1、1郑州大学毕业设计（论文）题 目 基于单片机的室内甲醛 检测系统设计 院 系 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 年 级 2012 学生姓名 XXX 指导教师 XXX 16 年 06 月 07 日2摘要近年来，人们生活质量越来越高,人们对于健康也愈来愈关注,而住宅内装潢材料中含有的有害化学成分常常引发一系列健康问题，甲醛是这些有害化学成分中危害较大的一种。它是一种无色气体，对人体有一定的刺激性，同时也是广为人知的致癌物质，对健康有较大的危害。单片机具有很强的通用性、稳定性和可靠性，而且其体积小，在价格上优势。因此，被很多智能设备和控制系统所应用。本课题主要研究一种能自动监测室内甲醛浓度的系
2、统，它使用一个电化学甲醛传感器来测试室内甲醛浓度，并且能够通过液晶显示器显示该甲醛浓度值，通过一个蜂鸣器实现报警功能，并通过 WiFi 模块实现远程云端监控。关键词：甲醛，单片机，甲醛传感器，云端监控AbstractIn recent years, the quality of life of the people more and more high, for peoples health is also getting more and more attention, and residential decoration materials containing hazardous che
3、micals often lead to a range of health problems, formaldehyde is the more serious these harmful chemicals. It is a colorless gas, has a certain stimulation of the human body, but also widely known carcinogens, a greater harm to health. SCM has a strong versatility, stability and reliability, and its
4、 small size, the price advantage. As a result, many intelligent devices and control systems are used. The main task of this paper is to study a system of automatic monitoring of indoor formaldehyde concentration, it uses an electrochemical formaldehyde sensor to test the concentration of indoor form
5、aldehyde, and can show through the liquid crystal display the formaldehyde concentration, through a buzzer realize alarm function, and realize remote cloud monitoring through the WiFi module.Key words: formaldehyde, MCU, formaldehyde sensor, cloud 3monitoring4目录1 绪论 .51.1 研究的背景及意义 .51.2 现状及发展趋势 .71.
6、3 主要工作 .91.4 本章小结 .92 系统方案设计 .102.1 系统总体方案 .102.2 硬件系统方案 .102.3 软件系统方案 .112.4 本章小结 .113 硬件系统设计 .123.1 单片机模块 .123.1.1 STC90C516RD 的参数及特点 .123.1.2 单片机各引脚及功能 .133.1.3 单片机最小系统模块 .153.2 甲醛传感器模块 .163.2.1 传感器的选择 .163.2.2 传感器原理及参数 .163.2.3 传感器模块引脚 .173.2.4 甲醛传感器模块的串口通信协议 .183.3 串口 WiFi 模块 .193.3.1 WiFi 模块特性
7、 .193.3.2 WiFi 模块的基本参数 .203.3.3 WiFi 模块的 AT 指令 .223.3.4 WiFi 模块的云端通信 .233.4 液晶显示模块 .243.4.1 液晶显示模块的概述 .243.4.2 显示模块引脚说明 .253.4.3 显示模块操作 .253.4.4 RAM 映射表及字库对照表 .283.5 蜂鸣器模块 .303.6 电源降压模块 .3053.7 串口通信的 TTL 电平匹配设计 .303.8 单片机程序下载器 .333.9 单片机中断系统 .353.10 串行通信 .383.10.1 串行通信方式 .383.10.2 80C51 的串行接口 .393.1
8、1 本章小结 .414 软件系统设计 .424.1 主程序的设计 .434.2 显示模块相关子程序设计 .454.3 串口程序设计 .464.3.1 串口初始化函数 .464.3.2 串口发送函数 .464.3.3 串口接收函数 .474.3.4 数据处理函数 .484.4 WiFi 模块程序设计 .504.5 延时函数 .514.6 仿真测试 .514.7 实物制作 .524.8 本章小结 .545 实验与分析 .55设计总结 .57致谢 .58参考文献 .59附录 .60附录 1 毕业设计开题报告 .60附录 2 C 程序清单 .60附录 3 仿真电路图 .6061 绪论1.1 研究的背景
9、及意义近年来，人们生活质量越来越高,人们对于健康也愈来愈关注,而在住宅内，装潢材料常常中含有各种有害化学成分，它们会引发一系列的健康问题，人们常称之为“装潢病” 。甲醛，其化学式为 HCHO，是这些有害化学成分中常常被人们谈及的一种，它是一种无色且具有刺激气味的气体，同时也是一种潜在的致癌物质，对人体健康有较大的危害，它能诱发很多疾病，如哮喘，白血病等。作为室内空气中常见的污染物，它主要有 2 个来源。第一个由建筑材料和家具释放的，如压木制品、胶粘剂、地板涂料、壁纸、油漆等。另一个来源是材料的燃烧，例如吸烟。由于甲醛在工业上有极其广泛的应用，因此在生活中对我们构成了不小的潜在威胁。甲醛对人体存
10、在较多的危害，它们主要表现如下：（1） 对皮肤黏膜的刺激作用：这是甲醛的主要危害，我们知道甲醛是一种原浆毒性物质，能够通过作用于蛋白质中广泛存在的氨基与蛋白质相结合。通常，人体在吸入高浓度的甲醛时，呼吸道会受到严重的刺激甚至是水肿，于此同时的外在表现多为眼部刺激、头痛等。（2） 免疫系统的致敏作用：皮肤直接与甲醛接触会导致严重的后果，研究发现，甲醛会导致过敏性皮炎，甚至是坏死。此外，有证据表明高浓度的甲醛在被人体吸入时会诱发支气管哮喘。（3） 对细胞的致癌变作用：实验室中发现，高浓度的甲醛可作为是一种基因毒性物质存在。通过对实验动物的研究，发现在吸入高浓度甲醛的情况下，能够引起鼻咽肿瘤。突出表
11、现：包括引起人体头痛、头晕、乏力等，此外不慎吸入者也会出现恶心、呕吐、胸闷、眼痛、嗓子痛、胃纳差等，比较严重的会出现心悸、失眠，进而体重减轻、记忆力减退，植物神经紊乱等；孕妇长期吸入有可能出现胎儿畸形，甚至死亡，男性长期吸入可能会导致男子精子畸形、死亡等。国家对于甲醛的安全浓度有所规定，我们可以查阅到空气中甲醛的相对浓度危险度，如表 1.1 所示：7表 1.1 不同浓度下甲醛的危害甲醛浓度 症状表现0.06-0.07 毫克/立方米 儿童发生轻微气喘0.1 毫克/立方米 有异味和不适感0.5 毫克/立方米 刺激眼睛，引起流泪0.6 毫克/立方米 咽喉不适或疼痛。浓度更高时，可引起恶心呕吐，咳嗽胸
12、闷，气喘甚至肺水肿30 毫克/立方米 立即致人死亡调查发现甲醛污染问题通常主要集中于居室、纺织品还有食品当中。当前人们居室装饰材料和家具中使用的胶合板、纤维板、刨花板等，由于是人造板材，在其中含有大量以甲醛为主的脲醛树脂，此外，各类油漆、涂料中也都含有甲醛。当前，国内家庭当中甲醛主要有以下来源：(1) 室内装饰使用的的人造板材，如胶合板、刨花板等，它们是室内空气中甲醛的主要来源。这些板材在生产制造中通常会使用胶粘剂，而胶黏剂通常以甲醛为主要成分。在板材中会存在较多的甲醛，当他们被使用时，残留的甲醛会逐渐释放出来，污染室内空气。(2) 用人造板材所制造的家具是室内甲醛的另一大来源。为了追求利润，
13、一些厂家在生产制造时，会使用不合格的板材，或者是在粘接贴面材料时选择使用劣质的胶黏剂，而这些板材与胶黏剂当中存在着甲醛的严重超标。最终用户购买的这些家具中所含有的甲醛也成为污染室内空气的一部分。(3) 含有甲醛成分的墙布、墙纸、化纤地毯、油漆涂料等，这些材料中的甲醛极有可能被释放出来。因此，当前人们需要一种合理有效的甲醛检测手段，室内甲醛气体的有效监测将保障人们室内生活的健康，避免人体的不利因素。可见研究一种让人们可以在自己家中能够独立完成检测，同时又具有简便、快速灵敏、准确直观等特点，而且又经济的甲醛检测方法必将被大众所接受，其必定有广大的市场前景。本文主要介绍一种基于单片机、能自动监测室内
14、甲醛浓度的系统。在微型8处理器中，单片机具有很强的通用性，而且其体积小、价格低、稳定性可靠性高。因此，在智能产品、测控系统等领域中，单片机得到了广泛的应用。通过甲醛传感器测试室内甲醛浓度，单片机接收处理传感器数据，并且通过液晶显示器显示该甲醛浓度值，在浓度值超过指定值时实现报警功能。同时，在 WIFI模块的支持下，利用当前的物联网技术，实现远程云端监控，监测人员不必暴露于有害气体当中，便可实时有效监控，有效预防安全事故的发生，更好地保障我们的身心健康，构建安全舒适的室内环境。1.2 现状及发展趋势目前，国内外研究中，甲醛的检测主要有以下方法:(1) 分光光度法：该方法是一种对物质进行定性和定量
15、的分析方法。利用不同的分子结构会对电磁辐射进行选择性吸收，通过分辨不同分子的吸收特性，我们可以确定出其相关信息。针对甲醛的检测，该方法的使用的试剂如表 1.2 所示：表 1.2 检测方法及其试剂说明检测方法 说明乙酰丙酮法 甲醛与乙酰丙酮酚试剂法 甲醛与酚试剂AHMT 法 甲醛与 AHMT 品红一亚硫酸法 甲醛与品红一亚硫酸变色酸法 甲醛在浓硫酸介质中与铬变酸间苯三酚法 甲醛与间苯三酚亚硝基亚铁氰化钠法 甲醛与亚硝基亚铁氰化钠三氯化铁法 甲醛与三氯化铁(2) 电化学法:在化学反应中会发生电子的转移，因此在这过程中会产生电流（伏安法） 、电量（库仑法）或电位（电位法）的变化，电化学分析法是基于这
16、点被研究出来，通过判断反应体系中各分析物的浓度，进而对其进行定量分析，目前用于甲醛检测的方法有极谱法和电位法 2 种，如表 1.3 所9示：表 1.3(3) 色谱法：该方法是一种分离和分析方法，具有强大的分离效能，因此不易受样品基质和试剂颜色的干扰，因此在化学、生物化学等分析领域应用广泛。由于该方法需要强大的设备，并且对于含量低，物质种类复杂的样本，期表现出分析周期长，过程发杂等缺点。(4) 传感器检测法：当前应用于甲醛检测的传感器主要有 3 类，它们的特点如表 1.4 所示：表 1.4电化学传感器法是本设计所使用的方法。该传感器拥有敏感电极，当有甲醛气体分子流经此处时，甲醛气体分子会发生电化
17、学反应，该反应能够电路中产生微小的电流，该电流与甲醛气体的浓度成一定的比例关系，通过放大电路可以将该电流转换为电压值，将该电压值通过 AD 转换电路的转换，便可得到单10片机可以处理的数字信号，再通过运算和标定，最终能确定所检测气体当中甲醛的浓度值。 当前，我们所能见到的甲醛的检测方法中，电化学传感器法是甲醛监测研究的热点。在市面上可以见到的多数检测仪，一般都使用电化学传感器。通过该传感器，实现对空气中甲醛浓度的测定。在甲醛监测方面，国内比较出名的有：江苏安普电子工程有限公司的 400 型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的抑一 308 甲醛测定仪等。国外的有：美国 ESC 公司生产的
18、Z-300 甲醛检测仪、英国 PPM 公司生产的 PPM-300 甲醛检测仪等。近年来，研究者多推崇以单片机为核心的控制系统，这是由于单片机系统具有高效、可靠、低功耗等特点。市面上各种以单片机为核心的甲醛监测仪器正在或已经被开发出来，其被用于实际生活中的甲醛监测，为大众提供有效的测量手段，也为人们的健康生活保驾护航。但电化学传感器也有很多缺点，其主要表现在易于受其它气体的干扰，因此较难实现高精度的测量。温度对其也有一定影响，但可以通过温度传感器和甲醛气体传感器的温度特性曲线，进行温度误差消除。高精度，小型化、高抗干扰能力、简单易用是未来甲醛气体监测的发展方向，随着高度集成化的发展，便宜而实用的甲醛监测仪器必能为人们所服务。1.3 主要工作本设计的主要工作为：（1） 硬件系统的设计与 Proteus 仿真：使用 Proteus 绘制出硬件电路图并完成仿真；（2） 各模块软件系统设计：传感器模块、液晶显示模块、报警模块、WiFi模块的 C51 程序设计；（3） 实物制作与实验：制作出实物并进行实际测量。1.4 本章小结甲醛对于我们的健康拥有着极大地危害，而且它还广泛的存在于我们的生活中，所以，设计开发出一种能够准确、快速、便捷的室内甲醛监测系统有着
