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1、-农药残留毒性检测仪控制系统的硬件设计-第 23 页1 引言中国是一个农业大国，农业的可持续发展关系到国家经济建设和社会稳定的全局。农作物病、虫、草害等是农业生产的重要生物灾害，在生物灾害的综合治理中，根据目前植物保护学科发展的水平，化学防治仍然是最方便、最稳定、最有效、最可靠、最廉价的防治手段。随着农业产业化的发展，农产品的生产越来越依赖于农药、抗生素和激素等外源物质。我国农药在粮食、蔬菜、水果、茶叶上的用量居高不下，而这些物质的不合理使用必将导致农产品中的农药残留超标，影响消费者食用安全，严重时会造成消费者致病、发育不正常，甚至直接导致中毒死亡。随着农业产业化的发展，农产品的生产越来越依赖
2、于农药、抗生素和激素等外源物质。我国农药在粮食、蔬菜、水果、茶叶上的用量居高不下，而这些物质的不合理使用必将导致农产品中的农药残留超标，影响消费者食用安全，严重时会造成消费者致病、发育不正常，甚至直接导致中毒死亡10。鉴于我国农药的生产和使用上存在一些问题，在注重食品安全的今天，加强对食品中农残的检测，非常必要和及时。一是农民不按规定的用药量、次数、方法或安全间隔期施药，或施用不允许在蔬菜上使用的剧毒、高毒农药；二是现在施行的农药残留测定需要通过有机熔剂提取、净化和使用大型分析仪器进行，无法对廉价的蔬菜进行随时随地或快速的检测，因而形成的监管不到位；最关键的问题是在农副产品生产加工过程和市场检
3、测监督方面，缺乏多残留有害物质现场简单有效的快速检测手段。因此开发残留农药分析仪器成为了摆在人们面前的一个课题，开发农药残毒快速检测分析仪器必须充分考虑到我国的基本国情。如果在我国也采用发达国家现行的大型仪器检测，不仅会因仪器昂贵不能普及，而且极高的分析成本也将使农产品无利可图。只有开发出廉价方便的农药残毒快速检测微型智能分析仪，才是解决我国食品安全从源头控制的必由之路11。2 课题研究背景本课题为淮阴工学院承担的淮安市科技计划项目，农药残留物检测是当前国际前沿领域的研究热点，目前国际上尚无有效的农药残留物快速检测手段。农药残留的检测方法分为大型仪器检测和快速检测，大型仪器检测主要采取气质联用
4、仪、液相色谱等方法，美国国家环境保护总署（EPA）和California州州政府实验室采用快速全扫描技术对蔬菜水果中农药残留进行检测。单组样检测时间1.5小时到3小时，检测极限可以达到10-9，代表了国际先进水平。该类方法的缺点是前处理、设备和工艺复杂，价格昂贵，不适用于现场快速检测。目前，我国在农药残毒快速检测分析仪器小型化方面做了大量的工作，相继开发出多种产品实用于农药残毒的快速检测。如农药残毒快速检测仪（吉林出入境检验检疫局）、食品安全检测车（国家质检研究院和吉林大学）和先进农残测定MRSM技术（从美国引进、消化），这些产品对农残快速检测起到了一定的作用。但纵观现有的农药残毒快速检测方法
5、，我们发现并未从根本上解决影响仪器可靠性、分析速度和小型化的主要技术障碍，体积还较庞大，携带不方便，检测速度较慢，每测一次需要几十分钟，所以它们仍不能满足我国农药残毒快速的检测的实际需要。如我国普遍采用酶促反应或免疫化学方法，因反应体系复杂，易受环境温度、酶的活性、介质和共存组分的影响，导致分析信号本身的可靠性和重现性存在较严重不足；分析物的检测往往采用色谱和质谱检测器等，这给仪器的微型化带来极大的困难。因此，现有的农药残毒快速检测的方法仅限于条件较好的科研机构、政府主管部门使用。本课题拟在研究构建微型化、检测速度快、可靠、操作简便、检测原理不同于上述的新一代能满足食品生产安全过程中农药残毒智
6、能式快速检测仪。同时设计出农药残留读性分析仪的控制系统。3 总体设计方案介绍3.1 课题介绍本课题的便携式农药残留快速检测仪的开发借助于微电子技术的高速发展。目前，在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用微处理器使之成为智能仪表的，而在仪器仪表中使用最多的微处理器就是单片机单片机技术发展很快，以它为核心的产品层出不穷，并且在各行各业中得到广泛的应用。在我们日常生活中随处可见，与单片机相关的技术不断更新，未来应用会更加广。在控制系统中，单片机为核心器件，辅助以其他的外围设备，来实现对所设计的系统的控制，因此，单片机为核心的控制系统成为了广大爱好者的首选。在测量控制仪表及数
7、据采集系统中采用单片机技术，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，使之成为智能仪表后能够解决许多传统仪表不能或不易解决的难题。同时还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，降低仪表的成本以及加快新产品的开发速度。这类仪表的设计重点已经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的单片机模板或功能部件、接口电路及输入输出通道的设计，以及高性能集成电路的组合和通用或专用软件程序的开发13。本课题选择以单片机为控制核心组成的控制系统。3.2 课题研究重点本课题要运用AT89C55为核心芯片，同时运用，TSL230，MAX232，EDM128128液晶显示器，微型打印机等构成外围电路来完成农药残留毒性检测仪控制系统的硬件
8、设计，并协作软件设计实现课题所要求的功能。AT89C55做为atmel系列的单片机，早就被广大爱好者所熟悉，它和8051的指令是兼容的，具有8051的全部功能，同时还对8051的功能进行了改进，它具有Flash存储技术，使其单片机的结构和性能有了大的改进，使其功耗更低，且允许在系统内改变或用编程器编程 AT89C55单片机 复位电路键盘电路4*4液晶显示模块mokuai 光强检测电路MAX232打印机。图3.1硬件系统框图4 芯片及元器件选择41 元器件的选型根据系统的需要意见结合实际本人选择AT89C55单片机作为核心的控制芯片，用，MAX232作为串行通信接口芯片，EDM128128作为液
9、晶显示器，TSL230做为光频转换芯片对光信号进行采集，WH-A7型微型打印机对实时结果进行打印。42 AT89C55重要引脚功能说明14P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向IO 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的IO口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表4.2.1所示：P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使
10、单片机复位。ALEPROG： 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的l6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要可通过对特殊功能寄存器区中的8EH单元的DO 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。表4.2.1 P3口第二功能端口引
11、脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2I()N()T()0()(外部中断0)P3.3I()N()T()1()(外部中断1)P3.4T0(定时计数0外部输入)P3.5T1(定时计数1外部输入)P3.6W()R()(外部数据存储器写选通)P3.7R()D()(外部数据存储器读选通)PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号出现。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储
12、器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。表4.2.2 AT89C55的极限工作参数4工作温度 55 to +125储藏温度 55 to +125任一脚对地电压 1.0V to +7.0V最高工作电压 6.6V直流输出电流 15.0 mA43
13、 TSL2304.3.1 TSL230引脚功能描述S0，S1：输入控制端，转换灵敏度的控制端OE ：输入控制端（低电平有效） GND：电源地端 VDD：电源正端OUT：转换电平输出S2，S3：输入控制端，满量程调节控制端4.3.2 TSL230工作原理可编程光/ 频转换器 TSL230原理功能框图如图所示, 主要由多晶硅光电二极管和单片CMOS电流/频率集成转换器构成。多晶硅光电二极管对光强信号进行光电转换,把一定光谱的光转换成电流,再由电流/ 频率转换器转换成相应的脉冲频率。输出方波或者三角波的频率完全由光强决定, 可程控调整器件的灵敏度及满量程输出频率17。输出脉冲 光电流/频率转换器光电
14、二极管 S0 S1 S2 S3 电源图4.3 TSL的原理功能框图44 EDM128128 EDM128128显示模块显示128（W）128（H）全点阵形式，内藏T6963C显示控制器，可直接适配于8080MPU和Z80MPU的接口信号；以图形方式、文本方式或图形与文本合成方式进行显示。 4.4.1 EDM128128的引脚描述1.FG 框架地（连接金属铁框） 2.Vss 地（GND） 3.Vdd 电源电压（+5V） 4 .Vee LCD驱动电压（可调） 5./WR 写数据（低电平时写数据） 6./RD读数据（低电平时写数据） 7./CE片选信号（低电平有效） 8.C/D/WR=”L”; C/
15、D=”H”;写命令，C/D=”L”;写数据/WR=”H”; C/D=”H”;读命令，C/D=”L”;读数据 9.NC 不连接 10./RESET 控制复位（模块复位）1118.D0D7 数据线（D0=MSB，D7=LSB） 19 FS 字型选择；开路或连接到Vdd；68donts font连接到Vss；88donts font 20.NC 不连接 4.4.2 EDM128128结构原理 T6963C芯片行驱动器组行驱动器组8K RAMLCD液晶显示屏 图4.4内置T6963C的点阵图形液晶显示模块原理图 45 RS-232驱动/接受器（MAX232） 图4.5 MAX的引脚图RS-232驱动/
16、接受器选用MAX232 Max232产品是一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换TIA/EIA-232-F电平。如果负载是标称值为5千欧的RS-232接收器，并且VCC=+5V时，驱动器输出电压摆幅的典型值为8V。输出摆幅确保符合EIA/TIA-232E和V.28规范，该规范要求在最糟糕的情况下能够满足5V驱动器输出电压最小值的要求，其中包括3k?的负载电阻最小
17、值，VCC= +4.5V，以及最高工作温度。空载时驱动器输出电压范围是 (V+-1.3V)至(V- +0.5V)。输入门限兼容于TTL和CMOS逻辑。未使用的驱动器输入端可以不连接，有内置的、与VCC相连的400k输入上拉电阻 。上拉电阻将未使用的驱动器输出端强制为低电平，因为所有驱动器都是反相的。除了在上拉被禁用的关断模式下，内部输入上拉电阻通常消耗12A电流。输出可以被驱动到15V。在关断模式下，电源电流通常降至8A。EIA/TIA-232E与V.28规范将大于3V的电压定义为逻辑0，因此，所有接收器都是反相的。输入门限设定为0.8V和2.4V，驱动器既响应TTL电平输入，也响应EIA/T
18、IA-232E与V.28电平。接收器输入可以承受最高25V的过压输入，并提供标称值为5千欧的输入端接电阻。接收器符合V.28和EIA/TIA-232E关于第一类故障条件的说明。接收器输入滞回的典型值为0.5V，并可确保0.2V最小值。这样，对于慢变化输入信号可以产生明确的输出跳变，即使是在有一定噪声和振荡的情况下。接收器传输延时典型值为600ns，与输入摆幅方向无关。MAX232内部有两个电荷泵，将+5V转换为10V(空载)，为RS-232驱动器提供工作电压。第一个转换器利用电容C1将+5V输入加倍，得到V+输出端C3上的+10V；第二个转换器利用电容C2将+10V转换为V-输出端C4上的-1
19、0V。可以从+10V(V+)和-10V(V-)输出端获取少量的电源功率，为外部电路供电 (参见典型工作特性部分)；当V+、V-为外部电路提供电流时，注意不要因为所加负载的原因使V+、V-低于EIA/TIA-232E驱动器输出电压最小值5V的限制。使用MAX232的关断功能时，应避免V+与V-为外部电路供电。这些器件关断时，V-降至0V，V+降至+5V。对于那些能够将 +10V外部电源提供到V+引脚(而不是使用内部电荷泵来产生+10V)的应用，一定不要安装电容C1，并且必须将SHDN引脚连接至VCC，这是因为在关断模式下V+被内部连接到VCC15。5 具体电路设计51 单片机复位电路 89系列单
20、片机与其它微处理器一样，在启动时都需要复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内部的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如RST引脚上有一个高电平并维持两个机器周期（由于一个机器周期包含6个状态，每个状态是2个振荡周期，所以也就是24个振荡周期），则CPU就可以响应并将系统复位。假如采用12MHZ的晶振，那么复位时间大约是12S。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起
21、的抖动而影响复位。图5.1所示的手动复位电路可以实现上述基本功能，S51单片机复位信号高电平有效2，4。 图5.1 单片机复位电路52 键盘电路键盘采用矩阵式键盘，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行线、列线分别接到按键开关的两端。矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。这样要节省很多的I/O口线。图5.2矩阵式键盘结构图如图5.2所示 行线通过上拉电阻接+5V，当无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，则对应的行线和列线短接，行线电平状态由与此行线相连的列线电平决定。把行线接到单片机的P2.0-P2.2 列线接到单片机的P1.4-P1.7则在单片机的控制下，可以判别键盘中
22、究竟是哪一个键被按下。其方法是：先令列线P1.4为低电平，其余的三根列线都为高电平，读 行线的状态。如果 P2.0-P2.2 都为高电平，则P1.4这一列上没有键闭合，如果读出的行线状态不全为高电平，则为低电平的行线和P1.4相交的键处于闭合状态；如果P1.4这一列上没有键闭合，接着使列线P1.5为低电平，其余列线为高电平，同样的方法检测P1.5这一列上有无键闭合，依此类推，最后使P1.7为低电平，其余的列线为高电平，检测P1.7这一列上有无键闭合。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘进行扫描7。53 串行通讯电路由于要外接打印机，即单片机要和接口进行通讯，在这里采用RS-232进行串行
23、通讯，EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了明确规定。在TXD和RXD引脚上电平定义：逻辑1(MARK) -3V-15V，逻辑0(SPACE) 315V。在RTS、CTS、DSR、DTR 和DCD等控制线上电平定义： 信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V+15V。信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V-15V 以上规定说明了RS-232C 标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”的传输的电平为-3V-15V，逻辑“0”传输的电平为+3V+15V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平为+3V+15V，断开状态(OFF)即信号无效的电平为-
24、3V-15V，也就是当传输电平的绝对值大于3V 时，电路可以有效地检查出来；而介于-3+3V之间的电压即处于模糊区电位，此部分电压将使得打印机无法准确判断传输信号的意义，可能会得到0，也可能会得到1，如此得到的结果是不可信的，在通信时候体现的是会出现大量误码，造成通信失败。因此，实际工作时，应保证传输的电平在(315)V 之间。单片机和打印机RS-232接口电路如图5.3所示图5.3单片机和计算机RS-232接口电路图图中的C41、C42、C43、C44是电荷泵升压及电压反转部分电路，产生V+、V-电源供EIA电平转换使用，C45是VCC对地去耦电容，其值为0.1UF，电容C1C5安装时必须尽
25、量靠近MAX232芯片引脚，以提高抗干扰能力。RS-232的逻辑“1”是以-3-15V来表示的，而单片机的逻辑“1”是以+5V来表示的，两者完全不同。因此，单片机系统要和打印机的RS-232接口进行通信，就必须把单片机的信号电平（TTL电平）转换成打印机的RS-232C电平，或者把打印机的RS-232C电平转换成单片机的TTL电平，通信时候必须对两种电平进行转换15。打印机串行接口定义如下表：表5.3 打印机串行接口定义表信号方向说 明DATA/TxD入串行数据输入,接用户单片机的串行数据输出端BUSY/CTS/DCD出高电平表示打印机离线或正在处理数据,不能接收数据,低电平可接收数据,接用户
26、单片机输入端PE出出前换纸型为缺纸信号，“高”电平表示缺纸+5V入DC+5V,2A电源输入端（平台式为空脚）GND_接地，逻辑“0”电平MAx232利用内部的RS-232接收器将单片机的信号接收，EIA/TIA-232E与V.28规范将大于3V的电压定义为逻辑0，因此，所有接收器都是反相的。输入门限设定为0.8V和2.4V，驱动器既响应TTL电平输入，也响应EIA/TIA-232E与V.28电平。接收器输入可以承受最高25V的过压输入，并提供标称值为5千欧的输入端接电阻。接收器符合V.28和EIA/TIA-232E关于第一类故障条件的说明。接收器输入滞回的典型值为0.5V，并可确保0.2V最小
27、值。这样，对于慢变化输入信号可以产生明确的输出跳变，即使是在有一定噪声和振荡的情况下。接收器传输延时典型值为600ns，与输入摆幅方向无关。接受器接受到的信号通过电荷泵DC-DC电压转换器来转换，MAX232内部有两个电荷泵，将+5V转换为10V(空载)，为RS-232驱动器提供工作电压。第一个转换器利用电容C1将+5V输入加倍，得到V+输出端C3上的+10V；第二个转换器利用电容C2将+10V转换为V-输出端C4上的-10V。可以从+10V(V+)和-10V(V-)输出端获取少量的电源功率，同时为外部电路供电。经过转换后的电平在通过RS-232驱动器来驱动RS-232通讯接口， 输出摆幅确保
28、符合EIA/TIA-232E和V.28规范，该规范要求在最糟糕的情况下能够满足5V驱动器输出电压最小值的要求，空载时驱动器输出电压范围是 (V+-1.3V)至(V- +0.5V)。输入门限兼容于TTL和CMOS逻辑。未使用的驱动器输入端不连接，有内置的、与VCC相连的400k输入上拉电阻 。上拉电阻将未使用的驱动器输出端强制为低电平，因为所有驱动器都是反相的。除了在上拉被禁用的关断模式下，内部输入上拉电阻通常消耗12A电流。在关断模式、三态模式，或器件电源被断开的情况下，驱动器输出关闭，并进入高阻状态，该状态下的漏电流通常只有几个微安 (最大值为25A)。输出可以被驱动到15V。这样通过接受、
29、转换、驱动后就实现了电平之间的匹配，电平通过MAX232转换后再与打印机的串行通讯接口连接，这样就实现了单片机与打印机之间的通讯。54 液晶显示电路EDM128128液晶显示模块直接与单片机的I/O口相连，单片机对内藏T6963C显示控制器进行编程控制，从而使液晶显示器件显示相应的文字或则图形，T6963C通过单向的电源线和双向的数据线和控制线和外部相连，在中规模图形式液晶显示模块中，内置T6963C控制器的液晶显示模块是目前较为常用的一种。该液晶显示模块由液晶显示控制器T6963C及其周边电路、行驱动器T6A40组、列驱动器T6A39组、液晶驱动偏压电路、显示存储器以及液晶屏组成。显示模块对
30、外仅是一个20芯的双列扁平电缆接口9。图5.4单片机与EDM128128接口电路图T6963C 与 MPU 接口部的缓冲区由四个缓冲器组成，它们是用于接收 MPU 信息的指令锁存器和数据锁存器以及用于向 MPU 发送信息的状态缓冲器和数 据缓冲器。T6963C的时序电路用于为芯片自身以及LCD行、列驱动器产生各种所需时序。首先由芯片内置振荡器与外加晶振构成的振荡电路产生主频信号，此信号经时序控制器多次分频后再产生各种时序信号。CDATA为行同步信号；LP为行驱动器的移位时钟脉冲，同时又是列驱动器的数据锁存脉冲信号，HSCP及LSCP分别是双屏模式时的上屏和下屏的移位时钟脉冲信号。T6963C的
31、主时钟频率为2.05.5MHz，显示占空比的调节可由引脚编程解决：并可在1/16到1/128之间进行调节。在EDM128128中选用5.0MHz的晶振并接于XI与X0端可将其占空比定为1/64。T6963C有十条基本指令，主要有：数据的读/写、显示存贮器的寄存器指针设置、控制字设置、工作模式设置、显示模式、光标形状选择、位设置、屏幕拷贝以及屏幕搜索等功能。这些 指令通常通过CPU由8位数据总线（D0D7）输入。T6963C中通过ad0ad15共16根地址线可以导址64k字节的存贮空间，在EDM128128中模块中内置了一片8k的低功耗静态存储器，所以仅用了13根地址线。数据由d0d7共8位并行
32、口与显示存贮器RAM进行传递。片内设置有文本指针、图形指针、用户字符发生器指针及地址指针等寄存器。可通过软件指令对这些寄存器进行设置，并可将显示存贮器划分成文本显示区、图形显示区、以及由用户自定义的字符存贮区，将所要显示的文本、图形或自定义图符的数据将被存放到相应的存贮区内。内置的RAM数据锁存器及RAM缓冲器可为与外接RAM之间数据的传递提供保障。在显示时，显示数据分别经图形数据锁存器以及文本数据锁存器锁存，再由显示根据显示模式设置控制选择所要显示的是文本还是图形，或者是二者的组合模式。当选定后，即可对选定数据区进行扫描，对应的显示数据经串行变换后转化成LCD串行数据并串行输出到列驱动器。行
33、驱动器T6A40驱动器芯片具有68个通道输出（01068），并有两个可用来传递数据的双向数据输入端子，通过此两端与其它引脚的编程组合，可以改变输出数据的流向。将控制器的FR接T6A40的FR端，并将VLC1、VLC4、VLC5接到电源偏置电路的对应端子，即可保证驱动器输出的是LCD屏的行驱动电平。 T6A40片内有两个34位双向移位寄存器，串行数据可从DI01与/或DI02两个端子输入。由移位寄存器产生的并行输出数据澈同可分三种：第一种为01068；第二种是06801；第三种流向是01034和068035，具体输出哪一种取决于来自数据流向控制和移位时钟极性控制电路的信号，数据流向控制电路根据单
34、/双屏选择端子DUAL和流向选择端子DIR的逻辑电平产生流向控制信号。移位时钟的极性控制信号由控制器的移位时钟脉冲SCP（控制器的LP信号）和触发方式选择端子TSW的逻辑电平来产生。两个34位双向移位寄存器产生的两个34位并行数据将输出到两个LCD驱动电路中，并在CLD电源偏置电压作用下产生68位并行LCD行输出信号，最后加到LCD屏的行输入端。 利用列驱动电路可把控制器提供的串行数据转换成LCD屏所需的并行数据。一般列驱动芯片都是80个输出端子，模块为240列输出，EDM模块采用三片T6A39芯片相联，正好能构成240列输出。 T6A39可以接收一位串行或两位及四位并行数据，可由DF1及DF
35、2引脚输入数据位选择器确定并控制输入数据具体格式以及串/并数据变换的管理控制。该电路内含两个40位输出的双向移位寄存器，它们将根据数据流向控制器及驱动时序控制器把接收到的串行数据变换成符合要求的并行数据，并传递给两组LCD驱动电路。驱动电路的作用是在LCD电压偏置电路供给的偏置电压下，将得到的80位并行数据数据转换成LCD所需的并行输出（001080）数据信号（电平）。表5.4. EDM128128的时序表项目符号条件最小值最大值单位C/D上升时间tcdsVdd=5V5%Vss=0VTa=25100_ nsC/D保持时间tcdh10_CE,RD,WR 脉宽tce,trd,twr80_数据上升时
36、间tds80_数据保持时间tdh40_访问时间tacc_150输出保持时间toh1050图5.5 EDM128128的时序图55 继电器部分电路继电器(relay)也是一种电门，但与一般开关不同，继电器并非以机械方式控制，而是一种以电磁力来控制切换方向的电门。当线圈通电后，会使中心的软铁核心产生磁性，将横向的摆臂吸下，而臂的右侧则迫使电门接点相接，使两接点形成通路。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用图5.6 继电器
37、控制电路如图5.4所示：P3.6为单片机的I/O口，R31为与单片机的I/O口相连的上拉电阻，LAMP为接地端，和+12V组成电源电路为继电器的两个触点供电，三极管、二极管以及电阻构成了继电器线圈两端的控制电路，当P3.6端为低电平时，通过三极管的发射极接地，使得二极管截止，继电器的电磁铁的线圈不会通电，其触点不会接触在一起；P3.6端为高电平时，二极管被导通，继电器的电线圈会通电，其触点会接触在一起，于是就会形成通路。继电器部分电路的作用就是通过单片机的控制其通断，当光频转换器工作，即当外部有关照时，使单片机开始工作。当外部没有光照时，使得单片机停止对光信号的检测。提高了单片机的工作效率。同
38、时，也降低了功耗。根据电路的需要和实际情况选择HK4100系列，型号为：HK4100F-DC12V-SHG的继电器，其具体的参数如下：外形尺寸： 10.5*15.5*11.8mm（W*L*H）重 量： 3.5g 触点形式：1C（SPDT）触点负载： 3 A 250 VAC/30 VDC阻 抗： 100m 额定电流： 3A 电气寿命：10万回 机械寿命：1000万回 阻值(10%)： 720线圈功耗：0.2W额定电压：DC 12V吸合电压：DC 9V释放电压：DC 1.2V工作温度：-25+70绝缘电阻：100M线圈与触点间耐压：4000VAC/1分钟 触点与触点间耐压：750VAC/1分钟 5
39、6 信号采集与处理电路传感器采用TSL230 BRP-LF器件的转换频率误差分别为: 5%(TSL230B)。其感光波长为300nm700nm,使用温度范围570。 光的感应窗口为1.26mm2TSL230的S0、S1、S2、S3接上上拉电阻后和单片机相连，通过单片机的编程来控制传感器的相应的工作特性，由于接受到的光强信号一般具有不稳定，而且有很大的动态范围的特点，所以要求传感器对光有着很好的灵敏度，单片机通过对S0、S1的控制来调节TSL230的灵敏度，灵敏度的调整采用膜片技术, 有效的对采光量的进光孔径进行控制，改变灵敏度实际上是改变光电二极管的有效受光面，从而达到对光强信号的及时准确的采
40、集。传感器由一个光电二极管和一个电流/频率转换器所组成，TSL230使用硅光电二极管来测量光强,因此具有响应快、重复性和稳定性好的特点。另外,硅光电二极管还不易老化和疲劳17。光电二极管的作用是将采集到的光信号快速准确地转换成电流信号，做为模拟信号的电流信号通过电流/频率转换器转换为数字频率信号，这样就避免了一般信号采集电路中的A/D转换，提高了对信号的采集准度和精度，S2、S3控制端对频率进行分频后输出到单片机，单片机对接受到的信号进行处理，不分频时输出信号是宽度固定的脉冲串，分频时输出时是方波，对于同样的光照强度，分频系数为100时的最终输出频率是分频系数为1时的1%，TSL230可检测到
41、的最强的光强度和最弱的光强度之比为108,即其输入信号动态范围可达1081.这样就增强了传感器检测到光强的范围，输出频率是正于光照强度的脉冲串/方波16。图5.7 信号采集处理电路光强信号一般具有很大的动态范围,单片机的检测程序采用合适的检测方法,才可获得较高的检测精度。为了检测频率,可将定时器 T0设置成16位计数器,用于对传感器输出的脉冲进行计数,在定时器 T0计数的同时,用另外一个定时器 T1来记录从 T0开始计数到计数器溢出的时间,传感器的输出频率可用如下公式计算:式中:N0是计数器T0的计数值; X0是计数器 T0的初始化计数值(因单片机的计数器是加法计数器) ; t1是计数器T1的
42、计时时间; N1是在定时器T0从开始计数到计数结束这段时间内计数器 T1从0开始计数所达到的计数值,、.在传感器的输出频率较高时,应将计数器 T0计数值 N0设为一个较大值(即 X0设为较小值) ;如果检测光较弱,传感器的输出频率较低,则应将计数器 T0的计数值设为一个较小值(即 X0设为较大值)。这里有一个矛盾,将计数器计数值设得比较大时,可获得较高的检测精度,但检测需要的时间较长;将计数器计数值设得比较小时,检测需要的时间较短,但检测精度相对较低。整个系统要求检测的精度较高,应使用稳定度较高的电源和精度、稳定度高的单片机晶振。另外,对于700nm波长以上的检测,软件计算时可进行温度补偿。图
43、5.8输出频率与电源电压TSL230的输出频率与照度成正比例关系,图5.7所示为25时的典型特性曲线,图中S2=S3=L,p为入射光波长670nm.TSL230的最大输出频率典型值可以达到 1MHz,无光照时的暗频率典型值不到 1Hz,最大也不超过10Hz. 表5.6 TSL230使用特性测试表参数测试条件最小典型最大单位fo输出频率S0=H，1=S2=S3=LEe=130mW/cm2，P=670nm0.9511.05MHZEe=0,S0=H，S1=S2=S3=L0.110HZS1=H，S0=S2=S3=LEe=13mW/cm2，P=670nm0.9511.05MHZEe=0,S1=H，S1=
44、S2=S3=L0.1310HZS0=S1=HS2=S3=LEe=1.3mW/cm20.9511.05MHZEe=0,S0=S1=HS2=S3=L0.510HZtW输出脉冲宽度S2=S3=L125550nsS2或者S3=H1/2f0s非线性度fO=0kHz10kHz0.1%FsfO=0kHz100kHz0.2%FsfO=0kHz1MHz0.5%Fs恢复到电源100us响应到输出新一个脉冲周期us响应到程控变化新二个周期主频脉冲us响应到输出受控50 150ns 传感器对输出频率的分频功能使输出范围在多种，电源对输出频率的影响测量方法时都可达到最优化。分频系数为1时,输出可以用频率计、脉冲计数器或
45、高速定时器来测量;分频系数为10或100时输出提供一个较低的频率范围,可用于高分辨率周期测量图5.9 输出频率与光照强度的关系SL230的光谱响应特性如图5.10所示,25环境下,在3001100nm的波长范围内,传感器均可以取得较好的响应效果。 图5.10光频响应特性6电路原理图设计及仿真整个电路系统包括传感器信号采集电路，键盘电路，继电器部分电路，单片机控制电路，串行通讯电路,液晶显示电路，等6个大的部分。整个电路图见附录。在熟悉了解各个部分电路的功能后，开始选择元器件，元器件的选择的原则是要很好实现所要求达到的各项功能，同时选择要做到合理，价格便宜，易于实现等因素。在确定好整个电路要实现的功能以及每个功能模块的元器件的后，设计出原理图，并用相关的电路设计软件Protel99SE画出设计好的原理图，将完成的电路图进行电气规则检查，发现了有错误时，回到原图中进行修改，修改后在进行电气规则检查，如果还有错误，继续回到原图中进行修改，再检查，如此反复，直到没有错误。在完成电气规则检查没有错误后，开始用Protel仿真器进行仿真，发现了错误后，回到原图对原理图进行分析，并且修改出现错误的地方，接着再次进行电气规则检查，无误后，对修改后所得到的图用Protel仿真器再次进行仿真，最后得到了正确的结果5，6。在检查无误和用Protel仿真器进