甲醛气体浓度检测超限报警系统设计与制作

湖南商务职业技术学院毕业设计

目录

1产品功能分析...........................................................................................................1

1.1设计背景与内容...........................................................................................1

1.2功能分析.......................................................................................................1

2设计方案选择...........................................................................................................2

2.1单片机的选择...............................................................................................2

2.2显示方案.......................................................................................................2

2.3系统框架图...................................................................................................2

3产品硬件设计...........................................................................................................3

3.1STC89C52RC单片机......................................................................................3

3.2按键电路设计...............................................................................................4

3.3LCD1602液晶显示模块电路........................................................................5

3.4甲醛传感器模块电路...................................................................................7

4产品软件设计...........................................................................................................8

4.1主程序流程图...............................................................................................8

4.2LCD1602液晶显示程序设计......................................................................10

5产品装配与调试.....................................................................................................11

5.1产品装配图.................................................................................................11

5.2产品调试.....................................................................................................11

附录1元器件清单.............................................................................................13

附录2电路原理图.............................................................................................13

附录3PCB设计图.............................................................................................14

附录4产品实物图.............................................................................................15

附录5主程序代码.............................................................................................15

参考资料.....................................................................................................................22

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甲醛气体浓度检测超限报警系统设计与制作

1产品功能分析

1.1设计背景与内容

当人们的生活越来越好时已经不仅仅只是关注于物质生活对于健康的问题

也越来越多，而在住房装修的材料中有常常含有各种有害化学成分会引发一系

列的健康问题。甲醛,其化学式为HCHO,是这些有害化学成分中常常被人谈及的

一种,它是一种无色并具有刺激气味的气体,同时也是一种致癌物质,对人体健

康的危害较大,它会危害皮肤系统，危害眼部，危害呼吸道等。

甲醛检测装置也因此出现并应用与检查空气中的甲醛浓度含量是否到达会

危害人体的程度，当前我们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甲醛检测仪,一般都使用电化学传感

器。该传感器拥有敏感电极,当有甲醛体分子流经此处时,甲醛气体分子会发生

电化学反应,该反应能够让电路中产生微小的电流,当电流与甲醛气体的浓度成

一定的比例关系,便可以得到单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。

甲醛检测装置的出现也为人们的健康带来很大的保障。

1.2功能分析

(1)掌握51单片机的集成开发环境，并且利用C语言编程来进行编写程序

文件。

甲醛传感器模块检测浓度，通过ZE08-ch2O甲醛传感器模块来给单片机处

理。

(2)通过LCD1602液晶第一行显示实时的检测值,第二行显示报警值。

(3)通过二个按键，对报警值的大小进行设置。

(4)正常时绿灯亮，红灯灭。超限时绿灯灭，红灯亮，同时蜂鸣器鸣叫。

(5)元器件布局及产品组装，安全环保并符合相关技术标准。

1

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2设计方案选择

2.1单片机的选择

方案一：使用嵌入式DSP处理器作为系统控制器。因为DSP是一种极其

擅长于高速实现不同种类的数字信号的嵌入式处理器。由于对这款处理器的硬

件结构等进行了特别的设计，可以让他能够高速完成各种数字信号处理算法但

是他的使用成本比较高而且他高频时钟的高频干扰和功率消耗比较大。

方案二：采用单片机作为系统控制器。由于单片机具有体积小、功耗低、

控制功能强、扩展灵活、小型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，

结合不同类型的传感器可实现电压，电流等等不同物理量的测量。采用单片机

控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，而且成本有比较低。

通过以上两种方案比较，从设计方案的实用性，便利性和使用成本考虑，

拟定方案二，用STC89C52单片机作为中央处理单元进行甲醛检测装置的设

计。

2.2显示方案

采用LCD液晶显示屏，这个显示屏的显示效果质量高并且没有电磁辐射以

及他的显示面积大，采用数字式的接口和体积小巧以及功耗少的特点价格也比

较便宜。

对于甲醛检测仪来说能同时在屏幕上显示测量结果和报警值，显示画面质

量高且价格实惠并且一个1602液晶显示屏足以。

2.3系统框架图

液晶显示模

电源模块块

键盘模块单片机最LED灯模

系统块

甲醛传感蜂鸣器模

器模块块

2

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3产品硬件设计

3.1STC89C52单片机

3.1.1概述

STC89C52单片机是一种功耗低、性能高的CMOS8位的微型控制器，在系统

可编程Flash存储器。在单芯片上有灵活而且小巧的8位CPU和可在系统编程

Flash，所以这种单片机为很多的采用嵌入式控制的应用系统的设计提供灵活

性、极其有效性的解决方案。

并拥有下面标准功能：8k字节Flash，RAM字节512，32位I/O接口

线，，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，全双工

串行口并兼容MCS51指令系统。

3.1.2STC89C52单片机引脚图及各引脚功能

140

P10VCC

239

P11P00

338

P12P01

437

P13P02

536

P14P03

635

P15P04

734

P16P05

833

P17P06

932

RESETP07

1031

P30/RXDEA

1130

P31/TXDALE

1229

P32/INT0PSEN

1328

P33/INT1P27

1427

P34/T0P26

1526

P35/T1P25

1625

P36/WRP24

1724

P37/RDP23

1823

XTAL2P22

1922

XTAL1P21

2021

GNDP20

图3-1STC89C52引脚图

STC89C52单片机采用40个引脚，双列直插式封装，使用HMOS制造工艺其

外部引脚如上图3—1所示。其各引脚的功能为：

①主电源引脚

40脚（VCC），接正5V电源的；

3

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20脚（GND），接正5V电源的接地端；

②19脚和18脚是外接晶体或外部振荡器的引脚

19脚（XTAL1），是一个接外部晶振的引脚，是一个在单片机内部的反

相放大器的输入端。当他采用外部振荡器时，此引脚必须要为接地端。

18脚（XTAL2），是另一个接外部晶振的引脚。

9脚（RESET），为复位信号输入端，当复位或掉电时里面RAM的电源

输入端备用端。

30脚(ALE)，地址锁存允许或编程脉冲输入

29脚(PSEN)，为外部程序存储器读选通信号端，当为低电平时有效。

31脚(EA）,为访问外部存储器允许或编程电压输入。当为高电平时为

访问内部存储器EA；当为低电平访问外部存储器。

④多功能I/O口引脚

P0、P1、P2、P3为4个双向I/O接线口，每一组I/O口接线都可

以单独地使用做输入或输出口，其中：

P0口（32—39脚）—双向口，可做为输入和输出口，LSTTL门电

路可驱动8个。

P1口（1—8脚）—准双向口，可以驱动4个LSTTL门电路。

P2口（21—828）—准双向口，可驱动4个LSTTL门电路。

P3口（10—17脚）—也叫准双向口，驱动LSTTL门电路为四个。

有二个功能，作为第一个功能使用时，和P1口功能一样；作为第二功能使用

时，每一位的用途都是不同特定的。

3.2按键电路设计

本产品的按键电路设计中只采用了2个按键，其作用主要为调节报警阀值

的大小，分别用来实现阈值大小的加减功能。按键的连接图如下图3-2所示；

4

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K1

KEY1

K2

KEY2

GND按键模块

图3-2按键电路模块

3.3LCD1602液晶显示电路模块

3.3.1LCD1602液晶显示器简介

LCD1602液晶显示器为一种字符型的液晶显示模块而且使用范围大。它是

由lcd字符型的液晶显示屏以及控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路

HD44100，和一些电阻电容元件以及结构件等装配在PCB板上而组成。

此液晶显示器有带背光和不带背光二种。带背光和不带背光的在使用中

并没有什么很大的区别具体的分辨方法如下图3-3所示；

图3-3LCD液晶显示器尺寸图（mm)

技术参数

(1)显示的容量:16×2个字符

(2)芯片的工作电压:4.5-5.5V

(3)工作的电流:2.0mA，5v

(4)最佳工作电压:5.0V

(5)字符尺寸:2.95mm×4.35mm(宽×高)

5

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3.3.2液晶显示模块电路及各引脚功能

(1)液晶显示模块接线图（图3—4）及各引脚功能介绍如下;

引脚1：VSS为地电源。

引脚2：VDD接5V正电源。

引脚3：VL是调整液晶显示器对比度端，电源接正时显示对比度最差，接

地时显示对比度最好可以使用一个10KQ的电位器来进行调节。

引脚4：RS是选择寄存器脚。

引脚5：R/W为读/写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操

作。

引脚6：EN为使能端，液晶模块执行命令时EN端将会由高电平变为低电

平。

引脚7-14：是8位的双向数据线。

引脚15：背光源正极。

引脚16：背光源负极。

GND

LCD1

1

VSS

2

VCCVCC

3

VO

4RS

RS

5RW

RW

6ENR3

LEN

C7D0103

D0

8D1

DD1

9D2

D2

110D3

6D3

11D4

0D4

12D5

2D5

13D6

D6

14D7

D7

15GND

AVCC

16

K

GND

液晶显示模块

图3-5液晶显示模块接线图

6

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3.4甲醛传感器模块电路

3.4.1简介

ZE08-CH2O型甲醛模组是一个利用电化学原理对空气中存在的甲醛进行检

测的通用型、小型化模组，具有不错的选择，稳定性。而且因内置有温度传感

器，也可以进行温度等一些检测。

3.4.2甲醛传感器模块电路接线图

甲醛传感器模块的电路接线图如图3-6所示。传感器共有7个引脚，因为

现在所用的是串口通信，所以只需要使用3个引脚既可，其中两个连接GND和

VCC负责给甲醛模块供电源，然后把的TXD引脚连接到单片机的P30引脚，该

引脚用于传输甲醛浓度的检测结果。

GNDVCC

M1

GND

VCC

CH2O

TXD

ZE08-CH2O

甲醛检测模块

图3-6甲醛检测模块接线图

7

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4产品软件设计

想要完整的正确实现甲醛检测的功能，需要硬件和软件二部分的共同支持

才能实现，上面部分为硬件设计部分由电子元器件和主要的单片机组成，在硬

件部分的充分支持下就需要软件部分的支持来实现所需的功能保证正常运行我

们先使用Keilo软件进行程序的编译，待程序编译无错时在下载到单片机里，

从而完成产品的正常运行。

KeilSoftware公司开发的51系列兼容单片机C语言软件的开发系统，不

管是在功能上，维护性上还是在结构性上，可读性上，塑造性上都有着在程序

开发领域明显的优势，适合新手学习，容易掌握。

4.1主程序流程图

此设计程序的软件过程为，先进行液晶功能的初始化，在进行串口的初始

化然后进行一个循环处理的过程首先读取甲醛浓度的测量结果再显示出测量结

果然后把测量结果和先前设置的报警阈值进行比较，超出所设置的阈值话就启

动蜂鸣器并点亮红色报警灯最后判断二个按键是否有按下如果有就相对应的进

行增加或减少报警阈值的大小，就此完成一次循环过程，设计程序的主程序流

程图如下图4-1所示。

8

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图4-1(主程序流程图)开始

液晶初始

化

串口初始化

读取甲醛浓度测量结果

显示测量结果

是

超出报警阀

值？

蜂鸣器报警，点亮

红灯

否

是

按键按下？

调节报警阀值

否

结束

9

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4.2LCD1602液晶显示程序设计

液晶开始显示内容时先要确定一个位置，表示在能否在特定的地方显示并

且液晶在显示的时候是一位一位的如果数据显示完则结束本次运行如果没有显

示完则自动返回直至完成显示。流程图如图4-2所示。

开始

定位行列坐标

显示一个字符

否

数据显

示完？

是

结束

图4-2液晶显示流程图

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5产品装配与调试

5.1产品装配图

5.2产品调试

5.2.1实物调试

通过调节电位器来调节液晶的清晰对比多使用一字螺丝刀等工具进行转

动调节达到清晰显示，传感器上电后需要预热三分钟才能正常检测，液晶第一

行显示实时的检测值，第二行显示报警值通过二个按键最报警值的大小进行调

整设置，正常时绿灯亮，红灯灭，超限时则反之并同时蜂鸣器叫。

5.2.2软件调试

（1）利用Keil5软件进行程序调试。

（2）新建工程，选择STC89C51单片机，在工程里面添加main.c项目，

在main.c项目里面编实现甲醛检测设计程序并保存到工程文件夹。

（3）编写完后对程序进行编译，编译后在下面有一个错误信息提示框，

11

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如果存在错误就会提示错误个数和错误的地方并进行相应的修改

12

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附录1元器件清单

附录2电路原理图

VCCR1

140

P10VCC1GND

LED1239D0

P11P002

338D1

P12P013LCD1

437D2

P13P0241VCC

VCCLED2536D3VSS

P14P0352

635D4VCCVCC

P15P0463

734D5VO

C1P16P0574RS

833D6RS

10uFP17P0685RWQ1R5BEEP

932D7RW

RESETP0796ENR38550

CH2O1031LEN10K

P30/RXDEAVCCC7D0103

R41130D0

P31/TXDALE1038D1

10KKEY11229DD1

P32/INT0PSEN9D2

KEY21328RSD2

P33/INT1P27110D3

1427RW6D3

P34/T0P2611D4

1526EN0D4

P35/T1P2512D5

GND16252D5

P36/WRP2413D6

1724D6

P37/RDP2314D7

X11823D7BEEP1

XTAL2P2215GND

121922AVCC

XTAL1P2116

2021BEEPK

GNDP20

11.0592M

GND

C2C3U1

30pF30pF

GND

GND蜂鸣器模块

最小系统模块液晶显示模块

GND

GNDVCC

VCCK1

J1KEY1

M1D1

16

R6LED1

25GND

34VCC10KK2

CH2OGREEN

powerTXDKEY2

SW1D2

R7

ZE08-CH2O