基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)——畢業(yè)論文

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）西 南 交 通 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)的室內(nèi)甲醛檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要如今，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們?cè)诓粩嘧非蟾呱钯|(zhì)量的同時(shí)，也開(kāi)始越發(fā)地關(guān)注個(gè)人健康與環(huán)境衛(wèi)生。而如今人們最關(guān)注和擔(dān)心的是無(wú)處不在的空氣污染，尤其是從新家具中的粘合劑、油漆等涂料中揮發(fā)出來(lái)的致癌物質(zhì)甲醛。因此本課題將重點(diǎn)放在設(shè)計(jì)制作一種簡(jiǎn)易、精確、易用、低成本的室內(nèi)甲醛檢測(cè)系統(tǒng)。本文的設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，搭配傳感器、液晶屏等外圍模塊，在程序的控制之下，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中甲醛濃度的精確定量檢測(cè)并在液晶屏上顯示，同時(shí)可將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)無(wú)線的方式發(fā)送至用戶(hù)手機(jī)軟件中方便遠(yuǎn)程查看，此外，可通過(guò)手機(jī)軟件對(duì)單片機(jī)的顯示內(nèi)容以及液晶顯示屏的開(kāi)關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。本文主要的研究重點(diǎn)在于甲醛檢測(cè)系統(tǒng)的綜合實(shí)現(xiàn)方式，以及如何在空氣甲醛檢測(cè)精度、檢測(cè)效率及易用性、系統(tǒng)成本開(kāi)銷(xiāo)三者之間進(jìn)行權(quán)衡。論文首先簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)今市面上的室內(nèi)甲醛檢測(cè)系統(tǒng)的分類(lèi)、工作原理，以及每一種甲醛檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，然后對(duì)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行分析，從檢測(cè)精度、檢測(cè)效率及易用性、系統(tǒng)成本開(kāi)銷(xiāo)等方面，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的主要器件進(jìn)行選型。之后介紹了使用Altium Designer 17軟件對(duì)整體硬件電路部分的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)單片機(jī)的整體程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方式以及流程進(jìn)行闡述，并細(xì)致介紹每一個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)原理。經(jīng)過(guò)軟、硬件綜合運(yùn)行的功能驗(yàn)證測(cè)試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)液晶屏和手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方式的室內(nèi)空氣甲醛檢測(cè)功能 ，并實(shí)現(xiàn)了通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)液晶屏的開(kāi)啟與關(guān)閉、液晶屏顯示內(nèi)容的控制等功能，滿(mǎn)足系統(tǒng)總體低功耗的要求。關(guān)鍵詞：甲醛檢測(cè)；MSP430單片機(jī)；低功耗藍(lán)牙；手機(jī)端應(yīng)用程序第 V 頁(yè)AbstractNowadays, with the rapid development of the national economy, people are striving to improve their quality of life, and 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, 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 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 comprehensive 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 disadvantages 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, the 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 hardware 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 power consumption.Keywords: formaldehyde detection; MSP430; BLE Bluetooth; mobile application; 目 錄第1章 緒 論11.1背景與意義11.1.1 甲醛的危害及主要來(lái)源11.1.2 課題研究的意義11.2現(xiàn)有檢測(cè)空氣中甲醛的方法21.2.1 氧化物氣體傳感器21.2.2 聲表面波氣敏傳感器21.2.3 氣體電子鼻31.2.4 電化學(xué)傳感器31.3市面上幾種甲醛檢測(cè)儀的現(xiàn)狀31.4論文章節(jié)安排4第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及硬件選型62.1系統(tǒng)需求分析62.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案62.3單片機(jī)選型82.3.1 80C51單片機(jī)82.3.2 STM32系列單片機(jī)82.3.3 MSP430系列單片機(jī)92.4甲醛傳感器原理及選擇122.4.1 DART甲醛傳感器122.4.2 ZE0-CH2O甲醛傳感器142.5本章小結(jié)16第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制作173.1 MSP430G2553單片機(jī)173.1.1 MSP430G2系列單片機(jī)簡(jiǎn)介173.1.2 MSP430G2553 單片機(jī)的最小系統(tǒng)203.2 12864 LCD顯示電路253.3 ZE08-CH2O甲醛檢測(cè)模塊電路283.4 DHT11溫濕度傳感器電路293.5 BLE4.0藍(lán)牙模塊電路313.6本章小結(jié)33第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)344.1軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境344.2軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)344.3 系統(tǒng)初始化354.3.1時(shí)鐘初始化364.3.2 UART初始化364.3.3 定時(shí)器初始化374.3.4 ADC初始化384.3.5 12864 LCD初始化384.4統(tǒng)一精確延時(shí)函數(shù)394.5 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換404.6藍(lán)牙通信程序414.7手機(jī)端應(yīng)用程序434.7.1 藍(lán)牙設(shè)備搜索444.7.2 藍(lán)牙設(shè)備連接454.7.3 數(shù)據(jù)傳輸及處理454.7.4 交互界面布局454.8本章小結(jié)46第5章 裝配及測(cè)試475.1甲醛檢測(cè)儀的制作及裝配475.2測(cè)試方式及目標(biāo)485.3測(cè)試結(jié)果485.4本章小結(jié)51結(jié) 論52致 謝54參考文獻(xiàn)55附錄1 PCB原理圖56附錄2 PCB設(shè)計(jì)圖57第1章 緒 論1.1背景與意義如今，室外各種空氣污染的問(wèn)題越來(lái)越成為人們關(guān)注的對(duì)象和焦點(diǎn)。然而隨著國(guó)家的飛速發(fā)展，建設(shè)制造業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，以及化學(xué)工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，室內(nèi)各種家具、涂料中殘留的化學(xué)物質(zhì)對(duì)室內(nèi)空氣的污染情況也十分嚴(yán)峻，尤其是那些無(wú)色無(wú)味、我們難以感知的潛在氣態(tài)化學(xué)物質(zhì)對(duì)人類(lèi)的健康造成了巨大的威脅1,2。甲醛，作為室內(nèi)空氣污染的主要污染源之一，也越發(fā)地收到人們的重視。因此本課題將致力于追求室內(nèi)甲醛檢測(cè)設(shè)備的高精確性、低成本、小型化、低功耗化、智能化，盡可能地加大其實(shí)用價(jià)值。1.1.1 甲醛的危害及主要來(lái)源甲醛，常溫下是一種具有刺激氣味的無(wú)色氣體，也是一種潛在的致癌物質(zhì)，對(duì)人體健康有巨大的危害，許多疾病的誘發(fā)都與甲醛有關(guān)，如哮喘，白血病等。甲醛對(duì)健康危害出要有以下方面：刺激作用、致敏作用以及致突變作用。當(dāng)室內(nèi)空氣中甲醛含量為0.1mg/m3時(shí)，就有異味和不適感。達(dá)到0.5mg/m3時(shí)，就會(huì)使得眼睛刺激，引起流淚3，甲醛對(duì)人體健康的危害不容忽視。目前，中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定：居室空氣中甲醛的最高容許濃度為0.08毫克/立方米（0.08mg/m3）4。檢測(cè)方法：分光光度計(jì)化學(xué)分析法，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行空氣采樣，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。其特點(diǎn)是數(shù)值準(zhǔn)確、抗干擾性強(qiáng)，是目前國(guó)家室內(nèi)空氣甲醛的唯一標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法。當(dāng)前我們每個(gè)人家庭中的甲醛污染源主要來(lái)源于四個(gè)方面：一方面，甲醛是用來(lái)制作室內(nèi)裝飾的膠合板等人造板材的原料。因?yàn)榧兹┚哂休^強(qiáng)的黏合性，還同時(shí)具有強(qiáng)化板材的硬度，以及防止蛀蟲(chóng)、防止腐蝕的能力，所以目前我國(guó)在生產(chǎn)各種人造板材所使用的粘合劑是以甲醛為主要成分的樹(shù)脂；第二方面，甲醛可殘留于各種人造板制造的家具；第三方面是含有甲醛成分的其他各類(lèi)裝飾材料，如白乳膠、泡沫塑料、油漆和涂料等。尤其要注意的是，乳膠粘合劑在裝飾裝修中被廣泛應(yīng)用于木器工程和墻面處理方面，特別是封閉在墻面的乳膠中的甲醛很難清除；四是室內(nèi)裝飾紡織品、包括床上用品、墻布、墻紙、化纖地毯、窗簾和布藝家具。在紡織生產(chǎn)中，為了增加抗皺性能、防水性能、防火性能，常加入一些含有甲醛助劑5。1.1.2 課題研究的意義在我們平日的生活里，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法雖然準(zhǔn)確，但很難滿(mǎn)足日常甲醛檢測(cè)便利性、時(shí)效性。傳統(tǒng)的甲醛檢測(cè)設(shè)備不僅體積過(guò)于龐大，操作過(guò)于繁瑣，對(duì)檢測(cè)人員專(zhuān)業(yè)度要求較高，而且整體檢測(cè)成本非常高，因此并不能使得甲醛檢測(cè)設(shè)備在普通百姓家庭中得以普及應(yīng)用。正是因?yàn)槿绱耍藗冃枰环N既能滿(mǎn)足結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，又能確保檢測(cè)過(guò)程的快速簡(jiǎn)潔，同時(shí)竟可能地做到檢測(cè)設(shè)備壽命長(zhǎng)久、低功耗、微型化，以滿(mǎn)足對(duì)檢測(cè)設(shè)備的隱蔽性、便攜性的實(shí)用性需求。1.2現(xiàn)有檢測(cè)空氣中甲醛的方法在眾多檢測(cè)空氣中甲醛含量的方法中，傳統(tǒng)的方法主要是化學(xué)方法。也就是通過(guò)將空氣中采樣獲得的氣體樣本與某種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，由反應(yīng)結(jié)果來(lái)測(cè)得樣本中甲醛含量，最后通過(guò)計(jì)算得出空氣中甲醛濃度。例如乙酰丙酮分光光度法、氣相色譜法、電化學(xué)傳感器法等等1。這些傳統(tǒng)的方法操作繁瑣，分析時(shí)間長(zhǎng)且測(cè)量精度低，因此傳統(tǒng)的甲醛化學(xué)測(cè)量方式并不適合應(yīng)用于普通用戶(hù)居家使用。然而近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，市面上半導(dǎo)體傳感器的種類(lèi)變得越來(lái)越豐富，同時(shí)測(cè)量的精度也越來(lái)越高。其體積小、測(cè)量效率高、對(duì)操作人員專(zhuān)業(yè)度要求低、檢測(cè)精度相比傳統(tǒng)化學(xué)檢測(cè)方法有過(guò)之而不及的種種優(yōu)點(diǎn)，使得各類(lèi)半導(dǎo)體傳感器在市面上擁有了廣闊的發(fā)展前景。在甲醛檢測(cè)傳感器方面，主要有氧化物氣體傳感器、電化學(xué)傳感器、甲醛聲表面波氣體傳感器、甲醛氣體電子鼻等5。1.2.1 氧化物氣體傳感器氧化物氣體傳感器，是一種利用金屬氧化物氣敏元件作為敏感元件的氣體傳感器。 其工作原理是利用被測(cè)氣體的吸附作用，從而改變半導(dǎo)體氣敏元件的電導(dǎo)率，從而改變通過(guò)傳感器半導(dǎo)體元件的電流大小7。由于氧化物氣體傳感器測(cè)量時(shí)收周邊環(huán)境影響較大，例如環(huán)境的溫度、濕度等參數(shù)變化都會(huì)導(dǎo)致其檢測(cè)結(jié)果的輸出不穩(wěn)定，因此難以對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行精確量化。然而正是因?yàn)槠浞磻?yīng)十分靈敏的原因，氧化物氣體傳感器被廣泛應(yīng)用在檢測(cè)氣體微小泄漏的裝置上。1.2.2 聲表面波氣敏傳感器聲表面波氣敏傳感器較為復(fù)雜，其由壓電材料、叉指換能器以及振蕩電路構(gòu)成。由于聲表面波器件的波速和頻率會(huì)隨著周?chē)h(huán)境變化而改變，聲表面波氣敏傳感器利用了這一特性，在壓電晶體表面涂覆了一層具有氣體選擇特性的吸附薄膜。當(dāng)薄膜與對(duì)應(yīng)氣體相互作用時(shí)，薄膜的導(dǎo)電率發(fā)生變化，從而引起聲表面波的頻率偏移。通過(guò)測(cè)量聲表面波頻率變化即可精確得到對(duì)應(yīng)檢測(cè)氣體濃度的變化8。與其他種類(lèi)的傳感器相比起來(lái)，聲表面波傳感器具有成本低，精度、分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。由于其輸出信號(hào)為頻率參量，方便與計(jì)算機(jī)接口組成處理系統(tǒng)。傳感器采用集成電路平面工藝，使得其體積與重量得以大大的減小。1.2.3 氣體電子鼻氣體電子鼻是通過(guò)模擬動(dòng)物嗅覺(jué)器官的一種新型傳感器，它是一種利用氣體傳感器陣列的綜合響應(yīng)圖來(lái)識(shí)別出氣體的電子系統(tǒng)。氣體電子鼻主要由氣體取樣操作器、氣體傳感器陣列以及信號(hào)處理系統(tǒng)組成，其工作原理是通過(guò)在陣列中每個(gè)傳感器對(duì)被測(cè)氣體都有不同的靈敏度，從而使陣列對(duì)被測(cè)氣體產(chǎn)生響應(yīng)圖案。通過(guò)對(duì)響應(yīng)圖案的分析，得出被測(cè)氣體的氣味與濃度。氣體電子鼻的引用范圍十分廣泛，例如環(huán)境監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)、爆炸物檢查等。1.2.4 電化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器是一種通過(guò)被測(cè)氣體與電極上的氣體對(duì)應(yīng)反應(yīng)物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生流經(jīng)外部線路的電流的傳感器。其構(gòu)造通常為二到三個(gè)與電解液接觸的電極，電極以及電解液與周?chē)諝庀嘟犹?，?chǔ)存在有氣體通孔的塑料盒內(nèi)。電化學(xué)傳感器的特點(diǎn)在于其生成的測(cè)量信號(hào)極為微小，幾乎無(wú)法直接對(duì)其進(jìn)行處理，須先進(jìn)行信號(hào)放大和其他信號(hào)加工。電化學(xué)傳感器輸出電流信號(hào)與被測(cè)氣體濃度的線性關(guān)系較好，靈敏度也十分高，且成本低因此十分經(jīng)濟(jì)。但因?yàn)殡娀瘜W(xué)傳感器是通過(guò)氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的微電流信號(hào)來(lái)判斷被測(cè)氣體濃度，在檢測(cè)過(guò)程中可能會(huì)受到其他種類(lèi)的帶有氧化性質(zhì)氣體的干擾9，因此可在氣體通孔附近使用化學(xué)過(guò)濾消除其他干擾氣體。由于電化學(xué)傳感器是一種通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成檢測(cè)信號(hào)的傳感器，其壽命是非常有限的。在目標(biāo)氣體中暴露時(shí)間越長(zhǎng)，其壽命越短。一般電化學(xué)傳感器的有效壽命為一到三年，因此需要定期的維護(hù)以及校準(zhǔn)。1.3市面上幾種甲醛檢測(cè)儀的現(xiàn)狀目前，我國(guó)國(guó)內(nèi)市面上甲醛檢測(cè)儀種類(lèi)繁多，質(zhì)量層次不齊，價(jià)格從一百多元至上千元不等。雖然檢測(cè)空氣中甲醛含量的方式有很多種，但基本上大多儀器的傳感器模塊還是基于電化學(xué)傳感器。表格1是對(duì)市面上銷(xiāo)售的多種甲醛檢測(cè)儀的參數(shù)進(jìn)行比較分析5。表1-1 市面甲醛檢測(cè)儀型號(hào)生產(chǎn)企業(yè)主要參數(shù)GT-1000-CH2O泵吸式復(fù)合氣體檢測(cè)儀（甲醛）深圳市科爾諾電子科技有限公司測(cè)量范圍：0-10、20、50、100、500ppm可選分辨率：0.01ppm檢測(cè)精度：3%ET-4160甲醛分析儀美國(guó)INTERSCAN測(cè)量范圍：019.99ppm分辨率：0.1 ppm檢測(cè)精度：2%FM801多模式甲醛檢測(cè)儀美國(guó)Gray Wolf檢測(cè)原理: 光電吸光分析法測(cè)量范圍：10ppb 1,000 ppb分辨率：1ppb檢測(cè)精度：10 ppbTY2000-HCHO泰州金航分析儀器有限公司測(cè)量范圍：0.01-9.99ppm分辨率：0.01ppm檢測(cè)精度：1.5%1.4論文章節(jié)安排本課題將重點(diǎn)放在設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣中甲醛氣體含量的檢測(cè)，目標(biāo)群體為普通用戶(hù)，設(shè)計(jì)出一款小巧、易用、精確、高效、低能耗的甲醛檢測(cè)設(shè)備，并通過(guò)液晶顯示模塊將檢測(cè)到的數(shù)值顯示出。當(dāng)甲醛濃度超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)通過(guò)報(bào)警模塊對(duì)用戶(hù)進(jìn)行告警。為滿(mǎn)足遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)量的需要，通過(guò)藍(lán)牙BLE模塊將甲醛檢測(cè)數(shù)值上傳到手機(jī)應(yīng)用程序中查看。同時(shí)在滿(mǎn)足盡可能多的功能，盡可能高的精確度前提條件下，降低成本，論文共分為以下五章。本文的第一章節(jié)為緒論，這一章簡(jiǎn)要分析介紹當(dāng)今市面上的室內(nèi)甲醛檢測(cè)系統(tǒng)的分類(lèi)、工作原理，以及每一種甲醛檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較，并對(duì)正文每一章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要的概述。在第二章節(jié)中，本文從檢測(cè)精度、檢測(cè)效率及易用性、系統(tǒng)成本開(kāi)銷(xiāo)這三個(gè)方面，對(duì)設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)的單片機(jī)、傳感器、外圍器件等各類(lèi)硬件選型進(jìn)行分析。在第三章中，本文介紹了通過(guò)Altium Designer 17軟件對(duì)整體硬件電路部分的設(shè)計(jì)以及制作，并包含了整個(gè)PCB制作的流程，尤其著重稱(chēng)述對(duì)各類(lèi)具體元器件的選型進(jìn)行分析。第四章中，本文對(duì)單片機(jī)的整體程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、理念，以及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行稱(chēng)述，并細(xì)致介紹每一個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)原理。在這一章節(jié)中，展示了本檢測(cè)系統(tǒng)總體的低功耗的實(shí)現(xiàn)原理。第五章則給出了最終軟、硬件綜合運(yùn)行的實(shí)際效果，并與專(zhuān)業(yè)檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。最后分析調(diào)試期間所遇到的問(wèn)題。第 54 頁(yè)第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及硬件選型對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，選的硬件能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，并且應(yīng)用合適，則事半功倍。若硬件與硬件之間搭配不協(xié)調(diào)，則會(huì)影響到整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致部分功能的缺失。因此本章節(jié)將對(duì)系統(tǒng)的整體功能需求進(jìn)行分析，并根據(jù)其具體的需求，確定系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架，且對(duì)主要硬件部分進(jìn)行選型。2.1系統(tǒng)需求分析本系統(tǒng)主要需要實(shí)現(xiàn)的功能是：甲醛傳感器檢測(cè)當(dāng)前室內(nèi)空氣甲醛氣體濃度，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)輸出至單片機(jī)。由溫度濕度檢測(cè)模塊將周?chē)h(huán)境的溫濕度值，并將其回傳至單片機(jī)的I/O引腳。單片機(jī)將得到的甲醛濃度、溫度、濕度值顯示在LCD液晶屏上不斷更新，同時(shí)將數(shù)值通過(guò)低功耗BLE藍(lán)牙上傳至手機(jī)應(yīng)用程序中。當(dāng)室內(nèi)空氣中甲醛濃度值超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即超過(guò)0.08毫克每立方米時(shí)，以閃爍紅色LED指示燈進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)手機(jī)端應(yīng)用程序?qū)z測(cè)系統(tǒng)的顯示界面翻頁(yè)控制功能，并在不需要使用液晶顯示器的時(shí)候控制其關(guān)閉以減小電能損耗，使得整體系統(tǒng)在電池供電的使用場(chǎng)景下能達(dá)到連續(xù)數(shù)十天的續(xù)航水平。為了實(shí)現(xiàn)以上的功能需求，甲醛濃度檢測(cè)系統(tǒng)需要甲醛電化學(xué)傳感器、溫度濕度傳感器、單片機(jī)、藍(lán)牙通信模塊、穩(wěn)壓電源等模塊。對(duì)于甲醛電化學(xué)傳感器、溫度濕度傳感器的要求有體積小、穩(wěn)定性及測(cè)量精度高、功耗低的要求；對(duì)單片機(jī)的要求有封裝尺寸小、性能及外設(shè)配置夠用以及超低的功耗；對(duì)藍(lán)牙通信模塊的要求具有信號(hào)強(qiáng)度高、支持低功耗睡眠模式，以及全雙工雙向通信的能力；對(duì)電源要求其能提供穩(wěn)定的電壓供應(yīng)，具有盡可能小的電壓波動(dòng)，能濾除數(shù)字電路的高頻噪聲，以及盡可能低的電力轉(zhuǎn)換損耗。2.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案整體的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖從上框圖可見(jiàn)，本硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了以單片機(jī)為核心的方案，分為甲醛傳感器、溫度濕度傳感器、液晶顯示及告警模塊、藍(lán)牙通信模塊以及單片機(jī)，五大部分分別設(shè)計(jì)。其中甲醛傳感器模塊作用在通過(guò)電化學(xué)方式將甲醛濃度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路對(duì)信號(hào)的放大、濾波處理后輸入到單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中采集轉(zhuǎn)換為濃度真值。溫度濕度傳感器模塊則是通過(guò)容性空氣溫度和濕度傳感器對(duì)環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)單總線雙向以問(wèn)答模式的工作方式與單片機(jī)通信。液晶屏及告警模塊負(fù)責(zé)將檢測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，同時(shí)當(dāng)甲醛濃度值超標(biāo)時(shí)通過(guò)點(diǎn)亮紅色LED發(fā)光二極管進(jìn)行告警。藍(lán)牙通信模塊實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)與手機(jī)端應(yīng)用程序之間的交互功能，系統(tǒng)采用一顆以德州儀器CC2540為核心的BLE低功耗藍(lán)牙模塊，經(jīng)由UART通用異步收發(fā)傳輸器與單片機(jī)雙向通信，使得手機(jī)端應(yīng)用程序能夠遠(yuǎn)程獲得檢測(cè)系統(tǒng)上傳的甲醛濃度數(shù)據(jù)，并能夠在手機(jī)應(yīng)用程序中發(fā)送指令，控制甲醛檢測(cè)系統(tǒng)液晶屏等模塊的開(kāi)啟與關(guān)閉，從而盡可能地追求低功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于系統(tǒng)中的各類(lèi)傳感器為模擬信號(hào)設(shè)備，單片機(jī)、LCD液晶屏和通信電路為數(shù)字信號(hào)，為了盡可能減小數(shù)字電路的噪聲對(duì)傳感器模擬信號(hào)的干擾，電源電路部分的合理設(shè)計(jì)是十分重要的。手機(jī)端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。圖2-2 手機(jī)端應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)框圖在手機(jī)端應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)上主要分為四個(gè)界面，分別為藍(lán)牙設(shè)備搜索界面、功能選擇界面、設(shè)置界面以及操作交互界面。其中藍(lán)牙設(shè)備搜索界面實(shí)現(xiàn)將周?chē)锌伤阉鞯降腂LE協(xié)議設(shè)備的名稱(chēng)、信號(hào)強(qiáng)度等信息在一個(gè)列表中顯示，并不斷刷新。功能選擇界面中顯示了已連接的甲醛檢測(cè)系統(tǒng)的所有功能項(xiàng)目，例如數(shù)值顯示、繪制圖表、遠(yuǎn)程控制等。設(shè)置界面則實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同藍(lán)牙模塊的UUID等信息的修改，使得該應(yīng)用程序能支持更多的BLE低功耗藍(lán)牙模塊。操作交互界面則實(shí)現(xiàn)了將接收到的甲醛濃度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，并可通過(guò)界面上的功能按鍵對(duì)甲醛檢測(cè)儀各模塊的開(kāi)關(guān)、液晶屏翻頁(yè)等功能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。2.3單片機(jī)選型室內(nèi)空氣甲醛濃度檢測(cè)系統(tǒng)，作為一個(gè)完整的系統(tǒng)，可能需要用到模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)傳感器回傳的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，為了在液晶屏模組上顯示檢測(cè)結(jié)果，可能需要用到相應(yīng)的串行通訊。與藍(lán)牙BLE模塊之間的通信，又需要系統(tǒng)的核心元件對(duì)UART通用異步收發(fā)進(jìn)行支持。要支持如此豐富的外設(shè)功能，F(xiàn)PGA核心芯片硬件設(shè)計(jì)并沒(méi)有提供足夠的支持，雖然能通過(guò)IO端口進(jìn)行UART模擬，也可以通過(guò)外接獨(dú)立ADC模塊進(jìn)行傳感器信號(hào)的預(yù)處理以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，但要其實(shí)現(xiàn)起來(lái)，時(shí)間、人力、物料成本的開(kāi)銷(xiāo)并不經(jīng)濟(jì)。因此，單片機(jī)，一種采用了超大規(guī)模集成電路，將具備數(shù)據(jù)計(jì)算能力的中央處理器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、閃存、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器、模數(shù)-數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊集成到一塊小小的芯片上的微系統(tǒng)，滿(mǎn)足了本課題室內(nèi)空氣甲醛濃度檢測(cè)系統(tǒng)的絕大多數(shù)功能需要的同時(shí)，在物料開(kāi)銷(xiāo)、開(kāi)發(fā)時(shí)間的開(kāi)銷(xiāo)上十分經(jīng)濟(jì)。2.3.1 80C51單片機(jī)51單片機(jī)的大名相信很多人在很久以前就有所耳聞。其最早是由大名鼎鼎的Intel公司開(kāi)發(fā)的MCS-51，基于早前的8048的架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加了例如乘、除、減、比較等運(yùn)算指令，以及串行通信的能力9。80C51采用DIP40 雙列直插式四十引腳封裝，配置為8位CPU，4KB的ROM，128B的RAM，32條I/O端口，1個(gè)全雙工串行通訊口。工作電壓5V，片內(nèi)時(shí)鐘電路最佳振蕩頻率為6MHz-12MHz。后續(xù)改進(jìn)幸好有8031、8051和8071等產(chǎn)品。MCS-51典型工作功耗約630mW，約為89C51的五倍，51單片機(jī)的生產(chǎn)商也不僅僅只有Intel，Atmel的AT89C51、AT89S51同樣屬于51單片機(jī)，所有教科書(shū)、教程以及程序在這些不同的51單片機(jī)上都可以使用，向下兼容。對(duì)于本課題要求而言，51系列單片機(jī)性能足夠，外設(shè)也足夠豐富，但是由于51系列單片機(jī)年代較為久遠(yuǎn)，制作工藝較為落后，造成其封裝體積過(guò)大，需要占用大面積電路板有效面積，不利于室內(nèi)空氣甲醛檢測(cè)系統(tǒng)的微型化，同時(shí)其5V供電以及其較大的典型工作功耗，不利于整個(gè)系統(tǒng)的低功耗的目標(biāo)。2.3.2 STM32系列單片機(jī)STM32系列單片機(jī)是一種新新單片機(jī)家族，其定位是專(zhuān)門(mén)與高性能、低成本、低功耗的ARM架構(gòu)單片機(jī)，使用ARM Cortex-M3內(nèi)核。其基本型時(shí)鐘頻率為36MHz，增強(qiáng)型系列的時(shí)鐘頻率達(dá)到了72MHz，在同類(lèi)型產(chǎn)品中性能表現(xiàn)都是最高的7。STM32系列單片機(jī)以16位單片機(jī)的價(jià)格成本實(shí)現(xiàn)了32位單片機(jī)的性能，性?xún)r(jià)比極高。從功耗上來(lái)看，其72MHz時(shí)鐘頻率工作狀態(tài)下，典型工作電流約為36mA，也是當(dāng)今市場(chǎng)上單位頻率功耗最低的32位產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5mA/MHz。以其代表型號(hào)STM32F5來(lái)舉例，得益于ARM公司的高性能以及高能耗比的Cortex-M3內(nèi)核，其單位頻率計(jì)算能力達(dá)到1.25DMips/MHz，相比于上一代的ARM7TDMI內(nèi)核僅0.95DMips/MHz的單位頻率計(jì)算能力有著大幅度提升，從而進(jìn)一步地提升了內(nèi)核的能耗比。除此之外STM32F5還擁有著一流的外設(shè)，其擁有雙12位ADC，速率高達(dá)4Mbps的全雙工UART，18Mbps的SPI，以及18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度。從各項(xiàng)性能指標(biāo)來(lái)看，STM32系列單片機(jī)毋庸置疑是一款十分出色的單片機(jī)。無(wú)論是其強(qiáng)大的運(yùn)算性能還是豐富的片上外設(shè)，如今都沒(méi)有什么系列的低功耗單片機(jī)能與之相比。但對(duì)于滿(mǎn)足本課題室內(nèi)空氣甲醛檢測(cè)系統(tǒng)而言，STM32的性能過(guò)于強(qiáng)大，片上外設(shè)更是過(guò)于豐富。若采用STM32來(lái)實(shí)現(xiàn)本課題的目標(biāo)，就會(huì)導(dǎo)致大量片上外設(shè)空閑，造成不必要的浪費(fèi)。同時(shí)由于STM32強(qiáng)大的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，其工作功耗相比改進(jìn)型51單片機(jī)，以及下文將介紹的MSP430系列相比都要高很多。因此STM32系列單片機(jī)對(duì)于本課題的室內(nèi)空氣甲醛濃度檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)十分合適的選擇。2.3.3 MSP430系列單片機(jī)MSP430系列單片機(jī)是由美國(guó)德州儀器公司，于1996年投入市場(chǎng)的一種16位、超低功耗、精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器21。之所以稱(chēng)之為混合信號(hào)處理器，是因?yàn)镸SP430將多個(gè)不同的模擬、數(shù)字電路模塊，以及處理器集成在同一個(gè)芯片上，是一款名副其實(shí)的“單片機(jī)”。這一系列的單片機(jī)得益于其高集成度以及超低的工作能耗，多應(yīng)用于使用電池供電的手持式儀表中。MSP430系列單片機(jī)作為一款16位單片機(jī)，采用精簡(jiǎn)指令集，且具有十分豐富的尋址方式，因而其能實(shí)現(xiàn)七種源操作數(shù)尋址以及四種目的操作數(shù)尋址。除此之外，其簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及眾多種類(lèi)的模擬指令、高效率的查表處理指令等等因素，使其可編譯出高效率的源程序。MSP430系列單片機(jī)相比其他系列家族的單片機(jī)最大的特點(diǎn)，也是其最大的優(yōu)點(diǎn)，就是其具有超低的功耗，因而MSP430在電池供電的應(yīng)用中十分的受歡迎。MSP430可以通過(guò)限制電池流耗從而有效地延長(zhǎng)具體應(yīng)用中電池的使用壽命。在如今鋰離子、鋰聚合物等電池技術(shù)發(fā)展緩慢的背景下，如何降低整體系統(tǒng)功耗來(lái)使得系統(tǒng)達(dá)到最佳電池使用壽命，越來(lái)越成為人們關(guān)注的對(duì)象。MSP430實(shí)現(xiàn)如此低的功耗有著多方面的原因，一方面MSP430的硬件制造采用了低功耗低漏電工藝，另一方面MSP430將低功耗模式（Low Power Mode）擴(kuò)展為7種，以分別對(duì)應(yīng)滿(mǎn)足不同任務(wù)、不同場(chǎng)合的低功耗應(yīng)用需求18。在外圍設(shè)備上，MSP430集成了ADC、電源管理、時(shí)鐘管理等功能，使得在應(yīng)用時(shí)無(wú)需添加額外的外部設(shè)備。無(wú)論是硬件還是軟件上，低功耗都明確成為了MSP430的設(shè)計(jì)目標(biāo)。由圖2-3可見(jiàn)，MSP430具有寬泛的工作電壓。隨著要求工作頻率的不同，MSP430的工作電壓可在1.8V至3.6V之間選擇，這為如今許多通過(guò)電池供電的應(yīng)用提供了極大的方便，這使得其使用方式可簡(jiǎn)單到直接將MSP430連接至電池供電。例如我們可以直接使用兩節(jié)1.5V的堿性紐扣電池為MSP430供電，3V的電壓就可以使得MSP430在幾乎所有的工作頻率下穩(wěn)定運(yùn)行。圖2-3 MSP430頻率與電壓需求關(guān)系我們?cè)賮?lái)看在不同工作頻率下，MSP430工作電壓與流耗之間的關(guān)系。由圖2-4可見(jiàn)，在同一個(gè)工作頻率下，工作電壓越高，會(huì)導(dǎo)致其流耗增大。這說(shuō)明為了達(dá)到整體系統(tǒng)低功耗的目的，在滿(mǎn)足MSP430工作頻率所對(duì)應(yīng)的最低電壓情況下，可以竟可能的降低工作電壓，從而降低單片機(jī)的電流損耗。很多人可能不在意這一點(diǎn)點(diǎn)的電流損耗，在這里舉個(gè)例子。若MSP430在3.3V的電壓下以1MHz的頻率運(yùn)行，查表得其工作電流約為390uA。但由圖2-3以及圖2-4可知，若無(wú)需對(duì)編程閃存進(jìn)行操作，MSP430在1MHz工作頻率下的工作電壓可以為1.8V至3.6V之間任意數(shù)值。若將電壓從3.3V下調(diào)至2.2V，電流損耗就會(huì)下降到270uA，相比之前3.3V工作電壓下的電流損耗減少了超過(guò)30%，可見(jiàn)這會(huì)對(duì)整體功耗起到多么巨大的影響。圖2-4 MSP430電壓與流耗關(guān)系MSP430的極限性能與最近發(fā)展勢(shì)頭較猛的Cortex-M系列內(nèi)核相比的確遜色一些。然而在低功耗的控制方面，MSP430系列的那片機(jī)為實(shí)現(xiàn)盡可能低的功耗，提供了豐富詳細(xì)的解決方案，其優(yōu)勢(shì)依舊是無(wú)可匹敵的。 在如今的單片機(jī)領(lǐng)域，大家都在朝著32位、高性能、低功耗發(fā)展，原先的16位單片機(jī)變得越發(fā)冷清，但是任何一款單片機(jī)都有其獨(dú)特的生存空間。在微控制應(yīng)用上，有的簡(jiǎn)單指令在16位單片機(jī)上運(yùn)行就只需要一個(gè)指令周期，而放到32位單片機(jī)上，由于引入了流水線處理，在處理短指令時(shí)反而需要兩三個(gè)周期才能實(shí)現(xiàn)，這使得32位單片機(jī)盡管速度更快了，但是有的時(shí)候運(yùn)行效率反而沒(méi)有早前的16位單片機(jī)高。綜合考慮本課題室內(nèi)空氣甲醛檢測(cè)系統(tǒng)的需要，滿(mǎn)足外部數(shù)個(gè)甲醛、其他傳感器的數(shù)據(jù)采集，以及通過(guò)LCD液晶模塊顯示，通過(guò)UART與BLE低功耗藍(lán)牙模塊通信以滿(mǎn)足手機(jī)端的數(shù)據(jù)接收和遠(yuǎn)程控制功能，同時(shí)滿(mǎn)足超低功耗、低成本，以及封裝尺寸小巧，引腳端口數(shù)量夠用，MSP430G2系列單片機(jī)最為滿(mǎn)足本課題的應(yīng)用需求。基于對(duì)系統(tǒng)整體代碼量的預(yù)計(jì)，以及對(duì)端口、引腳數(shù)量需求的規(guī)劃，本系統(tǒng)的核心芯片最終確定為MSP430G2553，其具體參數(shù)見(jiàn)表2-1，封裝圖見(jiàn)圖2-5。圖2-5 G2553芯片封裝表2-1 G2553詳細(xì)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)值Frequency (MHz)16Non-volatile Memory (KB)16RAM (KB)0.5GPIO Pins20UART1ADCADC10 - 8chTimers - 16-bit2Active Power (uA/MHz)330Standby Power (LPM3-uA0.72.4甲醛傳感器原理及選擇上文緒論中例舉了數(shù)種檢測(cè)空氣中甲醛濃度的方法，這些方法各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。采用傳統(tǒng)化學(xué)甲醛檢測(cè)方法的檢測(cè)精度雖然較為準(zhǔn)確，但其檢測(cè)步驟繁瑣，檢測(cè)時(shí)間周期較長(zhǎng)，對(duì)普通用戶(hù)來(lái)說(shuō)使用難度較大。因此市面上大多甲醛檢測(cè)設(shè)備都是使用傳感器檢測(cè)法。而甲醛傳感器又主要分為金屬氧化物傳感器和電化學(xué)傳感器，其中金屬氧化物傳感器受環(huán)境影響較大，而且輸出線形不穩(wěn)定，對(duì)檢測(cè)設(shè)備的環(huán)境保持能力以及信號(hào)處理能力要求較高。而電化學(xué)傳感器對(duì)檢測(cè)環(huán)境沒(méi)有太多要求，無(wú)需環(huán)境保持系統(tǒng)，因而其體積小，方便實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的小型化。因此本課題主要對(duì)甲醛電化學(xué)傳感器進(jìn)行分析以及對(duì)比來(lái)做出選擇。2.4.1 DART甲醛傳感器DART電化學(xué)甲醛模塊是一個(gè)通用型模組，由英國(guó)DART公司生產(chǎn)。其利用電化學(xué)原理對(duì)空氣中存在的CH2O進(jìn)行探測(cè)，此模塊與英國(guó)達(dá)特甲醛傳感器相結(jié)合，具有良好的穩(wěn)定性。此模塊帶有NTC溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。該模塊是將成熟的電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)與精良的電路設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)制造出的通用型氣體模組9。主要應(yīng)用于便攜式儀表、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備、空氣凈化機(jī)、新風(fēng)換氣系統(tǒng)、空調(diào)、智能家居設(shè)備等場(chǎng)所，傳感器實(shí)物圖與尺寸圖如圖2-6，2-7所示。圖2-6 DART傳感器實(shí)物圖圖2-7 DART傳感器外形尺寸DART傳感器是一種兩電極的電化學(xué)傳感器，通過(guò)擴(kuò)散原理實(shí)現(xiàn)，因此外部不需要采樣器件。當(dāng)空氣中含有甲醛氣體時(shí)，甲醛會(huì)從傳感器表面的通透膜擴(kuò)散到內(nèi)部，并與浸泡在電解液中，具有催化性能的電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)。反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的微弱電流由傳感器的兩個(gè)電極輸出，電流強(qiáng)度大小與甲醛濃度成正比。具體的反應(yīng)過(guò)程為16：感應(yīng)電極反應(yīng)式： （2-1）計(jì)數(shù)電極反應(yīng)式： （2-2）總反應(yīng)式： （2-3）因此DART甲醛傳感器本生是一個(gè)無(wú)源器件，其傳感器特性如表2-2所示。由于DART傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，因此需要使用高放大倍數(shù)的運(yùn)放來(lái)將信號(hào)放大，放大電路的設(shè)計(jì)以及相關(guān)器件的選擇就變得非常關(guān)鍵。甲醛數(shù)值校準(zhǔn)需通過(guò)調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)，以及對(duì)軟件的公式和參數(shù)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器的輸出電流在其量程內(nèi)近似線性，因此傳感器的輸出電流大小可有下列公式計(jì)算得出： （2-4）表2-2 DART甲醛傳感器參數(shù)參數(shù)典型值輸出電流（nA）250300分辨率0.01ppm基線漂移0.03溫度漂移0.35溫度范圍（）-1040濕度范圍（%RH）1590壽命（年）3有此可見(jiàn)，DART甲醛傳感器是一種最基本的甲醛檢測(cè)傳感器，其輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)電流強(qiáng)度與甲醛濃度成正比。但由于DART甲醛傳感器是沒(méi)有經(jīng)過(guò)具體數(shù)值標(biāo)定的，因此若使用該種傳感器，不僅對(duì)室內(nèi)空氣甲醛檢測(cè)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的難度，還會(huì)給后期進(jìn)行傳感器的測(cè)量值與真實(shí)值之間的匹配標(biāo)定帶來(lái)非常大的工作量。2.4.2 ZE0-CH2O甲醛傳感器ZE0-CH2O甲醛傳感器，是一種小型化的電化學(xué)傳感器。其通過(guò)電化學(xué)模塊中電極上的反應(yīng)物與甲醛進(jìn)行氧化還原反應(yīng)是生成的微弱電流進(jìn)行放大兵數(shù)字化，同時(shí)傳感器內(nèi)部集成了溫度傳感器，能在測(cè)量甲醛濃度的同時(shí)獲取周?chē)h(huán)境的溫度信息，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)算法，對(duì)甲醛濃度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使得該型傳感器所輸出的甲醛濃度檢測(cè)值十分的穩(wěn)定19，傳感器實(shí)物及尺寸圖如圖2-8, 2-9所示。圖2-8 ZE0-CH2O傳感器實(shí)物圖2-9 ZE0-CH2O傳感器尺寸圖ZE0-CH2O型甲醛傳感器的檢測(cè)值輸出方式有多種，分為數(shù)字輸出和模擬輸出兩大類(lèi)，方便各類(lèi)型的單片機(jī)所使用。由于ZE0-CH2O型傳感器內(nèi)置了信號(hào)放大以及ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，其對(duì)使用時(shí)的周?chē)娐吩O(shè)計(jì)要求并不高。當(dāng)然，ZE0-CH2O型甲醛傳感器依然保留了經(jīng)過(guò)信號(hào)放大之后的模擬數(shù)值輸出功能。ZE0-CH2O型甲醛傳感器的詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)如表2-3所示。表2-3 ZE0-CH2O型傳感器技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)品型號(hào)ZE08-CH2O檢測(cè)氣體甲醛干擾氣體酒精，一氧化碳等輸出數(shù)據(jù)DAC(0.42V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào))UART輸出（3V電平）工作電壓3.7V9V（帶電壓反接保護(hù)）預(yù)熱時(shí)間3分鐘響應(yīng)時(shí)間60秒恢復(fù)時(shí)間60秒量程05 ppm分辨率0.01ppm工作溫度050工作濕度15%RH-90RH（無(wú)凝結(jié)）使用壽命2年（空氣中）由上表可見(jiàn)，ZE0-CH2O型甲醛傳感器是一種高度集成的混合信號(hào)輸出傳感器。該型傳感器基板上不光集成了信號(hào)放大電路，還集成了ADC模塊、溫度檢測(cè)模塊，并且經(jīng)由微型處理器對(duì)甲醛濃度檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)值到真實(shí)值的換算，從而免去了用戶(hù)對(duì)其標(biāo)定的步驟，大大降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度，其數(shù)字輸出方式為經(jīng)過(guò)UART通用異步收發(fā)傳輸器與單片機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ZE0-CH2O型甲醛傳感器具有對(duì)甲醛氣體較好的化學(xué)選擇性，表2-4為ZE0-CH2O型甲醛傳感器對(duì)各類(lèi)氣體的交叉干擾特性。表2-4 ZE0-CH2O型傳感器的氣體交叉干擾特性氣體濃度輸出濃度氨氣50ppm0ppm苯100ppm0.1ppm氯氣10ppm0.1ppm一氯甲烷5ppm0.1ppm丙酮100ppm0.2ppm環(huán)氧乙烷10ppm0.5ppm二氧化硫20ppm0.8ppm硫化氫100ppm3.7ppm氫氣500ppm5.5ppm乙醇131ppm5ppm甲醇42ppm5ppm甲醛5ppm5ppm根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)目標(biāo)，ZE0-CH2O型電化學(xué)傳感器從測(cè)量精確度、零點(diǎn)漂移率、交叉干擾特性、經(jīng)濟(jì)等方面更適合于本課題所采用。2.5本章小結(jié)本章節(jié)主要對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行了詳細(xì)分析，并基于系統(tǒng)的實(shí)際需求對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)室內(nèi)空氣甲醛濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心單片機(jī)以及甲醛電化學(xué)傳感器進(jìn)行充分的分析比較并最終確定選型。具體來(lái)說(shuō)，本章先通過(guò)分別比較各大家族的單片機(jī)的個(gè)自特點(diǎn)，例如性能、片上外設(shè)種類(lèi)、功耗等方面，確定了MSP430系列單片機(jī)最為適合本課題室內(nèi)空氣甲醛檢測(cè)系統(tǒng)的需要，然后根據(jù)足夠系統(tǒng)外設(shè)的需要以及對(duì)封裝尺寸盡量小的需求，并滿(mǎn)足片內(nèi)程序閃存空間、運(yùn)存空間足夠的前提條件，MSP430G2553單片機(jī)最終確定為本課題所采用。在甲醛傳感器的選擇上，根據(jù)本課題對(duì)檢測(cè)精度、量程，以及穩(wěn)定度方面的考量，對(duì)多種甲醛傳感器的工作原理、性能參數(shù)等方面作了詳細(xì)的分析與比較，最終經(jīng)過(guò)綜合考量，本課題確定采用ZE0-CH2O型電化學(xué)傳感器作為本系統(tǒng)的甲醛傳感器。第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制作硬件系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)主要是對(duì)室內(nèi)空氣甲醛濃度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)以及對(duì)每個(gè)硬件功能模塊的電路設(shè)計(jì)，具體包含了電源設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)等。本章將對(duì)系統(tǒng)的電源等每一個(gè)模組的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。硬件系統(tǒng)的工作主要流程是：甲醛傳感器檢測(cè)當(dāng)前室內(nèi)空氣甲醛氣體濃度，以模擬電壓的形式輸出至單片機(jī)內(nèi)置的ADC進(jìn)行采樣保持并且量化為數(shù)字值。與此同時(shí)，由溫度濕度檢測(cè)模塊將周?chē)h(huán)境的溫濕度值，以全雙工的單總線通訊形式，將檢測(cè)出的溫度以及濕度的數(shù)字量回傳至單片機(jī)的I/O引腳。單片機(jī)將得到的甲醛濃度、溫度、濕度值進(jìn)行軟件濾波，去除測(cè)量數(shù)據(jù)中的毛刺信號(hào)之后，將檢測(cè)值顯示在LCD液晶屏上不斷更新，同時(shí)將數(shù)值通過(guò)低功耗BLE藍(lán)牙模塊上傳至手機(jī)應(yīng)用程序中。當(dāng)室內(nèi)空氣中甲醛濃度值超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即超過(guò)0.08毫克每立方米時(shí)，以閃爍紅色LED指示燈進(jìn)行報(bào)警。因此整體硬件系統(tǒng)主要分為：甲醛傳感器模塊、溫度濕度傳感器模塊、單片機(jī)控制部分、LCD顯示部分、藍(lán)牙BLE通信模塊、電源模塊，以及按鍵復(fù)位電路部分。硬件系統(tǒng)的完整綜合原理圖可參考附錄。下面本章將對(duì)以上各模塊及其外部電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。3.1 MSP430G2553單片機(jī)3.1.1 MSP430G2系列單片機(jī)簡(jiǎn)介室內(nèi)空氣甲醛檢測(cè)系統(tǒng)的控制核心，采用了德州儀器的MSP430G2553單片機(jī)芯片。這一系列的單片機(jī)是超低功耗的混合信號(hào)微控制器，片上集成了兩個(gè)16位定時(shí)器、20個(gè)支持觸摸檢測(cè)的I/O引腳、一個(gè)10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及一個(gè)強(qiáng)大的16位采用精簡(jiǎn)指令集的CPU。為實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)景應(yīng)用下的極低功耗，MSP430G2553提供了多達(dá)5種的節(jié)能模式，并能在不到1us的時(shí)間內(nèi)快速地從待機(jī)模式中喚醒20。雖然MSP430G2553在整個(gè)系列里屬于較低的配置型號(hào)，但豐富的時(shí)鐘源依舊提供VLOCLK（12KHz）內(nèi)部超低功耗低頻振蕩器、DCO內(nèi)部數(shù)字控制振蕩器，以及一個(gè)外部的低頻晶振LFXT1CLK。這三種時(shí)鐘源可通過(guò)寄存器，獨(dú)立設(shè)定、分頻為主時(shí)鐘MCLK、子系統(tǒng)時(shí)鐘SMCLK，以及輔助時(shí)鐘ACLK的來(lái)源21，結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1 MSP430G2553時(shí)鐘結(jié)構(gòu)其中MCLK為主時(shí)鐘，可通過(guò)調(diào)整寄存器來(lái)選擇VLOCLK、LFXT1CLK、 DCOCLK三者之一，經(jīng)過(guò)分頻后得到，且MCLK是CPU工作時(shí)鐘的唯一來(lái)源，也可配置為其他片上外設(shè)的時(shí)鐘源。上電默認(rèn)選擇DCOCLK為其時(shí)鐘源。SMCLK為子系統(tǒng)時(shí)鐘，也可通過(guò)配置相應(yīng)寄存器來(lái)選擇VLOCLK、LFXT1CLK、DCOCLK三者之一經(jīng)過(guò)分頻作為其時(shí)鐘源，一般用作高速外設(shè)的時(shí)鐘來(lái)源，可通過(guò)引腳輸出到其他外設(shè)上進(jìn)行時(shí)鐘同步，上電默認(rèn)選擇DCOCLK為其時(shí)鐘源。ACLK為輔助時(shí)鐘，可通過(guò)配置寄存器來(lái)從VLOCLK、LFXT1CLK兩者之一經(jīng)過(guò)分頻作為其時(shí)鐘源，一般用于低速外設(shè)的時(shí)鐘，可通過(guò)相應(yīng)的引腳輸出至片外的模塊進(jìn)行時(shí)鐘同步，上電后默認(rèn)選擇VLOCLK作為其默認(rèn)時(shí)鐘源，當(dāng)芯片的XIN和XOUT外接了低速晶振后，ACLK會(huì)選擇LFXT1CLK作為其時(shí)鐘源。相比絕大多數(shù)其他家族的單片機(jī)而言，MSP430的時(shí)鐘模塊顯得有點(diǎn)復(fù)雜。但正是因?yàn)槠鋾r(shí)鐘源如此豐富，使得各種應(yīng)用能按照自己的需要使用不同的時(shí)鐘源，從而達(dá)到低功耗的目的。具備了如此豐富的時(shí)鐘源可供選擇，MSP430G2553的多達(dá)5種的低功耗模式就能游刃有余地控制使用不同時(shí)鐘源的片上、片外模塊的開(kāi)啟與關(guān)閉，進(jìn)入與退出低功耗模式都可以在程序中進(jìn)行設(shè)定。其LPM低功耗的操作模式如表3-1所示。MSP430G2553單片機(jī)片上還集成了一個(gè)8個(gè)外部通道，10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC模塊的運(yùn)行可獨(dú)立于CPU，全程自動(dòng)進(jìn)行采樣、保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換，甚至將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入內(nèi)存，無(wú)需CPU進(jìn)行干預(yù)，這再一次地體現(xiàn)了MSP430混合信號(hào)微控制器的低功耗設(shè)計(jì)理念。表3-1 MSP430G2553低功耗模式運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)狀態(tài)激活模式(AM)所有時(shí)鐘處于激活狀態(tài)低功耗模式0 (LPM0)CPU 被禁用ACLK 和SMCLK 仍然有效，MCLK 被禁用低功耗模式1 (LPM1)CPU 被禁用ACLK 和SMCLK 仍然有效，MCLK 被禁用如果DCO 不是在激活模式下被使用，則DCO 的DC生成器被禁用低功耗模式2 (LPM2)CPU 被禁用MCLK 和SMCLK 被禁用DCO 的DC生成器保持啟用ACLK 保持激活低功耗模式3 (LPM3)CPU 被禁用MCLK 和SMCLK 被禁用DCO 的DC生成器被禁用ACLK 保持激活低功耗模式4 (LPM4)CPU 被禁用ACLK 被禁用MCLK 和SMCLK 被禁用DCO 的DC生成器被禁用晶體振蕩器被停止片上的ADC10可從ADC10OSC獨(dú)立的內(nèi)部晶振時(shí)鐘（最高達(dá)5MHz）、MCLK、SMCLK、以及ACLK中選擇一個(gè)作為其時(shí)鐘源。ADC10模塊的參考電壓源可通過(guò)配置寄存器，選擇內(nèi)部1.5V或2.5V的參考源，以及單片機(jī)外部的VCC、VDD等參考源。理論上電壓參考源不能高于單片機(jī)工作電壓3.3V，對(duì)于本課題的甲醛檢測(cè)模組輸出的模擬電壓信號(hào)而言完全合適，為保證電壓參考源穩(wěn)定，盡可能使用內(nèi)部參考源。MSP430G2553單片機(jī)的ADC10工作模式一共有四種，分別為單通道單次采樣、序列通道采樣、單通道重復(fù)采樣，以及序列通道重復(fù)采樣，不同的ADC工作模式可滿(mǎn)足不同應(yīng)用的需求。例如本課題的室內(nèi)空氣甲醛檢測(cè)，空氣中甲醛濃度變化速度相對(duì)較為緩慢，為達(dá)到檢測(cè)系統(tǒng)低功耗的目的，無(wú)需讓ADC持續(xù)轉(zhuǎn)換工作。又因?yàn)橹挥幸粋€(gè)傳感器模擬電壓信號(hào)需要采樣量化，因此本系統(tǒng)適合采用單通道單次采樣模式。除此之外，MSP430G2553還包含了兩個(gè)16位定時(shí)器，兩個(gè)寄存器功能基本相同。定時(shí)器的功能十分多，除了最基本的定時(shí)計(jì)數(shù)功能之外，還能作為比較器、PWM波形生成等功能。本課題甲醛檢測(cè)系統(tǒng)主要使用到定時(shí)器的定時(shí)功能，因此將著重介紹定時(shí)器的詳細(xì)工作原理。通過(guò)配置相應(yīng)的寄存器，能選擇計(jì)時(shí)器的工作模式、定時(shí)中斷等。定時(shí)器大致分為四個(gè)模塊，計(jì)數(shù)器、比較/捕獲寄存器0、比較/捕獲寄存器1，以及比較/捕獲寄存器2，其中計(jì)數(shù)器為整個(gè)定時(shí)器的核心。16位計(jì)數(shù)器具有四種不同的工作模式，分別為停止、增計(jì)數(shù)、減計(jì)數(shù)，以及連續(xù)計(jì)數(shù)模式。每當(dāng)計(jì)數(shù)器中的數(shù)值達(dá)到比較/捕獲寄存器中的數(shù)值時(shí)便會(huì)觸發(fā)一次計(jì)數(shù)中斷，當(dāng)16位計(jì)數(shù)器溢出時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溢出中斷。因此可以通過(guò)配置三個(gè)比較/捕獲寄存器的值，以及選擇相應(yīng)的計(jì)時(shí)器時(shí)鐘源，就可以精確地產(chǎn)生定時(shí)中斷。3.1.2 MSP430G2553 單片機(jī)的最小系統(tǒng)MSP430G2553 單片機(jī)的最小系統(tǒng)是本課題室內(nèi)空氣甲醛濃度檢測(cè)系統(tǒng)的核心部分。甲醛檢測(cè)模塊的模擬電壓輸入并行模數(shù)轉(zhuǎn)換、周?chē)h(huán)境的溫度濕度檢測(cè)模塊輸入的檢測(cè)值、甲醛濃度的計(jì)算以及軟件濾波、LCD界面以及檢測(cè)數(shù)值的顯示、通過(guò)BLE藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳等功能都是通過(guò)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。（1）系統(tǒng)時(shí)鐘MSP430G2553單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘為MCLK，可由DCO內(nèi)部數(shù)字控制振蕩器、VLOCLK內(nèi)部超低功耗低頻振蕩器，以及外部的低頻晶振LFXT1CLK作為時(shí)鐘源。在運(yùn)行時(shí)可根據(jù)需要，對(duì)時(shí)鐘源進(jìn)行切換。通過(guò)配置相關(guān)寄存器，對(duì)時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)整。這樣一來(lái)即可滿(mǎn)足系統(tǒng)在高運(yùn)算負(fù)載的情況下保持高速運(yùn)行，也能保持在低運(yùn)算負(fù)載的狀態(tài)下的低功耗。MSP430G2553的CPU時(shí)鐘MCLK，在當(dāng)單片機(jī)掉電復(fù)位之后，默認(rèn)選擇DCO內(nèi)部數(shù)字控制振蕩器作為時(shí)鐘源，時(shí)鐘頻率默認(rèn)1MHz。DCO可根據(jù)相應(yīng)寄存器的配置，將頻率設(shè)定在0.6至16MHz之間。芯片內(nèi)部ROM預(yù)存取了1MHz、2MHz、8MHz以及16MHz頻率的DCO寄存器配置信息，方便用戶(hù)簡(jiǎn)單對(duì)DCO頻率進(jìn)行調(diào)整。本系統(tǒng)單片機(jī)的CPU時(shí)鐘源選擇為DCO內(nèi)部數(shù)字控制振蕩器，且頻率設(shè)定為1MHz，這樣一來(lái)即滿(mǎn)足了較低的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，也同時(shí)是的整體的功耗得以降低。同時(shí)保證系統(tǒng)整體的低功耗且工作穩(wěn)定，且具有較強(qiáng)的抗干擾性，難以因外部干擾造成頻率偏移。參考LPM低功耗模式的詳細(xì)資料可見(jiàn)，DCO作為CPU的時(shí)鐘源方便系統(tǒng)在空閑時(shí)同時(shí)關(guān)閉DCO內(nèi)部數(shù)字控制振蕩器與CPU核心，且工作在1MHz頻率下的DCO，從睡眠狀態(tài)中喚醒的時(shí)間非常短暫，盡可能地達(dá)到低功耗的目的?？紤]到室內(nèi)空氣甲醛濃度檢測(cè)系統(tǒng)還需要使用到MSP430G2553單片機(jī)上的ADC轉(zhuǎn)換電路、UART通用異步收發(fā)傳輸器，以及Timer_A定時(shí)器，這些同集成在一塊芯片上，卻獨(dú)立工作于CPU之外的模塊，給這些對(duì)時(shí)鐘頻率要求不高的模組選用合適的時(shí)鐘源是十分重要的。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃，ADC轉(zhuǎn)換電路需要每1秒內(nèi)采樣32次數(shù)據(jù)并做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理即可，UART通用異步收發(fā)傳輸器工作在9600Bps的低速率下與BLE藍(lán)牙模塊之間全雙工通信，Timer_A定時(shí)器工作在連續(xù)增計(jì)數(shù)模式下，實(shí)現(xiàn)每1秒、2秒便觸發(fā)一次定時(shí)中斷，因此為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，在ADC采樣量化、UART雙向通訊、Timer定時(shí)器工