基于单片机的室内甲醛检测仪的设计

3.系统的设计方案

3.1方案一：基于普通51单片机和国产MQ138传感器的设计方案

国产MQ138传感器中能基本实现甲醛测量需要，其信号可以经过放大电路，在经过AD转换芯片后送给单片机进行处理最后显示。其工作模块可以分为：传感器、放大电路、AD电路、单片机、显示电路。通过这几个部分的结合可以基本实现设计的功能，但是由于MQ138传感器的线性度极其不理想，而且其测量范围为1ppm～10ppm，最低测量值已经远远超过国家标准的最低值0.8ppm。系统所采用的单片机只能进行数据处理，仍需要另外购买AD芯片，给系统造成成本增加，且对电路的性能会造成影响。

3.2方案二：基于增强型单片机和进口传感器的设计方案

英国达特（DART）公司的甲醛传感器虽然价格为MQ138的两倍，但其拥有稳定的线性度，且灵敏度达到0.01ppm,可以满足测量国家标准。系统工作模块也分为传感器、放大电路、AD电路、单片机、显示电路。系统才用的是增强型51单片机即STC12C5A60S2单片机，不但拥有超高的执行速度而且内置了10位的AD转换，可以简单化电路，更可以节约一定的成本，对整体电路的稳定性能更有保障。

两个方案的比较：方案一，虽然基本满足测量需求，但是0～1ppm的范围为盲区，无法测量更无法在超过国标时及时提醒，系统整体稳定性不高。方案二，完全能够满足测量需求，精度高，功耗更低，电路设计简单，稳定性高，更加可靠，所以选用方案二。

4.单片机甲醛检测技术

4.1STC12C5A60S2单片机

STC12C5A60S2单片机（引脚如图1）是宏晶科技生产的一种能够与传统8051完全兼容的新型单片机，它执行速度是传统51单片机的8—12倍，内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(即P1口)，因此具有很强大的数据处理能力，本身自带的10位A/D转换更是为本设计节约了成本。

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其基本参数如下：

1.与MCS-51产品指令和引脚完全兼容。

2.60K字节可重擦写FLASH闪存存储器。 3.100000次写/擦循环。

4.时钟频率：0Hz—35MHz相当于普通单片机的0—420M。 5.三级加密存储器。 6.1280字节内部RAM。

7.36/40/44个可编程I/O口线。 8.4个16位定时/计数器，7个中断源。

9.2路PWM。

10.低功耗的空闲和掉电模式。 11.片内振荡器和时钟电路。

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图1.STC12C5A60S2引脚

4.2LTC1049CN8运算放大器

LTC1049（引脚如图2）是一种高性能，低功耗的零漂移运算放大器。此外，LTC1049提供优越的DC和AC性能，其理论供应电流仅为200μA。LTC1049拥有典型失调电压漂移0.02μV/°C， 0.1Hz到10Hz输入噪声电压的3μV。转换速度电压增益为与典型的160dB与增益带宽产品的0.8MHz。超载从饱和状态的恢复时间6ms,比削波器放大器显着改善使用外部电容器，可以在LTC1049是一个插件替换与大多数标准运算amps大幅度提高DC性能和降低功耗。

其基本参数如下：

1.低电源电流：200μA

2.无需外部元件

3.最大失调电压：10μV

4.最大偏移电压漂移：0.1μV/°C 5.单电源供电：4.75V到16V 6.输入共模范围包括地面 8.典型的过载恢复时间：6ms

9.在8-Pin可用，以便和PDIP软件包兼容

图2 LTC1049CN8引脚图

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4.3LCD1602液晶屏

LCD显示有很多种，常用的有1602和12864两种，由于本设计中显示的甲醛含量属于较简单的字符，可以考虑使用1602，LCD1602具有显示内容丰富，接口电路简单，人机交流性强等特点，适合本次设计的研究。其具体参数如表1，接口信号参数如表2。[5]

表1.LCD1602技术参数表格

表2.LCD1602接口信号

4.4甲醛传感器

本甲醛检测仪采用英国达特（DART）公司生产的甲醛传感器如图3。该传感器是两电极电化学型的传感器，通过扩散原理实现，因此不需要外部采样硬件。当有甲醛气体存在的时候，将会有一个很小的直流产生；传感器本身不需要电源供应，但是产生的这个电流需要外部的数据采集将其变为可读的信号。

主要参数如下[6]：

1.正常检测0一10ppm，最大值50ppm； 2.输出信号250～300nA／ppm； 3.分辨率0．01ppm； 4.响应时间<30s；

5.最大零点沮度漂移(+20℃一+40\； 6.工作温度-10℃一40℃； 7.基线飘移<0.03/ppm； 8.寿命3年。

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图3甲醛传感器实物图

5.系统硬件部分设计

5.1系统整体电路原理

基于上述器件的选择，对硬件提出如下的设计功能框图如图4：

传感器CH2O STC12C5A60S2单片机（A/D转换及数据处理） LCD1602 报警电路 放大电路 按键 图4硬件功能框图

通过查阅资料提出整体的设计框架（如下4点），通过电脑仿真来完成功率放大电路和传感器的研究工作，通过单片机开发板软件和硬件的结合设计出A/D转换程序及LCD显示模块，最后综合在一起，通过实验室进行各项技术指标的测量不断改进、完善。

1.信号转换部分：该部分由气体传感器组成，其功能是将被测物浓度变成电信号。 2.信号处理部分 该部分由信号变换组成。 信号变换由气体传感器产生的电信号较小且和要求输出的信号不成比例关系，必须经放大后才能得到标准输出信号及控制信号。信号经处理后，输出模拟信号。通过A/D转化为数字信号进入单片机，最后LCD显示，温度信号经变换后供控制和计算用。

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