酒精测试仪项目设计报告.doc

四川工程职业技术学院毕业综合实践项目设计报告基于单片机的酒精浓度检测仪专 业：计算计应用技术（IT制造及售后服务）姓 名：周姣、龙俊江指导教师：何晓龙第 15 页目录一、前言3二、酒精测试仪总体方案设计32.1 酒精浓度检测仪设计要求分析32.2 酒精浓度检测仪设计方案3三、硬件设计43.1 传感器的选择43.2 A/D转换电路53.2.1 ADC0809的结构及转换原理63.2.2 ADC0809连线图63.3 89C51单片机系统73.3.1 单片机片内结构73.3.2 89C51芯片介绍83.3.2 晶振电路和复位电路93.4 LCD1602液晶显示电路113.5键盘电路113.6报警电路123.6.1 灯光提示电路123.6.2 声音报警电路12四、软件设计134.1主程序框图134.2 数据采集子程序程序框图14酒精浓度检测仪的设计一、前言本课题分为两部分：硬件设计部分与软件设计部分。硬件部分为利用MQ3气敏传感器测量空气中酒精浓度，并转换为电压信号，经A/D转换器转换成数字信号后传给单片机系统，由单片机及其相应外围电路进行信号的处理，显示酒精浓度值以及超阈值声光报警。程序采用模块化设计思想，各个子程序的功能相对独立，便于调试与修改。而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、A/D转换电路、声光报警电路、LCD液晶显示电路，按键电路，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍。二、酒精测试仪总体方案设计2.1 酒精浓度检测仪设计要求分析设计的酒精浓度测试仪应具有如下特点：（1）数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有LCD显示以及键盘响应电路，无需要其他计算机，用户就可以及之进行交互工作，完成数据的采集、存储、计算、分析等过程。（2）系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。（3）从便携式的角度出发，系统成功使用了数码管显示器以及小键盘。由单片机系统控制键盘与LCD显示来实现人机交互操作，界面友好。（4）软件设计简单易懂。2.2 酒精浓度检测仪设计方案设计时，考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量，传感器输出的是0-5伏的电压值且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出电压值经过A/D转换器转换得到数据送入单片机进行处理。此外，还需接入液晶显示，键盘设定，报警电路等。其总体框图如图2-1所示。被测环境气敏传感器A/D转换电路单片机声光报警电路液晶显示键盘图2-1 基本工作原理图三、硬件设计3.1 传感器的选择本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度，再转换为血液中的酒精含量浓度，故采用气敏传感器。考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性，所以传感器只能对酒精气体敏感，对其他气体不敏感，故选用MQ3型气敏传感器。其有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命与可靠的稳定性。MQ3型气敏传感器由微型Al2O3，陶瓷管与SnO2敏感层、测量电极与加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。传感器的标准回路有两部分组成。其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻值的变化。传感器的表面电阻RS的变化，是通过及其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出面获得的。负载电阻RL可调为05-200K。加热电压Uh为5v。上述这些参数使得传感器输出电压为0-5V。MQ3型气敏传感器的结构与外形、标准回路、传感器阻值变化率及酒精浓度、外界温度的关系图如图3-3所示。为了使测量的精度达到最高，误差最小，需要找到合适的温度，一般在测量前需将传感器预热5分钟。图3-1 MQ3 结构与外形图3-2 MQ3 结构图图3-3 传感器阻值变化率及酒精浓度、外界温度之间的关系3.2 A/D转换电路在单片机应用系统中，被测量对象的有关变化量，如温度、压力、流量、速度等非电物理量，须经传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。实现模拟量转换成数字量的器件称为A/D转换器（ADC）。A/D转换器大致分有三类：一是双积分A/D转换器，优点是精度高，抗干扰性好，价格便宜，但速度慢；二是逐次逼近型A/D转换器，精度、速度、价格适中；三是-A/D转换器。该设计中选用的是ADC0809属第二类，是8位A/D转换器。0809具有8路模拟信号输入端口，地址线（23-25脚）可决定那一路模拟信号进行A/D转换。22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2s的高电平脉冲时，就开始A/D转换。7引脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许端，当OE脚为高电平时，A/D转换数据输出。10脚为0809的时钟输入端。3.2.1 ADC0809的结构及转换原理ADC0809的结构框图如图3-6。ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V电源供电。片内有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A引脚的功能来决定所选的通道。0809完成一次转换需100s左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到MCS-51的数据总线上。通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。START CLKOEVR(+) VR()VCCGNDEOCD0.D7三态输出锁存器8位A/D转换器地址锁存与密码CBAALE8 路模拟量开 关IN7.IN0图3-6 ADC0809的结构框图3.2.2 ADC0809连线图ADC0809及单片机的连线图如图3-7：图3-7 ADC0809的连线图3.3 89C51单片机系统单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个虽小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。3.3.1 单片机片内结构51单片机的片内结构如图3-8所示。它把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。按功能划分，它有如下功能部件组成： 微处理器（CPU）。 数据存储器(RAM)。 程序存储器（ROM/EPROM）。 4个8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）。 一个串行口。 2个16位定时器、计数器。 2个16位定时器、计数器。 中断系统。 特殊功能寄存器（SFR）。PSEN88EOCXTAL1CPU（运算器）（控制器）数据存储器RAMP0P2程序存储器ROM/EPROMP1串行口定时器/计数器中断系 统特殊功能寄存器（SFR）P3ALEEAIN7.I0XTAL288RESET 图3-8 51单片机片内结构上述功能部件都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但CPU对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。从硬件角度来看，及MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列机，比在片外加EPROM才能相当的8031单片机抗干扰性能强，及87C51单片机技能相当，但功耗小。程序修改直接用+5V或+12V电源擦除，更显方便、而且其工作电压放宽至2.7V-6V，因而受电压波动的影响更小，而且4K的程序存储器完全能满足单片机系统的软件要求，故AT89C51单片机是构造本检测系统的更理想的选择。3.3.2 89C51芯片介绍掌握MCS-51单片机，应首先了解MCS-51的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能，MCS-51系列中各种型号芯片的引脚是互相兼容的。制作工艺为HMOS的MCS-51的单片机都采用40只引脚的双列直插封装方式，如图3-9所示。图3-9 单片机芯片管脚图3.3.2 晶振电路与复位电路最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路与复位电路即可，结构如图3-10所示，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。时钟电路复位电路STC89C51单片机I/O口图3-10单片机最小系统原理框图(1) 时钟电路89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。内部时钟方式如图3-11所示。在89C51单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1(18)与XTAL2(19)引脚外接石英晶体(简称晶振)，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图中电容C1与C2的作用是稳定频率与快速起振，电容值在530pF，典型值为30pF。晶振CYS的振荡频率范围在1.212MHz间选择，典型值为12MHz与6MHz。图3-11 89C51内部时钟电路(2) 复位电路当在89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作(若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态)。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式与脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST(9)端及电源Vcc接通而实现的。图3-12 89C51复位电路（3）89C51中断技术概述中断技术主要用于实时监测及控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理。这是由片内的中断系统来实现的。当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求。中断服务处理程序处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点），继续执行被中断的主程序。图3-13为整个中断响应与处理过程。图3-13 中断响应与处理过程3.4 LCD1602液晶显示电路LCD1602A 是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02 即32个字符。（16列2行）。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号与图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管与LED数码管比较常用，软硬件都比较简单。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩与亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。 液晶显示器都是数字式的，与单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。 液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极与驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。 本设计的灰度调节是采用10k电阻与1k电阻分压的形式，灰度适中。液晶显示电路如下图3-15 液晶显示电路3.5键盘电路本设计采用按键接低的方式来读取按键，单片机初始时，因为为高电平，当按键按下的时候，会给单片机一个低电平，单片机对信号进行处理单片机键盘有独立键盘与矩阵式键盘两种：独立键盘每一个I/O 口上只接一个按键，按键的另一端接电源或接地（一般接地），这种接法程序比较简单且系统更加稳定；而矩阵式键盘式接法程序比较复杂，但是占用的I/O少。根据本设计的需要这里选用了独立式键盘接法。独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下。将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O 口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保护高电平。当有键按下时，此I/O 口及地短路迫使I/O 口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。我们所要做的就是在程序中查寻此I/O口的电平状态就可以了解我们是否有按键动作了。硬件电路如图3-15所示：图3-16 按键电路3.6报警电路3.6.1 灯光提示电路图3-17灯光提示电路3.6.2 声音报警电路四、软件设计4.1主程序框图主程序流程图如下图所示：Y结束设置相应参数显示设置数值N判断按键是否按下执行相应的控制判断当前酒精范围读取AD转换酒精值初始化开始图4-1 主程序框图4.2 数据采集子程序程序框图A/D转换子程序流程图如下图4-4所示。ADC0809初始化后，把0通道输入的0-5V的模拟信号转换为对应的数字量，然后将对应数值存储到内存单元。开始启动ADC0809通道，并延时100s转换完？读出A/D转换结果结果存入内存单元返回YN图4-2 数据采集子程序框图