1、西南交通大学本科毕业设计（论文）第 I 页西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）基于单片机的室内甲醛检测系统设计西南交通大学本科毕业设计（论文）第 II 页摘 要如今，随着国家经济的飞速发展，人们在不断追求高生活质量的同时，也开始越发地关注个人健康与环境卫生。而如今人们最关注和担心的是无处不在的空气污染，尤其是从新家具中的粘合剂、油漆等涂料中挥发出来的致癌物质甲醛。因此本课题将重点放在设计制作一种简易、精确、易用、低成本的室内甲醛检测系统。本文的设计以单片机为核心，搭配传感器、液晶屏等外围模块，在程序的控制之下，实现对空气中甲醛浓度的精确定量检测并在液晶屏上显示，同时可将检测结果通过无线的
2、方式发送至用户手机软件中方便远程查看，此外，可通过手机软件对单片机的显示内容以及液晶显示屏的开关进行远程控制。本文主要的研究重点在于甲醛检测系统的综合实现方式，以及如何在空气甲醛检测精度、检测效率及易用性、系统成本开销三者之间进行权衡。论文首先简要介绍了当今市面上的室内甲醛检测系统的分类、工作原理，以及每一种甲醛检测系统的优缺点，然后对系统整体设计的需求进行分析，从检测精度、检测效率及易用性、系统成本开销等方面，对检测系统的主要器件进行选型。之后介绍了使用 Altium Designer 17 软件对整体硬件电路部分的设计细节，在此基础上，对单片机的整体程序设计结构、实现方式以及流程进行阐述，
3、并细致介绍每一个模块的实现原理。经过软、硬件综合运行的功能验证测试，本系统实现了通过液晶屏和手机远程监测方式的室内空气甲醛检测功能 ，并实现了通过手机蓝牙对检测系统液晶屏的开启与关闭、液晶屏显示内容的控制等功能，满足系统总体低功耗的要求。关键词：甲醛检测；MSP430 单片机；低功耗蓝牙；手机端应用程序西南交通大学本科毕业设计（论文）第 III 页AbstractNowadays, with the rapid development of the national economy, people are striving to improve their quality of life, a
4、nd they also begin to pay more attention to personal health and sanitation. And now what people are most concerned about is the air pollution, especially those formaldehydes distributed from new furniture and paints. Therefore, this thesis will focus on the design of a simple, accurate, easy to use,
5、 low-cost indoor formaldehyde detection system.In this thesis, the design is based on the microcontroller, with sensors, LCD and other peripheral modules. Under the control of the software, the concentration of formaldehyde in the air can be accurately measured and displayed on the LCD screen, while
6、 the test results can be wirelessly sent to the application on a users mobile phone for remote viewing. In addition, the application on a mobile phone can control the content displayed on the LCD screen and even turn off the LCD screen remotely. The main researches of this thesis are the comprehensi
7、ve realization of the formaldehyde detection system, and trading off between the accuracy of air formaldehyde detection, detection efficiency, ease of use, and system cost.In this thesis, the classification and working principle of indoor formaldehyde detection system, and the advantages and disadva
8、ntages of each formaldehyde detection system are briefly introduced. Then, the requirements of the whole system to be designed are analyzed. After considering the detection accuracy, detection efficiency, ease of use, the cost and so on, the models of these main modules are determined. After that, t
9、he thesis comes to the introduction of Altium Designer 17 software and the process of designing the circuit with its help. On this basis, the paper presents the overall design of the program, implementation methods and the whole processes in detailed, even the principle of each module.After the hard
10、ware and software running through the functional verification test, this system implements all the functions mentioned above, and achieved the control of the LCD screen on and off and the content displayed on LCD through the mobile phone Bluetooth, which meet the overall system requirements of low p
11、ower consumption.Keywords: formaldehyde detection; MSP430; BLE Bluetooth; mobile application; 西南交通大学本科毕业设计（论文）第 IV 页目 录第 1 章 绪 论 .11.1 背景与意义 .11.1.1 甲醛的危害及主要来源 .11.1.2 课题研究的意义 .11.2 现有检测空气中甲醛的方法 .21.2.1 氧化物气体传感器 .21.2.2 声表面波气敏传感器 .21.2.3 气体电子鼻 .31.2.4 电化学传感器 .31.3 市面上几种甲醛检测仪的现状 .31.4 论文章节安排 .4第 2 章
12、系统总体设计及硬件选型 .62.1 系统需求分析 .62.2 系统整体设计方案 .62.3 单片机选型 .82.3.1 80C51 单片机 .82.3.2 STM32 系列单片机 .82.3.3 MSP430 系列单片机 .92.4 甲醛传感器原理及选择 .122.4.1 DART 甲醛传感器 .122.4.2 ZE0-CH2O 甲醛传感器 .142.5 本章小结 .16第 3 章 硬件系统设计及制作 .173.1 MSP430G2553 单片机 .173.1.1 MSP430G2 系列单片机简介 .173.1.2 MSP430G2553 单片机的最小系统 .203.2 12864 LCD 显
13、示电路 .253.3 ZE08-CH2O 甲醛检测模块电路 .283.4 DHT11 温湿度传感器电路 .293.5 BLE4.0 蓝牙模块电路 .31西南交通大学本科毕业设计（论文）第 V 页3.6 本章小结 .33第 4 章 软件系统设计 .344.1 软件开发环境 .344.2 软件系统总体设计 .344.3 系统初始化 .354.3.1 时钟初始化 .364.3.2 UART 初始化 .364.3.3 定时器初始化 .374.3.4 ADC 初始化 .384.3.5 12864 LCD 初始化 .384.4 统一精确延时函数 .394.5 ADC 模数转换 .404.6 蓝牙通信程序
14、.414.7 手机端应用程序 .434.7.1 蓝牙设备搜索 .444.7.2 蓝牙设备连接 .454.7.3 数据传输及处理 .454.7.4 交互界面布局 .454.8 本章小结 .46第 5 章 装配及测试 .475.1 甲醛检测仪的制作及装配 .475.2 测试方式及目标 .485.3 测试结果 .485.4 本章小结 .51结 论 .52致 谢 .54参考文献 .55附录 1 PCB 原理图 .56附录 2 PCB 设计图 .57西南交通大学本科毕业设计（论文）第 1 页第 1 章 绪 论1.1 背景与意义如今，室外各种空气污染的问题越来越成为人们关注的对象和焦点。然而随着国家的飞速
15、发展，建设制造业的规模不断扩大，以及化学工业技术的不断进步，室内各种家具、涂料中残留的化学物质对室内空气的污染情况也十分严峻，尤其是那些无色无味、我们难以感知的潜在气态化学物质对人类的健康造成了巨大的威胁 1,2。甲醛，作为室内空气污染的主要污染源之一，也越发地收到人们的重视。因此本课题将致力于追求室内甲醛检测设备的高精确性、低成本、小型化、低功耗化、智能化，尽可能地加大其实用价值。1.1.1 甲醛的危害及主要来源甲醛，常温下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，对人体健康有巨大的危害，许多疾病的诱发都与甲醛有关，如哮喘，白血病等。甲醛对健康危害出要有以下方面：刺激作用、致敏作
16、用以及致突变作用。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，就会使得眼睛刺激，引起流泪 3，甲醛对人体健康的危害不容忽视。目前，中华人民共和国国家标准居室空气中甲醛的卫生标准中明确规定：居室空气中甲醛的最高容许浓度为 0.08 毫克/立方米（ 0.08mg/m3） 4。检测方法：分光光度计化学分析法，在现场进行空气采样，然后在实验室进行分析。其特点是数值准确、抗干扰性强，是目前国家室内空气甲醛的唯一标准检测方法。当前我们每个人家庭中的甲醛污染源主要来源于四个方面：一方面，甲醛是用来制作室内装饰的胶合板等人造板材的原料。因为甲醛具有较强的黏合性，
17、还同时具有强化板材的硬度，以及防止蛀虫、防止腐蚀的能力，所以目前我国在生产各种人造板材所使用的粘合剂是以甲醛为主要成分的树脂；第二方面，甲醛可残留于各种人造板制造的家具；第三方面是含有甲醛成分的其他各类装饰材料，如白乳胶、泡沫塑料、油漆和涂料等。尤其要注意的是，乳胶粘合剂在装饰装修中被广泛应用于木器工程和墙面处理方面，特别是封闭在墙面的乳胶中的甲醛很难清除；四是室内装饰纺织品、包括床上用品、墙布、墙纸、化纤地毯、窗帘和布艺家具。在纺织生产中，为了增加抗皱性能、防水性能、防火性能，常加入一些含有甲醛助剂 5。1.1.2 课题研究的意义在我们平日的生活里，现有的标准检测方法虽然准确，但很难满足日常
18、甲醛检西南交通大学本科毕业设计（论文）第 2 页测便利性、时效性。传统的甲醛检测设备不仅体积过于庞大，操作过于繁琐，对检测人员专业度要求较高，而且整体检测成本非常高，因此并不能使得甲醛检测设备在普通百姓家庭中得以普及应用。正是因为如此，人们需要一种既能满足结果相对准确，又能确保检测过程的快速简洁，同时竟可能地做到检测设备寿命长久、低功耗、微型化，以满足对检测设备的隐蔽性、便携性的实用性需求。1.2 现有检测空气中甲醛的方法在众多检测空气中甲醛含量的方法中，传统的方法主要是化学方法。也就是通过将空气中采样获得的气体样本与某种化学物质进行反应，由反应结果来测得样本中甲醛含量，最后通过计算得出空气中
19、甲醛浓度。例如乙酰丙酮分光光度法、气相色谱法、电化学传感器法等等 1。这些传统的方法操作繁琐，分析时间长且测量精度低，因此传统的甲醛化学测量方式并不适合应用于普通用户居家使用。然而近年来，随着半导体技术的不断发展，市面上半导体传感器的种类变得越来越丰富，同时测量的精度也越来越高。其体积小、测量效率高、对操作人员专业度要求低、检测精度相比传统化学检测方法有过之而不及的种种优点，使得各类半导体传感器在市面上拥有了广阔的发展前景。在甲醛检测传感器方面，主要有氧化物气体传感器、电化学传感器、甲醛声表面波气体传感器、甲醛气体电子鼻等 5。1.2.1 氧化物气体传感器氧化物气体传感器，是一种利用金属氧化物
20、气敏元件作为敏感元件的气体传感器。 其工作原理是利用被测气体的吸附作用，从而改变半导体气敏元件的电导率，从而改变通过传感器半导体元件的电流大小 7。由于氧化物气体传感器测量时收周边环境影响较大，例如环境的温度、湿度等参数变化都会导致其检测结果的输出不稳定，因此难以对检测结果进行精确量化。然而正是因为其反应十分灵敏的原因，氧化物气体传感器被广泛应用在检测气体微小泄漏的装置上。1.2.2 声表面波气敏传感器声表面波气敏传感器较为复杂，其由压电材料、叉指换能器以及振荡电路构成。由于声表面波器件的波速和频率会随着周围环境变化而改变，声表面波气敏传感器利用了这一特性，在压电晶体表面涂覆了一层具有气体选择
21、特性的吸附薄膜。当薄膜与对应气体相互作用时，薄膜的导电率发生变化，从而引起声表面波的频率偏移。通过测量声表面波频率变化即可精确得到对应检测气体浓度的变化 8。与其他种类的传感器相比起来，声表面波传感器具有成本低，精度、分辨率高，西南交通大学本科毕业设计（论文）第 3 页抗干扰能力强的特点。由于其输出信号为频率参量，方便与计算机接口组成处理系统。传感器采用集成电路平面工艺，使得其体积与重量得以大大的减小。1.2.3 气体电子鼻气体电子鼻是通过模拟动物嗅觉器官的一种新型传感器，它是一种利用气体传感器阵列的综合响应图来识别出气体的电子系统。气体电子鼻主要由气体取样操作器、气体传感器阵列以及信号处理系
22、统组成，其工作原理是通过在阵列中每个传感器对被测气体都有不同的灵敏度，从而使阵列对被测气体产生响应图案。通过对响应图案的分析，得出被测气体的气味与浓度。气体电子鼻的引用范围十分广泛，例如环境监测、产品质量监测、爆炸物检查等。1.2.4 电化学传感器电化学传感器是一种通过被测气体与电极上的气体对应反应物质发生氧化还原反应，从而产生流经外部线路的电流的传感器。其构造通常为二到三个与电解液接触的电极，电极以及电解液与周围空气相接处，储存在有气体通孔的塑料盒内。电化学传感器的特点在于其生成的测量信号极为微小，几乎无法直接对其进行处理，须先进行信号放大和其他信号加工。电化学传感器输出电流信号与被测气体浓
23、度的线性关系较好，灵敏度也十分高，且成本低因此十分经济。但因为电化学传感器是通过氧化还原反应产生的微电流信号来判断被测气体浓度，在检测过程中可能会受到其他种类的带有氧化性质气体的干扰 9，因此可在气体通孔附近使用化学过滤消除其他干扰气体。由于电化学传感器是一种通过化学反应生成检测信号的传感器，其寿命是非常有限的。在目标气体中暴露时间越长，其寿命越短。一般电化学传感器的有效寿命为一到三年，因此需要定期的维护以及校准。1.3 市面上几种甲醛检测仪的现状目前，我国国内市面上甲醛检测仪种类繁多，质量层次不齐，价格从一百多元至上千元不等。虽然检测空气中甲醛含量的方式有很多种，但基本上大多仪器的传感器模块
24、还是基于电化学传感器。表格 1 是对市面上销售的多种甲醛检测仪的参数进行比较分析 5。西南交通大学本科毕业设计（论文）第 4 页表 1-1 市面甲醛检测仪型号 生产企业 主要参数GT-1000-CH2O 泵吸式复合气体检测仪（甲醛）深圳市科尔诺电子科技有限公司测量范围：0-10、20、50、100、500ppm 可选分辨率：0.01ppm检测精度：3%ET-4160 甲醛分析仪 美国 INTERSCAN测量范围：019.99ppm分辨率：0.1 ppm检测精度：2%FM801 多模式甲醛检测仪 美国 Gray Wolf检测原理: 光电吸光分析法测量范围：10ppb 1,000 ppb分辨率：1
25、ppb检测精度：10 ppbTY2000-HCHO 泰州金航分析仪器有限公司测量范围：0.01-9.99ppm分辨率：0.01ppm检测精度：1.5%1.4 论文章节安排本课题将重点放在设计并实现对室内空气中甲醛气体含量的检测，目标群体为普通用户，设计出一款小巧、易用、精确、高效、低能耗的甲醛检测设备，并通过液晶显示模块将检测到的数值显示出。当甲醛浓度超过国家标准时通过报警模块对用户进行告警。为满足远程监控测量的需要，通过蓝牙 BLE 模块将甲醛检测数值上传到手机应用程序中查看。同时在满足尽可能多的功能，尽可能高的精确度前提条件下，降低成本，论文共分为以下五章。本文的第一章节为绪论，这一章简要
26、分析介绍当今市面上的室内甲醛检测系统的分类、工作原理，以及每一种甲醛检测系统的优缺点比较，并对正文每一章节内容进行简要的概述。在第二章节中，本文从检测精度、检测效率及易用性、系统成本开销这三个方面，对设计的检测系统的单片机、传感器、外围器件等各类硬件选型进行分析。在第三章中，本文介绍了通过 Altium Designer 17 软件对整体硬件电路部分的设西南交通大学本科毕业设计（论文）第 5 页计以及制作，并包含了整个 PCB 制作的流程，尤其着重称述对各类具体元器件的选型进行分析。第四章中，本文对单片机的整体程序设计结构、理念，以及实现方式进行称述，并细致介绍每一个模块的实现原理。在这一章节中，展示了本检测系统总体的低功耗的实现原理。第五章则给出了最终软、硬件综合运行的实际效果，并与专业检测设备的检测结果进行比对。最后分析调试期间所遇到的问题。
