【基于51单片机的甲醛检测系统设计与实现11000字（论文）】

基于51单片机的甲醛检测系统设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u195611绪论 145821.1课题研究的背景及意义 1163361.1.1甲醛的危害及主要来源 1137331.1.2课题研究的意义 195631.2检测空气中甲醛气体的几种方法 1129981.2.1金属氧化物半导体气敏传感器 2174871.2.2声表面波气体传感器 2133221.2.3甲醛电子鼻 2170931.2.4电化学传感器 2235461.3目前市场上甲醛检测仪的开发现状 3252421.3.1酚试剂甲醛检测仪 3124631.3.2FP30/FP40便携式甲醛检测仪 3221471.3.3我国目前市场上出售的甲醛检测仪 4212482甲醛传感器的原理及选择 8309862.1CH2O/S-10甲醛传感器 8174352.2DARTSensors甲醛传感器 9154342.3甲醛传感器的比较与选择 11217053甲醛检测系统的设计 1283453.1智能系统的总体组成 12296793.2智能控制系统主处理器AT89C51 13126833.2.1复位电路与时钟电路 13322713.2.2AT89C51内部I/O口及其应用 14173863.2.3访问程序存储器的控制信号 16322123.2.4串行口的结构 17175623.3甲醛检测设计 1835613.4数据测量与校准 22101214结束语 2220146参考文献 231绪论1.1课题研究的背景及意义1.1.1甲醛的危害及主要来源甲醛，在常温下，是一种无色、有刺激性气味的气体，其毒性较高，对人体有相当严重的危害。世界卫生组织和美国环境保护局都把甲醛列为危险致癌物和重要的环境污染物。在我国有毒化学品优先控制名单中，甲醛列居第二位。甲醛会刺激人体的呼吸道和皮肤，扰乱神经系统，降低免疫力，并且具有致癌作用。当空气中的甲醛含量达到0.1mg/m3时，人们就会感到身体不适；当达到30mg/m3时，就会导致死亡。2006年，国际肿瘤研究机构将甲醛归类为致癌物质。由此可见甲醛的毒性和危害。室内空气中甲醛的主要来源是居室内的装修材料和家具。主要包括含有酚醛树脂和脲醛树脂的复合木材、含有脲醛树脂胶、酚醛树脂胶和三聚氰胺树脂胶的人造板、组合家具使用的胶粘剂以及向外界散发甲醛成分的油漆涂料等。1.1.2课题研究的意义不断扩大的需求和检测的快捷、使用的方便促使了便携式甲醛检测仪的产生和发展。与传统检测甲醛气体的实验室化学法相比，便携式甲醛检测仪有着诸多优点，特别是省去了从现场采集气体到实验室进行化学分析的繁琐步骤，能够在现场室内快速测定甲醛气体浓度。但通过市场调研表明，目前市场上推出的甲醛检测仪大多价格偏高，或体积偏大，不利于普通居民的消费使用。本课题选用电化学传感器检测甲醛气体，在检测快速方便准确的基础上力图降低功耗、减小体积，节约成本，使袖珍型甲醛检测仪能够更广泛的普及和应用。1.2检测空气中甲醛气体的几种方法在空气中甲醛含量的测定中，传统的检测方法主要是理化法，即通过现场采集气体样品，与化学试剂反应进行定量分析，通过反应现象对甲醛气体的浓度进行判断。大体上分为分光光度法、色谱法、电化学法等。这些方法由于试验步骤繁琐、分析时间长，易受其他气体干扰等原因，在现场快速检测甲醛方面受到限制，应用范围较小。近年来，随着传感器技术的快速发展和广泛应用，利用传感器研制的甲醛检测仪，检测流程十分方便，并且能够快速实时地在线检测，灵敏度高，具有广阔的发展前景。利用传感器检测空气中的甲醛含量，其种类主要为电化学传感器、金属氧化物气体传感器、声表面波传感器、光电式传感器和甲醛电子鼻等。1.2.1金属氧化物半导体气敏传感器金属氧化物半导体气敏传感器，具有寿命长、响应快速和成本低等优点。这种传感器主要使用半导体气敏材料，工作原理是利用与甲醛气体接触时，半导体的导电率等物理性质发生改变来检测甲醛气体的浓度。目前市场上检测甲醛的金属氧化物半导体气敏传感器有：WSP2110半导体有机蒸汽（甲醛）敏感元件和MQ138甲醛传感器等。这种传感器必须在高温条件下工作，有一定的能耗。并且这种传感器的选择性并不是很高，易对多种气体都具有敏感性。在检测室内空气中的甲醛气体含量方面，由于多种气体的混合，使用这种传感器时，其检测结果可能会有较大的误差。1.2.2声表面波气体传感器声表面波，是沿物体表面传播的一种弹性机械波。传播时，能量集中在物体表面，且传播速度慢，便于对信号进行取样和变换。声表面波气体传感器，检测原理是在声表面波传播路径上覆有气敏薄膜，使气敏薄膜可以吸附特定的气体，改变了声表面波的中心频率，通过频率的变化可以反映出气体浓度的变化，由此进行特定气体的检测。由于声表面波传感器具有较高的精度和灵敏度，所以应用广泛。但外界环境中，温度的变化会对传感器的检测结果带来较大的影响。1.2.3甲醛电子鼻电子鼻是一种气体分析仪，它是由传感器阵列、模式识别算法和信号处理系统的有机结合。通过模拟人的嗅觉功能，利用传感器阵列中每个气体传感器对复杂的气体成分都有不同的响应的特点，实现在多种气体混合的环境中准确、快速地检测出气体的浓度，或识别出单一或复杂的气体成分。对于便携式多气体检测仪（电子鼻），在实际使用中已有不少。如M358112型便携式多功能综合分析仪/电子鼻、KL型便携式多气体检测仪（电子鼻）、ENOSE便携式多气体检测仪（电子鼻）等。它们的检测原理基本相似，都是通过识别气体表象图谱的方法，具有扩展可检测气体的能力，以达到在线识别甲醛、甲苯、乙醇、乙炔、烷类、烃类、醇类多种气体的功能，并进行相应浓度的测量。1.2.4电化学传感器电化学传感器，是将物质的化学成分或相应浓度转变为电量的器件。利用电化学传感器检测甲醛，其原理为气体甲醛与传感器内部的电解质发生化学反应，以电流的形式输出，空气中的甲醛浓度直接转化为电流信号，并且此电流信号与甲醛浓度成正比。由于其具有反应快、灵敏度高，体积小、能耗低、便于携带等优点，在甲醛检测仪产品中得到广泛应用。1.3目前市场上甲醛检测仪的开发现状1.3.1酚试剂甲醛检测仪酚试剂法，即酚试剂分光光度法检测空气中的甲醛含量。酚试剂是3-甲基-2-苯并噻唑酮腙盐酸盐。其检测原理是利用空气中的甲醛气体与酚试剂反应成嗪，在酸性溶液中，嗪能够被高铁离子氧化，生成蓝绿色化合物，反映结果的颜色深浅与空气中的甲醛浓度成正比，由此进行比色定量。实验表明，甲醛溶液的最大吸收波长在625~640nm之间，此条件下，在室温20~25℃的情况下，经过15分钟左右显色完全。在反应完全后，可以进行比色定量。利用酚试剂甲醛检测仪检测甲醛含量灵敏度高，检测结果准确，适合家庭检测使用。但是利用酚试剂对甲醛含量进行检测需要利用化学试剂等进行实验，对室温及波长都有限制条件，而且还需要等待一定时间，待反应完全后进行比色，所以检测步骤相对繁琐。1.3.2FP30/FP40便携式甲醛检测仪FP30/FP40便携式甲醛检测仪是由日本理研计器株式会社研制的，是检测空气中甲醛浓度的便携式仪器。如图1-1所示。其检测原理是基于光电光度法，即：将检测试纸装到仪器后，利用泵吸法将空气吸入到检测仪中，则空气中的甲醛与试纸接触，并发生反应，颜色从白色变为黄色。甲醛气体受光的反射光量由变色的程度反映出来。通过反射光量的强度变化得到气体的浓度。该仪器需用专业检测试纸，使用上不是很方便。图1-1FP30/FP40便携式甲醛检测仪1.3.3我国目前市场上出售的甲醛检测仪目前，市场上的甲醛检测仪种类繁多，虽然检测空气中的甲醛气体有多种方法，但还是以基于电化学传感器的甲醛检测仪为主。表1.1是针对目前市场上销售的典型甲醛检测仪进行了比较和总结。表1-1市场上典型的甲醛检测仪产品型号生产或销售公司主要特点及性能指标GDYK-201S室内空气现场甲醛测定仪长春吉大·小天鹅仪器有限公司生产测定下限：0.01mg/m3测量范围：0.01~1.00mg/m3测量精度：5%该仪器的检测原理利用酚试剂比色法，通过12分钟的检测速度，可现场测出空气中的甲醛含量。4160型甲醛分析仪美国INTERSCAN公司生产测量量程：0~19.99ppm检测精度：±2%Rd±0.01ppm重复性：±0.5%F.S.线性度：±1%F.S.响应时间：<60s仪器体积：178m×102mm×225mm仪器重量：2kg该仪器用于检测空气中的甲醛浓度，通过泵吸式连续采样的方式采集气体，通过电化学传感器、信号处理电路、显示模块等部分以直读的方式显示检测数据，并含有仪器调零、报警等功能。PPM400甲醛检测仪英国PPM公司生产测量范围：0~10ppm分辨率：0.01ppm精度：10％温度：-40～＋128℃湿度：±3％RH体积：150mm×80mm×34mm该仪器主要针对低浓度的甲醛含量进行检测，通过液晶显示直接读取数据，具有温、湿度补偿功能，有效防止干扰，操作起来比较简单。MIC-500-CH2O-A甲醛检测报警仪深圳市逸云天电子有限公司销售范围：0~10ppm、50ppm、100ppm、1000ppm、5000ppm分辨率：0.001ppm（0~10ppm）0.01ppm（0~100ppm）0.1ppm（0~1000ppm）误差：<±3%响应时间：<30秒工作环境：-20℃~+50℃相对湿度：≤95%RH工作电压：12~30V尺寸：183mm×143mm×107mm重量：1.5Kg该仪器采用电化学传感器，可选择固定式连续工作或扩散式、管道式等工作方式，对甲醛含量进行检测。输出4~20mA标准电流信号，也可通过RS485通信接口或继电器开关量方式输出，并有声光报警功能。多应用于安装在管道中作为变送器对空气中的甲醛进行检测。MIC-800-CH2O便携式甲醛检测报警仪深圳市逸云天电子有限公司销售检测范围：0~5ppm、10ppm、20ppm、50ppm、100ppm、500ppm、1000ppm分辨率：0.01ppm（0~100ppm）0.1ppm（0~1000ppm）检测精度：<±3%响应时间：<30秒恢复时间：<40秒工作电源：DC3.6V使用环境：-20℃~+70℃，相对湿度<95%RH（非凝露）外形尺寸：125mm×52mm×30mm重量：0.2Kg该仪器小巧轻便，便于携带，可选择扩散式或泵吸式的采样方式，数字LCD背光显示方便了读取数据，具有声光和振动的报警方式，可以有效方便的进行空气中甲醛气体的检测。TY2000-HCHO型甲醛测定仪青岛明华电子仪器有限公司销售量程范围：0.01~9.99ppm分辨率：0.01ppm准确度：1.5%F.S响应时间：<60秒工作温度：-10℃~+60℃工作湿度：0~95%RH尺寸：200mm×103mm×36mm重量：0.8Kg检测数据能够以ppm和mg/m3为单位显示，适用于室内空气质量监测等多个领域中，特别是低浓度甲醛含量的现场检测。2甲醛传感器的原理及选择检测空气中甲醛气体含量的方法有很多，传统利用化学试剂检测甲醛的方法检测步骤繁琐，等待时间长。利用传感器检测，准确度高，检测方便，目前检测甲醛的传感器主要分为金属氧化物传感器和电化学传感器。金属氧化物传感器会对多种气体敏感，干扰性较强，检测时需要高温加热，有一定的预热时间，在检测的方便快捷上还有待提高。利用电化学传感器进行甲醛的检测，没有预热时间，不需高温加热，并且响应时间快，体积小，便于携带，有很大的发展前景。所以，本课题主要针对电化学甲醛传感器进行比对研究选择。2.1CH2O/S-10甲醛传感器CH2O/S-10甲醛传感器是瑞士Membrapor公司生产的电化学传感器，其输出信号为：4600±1200nA/ppm；测量范围为：0～10ppm；最大零点漂移为：0.25ppm。具有三个电极：感应电极(S)、参考电极(R)和计数电极(C)。传感器实物图如图2-1所示：图2-1CH2O/M-10甲醛传感器其工作原理为：感应电极和计数电极组成一电极对，这对电极对浸入在电解液中。当传感器工作时，空气中的甲醛气体分子通过透气膜，在外电路控制的恒定电位作用下，感应电极发生氧化反应，释放出电子，计数电极发生还原反应，获取电子。由此，在感应电极和计数电极间构成回路，形成电流。参考电极的加入是为了保证在没有电流流过参考电极的情况下，使感应电极和参考电极间保持恒定的电位，电流信号由感应电极输出。具体反应过程为：感应电极：计数电极：总反应：传感器的输出在推荐的气体浓度范围内是线性的，输出电流的大小可由公式来计算:此外，传感器会随时间产生漂移，这种漂移可通过软件进行补偿。通过每天的测量，总结规律，计算出每天增加或减少的值，通过函数计算对漂移进行补偿，可使测量结果更准确。瑞士Membrapor公司生产的CH2O系列传感器还有CH2O/M-10和CH2O/C-10型甲醛传感器。这些传感器在原理上基本一致，但针对具体不同的使用环境，还有各自不同的特点。2.2DARTSensors甲醛传感器DARTsensors甲醛传感器是英国Dartsensor公司生产的电化学传感器。传感器的实物图和尺寸如图2-2，2-3所示。图2-2DartSensors传感器实物图图2-3传感器外形尺寸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甲醛气体的进入，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其使用寿命。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，如图2-4所示。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甲醛气体浓度转变为了甲醛传感器输出的电流信号。图2-4传感器内部结构图这种传感器的检测精度很好，输出信号为250~300nA/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℃时传感器的活性最好。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。DARTSensors甲醛传感器对甲醛气体有较好的选择性，表2-1为DARTSensors甲醛传感器对气体的交叉敏感度。表2-1交叉敏感度气体交叉敏感度甲醛100氨气0.0水蒸气0.0二氧化碳0.0丙酮0.0甲基酮0.0苯0.0二甲苯0.0甲苯0.0甲烷0.0乙酸乙酯0.0氢气0.1氯气-3一氧化碳1苯酚8二氧化硫12乙醇502.3甲醛传感器的比较与选择对于现在目前市场上流行的甲醛传感器，表2-2对主要参数做了比较。DARTsensors甲醛传感器CH2O/M-10甲醛传感器CH2O/S-10甲醛传感器CH2O/C-10甲醛传感器测量范围0～10ppm0～10ppm0～10ppm0～10ppm最大负载10ppm50ppm50ppm50ppm工作寿命空气中5年空气中2年空气中3年空气中3年输出信号250-300nA/ppm4600±1200nA/ppm4600±1200nA/ppm4600±1200nA/ppm分辨率0.01ppm0.01ppm0.01ppm0.01ppm温度范围-10°C~+40°C-20°C~+50°C-20°C~+45°C-20°C~+50°C相对湿度范围15%~90%R.H.非冷凝15%~90%R.H.非结露15%~90%R.H.非结露15%~90%R.H.非结露响应时间15秒﹤80秒﹤80秒﹤80秒最大零点漂移典型基线漂移(20°C）≤0.02ppm0.25ppm0.25ppm0.25ppm线性度输出线性线性线性线性重复性<±2%<2%<2%<2%重量和尺寸25mm×25mm×5.8mm约5.4g32mm×32mm×16.8mm约32g41mm×41mm×20.4mm约13g20mm×20mm×16.4mm价格500元/个800元/个850元/个800元/个根据本课题的设计目标，综合考虑了精确度、零点漂移、经济耐用等多项性能指标，最后选择了DARTSENSORS甲醛传感器。3甲醛检测系统的设计3.1智能系统的总体组成智能控制系统主要由甲醛检测环节、数据处理环节、电机执行环节、电话报警环节组成。图3.1智能控制系统框图3.2智能控制系统主处理器AT89C51智能控制系统信号处理电路主控制器采用美国ATMEL公司的AT89C51单片机。采用6MHz的晶振，获得稳定的时钟频率。单片机控制电路如图3.2所示。为了保证电路能够正常工作，防止出现系统失控，电路设计了复位电路。图3.2单片机控制电路3.2.1复位电路与时钟电路1.复位电路复位电路为了保障系统在不同的异常条件下可靠地复位，防止系统失控，设计了复位电路。复位电路单片机的RST引脚是复位信号输入端，RST引脚上保持两个机器周期(24个时钟周期)以上的高电平时，就可使单片机内部可靠复位。单片机常用的外部复位电路有两种，上电复位电路和上电复位兼手动复位电路，如图2.3所示，本系统采用上电兼手动复位电路，这样既可以上电复位，也可手动复位。上电复位电路在RST引脚上外接一个电容至供电电源Vcc端，下接一个电阻到地既可。当系统上电时，复位电路通过电容加给RST端一个短的高电平信号，此高电平随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端上的高电平取决于电容的充电时间，为了保证系统能可靠的复位，RST端上的高电平必须维持足够长时间。系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。单片机的复位引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，芯片进入复位状态，而且一直在此复位状态下等待，直到复位引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，决定执行芯片内部还是外部程序。复位状态复位后，单片机内部的各寄存器的内容将被初始化，包括程序计数器PC和特殊功能寄存器，其中(PC)=0000H。这时，堆栈指针SP为07H,ALE,P0,Pl,P2和P3口各引脚均为高电平。复位不影响片内RAM和片外RAM中的内容。图3.3上电复位电路和上电复位兼手动复位电路2.时钟电路时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准，在此基础上，控制器按照指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号，控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。AT89C51的外接石英晶体的时钟电路如图3.4所示，电容容量的范围为30PFl0PF，石英晶体频率的范围为1.2MHZ~12MHZ，电路中采用11.05921-IZ的石英晶振。图3.4时钟电路3.2.2AT89C51内部I/O口及其应用1.I/O口的特性AT89C51单片机有4个8位并行输入/输出接口，记作P0,P1,P2和P3，共32根I/O口线，实际上它们就是特殊功能寄存器中的四个。它们都是双向通道，每一条I/O口线都能独立的用作输入或输出。做输出时数据可以锁存，做输入时可以缓冲。但这四个通道的功能不完全相同，但其特性基本相同:作为输出口用时内部带锁存器，故可以直接和外设相连，不必外加锁存器。作为输入口用时有两种工作方式，即所谓读端口和读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器中的内容读到内部总线，经过某种运算和变换后，再写回到端口锁存器。而读引脚才真正的把外部的数据读入到内部总线。作为读引脚用时要先通过指令，把端口锁存器置1，然后再实行读引脚操作，否则就可能读入错误。若不先对端口置1，端口锁存器中原来状态有可能为0，加到输出驱动场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通，对地呈现低阻抗。这时即使引脚上输入的是1信号，也会因端口的低阻抗而使信号变低，使得外加的1信号读入后不一定是1。若先执行置1操作，则可以驱动场效应管截至，引脚信号直接加到三态缓冲器，实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类I/O口被称为“准双向”口。从特性上看，这四个端口还有所差别:PO口，除了作为8位I/0口外，在扩展外部程序存储器和数据存储器时，PO口要作为8位地址总线和8位数据总线用。即在这种情况下，PO口不能做I/0口用，而是先作为地址总线对外传送低8位地址，然后作为数据总线对外交换数据。P1口，只有I/O口功能，没有其它功能。故在任何情况下，P1口均可做I/0口使用。P2口，在扩展外部存储器时，要作为高8位地址线用。P3口，它的每个引脚都有不同的第二功能。当它的某些引脚用作第二功能时，P3口也不能做I/O口。2.将外设当作数据存储器来连接在实际的AT89C51系统中往往是在单片机外再加数据存储器，这时PO口要当作地址总线的低8位和数据总线来使用。P2口要作为地址总线的高8位使用。而P3口的有些引脚也不可避免的要使用它的第二功能，如P3.6用/WR,P3.7/RD等，这样P3口也不能当作8位I/0口使用，可用的只有一个Pl口了。这时若要直接通过I/O口来连接多个外设就不可能了。若是将外部设备(或者通过外接的接口电路)当作外接的数据存储器单位来与单片机系统连接，问题就可以得到解决。单片机外部数据存储器的寻址范围有64kB,若只采用8位地址(PO口)，也有256个单元。只要把这些地址分出一部分来供外设使用，就足可以连接相当数量的外部设备。当然，这部分地址的数据存储器单元只能弃之不用。在实际连接中要注意正确使用译码电路，使之能准确地选择到所需的地址单元。外部RAM、外设和单片机芯片的一般连接见图3.5。为了节省引脚，PO口是双功能的，即是地址(低8位)线，又是8位数据线，分时复用。加R和、/RD信号用来控制数据的读写操作。所谓分时复用，即前半周期为输出低8位地址，后半周期输入8位数据代码，而访问地址必须在整个访问期间均有效。为此，’必须将前半周期的低8位地址打入锁存器，使锁存器输出的低8位地址在整个访问周期有效。然后将读出的数据(指令代码等)通过此线输入给主机。这就是地址/数据复用总线必须通过锁存器的作用。图3.5外部RAM、外设和单片机芯片的一般连接将外设当作外部RAM单元处理时，和外设交换数据要采用MOVX指令。当外设的地址是两位十六进制数时，使用指令:MOVXA,CRi:输入MOVXCRi,A:输出而当外设使用16位地址时，要用指令:MOVXA,@DPTR:输入MOVXCDPTR,A:输出3.2.3访问程序存储器的控制信号EA为片内、外程序存储器访问选择信号。EA=0:访问片外;EA=1:访问片内。ALE为地址锁存允许信号，在访问外部存储器时，在P0.O~PO.7引脚线上输出外部存储器低8位地址的同时还在ALE线上输出一个高电位脉冲，用于把这个外部存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.O~PO.7引脚线去传送随后而来的外部存储器读写数据。在不访问外部存储器时，AT89C51自动在ALE线上输出频率为振荡频率1/6的脉冲序列。该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。3.2.4串行口的结构89C51单片机通过引脚RXD(P3.0,串行数据接收端)和引脚TXD(P3.1,串行数据发送端)与外界进行通信。89C51串行口主要由两个物理上独立的串行数据缓冲寄存器SBUF、发送控制器、接收控制器、输入移位寄存器和输出控制门组成。如图3.6所示。发送缓冲寄存器SBUF只能写，不能读;接收缓冲寄存器SBUF只能读，不能写;两个缓冲寄存器共用一个地址99H，可以用读/写指令区分。串行发送时，通过“MOVSBUF,A”写指令，CPU把累加器A的内容写入发送SBUF(99H)，再由发送端TXD一位一位地向外发送;串行接收时，接收端RXD一位一位地接收数据，直到接收到一个完整的字符数据后通知CPU，再通过“MOVA,SBUF"读指令，CPU从接受的SBUF(99H)读出数据，送到累加器A中。发送和接收的过程可以采用中断方式，从而可以大大提高CPU的效率。图3.6串行口内部结构系统中由两个特殊功能寄存器SCON和PCON来控制串行口的工作方式和波特率。波特率发生器可用定时器Tl或T2构成。串行口控制器(SCON)SCON是一个特殊功能寄存器，地址为98H，具有位寻址功能。SCON包括串行口的工作方式选择位SMO,SM1，多机通信标志SM2，接收允许位REN，发送接收的第九位数据TBB,RB8，以及发送和接收中断标志TI和RI。SCON的格式及各位的定义如表3.1所示。表3.1控制字定义RI:接收中断标志TI:发送中断标志RBB:数据接收第九位TB8:发送数据第九位REN:接收控制0:禁止接收1:允许接收SM2:多级通信0:单机对单机1:多级通讯SMO和SMl是串行口工作方式选择位。两个选择位对应4种通信方式，如表3.2所示。表3.2通信方式3.3甲醛检测设计1.检测原理甲醛主要是以气态形式存在，所以对甲醛的检测主要是检测甲醛气体。采用氧化物气体传感器是目前比较通用的做法。甲醛传感器的工作原理是空气中的甲醛透过涂有贵金属触媒烧制的聚四氟乙烯膜时，在适当的敏感电极电位下发生氧化反应，对应电极发生氧化还原反应的方程式如下。工作电极:HCHO+H2OCO2+4H++4e对电极:O2+4H++4e-H2O总反应:HCHO+O2COZ+H2O产生与空气中甲醛浓度成正比的扩散电流，这一电流转化为电压值并送给放大电路。此电流可表示为式中:id为极限扩散电流n为每摩尔反应物的电子数F—为法拉第常数，96500库仑A—为平面电极的面积，cm2D—为气体扩散常数，代表扩散介质中气体渗透率因素和溶解度因素的乘积C—为甲醛气体浓度，mol/cm3—为扩散长度，cm传感器的结构示意图如图3.7。图3.7传感器的结构示意图从对电极发生的反应来看，氧气显然是当前反应发生的必需气体，通常通过传感器的前部，或通过传感器的两边扩散(通常几千ppm己经足够了)。传感器持续暴露在绝氧样品气体中可能导致信号不稳定，不管氧气进入的途径怎样，不要将传感器与树脂一起放置或完全地浸没在绝氧气体中。在特定情况下，如果传感器必须经常地暴露于高浓度电解质中，例如废气分析，应当保证氧气从另外的通道进入对电极。电化学气体传感器在工作电极和对电极上分别发生氧化与还原反应。相应气体进入传感器后被氧化或者被还原，在另一电极发生与之对应的逆反应，这样在外部电路上就会形成电流。由于气体进入传感器的速度由气体扩散通过障碍控制，所以产生的电流与传感器外的当前气体浓度成比例，并能直接测量当前气体含量。通过被测气体氧化还原反应时所产生的电流可推知被测气体的体积分数和质量浓度。甲醛检测部分主要由测量电路与A/D转换器构成测量电路由CH20/5-10甲醛传感器、电流/电压变换器RCV420芯片、AID转换芯片等组成。甲醛传感器由甲醛探头、CH20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RCV42Q芯片转换成0~5V的电压，该电压经过A/D转换器与单片机相连，与内部设定的浓度值比较，超过设定浓度时驱动电机正转，打开窗户，同时进行语音电话报警。3.驱动程序CLKEQUP3.0;模拟时钟线DINEQUP3.2;模拟数据线DOUTEQUP3.3;A/D转换结果存储区ADDREQU50H;选择通道0，单极性，高位在前，12位输出AD-DATA:加电后空转换一次MOVR0,#ADDR;有效转换开始MOVRl,#00H;保存转换结果ACALLRD-AD;数据处理程序MOVR1，#00H;转换子程序，R1内容为控制字，结果的高8位保存在R2,低四位保存在R3ACALLRD-AD:MOVCRO,R2INCROMOVC@RO,R3XXXXXXXXRD-AD:CLRCLK;置CLK为低SETBCS;置CS为高NOPNOPCLRCS;置CS为低，转换开始MOVR4,#08H;8位控制字移入TLC2543，高8位结果移出TLC2543MOVA,R1ADIOPl:MOVC,DOUT;移出一位结果进入CRLCA;C中结果从A的最低位进入，控制字最高位移入CMOVDIN,C:1位控制字移入TLC2543SETBCLKNOPNOPNOPNOPCLKCLKDJNZR4,ADLOPI;是否移完?MOVR2,A；结果的高8位装入R2MOVA,#00H;MOVR4,#04;读取低4位转换结果ADLOP2:MOVC.DOUTRLCASETBCLKNOPNOPNOPNOPCLRCLKDJNZR4,ADLOP2SWAPAMOVR3,A;低4位转换结果装入R3SETBCSRET3.4数据测量与校准以美国INTERSCAN4160甲醛快速检测仪为标准，对甲醛检测部分进行校准，在不同甲醛浓度环境中调整参数，使其显示结果与4160测试仪的显示结果一致。将经过多次调整后的甲醛检测电路与4160型甲醛气体测试仪放在可调气体浓度的密闭实验箱中，实验箱的另外一端连接纯甲醛气体存储器，通过不断向密闭实验箱中扩散甲醛气体，通过仿真器读取单片机内部数据，与4160作比较，得到参数如下表3.3。表3.3与4160测试结果的对比测得的实际值和4160测试仪的标准值有一定的误差，尤其在浓度较低的环境中测试的相对误差较大，主要原因来自于甲醛传感器，它的最小分辨率为0.05ppm，所以测得的数值的最后一位只能为5的倍数。4结束语本课题对袖珍型甲醛检测仪进行了设计，以C51单片机为核心，用Dartsensors甲醛传感器实现信号采集输出，利用AD8571精密运算放大器进行信号放大，最终实现甲醛检测仪实时监测甲醛气体浓度的主要功能。该仪器低功耗、智能化、性价比高以及便携式的特点适用于室内空气中甲醛气体含量的检测，在课题的设计上针对性强，面向普通民用市场，在保护人们身体健康和安全，满足生活需要方面有一定的现实意义。本课题对硬件和软件部分进行了比较深入的研究。硬件方面，首先，在详细分析比较之后，选择最符合课题要求的元器件，如DartSensors甲醛传感器、AD8571运算放大器、石英晶体振荡器频率的选择、液晶的选择等。其次，在电路的设计上充分考虑甲醛传感器的工作性能特点，比如利用带自锁按键开关的常开常闭组合解决了在断电条件下传感器输出端必须短路的问题，针对