便携式甲醛检测仪设计——创新型实验项目

牛小玲，张鹏飞

（中国矿业大学 信电学院，江苏 徐州 221116）

电子技术综合设计课程是一门综合了模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术和EDA技术，并且具有实际应用背景的电子技术应用型设计课程[1]，此课程可以训练学生综合应用各种电子技术知识设计制作小型电子系统的能力，可以开拓学生的设计思路，增强学生把理论知识与实践结合的能力。

多年来，我校的电子技术综合设计课程采用的都是学生自主选题、教师引导、小组合作完成的教学模式进行。实践表明，这种模式加深了学生对电子技术理论和应用的领悟，取得了良好的教学效果，但同时也存在学生选题内容非常陈旧单一问题，几年来选的都是多功能数字钟、数字温度计、交通灯控制系统、函数波形发生器等题目。为此，我们承担了2012年中国矿业大学生实践创新训练项目——便携式甲醛检测仪的设计。该仪器同时涵盖了电子技术、单片机技术和EDA技术等知识，非常适合作为大学生电子技术综合设计课程的选题项目。

1 便携式甲醛检测仪的组成

便携式甲醛检测仪的组成框图如图1所示，以单片机为核心，外接数据存储器、时钟电路、电源电路、光频转换器、数码显示电路、按键电路、声光报警电路及打印电路等。

用特定的甲醛吸收液[2]对待测空气进行采样，完成后显色15min，然后对含有甲醛的样品吸收液进行分析。光源发出的定波长单色光透过甲醛吸收液投射到光频转换器，转换器可直接输出正比于入射光强度的频率信号，并送入单片机系统，单片机根据接收到的数据以及设定好的计算因子，计算出空气中的甲醛浓度并进行显示，根据浓度是否超限进行声光报警。按键用于设置光频转换器、控制显示、打印输出等。电源模块给整个电路提供＋5V电压。

图1 便携式甲醛检测仪组成框图

2 甲醛检测仪硬件电路设计

2.1 单片机AT89C2051与数据存储器接口电路

单片机与数据存储器接口电路见图2。单片机选用美国ATMEL公司生产的AT89C2051单片机[3]。该单片机是一款低电压、高性能CMOS 8位单片机，虽然只有20个引脚，但功能非常强大，内部有15个双向输入／输出（I／O）端口，2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双向串口通信口和1个模拟比较放大器，其时钟频率可以为零（即具备可用软件设置的睡眠省电功能）。数据存储器选用24C02[4]，它是电可擦除PROM，支持I2C总线数据传送协议。用单片机的两I／O脚P16和P17分别去控制24C02（E2PROM类）上的时钟脚（SCL）和数据脚（SDA）的电平高低，传送数据，本设计中，24C02中存放的是光频转换器TSL230频率与浓度的对应关系，以及甲醛浓度限值。

2.2 光频转换器TSL230与单片机接口电路

TSL230是美国TI公司开发的一款智能传感器，不需要任何外接元件即可完成光强度／频率转换，能直接和微处理器接口。TSL230的组成框图如图3所示[5]。TSL230是在单片电路中集成了一个可配置的光电二极管和一个电流／频率转换器，输出方波，频率正比于光照强度，其灵敏度和满度输出频率均可通过编程进行调整。S0和S1为灵敏度选择输入端，灵敏度有3种级别，即1×、10×和100×，实际上是通过改变芯片上方的感光窗口的面积来改变灵敏度。S2和S3为输出频率分频系数选择输入端，分频系数有1（不分频）、2、10和100。OUT为频率信号输出端，是输出频率使能端，低电平有效。图4给出了光频转换器与单片机的接口电路，由单片机AT89C2051的P37引脚控制TSL230光源供电，通过单片机的P34引脚将TSL230的输出的测试数据送至单片机内部进行处理。

图2 单片机与数据存储器接口电路

图3 TSL230组成框图和封装引脚

图4 光频转换器与单片机接口电路

2.3 数码显示和声光提示报警接口电路

单片机AT89C2051并行I／O口比较少，数据的并行输出不太可能。本设计中采用数据串行输出方法[6]，利用串入并出移位寄存器74HC164[7]，解决单片机与LED的显示接口问题。图5给出了串行口扩展的3位LED显示接口电路，采用3个共阳数码管动态扫描方式显示[8－9]。由单片机 AT89C2051的P11、P12和P13引脚进行位控制，串行数据（DATA164）由单片机的P14引脚发送，移位时钟（CLK164）由P15送出，在移位时钟的作用下，P14发送缓存器的数据一位一位地移入74HC164中，74HC164的8个并行输出口分别连到3个数码管的段选端。3位数码显示在第1位上显示小数点“.”，显示格式为：“X.XX”，首次上电显示为“0.00”。蜂鸣器鸣响3次，“WORK”指示灯闪烁3次。

图5 数码显示和声光提示报警接口电路

2.4 按键接口电路

本设计中设置3个按键，其与单片机接口电路如图6所示。每个按键均完成2个功能：长按（超过3 s）S2键进行参数设定，短按S2进行浓度测量；长按S3键进行校零，短按S3进行显示归0；长按S4键进行标准切换[10－11]，短按S4进行打印。执行按键检测时，先使74HC164输出全高（数码管是共阳的），以免影响显示，虽然按键接的是外部中断引脚，但是也可以用查询的方式来响应按键。

图6 按键与单片机接口电路

3 甲醛检测仪软件设计

该甲醛检测仪软件使用C语言[12]编程，采用模块化设计。系统定时器，每10ms中断1次，检测1次按键并记录键值，供主程序使用，主程序循环中，根据按键的不同完成不同的操作。主程序流程图见图7。

图7 主程序流程图

4 结束语

本设计课题2012年首次用于我校的电子技术综合设计课程选题中，在作者所带的2个班中，有1／3的学生选择了此课题，设计完成后学生普遍认为受益匪浅。此课题进行时，只将设计要求及所用的主要器件提供给学生，由学生进行课题分析、方案论证、Proteus仿真[13]、仿真成功后进行电路焊接和调试，最后提交一份完整的设计报告和实物样品。在为期2周的课程设计中，多数学生都完成了基本设计要求。

（References）

[1]袁小平.电子技术综合设计教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]GB／T 18204.26—2000公共场所空气中甲醛测定方法[S].北京：中国标准出版社，2000.

[3]汉春岩.AT89C2051中文数据手册[EB／OL].[2013-02-25].http：／／www.c51mcu.cn.

[4]xymrb.24C02串行存储器中文官方资料手册[EB／OL].[2013-02-25].http：／／www.zlgmcu.com.

[5]赵重明.可编程光频转换器TSL230及其应用[J].仪表技术与传感器，2000（8）：30-32.

[6]林敏，于忠得，舒奎.74LS164在2051单片机LED显示电路中的应用[J].大连轻工业学院学报，2001（2）：123-125.

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

[8]付慧生.复杂可编程逻辑器件的设计[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005.

[9]LG5641BH 中文资料手册[EB／OL].[2013-02-25].http：／／www.doc88.com／p-360144044582.html.

[10]兰军明.《GB 50325—2010》与《GB／T18883—2002》的比较和分析[J].工程质量，2012（5）：26-28，48.

[11]GB 50325—2010民用建筑工程室内环境污染控制规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[12]马忠梅.单片机的C语言程序设计[M].北京：航空航天大学出版社，2007.

[13]周润景.基于PROTEUS的电路及单片机设计与仿真[M].2版.北京：航空航天大学出版社，2010.