便攜式甲醛檢測儀設計——創新型實驗項目

牛小玲，張鵬飛

（中國礦業大學 信電學院，江蘇 徐州 221116）

電子技術綜合設計課程是一門綜合了模擬電子技術、數字電子技術、單片機技術和EDA技術，并且具有實際應用背景的電子技術應用型設計課程[1]，此課程可以訓練學生綜合應用各種電子技術知識設計制作小型電子系統的能力，可以開拓學生的設計思路，增強學生把理論知識與實踐結合的能力。

多年來，我校的電子技術綜合設計課程采用的都是學生自主選題、教師引導、小組合作完成的教學模式進行。實踐表明，這種模式加深了學生對電子技術理論和應用的領悟，取得了良好的教學效果，但同時也存在學生選題內容非常陳舊單一問題，幾年來選的都是多功能數字鐘、數字溫度計、交通燈控制系統、函數波形發生器等題目。為此，我們承擔了2012年中國礦業大學生實踐創新訓練項目——便攜式甲醛檢測儀的設計。該儀器同時涵蓋了電子技術、單片機技術和EDA技術等知識，非常適合作為大學生電子技術綜合設計課程的選題項目。

1 便攜式甲醛檢測儀的組成

便攜式甲醛檢測儀的組成框圖如圖1所示，以單片機為核心，外接數據存儲器、時鐘電路、電源電路、光頻轉換器、數碼顯示電路、按鍵電路、聲光報警電路及打印電路等。

用特定的甲醛吸收液[2]對待測空氣進行采樣，完成后顯色15min，然后對含有甲醛的樣品吸收液進行分析。光源發出的定波長單色光透過甲醛吸收液投射到光頻轉換器，轉換器可直接輸出正比于入射光強度的頻率信號，并送入單片機系統，單片機根據接收到的數據以及設定好的計算因子，計算出空氣中的甲醛濃度并進行顯示，根據濃度是否超限進行聲光報警。按鍵用于設置光頻轉換器、控制顯示、打印輸出等。電源模塊給整個電路提供＋5V電壓。

圖1 便攜式甲醛檢測儀組成框圖

2 甲醛檢測儀硬件電路設計

2.1 單片機AT89C2051與數據存儲器接口電路

單片機與數據存儲器接口電路見圖2。單片機選用美國ATMEL公司生產的AT89C2051單片機[3]。該單片機是一款低電壓、高性能CMOS 8位單片機，雖然只有20個引腳，但功能非常強大，內部有15個雙向輸入／輸出（I／O）端口，2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器，2個全雙向串口通信口和1個模擬比較放大器，其時鐘頻率可以為零（即具備可用軟件設置的睡眠省電功能）。數據存儲器選用24C02[4]，它是電可擦除PROM，支持I2C總線數據傳送協議。用單片機的兩I／O腳P16和P17分別去控制24C02（E2PROM類）上的時鐘腳（SCL）和數據腳（SDA）的電平高低，傳送數據，本設計中，24C02中存放的是光頻轉換器TSL230頻率與濃度的對應關系，以及甲醛濃度限值。

2.2 光頻轉換器TSL230與單片機接口電路

TSL230是美國TI公司開發的一款智能傳感器，不需要任何外接元件即可完成光強度／頻率轉換，能直接和微處理器接口。TSL230的組成框圖如圖3所示[5]。TSL230是在單片電路中集成了一個可配置的光電二極管和一個電流／頻率轉換器，輸出方波，頻率正比于光照強度，其靈敏度和滿度輸出頻率均可通過編程進行調整。S0和S1為靈敏度選擇輸入端，靈敏度有3種級別，即1×、10×和100×，實際上是通過改變芯片上方的感光窗口的面積來改變靈敏度。S2和S3為輸出頻率分頻系數選擇輸入端，分頻系數有1（不分頻）、2、10和100。OUT為頻率信號輸出端，是輸出頻率使能端，低電平有效。圖4給出了光頻轉換器與單片機的接口電路，由單片機AT89C2051的P37引腳控制TSL230光源供電，通過單片機的P34引腳將TSL230的輸出的測試數據送至單片機內部進行處理。

圖2 單片機與數據存儲器接口電路

圖3 TSL230組成框圖和封裝引腳

圖4 光頻轉換器與單片機接口電路

2.3 數碼顯示和聲光提示報警接口電路

單片機AT89C2051并行I／O口比較少，數據的并行輸出不太可能。本設計中采用數據串行輸出方法[6]，利用串入并出移位寄存器74HC164[7]，解決單片機與LED的顯示接口問題。圖5給出了串行口擴展的3位LED顯示接口電路，采用3個共陽數碼管動態掃描方式顯示[8－9]。由單片機 AT89C2051的P11、P12和P13引腳進行位控制，串行數據（DATA164）由單片機的P14引腳發送，移位時鐘（CLK164）由P15送出，在移位時鐘的作用下，P14發送緩存器的數據一位一位地移入74HC164中，74HC164的8個并行輸出口分別連到3個數碼管的段選端。3位數碼顯示在第1位上顯示小數點“.”，顯示格式為：“X.XX”，首次上電顯示為“0.00”。蜂鳴器鳴響3次，“WORK”指示燈閃爍3次。

圖5 數碼顯示和聲光提示報警接口電路

2.4 按鍵接口電路

本設計中設置3個按鍵，其與單片機接口電路如圖6所示。每個按鍵均完成2個功能：長按（超過3 s）S2鍵進行參數設定，短按S2進行濃度測量；長按S3鍵進行校零，短按S3進行顯示歸0；長按S4鍵進行標準切換[10－11]，短按S4進行打印。執行按鍵檢測時，先使74HC164輸出全高（數碼管是共陽的），以免影響顯示，雖然按鍵接的是外部中斷引腳，但是也可以用查詢的方式來響應按鍵。

圖6 按鍵與單片機接口電路

3 甲醛檢測儀軟件設計

該甲醛檢測儀軟件使用C語言[12]編程，采用模塊化設計。系統定時器，每10ms中斷1次，檢測1次按鍵并記錄鍵值，供主程序使用，主程序循環中，根據按鍵的不同完成不同的操作。主程序流程圖見圖7。

圖7 主程序流程圖

4 結束語

本設計課題2012年首次用于我校的電子技術綜合設計課程選題中，在作者所帶的2個班中，有1／3的學生選擇了此課題，設計完成后學生普遍認為受益匪淺。此課題進行時，只將設計要求及所用的主要器件提供給學生，由學生進行課題分析、方案論證、Proteus仿真[13]、仿真成功后進行電路焊接和調試，最后提交一份完整的設計報告和實物樣品。在為期2周的課程設計中，多數學生都完成了基本設計要求。

（References）

[1]袁小平.電子技術綜合設計教程[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]GB／T 18204.26—2000公共場所空氣中甲醛測定方法[S].北京：中國標準出版社，2000.

[3]漢春巖.AT89C2051中文數據手冊[EB／OL].[2013-02-25].http：／／www.c51mcu.cn.

[4]xymrb.24C02串行存儲器中文官方資料手冊[EB／OL].[2013-02-25].http：／／www.zlgmcu.com.

[5]趙重明.可編程光頻轉換器TSL230及其應用[J].儀表技術與傳感器，2000（8）：30-32.

[6]林敏，于忠得，舒奎.74LS164在2051單片機LED顯示電路中的應用[J].大連輕工業學院學報，2001（2）：123-125.

[7]74HC164中文資料[EB／OL].[2013-02-25].http：／／ishare.iask.sina.com.cn／f／22650055.html.

[8]付慧生.復雜可編程邏輯器件的設計[M].徐州：中國礦業大學出版社，2005.

[9]LG5641BH 中文資料手冊[EB／OL].[2013-02-25].http：／／www.doc88.com／p-360144044582.html.

[10]蘭軍明.《GB 50325—2010》與《GB／T18883—2002》的比較和分析[J].工程質量，2012（5）：26-28，48.

[11]GB 50325—2010民用建筑工程室內環境污染控制規范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[12]馬忠梅.單片機的C語言程序設計[M].北京：航空航天大學出版社，2007.

[13]周潤景.基于PROTEUS的電路及單片機設計與仿真[M].2版.北京：航空航天大學出版社，2010.