牛小玲，張鵬飛

（中國礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)課程是一門綜合了模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和EDA技術(shù)，并且具有實(shí)際應(yīng)用背景的電子技術(shù)應(yīng)用型設(shè)計(jì)課程[1]，此課程可以訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用各種電子技術(shù)知識(shí)設(shè)計(jì)制作小型電子系統(tǒng)的能力，可以開拓學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，增強(qiáng)學(xué)生把理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合的能力。

多年來，我校的電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)課程采用的都是學(xué)生自主選題、教師引導(dǎo)、小組合作完成的教學(xué)模式進(jìn)行。實(shí)踐表明，這種模式加深了學(xué)生對電子技術(shù)理論和應(yīng)用的領(lǐng)悟，取得了良好的教學(xué)效果，但同時(shí)也存在學(xué)生選題內(nèi)容非常陳舊單一問題，幾年來選的都是多功能數(shù)字鐘、數(shù)字溫度計(jì)、交通燈控制系統(tǒng)、函數(shù)波形發(fā)生器等題目。為此，我們承擔(dān)了2012年中國礦業(yè)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目——便攜式甲醛檢測儀的設(shè)計(jì)。該儀器同時(shí)涵蓋了電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和EDA技術(shù)等知識(shí)，非常適合作為大學(xué)生電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)課程的選題項(xiàng)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(jī)為核心，外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、時(shí)鐘電路、電源電路、光頻轉(zhuǎn)換器、數(shù)碼顯示電路、按鍵電路、聲光報(bào)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(jìn)行采樣，完成后顯色15min，然后對含有甲醛的樣品吸收液進(jìn)行分析。光源發(fā)出的定波長單色光透過甲醛吸收液投射到光頻轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器可直接輸出正比于入射光強(qiáng)度的頻率信號(hào)，并送入單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)以及設(shè)定好的計(jì)算因子，計(jì)算出空氣中的甲醛濃度并進(jìn)行顯示，根據(jù)濃度是否超限進(jìn)行聲光報(bào)警。按鍵用于設(shè)置光頻轉(zhuǎn)換器、控制顯示、打印輸出等。電源模塊給整個(gè)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(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)AT89C2051與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口電路

單片機(jī)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口電路見圖2。單片機(jī)選用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051單片機(jī)[3]。該單片機(jī)是一款低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，雖然只有20個(gè)引腳，但功能非常強(qiáng)大，內(nèi)部有15個(gè)雙向輸入／輸出（I／O）端口，2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙向串口通信口和1個(gè)模擬比較放大器，其時(shí)鐘頻率可以為零（即具備可用軟件設(shè)置的睡眠省電功能）。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用24C02[4]，它是電可擦除PROM，支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議。用單片機(jī)的兩I／O腳P16和P17分別去控制24C02（E2PROM類）上的時(shí)鐘腳（SCL）和數(shù)據(jù)腳（SDA）的電平高低，傳送數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)中，24C02中存放的是光頻轉(zhuǎn)換器TSL230頻率與濃度的對應(yīng)關(guān)系，以及甲醛濃度限值。

2.2 光頻轉(zhuǎn)換器TSL230與單片機(jī)接口電路

TSL230是美國TI公司開發(fā)的一款智能傳感器，不需要任何外接元件即可完成光強(qiáng)度／頻率轉(zhuǎn)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(gè)可配置的光電二極管和一個(gè)電流／頻率轉(zhuǎn)換器，輸出方波，頻率正比于光照強(qiáng)度，其靈敏度和滿度輸出頻率均可通過編程進(jìn)行調(diào)整。S0和S1為靈敏度選擇輸入端，靈敏度有3種級(jí)別，即1×、10×和100×，實(shí)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(shù)選擇輸入端，分頻系數(shù)有1（不分頻）、2、10和100。OUT為頻率信號(hào)輸出端，是輸出頻率使能端，低電平有效。圖4給出了光頻轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口電路，由單片機(jī)AT89C2051的P37引腳控制TSL230光源供電，通過單片機(jī)的P34引腳將TSL230的輸出的測試數(shù)據(jù)送至單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理。

圖2 單片機(jī)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口電路

圖3 TSL230組成框圖和封裝引腳

圖4 光頻轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口電路

2.3 數(shù)碼顯示和聲光提示報(bào)警接口電路

單片機(jī)AT89C2051并行I／O口比較少，數(shù)據(jù)的并行輸出不太可能。本設(shè)計(jì)中采用數(shù)據(jù)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(jī)與LED的顯示接口問題。圖5給出了串行口擴(kuò)展的3位LED顯示接口電路，采用3個(gè)共陽數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描方式顯示[8－9]。由單片機(jī) AT89C2051的P11、P12和P13引腳進(jìn)行位控制，串行數(shù)據(jù)（DATA164）由單片機(jī)的P14引腳發(fā)送，移位時(shí)鐘（CLK164）由P15送出，在移位時(shí)鐘的作用下，P14發(fā)送緩存器的數(shù)據(jù)一位一位地移入74HC164中，74HC164的8個(gè)并行輸出口分別連到3個(gè)數(shù)碼管的段選端。3位數(shù)碼顯示在第1位上顯示小數(shù)點(diǎn)“.”，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(shù)碼顯示和聲光提示報(bào)警接口電路

2.4 按鍵接口電路

本設(shè)計(jì)中設(shè)置3個(gè)按鍵，其與單片機(jī)接口電路如圖6所示。每個(gè)按鍵均完成2個(gè)功能：長按（超過3 s）S2鍵進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，短按S2進(jìn)行濃度測量；長按S3鍵進(jìn)行校零，短按S3進(jìn)行顯示歸0；長按S4鍵進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)切換[10－11]，短按S4進(jìn)行打印。執(zhí)行按鍵檢測時(shí)，先使74HC164輸出全高（數(shù)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(yīng)按鍵。

圖6 按鍵與單片機(jī)接口電路

3 甲醛檢測儀軟件設(shè)計(jì)

該甲醛檢測儀軟件使用C語言[12]編程，采用模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)定時(shí)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(huán)中，根據(jù)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(jié)束語

本設(shè)計(jì)課題2012年首次用于我校的電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)課程選題中，在作者所帶的2個(gè)班中，有1／3的學(xué)生選擇了此課題，設(shè)計(jì)完成后學(xué)生普遍認(rèn)為受益匪淺。此課題進(jìn)行時(shí)，只將設(shè)計(jì)要求及所用的主要器件提供給學(xué)生，由學(xué)生進(jìn)行課題分析、方案論證、Proteus仿真[13]、仿真成功后進(jìn)行電路焊接和調(diào)試，最后提交一份完整的設(shè)計(jì)報(bào)告和實(shí)物樣品。在為期2周的課程設(shè)計(jì)中，多數(shù)學(xué)生都完成了基本設(shè)計(jì)要求。

（References）

[1]袁小平.電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[3]漢春巖.AT89C2051中文數(shù)據(jù)手冊[EB／OL].[2013-02-25].http：／／www.c51mcu.cn.

[4]xymrb.24C02串行存儲(chǔ)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(zhuǎn)換器TSL230及其應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2000（8）：30-32.

[6]林敏，于忠得，舒奎.74LS164在2051單片機(jī)LED顯示電路中的應(yīng)用[J].大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，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(fù)雜可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)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(zhì)量，2012（5）：26-28，48.

[11]GB 50325—2010民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2011.

[12]馬忠梅.單片機(jī)的C語言程序設(shè)計(jì)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2007.

[13]周潤景.基于PROTEUS的電路及單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[M].2版.北京：航空航天大學(xué)出版社，2010.