键首次闭合时，检测仪系统初始化，屏幕中出现开机显示。当“检测”按键按下时，待传感器响应时间15秒之后，系统将自动检测空气中的甲醛含量，默认以ppm单位形式出现，输出在液晶屏幕上。如果检测结果超过了国家规定的标准，当前检测结果将会闪烁予以提示。当再次按下“检测”键时，系统将重新进行检测。当有“单位转换”按键按下时，屏幕上会自动显示出当前检测结果的mg/m3单位的检测值。若有“查询”按键按下，则显示之前检测到的历史数据。 四、检测仪的低功耗设计 在本设计中，所有元器件的选用均可采用3.3V供电，大大降低了电池能量的消耗。 1. C8051F021单片机的低功耗： 单片机可在工业温度（-45℃~85℃）工作，并且工作电压为2.7V~3.6V。由此来减少5V供电的消耗。另外，在需要时可进行时钟的切换，可有效地降低系统的功耗。 2. AD8571低功耗： AD8571运算放大器可进行单电源(5V/3.3V)的操作，在本设计中，选用3.3V进行运算放大器的供电。 4.液晶低功耗： 本设计所使用的液晶的工作电压为3.0V，在LED背光情况下正常工作的电流为16mA[5]。为了节省仪器的功耗，是否背光由检测仪的按键来控制，在默认情况下，背光功能不打开。在白天或光线较强的地方，LCD的字体足够清晰。当在夜晚或光线较暗的地方，用户可按下打开背光选择键，打开LCD的背光功能。 5. 串口通信低功耗： 由于MAX3232芯片消耗的电流较大[4]，所以在硬件设计时，由按键控制此功能的开闭。在默认状态下，此串口通信功能是关闭的。当用户需要检测仪与电脑通信时，用232串口线将仪器与电脑连接上之后，按下串口通信按键，此模块才发挥作用。这样，就大大减少了检测仪的功耗。 6. 用户使用时注意降低功耗： 为了降低功耗，对于检测仪的设计，从元器件的选择到功能模块的设置，多方面最大限度的降低仪器的功耗。与此同时，用户在使用是同样注意到能源的节约会起到更好的效果。主要体现在：当不使用检测仪时，要注意关闭电源、关闭LCD背光灯按键和串口通信按键。这样，能更有效地体现本仪器的低功耗特点。 五、结论 C8051F021单片机的片上资源充分，功能强大。在便携式甲醛检测仪的硬件设计上，可充分利用单片机的片上资源，从而大大减少了单片机的外围电路，有效节省了使用空间，降低了成本，并增强了仪器的可靠性。仪器上各种功能按键为用户提供了更多选择，既降低了功耗，有增加了使用功能，是检测仪更轻便小巧，更智能化。具有很大的发展前景。 参考文献 [1] 方亮,郝明.基于LabVIEW的甲醛检测系统设计[J].科技创新导报,2010,10.22 [2] 鲍可进. SOC单片机原理与应用.北京：清华大学出版社，2011.1 （11~14） [3] AD8571数据手册.ADI公司. 继续阅读