应用物理毕业论文：甲醛监测器设计与仿真.doc

1、本科毕业论文（20 届）甲醛监测器设计与仿真所在学院 专业班级 应用物理 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 甲醛监测器设计与仿真摘要生活中，甲醛在生活环境中无处不在，当人体若吸入过量的甲醛，浓度超出正常规定的标准，将对我们的身体造成严重的伤害。现在大多甲醛监测采用的是化学监测的方法，采用的是现场取样后，到实验室监测的方法，步骤较为繁琐，并且大多的监测器存在着操作难、成本高、携带不便等缺点。本论文甲醛监测器设计中，电路中主要以 AT89C51 单片机为中心支撑点，并结合其他信号电路而成。设计中通过甲醛传感器所输入的电流信号将模拟信号转换成电信号，在经过电路放大信号再由A/D 转换

2、电路将信号反映到接收电路，经由电路的信号处理，最后显示甲醛浓度，并且根据浓度的大小与设定的浓度比较，超过预设值后会报警。模拟电路中，甲醛传感器的模拟放入电路中较有难度，甲醛传感器将会由滑动变阻器结合 ADC0808 单片机结合来代替，通过变动滑动变阻器电阻值，从而改变输入电流值，再通过电路转换显示数值。本论文中设计的甲醛监测器的结构简单、操作性强并且便于携带，较适合日常生活中的监测使用，该产品的广泛生产将会有良好的经济效益。关键词：甲醛监测器、单片机、转换电路、甲醛传感器The Design and Simulation of formaldehyde monitorABSTRACTIf th

3、e human inhalation of formaldehyde, will cause serious harm to the body. Now most formaldehyde monitoring methods are adopted inchemical monitoring, is used in the field sampling, laboratory monitoringmethods, procedures are more complicated, and most of the monitor hasdifficult operation, high cost

4、, inconvenient carrying.This paper takes AT89C51 microcontroller as the core design of formaldehyde detector. The current signal input circuit afterformaldehyde sensor signal amplification by A/D conversion circuit,through the signal processing circuit, and finally display the concentration of forma

5、ldehyde, and according to the concentration of size compared with the set concentration exceeds the preset value, the alarm will beafter. Analog circuit simulation, formaldehyde sensor is more difficult, the formaldehyde sensor will be replaced by a sliding rheostat, the sliding rheostat change resi

6、stor, change the input current value, then displayvalue by circuit switching.The structure of formaldehyde monitor design in this paper is simple,practical and easy to carry, suitable for monitoring in daily life, theproduction of a wide range of products will have good economic benefits.Key Words:

7、Formaldehyde monitor 、SCM、Conversion circuit、Sensor目 录第一章 绪论 .11.1 甲醛特性及危害 .11.2 甲醛来源 .11.3 主要监测方法 .1第二章 概述 .22.1 单片机概况 .22.2 甲醛监测器简述 .22.3 设计方法 .2第三章 设计方案论证 .33.1 单片机芯片的选择 .33.2 显示模块选择 .33.3 输入模块的选择 .3第四章 元器件特性 .44.1 AT89C51 .54.2 ADC0808 .54.3 四位 8 段数码管 .74.4 传感器 .8第五章 硬件设计 .95.1 电路设计框图 .95.2 时钟电路

8、 .105.3 复位电路 .115.4 控制电路 .115.5 显示模块电路 .125.6 主电路设计 .12第六章 软件设计 .136.1 设计规划 .136.2 主模块 .15第七章 仿真与测试 .16第八章 总结 .16附录 .17致 谢 .19天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）11第一章 绪论1.1 甲醛特性及危害甲醛，属于醛类中的无色物质，状态是固液气三态中的气态，当人体的眼鼻耳等感官器官接触时有刺激作用。甲醛有易溶于水，醇类和醚类化学物质等特性。因为该溶液的沸点为 19.5，导致其在常温下极其不稳定的性质，所以当温度的升高后，甲醛的挥发速度也会提高。其在我国有

9、毒化学品中排名仅次与排名第一的强致癌物二恶英。吸收甲醛后人体中皮肤的不适现象主要由于其的刺激作用,当室内的甲醛达到一定浓度时，人会产生不适应不舒服的感觉。空气中的甲醛浓度过高会引起突发性中毒。当人体吸入甲醛浓度高于 60mg/m3 且低于 120mg/m3 的量，会导致身体的严重损害，如引起肺部疾病如肺部发炎等病状；当人体吸入甲醛浓度高于 12mg/m3 且低于 24mg/m3 的量，会引发呼吸道内的病症，如鼻腔损伤、咽黏膜严重灼伤、咳嗽等症状；当人经口 1020mL，会致死。新装修的房间空气中甲醛含量较高，是导致许多病病发的主要原因。1.2 甲醛的来源1.来自于空气中：油漆、壁纸等含有甲醛成

10、分并有可能向外界散发的装饰材料，室内装修所用合成板材，板材间所含胶合剂含大量甲醛，装修后材料中残留的甲醛会向空气释放。2.来自于衣物中：有许多类型的衣物中也含有甲醛，比如牛仔裤，和免烫防皱的衣物中会使用一种含有甲醛成分的化学物质乙二醛树脂定型。此类化学物质的添加会刺激皮肤，会引起皮肤敏感等症状。3.来自于食物中：为了加长食物的防腐时间，一些食物中会添加甲醛，或者为食物的漂白、蛋白质的凝固，也会加入一些甲醛。1.3 甲醛的主要监测方法判断是否存在甲醛，有以下监测方法：（1）AHMT 分光光度法（2）酚试剂分光光度法（3）气相色谱法（4）乙酰丙酮 分光光度法（5）电化学传感器法（6）甲醛自测盒监测

11、法其中第 6 种方法，操作简单并且成本低，可以用于家庭监测甲醛，可以快速、简便、监测室内等特定空间内的空气中甲醛浓度。天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）2第二章 概述2.1 单片机概况单片机的全称为单片微型计算机，也称为微控制器，英文缩写为 MCU，它是 把 组 成 微 型 计 算 机 的 各 部 件 ： 中 央 处 理 器 、 输 入 输 出 接 口 电 路 、 存 储 器 、定 时 器 、 计数器等，设计制作在一块集成电路芯片中，构成了一个完整的微型计算机。单片机主要分为 4 位单片机和 8 位单片机，设计使用中 8 位单片机使用的范围比较广，本设计中选用的是 8 位

12、单片机。单片机的功能不仅仅只是完成单一的逻辑功能，相反的，单片机以芯片的形式集成了一个计算机系统。单片机的结构设计是按照工业控制要求而成。单片机的结构中主要是由控制器控制，此外还有具有存储功能的储存器还有运算系统的运算器、具有传输功能的输入输出设备。由于单片机具备超小型化，高性能，大容量，可靠性高，价格低廉等特点，所以单片机广泛应用于工业，此外，生活中常用到的家用电器、打印机、手机、平板电脑等电子器件都含有单片机。2.2 甲醛监测器简述甲醛监测器的主要功能即是监测甲醛浓度大小。主要用于室内空气中的甲醛监测。所以具备了结构简洁、体积小、方便携带等特点。在甲醛监测中，大多是采用一些化学方法，存在着

13、费时高成本等弊端，无法采用携带式方法到现场及时监测。本设计中的甲醛监测器，采用常用的单片机 AT89S52 结合甲醛传感器以及其他转换电路设计。实物中的甲醛传感器通过甲醛氧化性质，将甲醛在电极氧化后，根据电极电流与甲醛浓度正比的关系，通过放大电路转换后传送至单片机中，来判定现场环境下空气中的甲醛浓度。在模拟电路中，为了简化甲醛传感器部分，设计中浓度的变化是通过滑动变阻器的滑动过程中电阻的变化体现。电路中滑动变阻器的滑动引起的电阻大小变化，引起电路中变化，和显示数字变化以及警报，是模拟甲醛传感器传输的甲醛浓度变化。2.3.设计要求1.可以实现在室内监测甲醛，可以实时进行室内甲醛浓度测量并加以显示

14、；2.电路中甲醛浓度的变化可以通过电路显示出；3.将接收的甲醛从模拟信号转换为电路信号，及时反馈到系统中。4.可以实现超限报警的功能，当超出了设定的安全浓度后，监测器将会自动报警；天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）3第三章设计方案论证3.1 单片机芯片的选择设计中以单片机为核心，AT89C51 是学习单片机中较为常用的 COMS8 位微处理器，容易操作，是一种灵活性高、价廉的单片机芯片。AT89C51 单片机内含4k 字节 FLASH 存储器，可以储存 4K 字节的程序，并且可以多次反复擦除。AT89S52 与 AT89C51 相比，本质上没有区别，区别点就在于，两个单片

15、机的RAM 和 ROM 不一样，AT89C51 单片机的 RAM 有 128Byte,ROM4KB,AT89S52 的 RAM有 256Byte,ROM8KB, 单片机执行的指令也是完全一样的。实际上来说，AT89S52 的性能优势更加明显一些，但是从设计上简单原则来说，AT89C51 代替 AT89S52 进行模拟电路更有实际操作性。甲醛监测器实物中单片机芯片大多采用的是 AT89S52，模拟电路中单片机芯片由 AT89C52 代替。3.2 显示模块选择显示模块方面，本设计选用的是四位八段数码管。八段数码管区别于七段数码管在于八段数码管比七段多一个小数点位。选用四位八段数码管，当测量的甲醛浓

16、度较小时，可以准确地显示小数点后 2-3 位的值，当测量的甲醛浓度较大时候，可以显示 1-4 位数值，四位八段数码管价格实惠，使用操作简单。此外，在本设计中甲醛监测器的模拟中，甲醛浓度的变化的模拟体现是通过滑动变阻器电阻的变化而引起电路的变化，四位八段数码管是发亮的原理是不同管脚输入相对的电流而引起发亮，因此四位八段数码管作为显示模块，会更加明显清晰，数值的变化将体现更加明显。3.3 输入模块的选择输入模块中，模拟实物中的甲醛传感器电路中将用 ADC0808 与滑动变阻器进行体现。实物中的甲醛传感器由甲醛探头和 CH20 传感器组成，进行整个工作中的甲醛输入工作。当空气中的甲醛输入后，会产生与

17、甲醛浓度成正比的电压信号，将模拟信号转化成电信号，会通过 ADC0808 单片机在显示模块中显示。模拟电路中，电信号是通过滑动变阻器的滑动，产生的电流信号显现。当滑动变阻器滑动到一个点，产生的电流信号通过 ADC0808 单片机，反应到显示模块中，显示出对应的值。天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）4第四章 元器件特性4.1 AT89C51本设计的实物中主要单片机是使用 AT89C51，因为 AT89C51 与 AT89S52 功能相似，AT89C51 在模拟电路中较为常用，所以模拟电路里用 AT89C51 代替。本单元介绍 AT89C51 的主要特性。AT89C51 是

18、ATMEL 生产的一款使用性较强的单片机。此款单片机具备了低功耗、高性能的特点，可以擦除只读存储器反复擦除 1000 次。AT89C51 单片机带有 4K字节 FLASH 存储器，是一种八位微处理器。此外 AT89C51 还具备与 MCS-51 产品指令和引脚完全兼容、可编程串行 UART通道、低功耗的空闲和掉电模式特点。时钟频率为 0Hz24MHz，内部含有三级加密存储器、3 个 16 位定时 /计数器、256 字节内部 RAM、片内振荡器和时钟 32 个可编程 I/O 口线 、 6 个中断源。 4.1 AT89C51 引脚图Fig.4.1AT89C51 Pin diagramAT98C51

19、 管脚说明：VCC:正电源脚，正常工作时接+5V。VSS:电源地端，即接地脚。XTAL1:片内振动电路输入端口。XTAL2：片内振动电路输出端口。PORT1(P1.0P1.7):输入/输出脚，有提升电路功能的作用。（若使端口 2 为输入端使用，则需将端口 2 设置为高电平的输出电平，反之，天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）5为输出端。）P1.1 引脚具有 T2EX 的功能，可以作为外部中断输入时的触发脚点。PORT2(P2.0-P2.7):输入/输出脚，有提升电路功能的作用。（类似于 PORT1 中输入输出口的与高低电平的关系)PORT3（P3.0P3.7）:输入/输出脚

20、，有提升电路功能的作用。（类似于 PORT1、2 中输入输出口的与高低电平的关系)同时还具备其他 PORT1、2 不具备的功能，有串行通信、计时计数控制、外部中断控制、对于数据存储器内容的读取或写入控制等功能。引脚分配：P3.0:RXD,串行通信输入。P3.1：TXD,串行通信输出。P3.2:INT0,外部中断 0 输入。P3.3：INT1，外部中断 1 输入。P3.4：T0，计时计数器 0 输入。P3.5：T1,计时计数器 1 输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入。P3.7：RD，外部数据存储器的读取。RST:复位引脚。当电路开始运行时，在 RST 引脚出现 24 个时钟周期以上的高电

21、平时间，这时系统就处于复位状态。当 RST 由原有的高电平下降到低电平后，系统就会从 000H 地址开始运行程序。ALE/PROG:若电路系统访问外部存储器时，锁存地址的地址字节是由系统中地址锁存所允许的输出电平来取决的。PSEN:此输出端是作为外部程序存储器的通信号，当外部程序存储器从 AT89C51单片机中读取数据时，将会输出两个脉冲，若此时访问外部的数据存储器，将跳过两次数据信号。/EA/VPP（地址锁存选通信号）:1.当外部程序允许访问时，ALE 端须保持低电平状态，锁存于低 8 位地址。2.当内部程序允许访问时，ALE 端会产生一个 1/6 时钟频率的正脉冲信号，可以用于识别单片机工

22、作与否，也可以作为一个输出口输出。4.2 ADC0808ADC0808 是美国 AD 公司生产 8 位分辨率的具有 A/D 转换功能的器件。ADC0808的内部有 8 通道的多路开关，可以根据地址码锁存之后产生的信号，选择通道输入信号中的一个进行 A/D 转换。ADC0808 和 ADC0809 相比，其在精度上略有差异，ADC0808 的精度位数为 8 位，ADC0809 的精度位数为 7 位，其他功能是基本相同的。ADC0808 和 ADC0809 都是 CMOSQ 器件。天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书（毕业论文）6引脚功能如下：IN0-IN7：输入端。OUT1-UT8：输出

23、端。ALE：当电路中输入高电平时，该地址锁存允许信号有效。START： 当电路中 A/D 转换启动时，输入一个正脉冲信号有效，正脉冲至少为 100ns 宽）EOC： 当电路结束转换信号时，此时输入高电平有效。在 A/D 转换期间为低电平，其余时间反之。）OE：输出量允许信号口，当电路中输入高电平时接收后此引脚有效。当微处理器送出信号时，只有将此端输入一个高电平，才能打开 ADC0808 输出三态门，输出对应的数字量。CLK：时钟脉冲输入端。规定时钟频率不得高于 640KHZ。VREF（+）和 VREF（-）：参考电压的输入端Vcc：主电源的输入端。GND：接地端。ADDA、ADDB、ADDC：