基于51单片机的酒精测试仪设计_毕业设计(20页).doc

-基于51单片机的酒精测试仪设计_毕业设计-第 17 页基于51单片机的酒精测试仪设计摘 要近年来，随着我国经济的发展，人民的生活水平提高，越来越多的人有了自己的私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频频发生。 如今国家法律出台道路交通安全法规定，饮酒后或者醉酒驾驶机动车发生重大交通事故，构成犯罪的，依法追究刑事责任，并由公安机关交通管理部门吊销机动车驾驶证，终生不得重新取得机动车驾驶证。鉴于人们对于醉酒驾驶的逐渐重视，酒精测试课题便引起了广泛的关注。酒后驾车引起的交通事故是由于司机的过量饮酒造成人体内酒精浓度过高，麻痹神经，造成大脑反应迟缓，肢体不受控制等症状。为本课题研究的是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有LCD显示功能的空气酒精浓度监测仪。此需要设计一智能仪器能够监测驾驶员体内酒精含量。本课题研究的是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有声报警功能及LCD显示功能的空气酒精浓度监测仪。其可监测出空气环境中和呼气中酒精浓度值，并根据不同的环境设定不同的阀值，对超过的阀值进行声报警，并显示阀值来提示危害。从而达到以下目的：（1）有利于社会公共交通安全；（2）提高人们法律意识；（3）使之便捷、安全、准确、高效，便于提高家庭酒精测试的普及化。本作品是基于单片机控制ADC0809对TGS822酒精浓度取样来反映人体血液酒精浓度；以及对DS18B20获取温度关键词：ADC0809；目 录第1章 绪论11.1 精测试仪现状和发展趋势11.2研究内容2第2章 总体设计32.1 本课题的设计任务及要求32.1.1 设计任务32.1.2 设计要求32.2 系统整机原理图分析4第3章 硬件设计53.1 单片机模块53.2 ADC0809资料63.3酒精传感器模块83.3.1传感器性能分析83.3.2呼出酒精气体浓度与血液酒精浓度关系113.4 LCD模块12第4章 系统软件144.1整机系统流程图154.1.1ADC程序流程图154.1.2 LCD程序流程图16第5章 总结与展望17参考文献18第1章 绪论1.1 精测试仪现状和发展趋势喝酒后，呼出的气体会有酒味，表情行为会有反常。远古时代人们利用鼻子作为传感器，进行简单的呼出气体酒精测量。19世纪末出现了用体液对酒精进行定量分析。1927年，有科学家建议使用呼出气体做酒精浓度分析。用 足球胆收集呼出气体后，通过硫酸和重铬酸钾的混合溶液，溶液的颜色会发生蓝一绿一黄的变化，同已知酒精浓度的标准试剂色管比较，就得到相应的BAC。现在，肺泡气中酒精的测量技术有了很大的进步，有先进微处理器的酒精测试仪已被商品化。越来越多的国家开始禁止酒后驾车。精确的呼出气体酒精测试和传统的法医血液酒精分析相比有许多优点，例如，进行无毒的采样，能进行现场处理，这样为交警节省了时间，使交通控制更高效，能避免运输和贮存有艾滋病病毒和肝炎病毒的血样。由于最早使用BAC极限值来分辨酒后驾车 ，当呼出气体酒精浓度测量用于交通执法时，情况就变得错综复杂，要把所测量的呼出气体酒精浓度换算成血液酒精浓度 。一般认为，2100：1呼出气体中所含的酒精和11血液中所含的酒精量 相等 。对于把结果转化成BAC的呼出气体酒精测量仪，呼气血液酒精转换系数是决定测试精度的重要因素。在美国、加拿大、澳大利亚，定量分析呼出气体酒精测试仪已用了十多年，转化系数为2100：1。在美国许多州，0.102101BAC为饮酒驾驶处罚极限，2100：1的BAC/BAC的转化系数直接体现在立法条例中，如果不这样 ，立法确定大于等于0.47m1为犯罪极限，还得强调 2100：1的转化系数。假设有这种可能，BAC是合法的，而BAC不合法 ，反之亦然。立法中存在 的这种进退两难的问题，至今没有很好地解决 。BAC和BAC内在转化如下所述：BAC=BAC×BAC/BAC转化系数1.2研究内容TGS822对酒精浓度的变化，其阻值产生相应的变化，然后通过取样电阻分压的变化表现出来；人体血液酒精浓度的不同，其呼出的气体中酒精浓度也不同。通过TGS822对呼出气体中酒精浓度的反应以取样电压的形式送入到ADC0809，进行A/D转换后并将转换的数据送入单片机进行分析处理，并判断是否醉酒驾车，再通过液晶板显示出来。DS18B20其自身的温度传感器所产生的温度数字数据存入其自身的存储器，单片机对其控制读出温度数据，然后经过计算处理，将当前环境温度由液晶板输出。第2章 总体设计2.1 本课题的设计任务及要求2.1.1 设计任务设计并制作酒精测试仪，其组成如图2.1所示。TGS822对酒精浓度的变化，其阻值产生相应的变化，然后通过取样电阻分压的变化表现出来；人体血液酒精浓度的不同，其呼出的气体中酒精浓度也不同。通过TGS822对呼出气体中酒精浓度的反应以取样电压的形式送入到ADC0809，进行A/D转换后并将转换的数据送入单片机进行分析处理，并判断是否醉酒驾车，再通过液晶板显示出来。DS18B20其自身的温度传感器所产生的温度数字数据存入其自身的存储器，单片机对其控制读出温度数据，然后经过计算处理，将当前环境温度由液晶板输出。数字输出模拟输出传感器模数转换控制输出单片机LCD显示输出图2.1系统设计方框图2.1.2 设计要求（1）传感器TGS822的电压模拟输出范围为0-5V；（2）模数转换芯片ADC0809采样电压范围为0-5V，分辨率为8位，采样精度为5/256V，达到256个量化级的数字电压，其工作频率为1MHz;（3）单片机AT89C52工作频率为6 MHz；（4）LCD显示器用50K的可调电阻调节使其清晰显示，消除“鬼影”。2.2 系统整机原理图分析如图2.2系统整机原理图，本系统工作原理如下：单片机的晶振为6MHz，可以直接通过ALE口输出1 MHz为ADC0809作为工作时钟而不需要进行分频，然后通过单片机的P2.0、P3.7分别控制ADC0809的ALE和START端口进行模数转换；通过P2.2、P2.3、P2.5分别控制ADDB、ADDC、ADDA端口进行选择模拟数据输入口；通过P0口进行ADC0809数据输出。TGS822的采样电压由ADC0809的IN0口输入，通过转换后由其D0-D7输出到单片机的P0口，然后通过传感器的特性公式计算由P1口将数据通过LCD的DB0-DB7输出。第3章 系统硬件设计3.1系统硬件设计原理图分析本硬件由五部分组成：单片机模块，模数转换模块，酒精传感器模块，温度传感模块。其系统硬件设计原理图如图3.2所示，其整机工作原理如下，本系统由单片机AT89C2控制，其直接控制三个模块：数转换模块将酒精传感器采集到模拟电压信号转换成输送到单片机控制处理，温度传感器DS18B20可以将采集到的温度信号直接以数字信号的形式传到单片机，LCD显示模块可以将经过单片机处理过的酒精气体浓度和温度的具体量化值显示。图3.1系统硬件设计原理图3.2单片机模块单片机的选择AT89S52是低功耗、高性能、采用CMOS工艺的8位单片机，其片内具有8KB 的可在线编程的Flash 存储器。该单片机采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器技术，与工业标准型80C51单片机的指令系统和引脚完全兼容；片内的Flash存储器可在线重新编程，或者使用通用的非易失性存储器编程；通用的8位CPU与在线可编程Flash集成在一块芯片上，从而使AT89S52 功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性能价格比，使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景。MCS单片机都采用40引脚的双列直插封装方式。下图为引脚排列图， 40条引脚说明如下：1主电源引脚Vss和Vcc（1）Vss接地（2）Vcc正常操作时为+5伏电源2外接晶振引脚XTAL1和XTAL2（1）XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。（2）XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。3控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/和/Vpp（1）RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在Vcc掉电期间，此引脚可接下图8051引脚排列图上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。（2） ALE/正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（功能）。（3）外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间， 在每个机器周期内两次有效， 同样可以驱动八LSTTL输入。（4）/Vpp 、/Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当 /Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当/Vpp为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。4、输入/输出引脚P0.0 - P0.7，P1.0 - P1.7，P2.0 - P2.7，P3.0 - P3.7。（1）P0口（P0.0 - P0.7）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。（2）P1口（P1.0 - P1.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。（3）P2口（P2.0 - P2.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。P2口可以驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。（4）P3口（P3.0 - P3.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。3.3 模数转换器模块ADC0809性能的介绍模数转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量，是架起模拟系统跟数字系统之间连接的桥梁。对于本系统而言，就是用于快速、高精度地对输入的酒精浓度信号进行采样编码，将其转换成单片机所能够处理的数字量。模数转换电路是本系统的关键部分，其性能的好坏直接影响整个系统的质量。根据A/D 转换器的工作原理可将A/D 转换器分成两大类：一类是直接型A/D转换器；另一类是间接型A/D 转换器。在直接型A/D 转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中间变量。在间接型A/D 转换器中，首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等等），然后再把这个中间变量转换为数字代码输出。1主要特性（1）8路8位A/D转换器，即分辨率8位。（2）具有转换起停控制端。（3）转换时间为100s。（4）单个+5V电源供电。（5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。（6）工作温度范围为-40+85摄氏度。（7）低功耗，约15mW。2内部结构ADC0809由4部分逻辑结构构成，如图3.3所示。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。3外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.3所示。下面说明各引脚功能。IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START： A/D转换启动信号，输入，高电平有效。EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单5V。GND：地。4. ADC0809的工作原理ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。图3.3 ADC0809系统内部结构框图和外部引脚图3.4酒精传感器模块3.4.1传感器性能分析TGS822气体传感器的敏感材料是金属氧化物,最具代表性的是SnO2。金属氧化物晶体如SnO2在空气中被加热到一定高的温度时，氧被吸附在的带一个负电荷的晶体表面。然后，晶体表面的供与电子被转移到吸附的氧上，结果在一个空间电荷层留下正电荷。这样，表面势能形成一个势垒，从而阻碍电子流动。在传感器的内部，电流流过SnO2微晶的结合部位（晶粒边界）。在晶粒边界，吸附的氧形成一个势垒阻止载流子自由移动，传感器的电阻即缘于这种势垒。还原性气体出现时，带有负电荷的氧的表面浓度降低，导致晶粒边界的势垒降低。降低了的势垒使传感器的阻值减小了。传感器阻值和还原性气体浓度之间的关系可由下面的一定范围气体浓度方程表示：Rs=AC-这里：Rs=传感器电阻 A=常数 C=气体浓度 =Rs曲线的斜率费加罗气体传感器的气敏素子，使用在清洁空气中电导率低的SnO2。当存在检知对象气体时，传感器的电导率随空气中气体浓度增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。TGS822 传感器对酒精、有机溶剂灵敏度高，在酒精检测器等方面得到广泛使用。相同特性的 TGS823，采用了陶瓷底座，可以在200的高温气氛中使用。表3.3.1 TGS822性能参数一览表型号素子类型TGS8228系列标准封装对象气体塑料、SUS双重金属网酒精、有机溶剂检测范围505000ppm标准回路条件标准试验条件下的电学特性加热器电压VH5.0+0.2V DC/AC回路电压VCMAX 24VPs15mw负载电压加热器电压RLRH可变Ps15mw38+3.0 W (室温)加热器功率PH660+50mw VH=5.0V传感器电阻RS300ppm乙醇中 1-10kW灵敏度（Rs的变化率）0.4+0.1Rs(EtOH:300ppm)Rs(EtOH:50ppm)标准试验条件试验气体条件回路条件20+2, 65+5%RHVC=10.0+0.1V DC/ACVH=5.0+0.05V DC/AC预热条件七天以上下图3.3.1中纵坐标也以传感器电阻比（Rs/Ro）表示，这里的Rs，Ro 定义如下：Rs=含300ppm 乙醇、各种温/湿度下的电阻值Ro=含300ppm 乙醇、2065%R.H.下的电阻值图3.3.1不同浓度气体对应的阻值3.3.2呼出酒精气体浓度与血液酒精浓度关系表3.3.2 血液与呼气酒精含量换算一览表序 号呼出气体中酒精浓度mg/L呼出气体中酒精浓度10¯6血液中酒精浓度mg/100mL10.022711.85520.045423.691030.068135.531540.090947.432050.113659.282560.136371.133070.159183.023580.181894.864090.2045106.7145100.2272118.5650110.2500130.4555120.2727141.2660130.2954154.1565140.3181166.0070150.3409177.8975160.3636189.7280170.3863201.1585180.4091213.4390190.4318225.3395200.4515237.12100210.6618355.68150220.9091474.24200车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于80mg/100ml的驾驶行为。表3.3.2血液酒精含量临界值一览表行为类别对    象临界值（mg/100ml）饮酒驾驶车辆驾驶人员20醉酒驾驶车辆驾驶人员80由表3.3.2血液酒精含量临界值可以进行定量的分析车辆驾驶人员酒后驾驶后血液中的酒精浓度，进而对于该司机的酒驾行为类别进行定性，如血液酒精浓度低于20 mg/100ml，则认为是饮酒驾驶，可以对其酌情处理；如若血液酒精浓度超过了20 mg/100ml且低于80 mg/100ml,则认为是醉酒驾驶，应按照国家交通法规对其处理。3.4 LCD显示模块1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，其中：引脚 符号 功能说明1 VSS 一般接地2 VDD 接电源（+5V）3 V0 液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。4 RS RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5 R/W R/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。6 E E(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。7 DB0 底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8 DB1 底4位三态、 双向数据总线 1位9 DB2 底4位三态、 双向数据总线 2位10 DB3 底4位三态、 双向数据总线 3位11 DB4 高4位三态、 双向数据总线 4位12 DB5 高4位三态、 双向数据总线 5位13 DB6 高4位三态、 双向数据总线 6位14 DB7 高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flang）15 BLA 背光电源正极16 BLK 背光 电源负极寄存器选择控制表即为ASCII码表RS R/W 操作说明0 0 写入指令寄存器（清除屏等）0 1 都busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0DB6）值1 0 写入数据寄存器（显示各字型等）1 1 从数据寄存器读取数据1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如'A。图3.4 LCD1602外部引脚图第4章 系统软件开始设置第一行显示内容设置显示模式显示第一行内容延时延时关显示延时初始化DS18B20跳过读序列号清屏延时启动温度转换延时关显示初始化延时跳过读序列号读取温度值并计算设置第一行显示位置显示第一行内容设置第一行显示内容显示第一行内容控制ADC0809转换设置第二行显示内容读取数据比较计算显示第二行内容4.1整机系统流程图4.1.1ADC程序流程图计算读出数据初始化判断ADC是否转换完毕开始 否 否 是单片机对ADC进行初始化，使其能进入正常工作状态，通过判断ADC转换判断标志EOC,看其是否转换完毕，如果没有，则继续判断，如若完成则将ADC转换的数据由单片机读取并计算，然后进入下一环节。4.1.2 LCD程序流程图判断饮酒状态开始初始化LCD写入数据判断LCD是否忙碌饮酒驾驶醉酒驾驶 是 是 否单片机对LCD进行初始化，使其能进入正常工作状态,然后判断LCD是否处于忙碌状态，如果是则继续判断，如若不是则将从ADC转换后计算出来的结果通过输出指令输出，并判断计算出的结果处于哪种状态，并输出。第5章 总结与展望本作品针对生活中因醉酒驾驶引发交通事故日益严重，明确研究方向，制定计划方案。深入研究酒精传感器、模数转换器等器件原理，查阅相关酒驾标准。为制作出满足实际要求的作品，做好充分的准备。在此期间所遇到的问题，通过最有效、最准确的渠道进行解决，为成功扫清障碍。完成本作品的主要困难有：（1）在课程中虽然我们学过C语言程序设计，但是始终处于理论阶段，对于程序控制运行方面无任何实战经验；（2）开始对单片机、ADC0809、LCD显示器一无所知，必需从头学习，而且在时间的分配上也要把握好；（3）对于遇到非人为因素所带来的问题，导致的解决问题效率低下，使我们的时间更感急迫。随着对单片机、ADC0809、LCD显示器的加深了解，对信号采集和数据算法处理的进一步学习；加入温度、湿度和气压的影响，在现有基础上进行改进，一定会使测得的数据更加准确，使作品与预期目标更接近。使其能成为商品，进入家庭，实现我们以此为课题的最终目的。参考文献1 单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用M.北京：国防工业出版社，1999,5202 张福学.现代传感器电路M.北京：中国计量出版社，2000，4413 吴兴惠，王彩君.传感器与信号传感器M.北京：电子工业出版社，19984 万隆，巴奉丽.单片机原理及应用技术M.北京：清华大学出版社，20105 汤竟南，沈国琴.51单片机C语言开发与实例M.北京：人民邮电出版社，20086 雷伏容，张小林，崔浩.51单片机常用模块设计查询手册M.北京：清华大学出版社，20107 韩成，张延 拿了就用单片机M.北京：人民邮电出版社，20088 赵建领.51系列单片机开发宝典M.北京：电子工业出版社，2007-049 胡伟，季晓衡 单片机C程序设计及应用实例M.北京：人民邮电出版社，2003-0710 王啸东.车载酒精测试仪控制器的设计J.硅谷.2010-0611 方吉高，黄炳醒.高选择性酒精传感器J.硅谷.2004-0212 王鸣.一种输入传行数据的LCD模块的应用J.安徽机电学院.2000-0813 刘焕平.ADC0809与AT89C51的一种接入方式J.石家庄师范专科学校.2002-02