甲醛测量设计系统毕业论文.doc

第二章 甲醛测试仪介绍
甲醛测量设计系统
摘 要
本文研究设计了一种用于公共场所及室内具有检测及超限报警功能的甲醛智能测试仪。其设计方案基于89C51单片机，选择瑞士蒙巴波公司的CH20/S-10甲醛传感器。系统将传感器输出的4~20mA的标准信号通过I/V变换电路和以AD574A为核心的A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，最后由LED显示甲醛浓度值。文中详细介绍了数据采集子系统、数据处理过程以及数据显示子系统和报警电路的设计方法和过程。系统对于采样地点超出规定的甲醛容许浓度时分别用发光二极管以及蜂鸣器报警提醒监测人员。同时，操作人员对于具体报警点的上限值可以通过简单的键盘操作进行设置。
另外，该系统对浓度信号进行了信号补偿等处理，减少了测量误差，因此，具有较高的测量精度，而且结构简单，性能优良。

关键词：单片机 甲醛监测 数据采集处理系统 硬件电路 软件设计

Design and Systems for Formaldehyde Measure
ABSTRACT
A design is given of the formaldehyde measure with the ability of alarming the formaldehyde concentration beyond the limit. The design is based on 89C51 single chip microcomputer and choose formaldehyde sensor CH20/S-10 from MEMBRAPOR. First the standard output signal 4~20mA of formaldehyde sensor is regulated by I/V conversion and A./D conversion which is cored of AD574A, then 89C51 single chip microcomputer complete data processing ,and finally the result will be output by LED. There are detailed descriptions for the methods and designs of data acquisition and processing system, data processing, data displaying system and alarming system. As if the concentration is beyond the limit, it will alarm by LBD and buzzer to remind the manipulator. Meanwhile, the manipulator can set the upper limit point by simply keyboard operation.
In addition, the concentration signal is compensated to decrease measuring errors. Therefore, the result takes on upper precision, and simple structure, choiceness performance.

Keywords: Single chip microcomputer Monitoring of formaldehyde Data acquisition and processing system Hardware-circuit Software-design

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目录
第一章 绪论 1
1.1 甲醛气体介绍及其危害性分析 1
1.2 甲醛气体限量标准及常用检测方法 2
1.3 小结 5
第二章 甲醛测试仪介绍 7
2.1 工作原理及系统结构设计 7
2.1 软件设计思路 8
2.3 小结 9
第三章 数据采集系统设计 11
3.1 甲醛传感器介绍及其信号特性分析 11
3.2 数据采集系统设计 12
3.3 小结 22
第四章 LED显示子系统及报警电路设计 23
4.1 单片机89c51简介 23
4.2 单片机键盘及LED显示简介 26
4.3 显示子系统设计 31
4.4 报警电路设计 33
4.5 小结 34
结束语 35
参考文献 39
附录A 系统设计程序 41
附录 B 系统设计电路图 45

第一章 绪论 5
第一章 绪论
1.1 甲醛气体介绍及其危害性分析
甲醛，又名蚁醛；化学式CH20，分子质量30.03；常温下是一种无色、具有强烈刺激性的气体，熔点-920C，沸点-19.510C，相对密度0.815；易溶于水和乙醇等多种有机溶剂，水溶液浓度最高可达55%[23]，其30% ～ 40%的溶液称之为福尔马林。甲醛是重要的基本有机化工原料，被广泛应用于纺织染料、食品包装材料、塑料、皮革、涂料（容器内壁涂料、内墙涂料）、油漆、与合成材料（合成树脂、人造纤维、人造板）工业。
虽然甲醛用途广泛，但它对人的生存环境和人体健康危害较大。甲醛是一种具有较高毒性的破坏生物细胞蛋白质的原生质毒物，能与蛋白质的氨基结合，使蛋白质变性凝固，扰乱细胞代谢。同时甲醛也是一种刺激物和诱变剂，已经被世界卫生组织确定为致癌和致畸物质，是公认的变态反应源，也是潜在的强致突变物之一。长期接触低剂量的甲醛可引起基因突变，DNA单链内交联和DNA与蛋白质交联及抑制DNA损伤的修复，导致鼻咽癌、结肠癌、脑瘤。此外，甲醛主要对人的中枢神经系统、呼吸系统、消化系统和内分泌系统造成损害。临床症状表现为刺激眼睛流泪，粘膜水肿，头痛、咳嗽胸闷、气喘，甚至导致肺水肿、肺炎；恶心呕吐、全身无力、心悸失眠、丧失食欲，甚至导致死亡；引起新生儿染色体异常，导致畸形、白血病、精神抑郁症；引起青少年记忆力和智力下降；女性月经失调和紊乱、妊娠综合症；也可引起过敏性接触皮炎和呼吸器官黏膜的刺激症状与内分泌功能紊乱、肺功能异常、肝功能异常和免疫功能异常等[9]。2004年6月世界卫生组织的国际癌症研究中心发表的报告称，高浓度的甲醛能导致耳、鼻和喉癌，同时还提到也可能导致白血病。美国国家癌症研究所的一项调查也表明，在高甲醛含量环境中工作的工人比在低甲醛含量环境中工作的工人患白血病的可能性大2.5倍[23]。故世界各国规定食品中禁止加入甲醛，以及对新装修的居室、办公室释放的甲醛气体不应超出国家标准。室内空气中的甲醛，主要来源于用甲醛合成的各种装饰材料、人造板及人造板制品等在日常生活中的缓慢释放。有关资料表明，甲醛释放期长达13年之久，而人的一生有将近三分之一的时间呆在室内。因而研究甲醛含量的快速测定方法，对保证居民安全和降低甲醛对环境的污染具有重要意义。国外在甲醛的分析检测方面做了大量的研究工作，并已成功地开发出了各种商品化的吸收剂，建立了很多检测方法。目前我国也开始加强了这方面的研究。
表1.1 室内不同浓度的甲醛对人体的影响[11]
甲醛浓度（mg/m3）
症状
0.00 ～ 0.588
头痛，眼、呼吸道刺激
0.036 ～ 2.124
对居民区有影响
0.05
脑电图改变
0.06
眼睛刺激
0.06 ～ 0.12
眼、鼻、咽有刺激
0.06 ～ 0.22
嗅觉刺激阈
0.06 ～ 1.8
30% ～ 50%人群有不适感觉
0.06 ～ 1.92
健康成人刺激阈
0.12
上呼吸道刺激阈
0.15
慢性呼吸病增加，肺功能下降
1.0
组织损伤
6.0
肺部刺激
60
肺水肿
120
致死
从表中不难看出，在不同场合对于甲醛气体的浓度限量值不尽相同，因此在设计相应的甲醛检测仪的时候，如果能够针对不同的场合能够让检测人员相应设置不同的限制浓度点进行报警提示，将具有更为现实的意义。本毕业设计针对这一点实现了通过相应的键盘操作来设置不同的报警点浓度阈值，具体方案参看第四章键盘设计的内容。
1.2 甲醛气体限量标准及常用检测方法
我国有关空气中甲醛的卫生标准如下：居民区大气中甲醛最高容许浓度为0.05mg/m3(TJ36- -79)；居室内空气中甲醛最高容许浓度为0.08mg/m3(GB/16127- -1995)；公共场所甲醛最高容许浓度0.12mg/m3(GB9663-9667- -1996)；车间空气中有害物质最高容许浓度为3mg/m3(TJ36--79) [23]。关于各类不同的场所空气中甲醛浓度的限量标准具体见表1.2。
表1.2 我国各类场所甲醛气体浓度限量[7]
No
适用场所
标准依据
限量值mg/m3
备注
1
民用建筑工程室内环境污染物浓度限量
GB50325- 2001表6.0.4
I类0.08
I类0.12
供验收用
2
室内空气质量标 准2
GB/T18883-2002表1
≤0.1
小时平均
3
空气中甲醛的卫生标准居室
GB/T16127-1995

≤0.08
最高容许浓度
4
公共场所卫生标 准
GB9663～9673-1996
≤0.12

5
室内空气质量卫 生规范
卫法监发(2001)255号
≤(0.08一0.12
小时平均
6
饭馆(餐厅)卫生标 准
GB16153－1996
≤0.12

7
人防工程平时使用环境卫生标 准
GB/T17216－1998
≤0.12

8
工作场所有害因素职业接触限值
GBZ.2－2002
0．5
最高容许浓度
甲醛测定的测定方法主要有分光光度法、色谱法、电化学法、化学滴定法等，此处仅就其中的一些主要方法介绍如下：
1、分光光度法
分光光度法测定的主要方法有乙酰丙酮法、铬变酸法、MBTH 法、付品红法、AHMT 法等几种。以乙酰丙酮法为例，其原理是利用甲醛与乙酰丙酮及氨生成黄色化合物二乙酰基二氢卢剔啶后，412nm下进行分光光度测定。分光光度法基本上是利用甲醛与一定的化学反应剂进行化学反应后对生成产物通过物理方法比色定量得知甲醛的浓度值大小。这一类方法性能稳定，误差较小；但也都存在着操作不便，反应灵敏度不高，或者易受干扰等缺点。
2、色谱法
色谱法主要有气相色谱、高效液相色谱法、离子色谱法等，直接利用色谱法较少，一般是和其它分析仪器相连用，如GC-MS、HPLC-UV 等。比如高效液相色谱法就是甲醛与2，4-二硝基苯肼(DNPH)反应生成腙，衍生化产物醛腙用有机溶剂萃取富集后，在一定温度下蒸发、浓缩，再以甲醇或乙腈溶解或稀释，最后进行色谱测定。这一类方法灵敏度高，对低分子量醛的分离非常有效，但仪器设备要求很高，测定范围较窄而且分析时间会因干扰物的存在而延长。
3、电化学法
电化学法包括示波极谱法、吸附伏安法和哥腊衍生试剂法、荧光法、化学发光法(CL 法)。
4、化学滴定法
化学滴定法主要包括电位滴定法、碘量法及酸碱滴定法。
除此以外，还有间苯三酚法、离子色谱法、红外光谱法、薄层色谱-OSLC (over pressured layer chromatography)等其它分析方法。
由于各种分析方法的灵敏度，准确度不同，在使用不同的方法测定甲醛含量，需要考虑样品特点和分析要求以及仪器设备。
国家现已经颁发的几种测量甲醛的有效方法见表1.3
表1.3 甲醛测量方法[7]
NO
标准方法编号
方法名称
适用范围
特性说明
1
GB/T18204.26-2000
公共场所中甲醛测定—酚试剂分光光度法
0.01～0.15 mg/m3
检出下限0.056µg；回收率（93～101）%；重复测定变异系数（5～3）%；波长630nm
2
GB/T18204.26-2000
气相色谱法

检出下限0.2µg/ml
3
GB/T15516-1995
空气质量甲醛的测定-乙酰丙酮分光光度法
0.5～800 mg/m3
重复性相对标准偏差1.2%；回收率＞95%；波长413nm
4
GB/T16129-1995
居住区大气中甲醛卫生检验标准方法分光光度法（AHMT）
0.01～0.16 mg/m3
检出下限0.13µg；重复测定变异系数3.3%；回收率（93～99） %；波长550nm
5
GB/T16057-1995
车间空气中甲醛的酚试剂（MBTH）分光光度法

检出限0.04 mg/2.6ml；变异系数（1.4～7.8）%；波长645nm
6
WS/T150-1999
作业场所空气中甲醛的示波极谱测定方法

对以上所介绍的这一些甲醛检测的方法经过总结比较后不难看出，甲醛的检测关键取决于所采用的甲醛传感方式，这些方法也基本是根据所采用的甲醛测试剂的不同而分的类。在本毕业设计中，直接采用了一个瑞士MEMBRAPOR（蒙巴波）公司的电化学气体传感器CH20/S-10的参数进行传感器电路的设计，从而可以利用该传感器的良好工作特性避开了对于原始信号的采集和调理过程，提高了系统的效率，简化了电路。
另外，气体分析测试仪的指示值往往以ppm（10-6）表示，而国家标准的限值是以mg/m3表示，因此需要了解如何将ppm换算成mg/m3。首先分别解释这两个单位的含义，空气污染物浓度指标的表示单位mg/m3是归一在标准状态下（101.3kPa，273.15K）的气体体积。ppm 是英文parts per million的缩写形式，即为百万分之一单位，同理，常用到的ppb就是parts per billion，即为十亿分之一单位。ppm和mg/m3之间的简便换算方法可以采用以下公式计算：
mg/m3=（M/B）*10-6 （1-1）
式子当中，B为标准状态下气体的摩尔体积：22.4 L/mol；M为气体摩尔质量：甲醛为30.03g/mol[7]。因此对于甲醛气体来说，mg/m3 =1.34*10-6，举例而言，0.12 mg/m3相当于0.0896ppm。

1.3 小结
甲醛气体是一种具有较高毒性的破坏生物细胞蛋白质的原生质毒物，通过对该气体的危害性分析，同时参照国家在不同场合对于甲醛浓度值限量标准和目前甲醛气体的多种检测方法，可以设计出更为实用和具备现实意义的甲醛检测仪。另外，对于气体单位的使用在不同场合有所区别也要格外注意。

第二章 甲醛测试仪介绍 9
第二章 甲醛测试仪介绍
2.1 工作原理及系统结构设计
本毕业设计基于89C51设计的甲醛快速测试仪，是针对我国公共场所和市内空气质量标准，采用经济实用方案，实现了监测、报警功能，解决了甲醛监测仪器成本高无法普及的问题。本测试仪主要用于公众场所（例如室内）空气中甲醛含量的实时监测，可以给出分类的超限报警，也可以用于工厂相关车间的实时监测，直接显示场所空气中甲醛含量，并能帮助工程技术人员分析与观测产品的挥发物情况。
系统主要功能介绍如下： 1、参数设置：可设置系统报警的上限值等初始参数。2、采集和存储：准确、可靠地采集周围空气并测定其中的甲醛含量，将其转换成与日常使用的十进制单位浓度值，且能自动将处理后的结果数据进行存储备用。3、显示数据：数码管阵列实时显示采集数据，输出信号类型为数据型，数据信号与显示信号一致。4、超限报警：LED和蜂鸣器对甲醛含量超限反应灵敏，及时进行超限报警。
甲醛
传感
器
信号
调理
电路
A/D 转换
电路

89C51
单片机
显 示 电 路
报 警 电 路
参 数 设 置
外 部 扩 展
数据存储器

图2.1 甲醛测试仪工作原理框图
系统设计是以Intel公司的89C51单片机为核心组成的一个具备甲醛数据采集、结果显示、报警输出、对象控制等多项功能的智能系统。系统硬件构成如图2.1所示。本设计采用的瑞士MEMBRAPOR（蒙巴波）公司的甲醛传感器CH20/S-10对测量采样地点的空气进行空气样品采集，结果以电流信号形式输出之后经由信号调理电路进行I/V变化以及A/D转换电路进行处理后将结果送至单片机，单片机对输入信号进行分析处理，将该电信号所对应的甲醛浓度通过事先设定的转换函数计算以及进制转换得到并通过数码管显示，当浓度值超限则启动报警电路。数据处理中还包含了数据存储的过程，对于报警上限值的设置以及信号补偿可以通过参数设置电路实现。
2.1 软件设计思路
主程序流程图如图2.2所示。系统上电复位后，首先对单片机、外围芯片进行初始化，然后开中断，进行A/D转换。当ADC工作于自由转换模式时，ADC不断地采样、更新数据。本设计采用单次转化模式，通过程序判断STS电平变化得知ADC状态。每次转换结束后进行相应的操作后再开启下一次的转换。转换结束则进行相应的数据处理和数据存储，将得到的甲醛浓度数据值显示在数码管阵列中。然后判断是否超限，没有超限则进行下一次的ADC转换，否则进行启动超限报警电路。操作人员根据需要采取相应的措施。
其中中断是用于键盘操作的中断，如果操作者需要对于甲醛浓度报警点的阈值进行修改或者输入对于甲醛浓度信号的软件补偿信号，则只需在键盘上进行操作，产生中断；对于系统的ADC过程，本毕业设计采用了程序查询方式控制，一旦发现AD转换结束，则立即将数据进行运算处理，通过相应的算法得出该数据值（电压值大小）所对应的甲醛浓度值，将该结果进行进制转换然后马上存储至片外扩展的RAM6264，并将十进制的甲醛浓度值通过8个LED数码管进行显示，当该浓度值超出预先所设置的甲醛浓度报警阈值时，则立即通过一个独立的发光二极管和蜂鸣器进行报警提示。
初 始 化
数据存储至RAM并处理显示
启动A/D转换
关 中 断
开 中 断
超限否？

超限报警
N
Y
ADC结束否？
Y
N
开 始

图2.2 系统软件流程

2.3 小结
通过对所要设计的甲醛检测仪的系统结构和软件流程进行初步规划，确定了需要进行设计的子系统和任务，完善的系统规划和软件思路为后续的详细子系统设计提供了参考模型，从而使得后续设计顺利展开。从系统的初步规划和设计思路可以确定数据采集和显示系统是整个设计的重点和关键。
21
第三章 数据采集系统设计
第三章 数据采集系统设计
3.1 甲醛传感器介绍及其信号特性分析
在目前已有的各类气体检测仪器中，电化学传感器占有越来越重要的地位。相对其它的传感器而言，电化学式传感器既能满足一般检测中对灵敏度和准确性的需要，又具有体积小、操作简单、携带方便、监测快速，适合现场监测且价格低廉等优点。这种气体传感器实质上是一个电化学气体检测器，被采样空气的气体分子被吸收到电化学敏感电极，经过扩散介质后，在适当的敏感电极电位下气体分子发生电化学反应，这一反应产生一个与气体浓度成正比的电流，再将这电流换为电压值，并送给仪表读数或记录仪记录。本设计选用了瑞士MEMBRAPOR（蒙巴波）公司的电化学气体传感器CH20/S-10。其主要特点表现在以下几个方面：1、变送器工作时需要12 ~ 36VDC供电；2、输出线性的4~20mA电流信号；3、测量范围为0~10ppm；4、最大精度为0.05ppm；5、工作环境温度范围为-20~45 0C 。具体规格如表3.1所示
表3.1 甲醛传感器CH20/S-10技术指标[13]
技术指标
说明
技术指标
说明
测量范围
0- 10 ppm
最大零点漂移(20℃to 40℃)
0.1 ppm
最大负荷
50ppm
长期漂移
<2% /每月
工作寿命
空气中3年
推荐负载值
10Ω
输出
1200±300nA/ppm
4-20mA(甲醛模块)
偏置电压
无需
分辨率
0.05 ppm
线性度输出
线性
温度范围
-20℃ to 45℃
重复性
<2%
压力范围
大气压±10%
存储温度
5℃ to 20℃
响应时间 (T 90)
< 50 seconds
存储寿命
6个月（容器内）
湿度范围
15-90 %RH（非凝结）
重量
约32克
可以从表中得技术指标看出所选用的这个甲醛传感器CH20/S-10的测量范围为0- 10 ppm的甲醛气体并输出线性的4~20mA电流信号。因此，系统设计时，只需要通过一定的信号调理和A/D转化便可将传感器输出信号转化为单片机可用数字信号。基于甲醛传感器不可避免存在的零漂现象，在软件中设置了相应的零漂补偿操作从而进一步提高了系统的精度和稳定性。
3.2 数据采集系统设计
数据采集系统是指定时对模拟输入信号进行采样，并转换为数字量，再以特定算法进行数据处理（如数据滤波）的整个过程，以便于下一步将结果输出。
数据采集模块的设计是系统的一个关键部分，所采集的数据的准确性直接关系到整个系统设计的质量。考虑到所选用的甲醛传感器输出的信号为4~20mA的线性电流，而后续信号A/D转换选用的芯片AD574A选择的是0~20V的输入端口，故只需要用一个简单的I/V转换电路便可实现信号调理。
数据采集系统的结构流程如图3.1所示，首先由传感器进行采样得到原始数据后输出了4~20mA的直流电流信号 ，通过一个I/V转换电路将直流电流信号变成更为常用的-3.2~ -16V的电压信号，通过一个反相跟随器后，-3.2~ -16V的电压信号转化成3.2~16V的正电压信号，至此完成了信号的调理过程；将调理后的模拟信号输入12位AD转换芯片AD574A进行处理得到了单片机可用的数字信号。
传感器
I/V转换电路
反相跟随器
AD574A

89C51
单
片
机
4~20mA
-3.2~ -16V
3.2~16V
数字信号
图3.1 数据采集系统的结构流程
接下来，将分别具体介绍数据采集系统所使用的I/V变化电路和AD转换电路的详细情况
一、简单I/V变化电路
在检测技术中，为了便于长距离传输，测试信号经常采用的是电流形式，有些传感器的输出也是采用电流形式，而在实际检测仪器中的测量电路多数是采用电压信号形式工作的，因此，在设计这类自动测试仪器中，总是先用I/V变换电路将仪器输入端的电流信号变换成电压信号，然后才进行实际的测量过程。
图3.2给出了两种常见的I/V变化方法，图3.2-a中测试电流Ix（常见为4~20mA直流信号）经导线长距离传输，送到自动测试仪输入端以后，仪器要用一个精密电阻Rx（常见为250欧姆）将Ix变化成信号电压Ux（=IxRx）。只要Rx选择恰当，Ux就可以与仪器输入端的要求相匹配。
在恒流源回路中，Rx不能选得太大，否则会引起测量误差。为了改善这种情况，可以采用运算放大器电路结构，如图3.2-b所示，这时
Ux=-RxIx （3-1）
而等效电路回路的负载电阻只有Rx’=Rx/K0，由于K0为运算放大器的开环放大倍数，约为104~105，故Rx’几乎等于零。因此这种电路可以得到较好的转换效益。通过调节Rx的大小，可以获得满意的Ux测试电压大小。

图3.2 a 简单I/V转换 b 运放I/V转换
在本次设计中我选择了3.2-b的运方式I/V转换电路，由甲醛传感器CH20/S-10输出的了线性的4~20mA电流信号，而在后续的A/D转换芯片选择的是AD574A（有多种输入信号选择方式，本次设计选择的是0~20v的单极性输入），故而选用了一个800欧姆的普通电阻，这样由该I/V转换电路输出为
Ux=-RxIx=-800*（4~20mA）=-3.2~-16V (3-2)
则在后续电路加入一个反相跟随器即可得到正极性的3.2~16电压信号，完全和A/D574A的输入匹配。具体电路如图3.3所示。

图3.3 信号调理电路
二、A/D转换
A/D转换器是指通过一定的电路将模拟量转变为数字量。A/D转换器芯片种类很多，按照转换原理的不同分为计数器式A/D、逐次逼近式A/D、双积分式A/D、并行A/D等多种芯片。A/D转换后，输出的数字信号有8位、l0位、12位等。本毕业设计采用的是12位转换精度的逐次逼近式A/D芯片。
（一）A/D转换器的主要性能参数
1. 分辨率
分辨率是指A／D转换器能分辨的最小模拟输入量。通常用能转换成的数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。
2. 转换时间
转换时间是A／D完成一次转换所需的时间。比如本毕业设计采用的AD574A最快转换时间是25ms。
3. 量程
量程是指所能转换的输入电压范围。比如本毕业设计采用的AD574A有10V和20V两种可选择的输入量程，在本设计中选择的是0～20V的量程。
4. 精度
A／D转换精度分为绝对精度和相对精度两种。
（1）绝对精度：是指对应于—个给定量，A／D转换器的误差，其误差大小由实际模拟量输入值与理论值之差来度量。
（2）相对精度：由相对误差决定。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，—般用百分数表示。例如，对于本设计采用的是12位0～20V的A／D转换器，如果其绝对误差为：
´20=4.9mV (3-3)
则其相对误差为0.024%。
（二）A/D转换常用的软件控制方式
常用的控制方式主要有：程序查询方式、延时等待方式和中断方式。
1.程序查询方式
微处理器向A/D转换器发出启动信号后，读入转换结束信号，查询转换是否结束；若转换结束，可以读入数据；否则再继续查询，直至转换结束再读入数据。
微机“查询”消耗时间，效率低，但比较简单，可靠性高，实际应用还是比较普遍的。本次设计采用的正是程序查询方式。
2.延时等待方式
启动A/D后，根据A/D转换所需的时间。软件延时等待，延时结束，读入数据。这种方法可靠性高，不占用查询端口。如本毕业设计采用的AD574A为25ms，因而只要设置一个延时≥25ms的程序再进行读入数据操作，也可以实现对A/D转换的控制。
3.中断方式
微处理器启动A/D转换后可转去处理其他事情，A/D转换结束便向微处理器发出中断申请信号，微处理器响应中断后再来读入数据。微处理器与A/D转换器并行工作，提高了工作效率。本次设计并没有采用中断方式，因为在键盘操作中已经采用了一种中断方式的键盘设计，因此留出一个外部中断输入口留待日后的系统扩展之用。
（三）本检测系统采用的12位A/D转换芯片AD574A的介绍
AD574A是12位的A/D转换器，其主要特性：12位快速逐次逼近型A/D转换器，其最快转换时间为25ms，转换误差为±1LSB，片内含有电压基准和时钟电路等，因而外围电路较少；数字量输出具有三态缓冲器，因而可直接与微处理器数据总线相连；模拟量输入有单极性和双极性两种方式，接成单极性方式时，输入电压范围为0～10V或0～20V，接成双极性方式时，输入电压范围为-5V～5V，-10V～10V。功耗390mW。
1. 内部功能
内部结构主要包括逐次逼近寄存器SAR、D／A转换器、比较器、时钟以及控制逻辑电路等。
2. AD574A主要引脚信号定义
AD574A的逻辑真值表如表3.1所示。
表3.1 AD574A的逻辑真值表
功能
CE
CS
R/C
12/8
A0
启动12位转换
1
0
0
×
0
启动8位转换
1
0
0
×
1
12位并行输出有效
1
0
1
+5V
×
高8位并行输出有效
1
0
1
DGND
0
低4位并行输出有效（尾随4个0）
1
0
1
DGND
1
禁止
0
×
×
×
×
禁止
×
1
×
×
×

而各个主要的引脚的接线设计以及具体信号定义如下：
① 12/8 ：在本毕业设计中我令该引脚接地，该引脚是输出数据长度控制信号，高为12位，低为8位。因此本设计中12位数据分为高8位和低四位两段输出。
② A0：本毕业设计中我利用一个74LS373锁存器进行控制该引脚。它的引脚定义为转换数据长度选择控制信号，有两种含义：当R/C为低时，即A/D 转换过程中，A0为高，启动8位A/D转换；A0为低，启动12位A/D转换。当R/C为高时即数据输出时，A0为低，读取高8位A/D转换结果；A0为高，读取低4位A/D转换结果。
③ R/C ：本毕业设计中我利用一个74LS373锁存器进行控制该引脚。其引脚信号定义为读/启动信号，高时读A/D转换结果，低时启动A/D转换。
④ CE：片使能信号，该信号与CS信号一起有效时，AD574A才可以进行转换或从AD574A输出转换后的数据。
⑤ DB11～DB0：12位数字量输出端，三态。
⑥ STS：工作状态信号，高表示正在转换，低表示转换结束。从转换被启动并使STS变高电平一直到转换周期完成这一段时间内，AD574A对再送来的启动信号不予理睬，转换进行期间也不能从输出数据缓冲器读取数据。本设计中该引脚接到P1.7，通过对P1.7位访问获知ADC是否结束。
AD574A与8位总线的单片机接线方法如图3.4所示

图3.4 AD574A与8位总线的单片机的接线方法
3. AD574A工作原理介绍
AD574A有单极性和双极性两种模拟输入方式。这两种输入方式的接线图如图3.6所示。

图3.5 AD574A输入接线图
本设计中选用的是AD574A的单极性输入，由于信号采集调理电路输出的是3.2~16v的电压信号，考虑到可能会有超量程信号干扰，故选择从20VIN引脚输入模拟信号。由表3.1可以知道，当AD574A启动前要先置位R/C为零，然后选通CE=1，CS=O，芯片就开始按照A0所定义的方式进行ADC过程，转换过程中STS=1表示“忙”，转换结束之后，芯片以STS=0信号作为AD转换结束标志，开始进行数据输出。数据的输出是由12/8 和A0 状态共同设定的，转换结果从D11～D0输出。
在本设计中，为提高系统性能，选用了AD574A的12位转换功能，以保证精度，同时，为了保证AD574A在转化过程中R/C和A0 能够持续保持正确电平信号，因此选择了由单片机输出控制信号并通过74LS373锁存器输出该控制信号，这样可以稳定可靠地控制进行ADC过程。至于对ADC过程的控制，本设计选择了程序查询方式，具体方式是将AD574A 的STS引脚与单片机89C51的P1.7引脚相连，作为状态查询信号。设置一个定时查询P1.7信号电平变化的循环程序，一旦发现P1.7信号电平变化，则可得知A/D转换结束，可以马上将ADC结果读取到单片机内部RAM，并根据结果进行数据处理，运算得到该数据对应的甲醛浓度值并进行显示，根据是否超限判断是否启动报警电路进行报警。
在系统设计中，通过一个74LS138的三八译码器进行各个芯片的地址分配，74LS138的A、B、C分别与89C51的P2.5、P2.6、P2.7连接，其中AD574A的CS引脚接到了74LS138的Y0端，外扩数据存储器6264的片选端接的是74LS138的Y1端，段码寄存器的使能信号端接到了74LS138的Y2端，行位寄存器的使能信号端接到了74LS138的Y3端，因此可以知道各个片子所分配到的地址如下：
AD574A：0000H
6264：2000H～3000H；共有8K空间
段码寄存器：4000H
行位寄存器：6000H

图3.6 地址分配示意图
根据电路图的设计方案，可以使用0000H作为启动12位转换的地址（A0=0），图中12/8接地，因此12位转化结果分为二次读取，第一次用0001H（A0 =0，R/C=1）读取高8位数据，第二次用0003H（A0 =1，R/C=1）读取低四位数据，相应的数据采集程序可以如下编写：
AD574A：MOV DPTR，2000H ；结果存在片外扩展数据存储器的2000H、
；2001H单元中
MOV P2，00H ；先置高位地址
MOV R1，00H ；低位地址
MOV R1，A ；启动12位转换
JB P1.7，$ ；STS=1，等待
INC R1
MOVX A，@R1 ；读取高8位数据结果
MOVX @DPTR，A；存储结果
INC DPTR
INC R1
INC R1
MOVX A，@R1 ；读取结果低四位数据
MOVX @DPTR，A；存储结果
RET
程序中用P1.7来测试STS状态以判断ADC是否结束。其中，对于所采集的数据存储时，考虑到不同的场合需要进行数据存储留待备用，且6264有8K字节的存储空间，故而在选择将数据存储至片外RAM地址时，可以通过一