根据单片机的酒精探测器.doc

,摘要摘要本文详细介绍了一种酒精探测及安全控制系统,该系统安装在汽车上,不用交警和其他人员就能判断司机是否酒后驾车,以确保了司机的安全,又减少了交警等人员的工作量。提出了一种基于MSP430单片机的超低功耗酒精探测控制仪，该仪器安装在汽车内，当驾驶人员进入驾驶室后，可以自动对酒精浓度进行探测，以确保行车的安全。系统可以根据检测到的酒精含量是否超标控制汽车点火器打开或者关闭，如果超标，则驾驶人员无法启动汽车，因此从根本上杜绝了酒后驾车的出现。该系统具有性价比高，智能化程度高，工作稳定可靠的优点。而且可以用在需要控制人体酒精饮用以确保安全的任何场合。一种利用酒精传感器、A/ D 转换器、单片机、电子锁实现的车载酒精探测系统的硬件和软件实现方法。该系统以单片机为核心, 配以检测电路、控制电路、报警电路, 从而实现智能车载安全控制服务。由于具有设备检测的主动判断能力, 因此具有较高的实用价值。关关键词键词: 酒精探测器； 呼气判断； 单片机；车载,ABSTRACTThis paper describes alcohol detection and safety control system, installed in the car, traffic police and other personnel can not determine whether the drivers are driving under the influence, in order to ensure the safety of drivers, but also reduce the traffic police and other staff volume. A MSP430 MCUs ultra-low power consumption based on alcohol detection control device, the apparatus installed in the car when the driver entered the cab, you can automatically detect the concentration of alcohol in order to ensure traffic safety. System can detect whether the excessive control of alcohol ignition to open or close, if exceeded, then the driver can not start the car, so basically put an end to the emergence of drinking and driving. The system is cost-effective, intelligent, stable and reliable. And the need to control the human body can be used in order to ensure the safety of drinking alcohol, any occasion. The way which is by means of alcohol sensor, A / D converter, microcontroller, electronic locks achieve hardware and software implementation of the car alcohol detection system. The system microcontroller core, together with the detection circuit, control circuit, alarm circuit, in order to achieve intelligent vehicle safety control services. Due to the active judgment equipment testing, so it has high practical value. Keywords ： Alcohol sensor; Single chip microprocessor; Exhale judge; ,Vehicle-mounted目目录录摘要摘要ABSTRACT1 绪论绪论.11.1 课题的背景和研究意义.11.2 酒精探测控制仪概述.21.3 酒精探测控制仪的发展现状和趋势.21.4 本论文的主要研究内容.22 酒精酒精检测检测控制控制仪仪的的总总体分析体分析.42.1 酒精探测控制仪的工作原理.42.2 酒精探测控制仪的主要功能与特点.52.3 酒精探测控制仪的设计原则.62.4 系统设计和单片机的选型.63 酒精探酒精探测测控制控制仪仪系系统统的硬件的硬件设计设计.153.1 系统的硬件原理框图.153.2 酒精传感器原理.16,3.3 电源电路.193.4 复位电路.193.5 键盘输入电路、显示电路和指示灯电路.203.6 报警电路.243.7 数据采集电路.253.8 继电器控制电路.323.9 单片机电路.333.10 其他电路.344 酒精探酒精探测测控制控制仪仪的的软软件件设计设计.364.1 软件开发环境.374.2 系统软件结构.374.3 系统软件设计.384.4 系统调试.435 总结总结.45可行性分析可行性分析 47参考文献参考文献.48致致谢谢.50附附录录一一.51附附录录二二 53,1 绪论绪论1.1 课题课题的背景和研究意的背景和研究意义义在2009年中国出现了多起严重的交通事故，造成了重大的人员伤亡和财产损失，究其主要原因是司机酒后驾驶。酒后驾车容易发生交通事故，为了减少或杜绝这种现象，通常是采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定驾驶人员是否饮酒。 车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验中规定，驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于每100毫升20毫克，并小于每100毫升80毫克为酒后驾车；血液中酒精含量大于或等于每100毫升80毫克为醉酒驾车。目前几乎所有国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测,以确定被测量驾驶员是否饮酒。现在市场上警用酒精测试仪种类繁多,随着技术的发展,功能越来越强、灵敏度越来越高,它能有效协助交警定点抽查驾驶员是否饮酒,但由于抽查实施面狭窄,因此无法很好的对酒后驾车进行控制。并不能从根本上杜绝酒后驾车，酒后驾车事件仍时有发生。为给交通管理部门提供科学的管理手段,本文提出了一种酒精探测及安全控制系统,该系统安装在汽车上,不用交警和其他人员就能判断司机是否酒后驾车,以确保了司机的安全,又减少了交警等人员的工作量。本文提出了一种基于MSP430单片机的超低功耗酒精探测控制仪，该仪器安装在汽车内，当驾驶人员进入驾驶室后，可以自动对酒精浓度进行探测，以确保行车的安,全。系统可以根据检测到的酒精含量是否超标控制汽车点火器打开或者关闭，如果超标，则驾驶人员无法启动汽车，因此从根本上杜绝了酒后驾车的出现。该系统具有性价比高，智能化程度高，工作稳定可靠的优点。而且可以用在需要控制人体酒精饮用以确保安全的任何场合。1.2 酒精探酒精探测测控制控制仪仪概述概述 酒后驾车是导致交通事故的一个主要因素,为了防止机动车辆驾驶人员酒后驾车,现场实时对人体呼气中酒精含量的检测已日益受到重视,酒精浓度测试仪逐渐得到广泛应用。此外,酒精测试仪也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度的场合。 酒精探测仪介绍了一种利用酒精传感器、A/ D 转换器、单片机、电子锁实现的车载酒精探测系统的硬件和软件实现方法。该系统以单片机为核心, 配以检测电路、控制电路、报警电路、显示电路, 从而实现智能车载安全控制服务。由于具有设备检测的主动判断能力, 因此具有较高的实用价值。1.3 酒精探酒精探测测控制控制仪仪的的发发展展现现状和状和趋势趋势目前普遍使用的有燃料电池型(电化学型) 和半导体型二种。它们能够制造成便携型呼气酒精测试器,适合于现场使用。与半导体型相比,燃料电池酒精传感器具有稳定性好,精度高,抗干扰性好等优点。由于燃料电池酒精传,感器的结构要求很精密,制造难度大,目前世界上只有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产。为了能够更好的避免司机酒后驾驶，在美国已经开始在一些出租车和私家车里安装一种自动酒精测试仪。这种酒精测试仪会与车的发动机启动装置相连接，装有这种设备的车子，司机在开车之前，必须朝自动酒精测试仪上吹一口气，接受酒精度的电脑自动测试，等待电脑“宣判”你是否能开车。如果测试仪显示你酒精试超标，你就无法发动引擎，把车开上路。1.4 本本论论文的主要研究内容文的主要研究内容本文研究的内容就是一种基于MSP430单片机的超低功耗酒精探测控制仪，该仪器安装在汽车内，当驾驶人员进入驾驶室后，可以自动对酒精浓度进行探测，采用MQK2 酒精浓度传感器检测人呼出气体中酒精的浓度并且输出电压信号,然后把信号输出到高集成度的混合集成芯片MSP430作处理,并完成数据采集、判断处理、数据的传输等功能。测试仪进行气体测试的基本步骤是:单片机采集酒精传感器的响应信号,并且进行转换,储存在数据存储器(SRAM) 中,然后单片机通过特定的算法进行气体浓度的识别, 并且将结果输出到LED 显示屏幕上,同时可发出浓度阈值的光(声) 警报信号。系统可以根据检测到的酒精含量是否超标控制汽车点火器打开或者关闭，如果超标，则驾驶人员无法启动汽车，因此从根本上杜绝了酒后驾车的出现。该系统具有性价比高，智能化程度高，工作稳定可靠的优点。,2 酒精酒精检测检测控制控制仪仪的的总总体分析体分析2.1 酒精探酒精探测测控制控制仪仪的工作原理的工作原理大量的统计研究结果表明,如果被测者深吸气后以中等力度呼气达三秒钟以上,这时呼出的气就是从肺部深处出来的气体。呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关系。BAC(in mg/ L) = BrAC(in mg/ L) x 22002 其中,BAC 代表血液酒精度,BrAC 表示呼气酒精浓度,in mg/ L 表示以每升中多少毫克为单位。也就是说,以毫克/ 升为单位的血液酒精浓度在数值上相当于以毫克/ 升为单位的呼气酒精浓度乘上系数2200 (由于各国的情况不同,在美国此系数采用2000 ,而欧洲很多国家采用2100) 。由于BrAC 受到环境温度、湿度,以及被测试者个体差异等多方面影响,其测试结果不如直接检测BAC 准确,但是该结果仍可作为判断饮酒程度的重要参考。MQ K2 型酒精传感器主要由气敏元件和电热丝组成。当MQ K2 传感器外接5 V 电压时,可将电热丝加热至270 300 。电路将MQ K2 传感器的阻值变化转换为输出电压的变化,从而可以通过A/ D 转换成数字量供单片机处理。系统采用超高灵敏度酒精传感器，超低功耗单片机系统，自动探测酒精浓度的方法，可以防止驾驶人员逃避检测，以判断驾驶员是否是酒后开车。该系统可放置在汽车仪表盘位置，当司机发动汽车时，探测控制仪启动，此时发动机,处于被锁状态，汽车无法启动。酒精传感器加热后，探测控制仪对酒精传感器探测的气体信号进行检测。由于酒精含量与酒精传感器检测后产生的电压信号成特定的比例关系，因而可根据电压信号进行酒精含量的判断。检测到的信号经过放大和滤波之后，通过单片机内置的12位ADC转换为数字信号，由单片机对此信号进行处理判断，使LCD 显示屏幕显示当前酒精浓度，同时正常指示灯亮起，控制继电器不起作用，汽车随之启动；反之，则进行声光报警，控制继电器切断点火装置电源，驾驶人员无法启动汽车，从根本上实现控制酒后驾车。汽车启动后，控制仪态，只有酒精浓度探测电路一直工作，一旦驾驶人员驾驶过程中饮酒，控制仪立即恢复到正常工作状态。2.2 酒精探酒精探测测控制控制仪仪的主要功能与特点的主要功能与特点仪器采用先进的超低功耗16位微处理控制器 采用电化学酒精传感器，高可靠、高精度 LCD液晶显示，美观清晰, 精简式键盘操作, 极佳人机交互界面 ,声光报警信息， 报警点可调,预热时间短，响应恢复迅速 。传感器类型：电化学酒精传感器量程：0100mg/ml饮酒报警点：20mg/mL工作温度：-1050工作湿度：95%RH （无凝露）壳体防护等级：IP55,连续工作时间：正常检测状态大于48h推荐充电时间：12个小时 允许误差:酒精气体浓度范围C（mg/L） 误差 C0.400 0.032 mg/L 0.400C1.000 8% C1.000 30%2.3 酒精探酒精探测测控制控制仪仪的的设计设计原原则则 通常情况下，我们在设计任何器件时，都会按照一定的思维，遵循一定的原则来着手的，尤其是在设计复杂而又较高要求时，这种前提是必不可少的。 1安全可靠安全可靠 在选购或设计硬件时，应充分考虑到在实际工作环境中温度、湿度、粉尘等因素对传感器、仪表所造成的影响，保证他们在实际工况下工作可靠、性能稳定。系统的数据采集、过程控制、实际操作一般都应进行隔离。系统设计时还应充分考虑软硬件的交互和分工，在硬件成本有所增加的前提下，应提供数据保护、硬件故障容错和操作错误容错，以及可能的情况下，还有冗余设备和传输线路等功能。对于系统的供电、接地、滤波、转换也都应进行相应处理。2工工艺艺美美观观、精良、精良,仪表的体积尽可能小巧，便于安装、拆卸和运输。3人性智能化人性智能化仪表的设计应使配料控制过程最大限度地减少人工干预，尽可能增加智能化程度，充分体现自动化的实用化。4易操作性易操作性因为适用的方向比较明了，所以仪表应具有友好的人机界面，便捷的操作步骤，尽可能降低对操作人员的要求。5可可维护维护性性在配料控制器设计时，要从系统的软硬件结构、硬件布局、硬件诊断、软件分析、外型设计等方面充分考虑其可维护性。2.4 系系统设计统设计和和单单片机的片机的选选型型如一般的计算机系统一样，单片机的应用系统有硬件和软件组成。硬件指单片机、扩展的存储器、输入/输出设备等硬部件组成的机器，软件是各种工作程序的总称。硬件和软件只有紧密配合、协调一致，才能组成高性能的单片机应用系统。在系统的研制过程中，软硬件的功能总是在不断的调整，一边相互适应。硬件设计和软件设计不能截然分开，硬件设计时应考虑软件设计方法，而软件设计时应了解硬件的工作原理，在整个研制过程中相互协调，以有利于提高工作效率。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线调试等几个阶段，但是它们不是绝对分开的，有时是交叉进行的。,2.4.1 控制器系控制器系统统的的总总体体设计设计如同任何新产品的设计一样，单片机应用系统的研制是从确定目标开始的。在着手设计之前，必须根据系统的应用场合、工作环境、具体用途提出合理的、详尽功能技术指标，只是系统设计的依据和出发点，也是决定产品前途的关键。不管是老产品的改造还是新产品的设计，应对产品的可靠性、通用性、可维护性、先进性预计成本进行综合考虑，参考国内外同类产品有关资料，使确定的技术指标合理而且符合有关标准。有时候，技术指标在研制过程中会根据需要做出局部调整，为硬件和软件的设计提供更大的技术活动余地，做出跟好的配置。2.4.2 单单片机的片机的选选型型我们在确定某一功能的器件选择时，往往要考虑多方面的因素，比如市场资源、单片机性能、研制周期等，其中性能要求是最重要的。因此，应根据系统要求和各种单片机性能，选择最容易实现产品技术指标的机种，而且能达到较高的性价比。单片机的性能包括片内资源、扩展能力、运算速度、可靠性等几个方面。MSP430 系列单片机是美国德州仪器(TI)公司推出的一款Flash 型16 位RISC 指令集超低功耗的混合信号处理器。该单片机内部集成有8 通道、12 位精度、高速的A/D转换模块ADC12,其最大采样速率可以达到200ksps。,片内还有2 个具有捕捉/ 比较寄存器的定时器和高达60KB的Flash、2KB 的数据RAM,这些都为多通道现场数据采集提供了坚实的硬件保障。完全以系统低功耗运行为核心,可在1.83.6V 低电压下工作,系统采用3.3 伏工作电源;具有高速和低速时钟;具有正常工作模式(AM)和4 种经验交流Technical Communications低功耗工作模式(LPM1,LPM2,LPM3,LPM4),AM 为活动状态,其余为低功耗模式,其中LPM4 数据保持模式仅耗电0.1 ,从低功耗模式到活动状态只需6 s,单片机可以方便的在各种工作模式之间切换。MSP430 的超低功耗使其在电池供电、便携式设备的应用中表现出非常优良的特性。MSP430F149 为x1xx 系列中硬件集成度最高的产品,相对于其它的产品,它有了硬件乘法器、48 个I/O端口、更多的定时器(10个)、更多的USART 端口,为MSP430 系列中的首选产品。鉴于MSP430F149 单片机具有以上优点, 这种高集成度使应用人员不必在接口、外接I/O 及存储器上花太多的精力,而可以方便的设计真正意义上的单片系统. 降低系统功耗, 简化电路。该单片机主要有以下特点：具有很低的供电电压。单片机的供电电压最低可以低到1.8V，单片机的供电电压范围是：1.8V3.6V。 超低的功耗。这是目前其他单片机没有的特色。他在休眠的条件下的电流只有0.8uA，就是在2.2V、1MHz条件下工作的电流只有,280uA。 快速的唤醒时间。从休眠方式唤醒只需要6us。 快速的指令执行时间。它采用的是16位的RISC结构，指令的执行时间只需要150ns，是传统单片机不能比拟的。 片内有12位的A/D转换器，片内提供参考电压。A/D转换器具有采样保持和自动扫描的特点。 16位的定时器Timer_B带有7个捕获/比较寄存器。 片内提供温度传感器。 具有灵活的时钟设置。主要有以下几种方式：32kHz的晶体方式、高频率晶体方式、谐振器方式和外部时钟源方式。这样可以根据功耗的要求进行灵活的时钟设置。 16位的定时器Timer_A带有3个捕获/比较寄存器。 片内提供模拟信号比较器。 串口通信模式：USART0、USART1。两个串口都可以通过软件选择设置成UART方式或者SPI方式，由于该系列单片机提供了连个串口，因此能为用户进行多通信设计提供方便。 片内提供较多的存储器，MSP430F147提供的片内的FLASH为32KB，MSP430F149提供片内的FLASH为60KB，同时片内还提供较多的RAM，以便进行运算处理。, 提供P1.0P6.0共6个数据端口，能为用户提供更多的处理功能。在提供的外围数据端口中，有两个端口具有中断功能，这样能丰富硬件系统的中断资源，也为实现多任务系统提供方便。 代码保护功能。单片机的安全熔丝能对程序的代码进行保护，从而可以对知识产权进行保护。具有JTAG仿真接口，这样非常便于软件的调试。 下面具体介绍单片机的各个管脚的功能，该单片机具有更多的端口，这样能实现更为复杂的系统，同时也可以减少系统实现的复杂性。这样将许多的功能集成一片芯片上，增加了系统的可靠性，同时也可以减小硬件的PCB板的面积。,123456ABCD654321DCBATitleNum berRevisionSizeBDate:27-May-2010Sheet of File:E:MyDesign6.ddbDrawn By:DVCCP6.3P6.4P6.5P6.6P6.7VrefXINXOUT/TCLKVEref+VREF-/Vref-P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P5.4P5.3P5.2P5.1P5.0P4.7P4.6P4.5P4.4P4.3P4.2P4.1P4.0P3.7P3.6P3.5P1.50P1.61P1.72P2.03P2.14P2.25P2.36P2.47P2.58P2.69P2.710P3.011P3.112P3.213P3.314P3.415AVCC17DGND18AGND19P6.220P6.021RST/NMI22TCK23TMS24TDI25TDO/TDI26XT2IN27XT2OUT28P5.729P5.630P5.531P6.132MSP430F149XTAL10132KHz3.3VccMSP430C1030.1uFC1010.1uFC1020.1uF3.3VccOUTC10456P8MHzC10556P图2.1 MSP430F149单片机引脚图,P1.0/TACLK: 通用数字I/O管脚/Timer_ A,TACLK时钟输入信号。P1.1/TA0:通用数字I/O管脚/Timer_ A,捕获：CCI0A输入，比较：OUT0输出。P1.2/TA1:通用数字I/O管脚/Timer_ A,CCI1A输入，比较：OUT1输出。P1.3/TA2: 通用数字I/O管脚/Timer_ A,CCI2A输入，比较：OUT2输出。P1.4/SMCLK: 通用数字I/O管脚/SMCLK信号输出。P1.5/TA0: 通用数字I/O管脚/Timer_ A,比较：OUT0输出。P1.6/TA1: 通用数字I/O管脚/Timer_ A,比较：OUT1输出。P1.7/TA2: 通用数字I/O管脚/Timer_ A,比较：OUT2输出。P2.0/ACLK:通用数字I/O管脚/ACLK输出端。P2.1/TAINCLK: 通用数字I/O管脚/Timer_ A,INCLK时钟信号。P2.2/CAOUT/TA0: 通用数字I/O管脚/Timer_ A,捕获：CCI0B输入，比较：OUT0输出。P2.3/CA0/TA1:通用数字I/O管脚/Timer_ A,捕获：CCI0B输入，比较：OUT1输出。P2.4/CA1/TA2:通用数字I/O管脚/Timer_ A,比较：OUT2输出。P2.5/Rose:通用数字I/O管脚/作为外接电阻管脚,通过接一定的电阻来确定DCO的工作频率。,P2.6/ADC12CLK:通用数字I/O管脚/12位A/D转换器的转换时钟。P2.7/TA0:通用数字I/O管脚/Timer_ A,比较：OUT0输出。P3.0/STE0: 通用数字I/O管脚/从传输使能：USART0/SPI模式。P3.1/SIMO0:通用数字I/O管脚/USART0/SPI模式下的从输入或者主输出。P3.2/SOMI0: 通用数字I/O管脚/ USART0/SPI模式下的从输出或者主输入。P3.3/UCLK0: 通用数字I/O管脚/外部时钟输-USART0/UART或SPI模式，时钟输出-USART0/SPI模式。P3.4/UTXD0: 用数字I/O管脚/发送数据输出 - USART0/SPI模式。P3.5/URXD0: 用数字I/O管脚/发送数据输入- USART0/SPI模式。P3.6/UTXD1: 用数字I/O管脚/发送数据输出 - USART1/SPI模式。P3.7/URXD1: 用数字I/O管脚/发送数据输入 - USART1/SPI模式。P4.0/TB0:通用数字I/O管脚/Timer_ B,捕获：CCI0A或者CCIOB输入，比较：OUT0输出。P4.1/TB1:通用数字I/O管脚/Timer_ B,捕获：CCIA或者CCI1B输入，比较：OUT1输出。P4.2/TB2:通用数字I/O管脚/Timer_ B,捕获：CCI2A或者CCI2B输入，比较：OUT2输出。,P4.3/TB3:通用数字I/O管脚/Timer_ B ,捕获：CCI3A或者CCI3B输入，比较：OUT3输出。P4.4/TB4:通用数字I/O管脚/Timer_ B,捕获：CCI4A或者CCI4B输入，比较：OUT4输出。P4.5/TB5:通用数字I/O管脚/Timer_ B,捕获：CCI5A或者CCI5B输入，比较：OUT5输出。P4.6/TB6:通用数字I/O管脚/Timer_ B,捕获：CCI6A或者CCI6B输入，比较：OUT6输出。P4.7/TBCLK:通用数字I/O管脚/Timer_ B的输入时钟TBCLK.P5.0/STE1: 通用数字I/O管脚/从传输使能：USART1/SPI模式。P5.1/SIMO1: 通用数字I/O管脚/ USART1/SPI模式下的从输入或者主输出。5.2/SOMI1: 通用数字I/O管脚/ USART1/SPI模式下的从输出或者主输入。P5.3/UCLK1: 通用数字I/O管脚/ 外部时钟输入-USART1/UART或SPI模式下，时钟输出-USART1/SPI模式。P5.4/MCLK: 通用数字I/O管脚/主系统时钟MCLK输出。P5.5/SMCLK: 通用数字I/O管脚/子系统时钟SMCLK输出。P5.6/ACLK: 通用数字I/O管脚/辅助时钟ACLK输出。,P5.7/TBoutH: 通用数字I/O管脚/切换所有的PWM数字输出口为高阻抗-定时器B_3TB0TB3。P6.0/A0: 通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入管道0。P6.1/A1: 通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入管道1。P6.2/A2: 通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入管道2。P6.3/A3: 通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入管道3。P6.4/A4: 通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入管道4。P6.5/A5: 通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入管道5。P6.6/A6: 通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入管道6。P6.7/A7: 通用数字I/O管脚/12位的A/D转换器模拟输入管道7。:数字电源端。CCDV:模拟电源端。CCAV:模拟电源地。SSAV:数字电源地。SSDV：A/D转换器内部基准电压的正输出端。refVXIN:晶体振荡器XT1的输入口。XOUT/TCLK: 晶体振荡器XT1的输出端/测试时钟输入端。：A/D转换器外部基准电压。refVe/：A/D转换器内部基准电压或者外部基准电压负端。REFVrefVE,XT2IN: 晶体振荡器XT2的输入口。XT2OUT：晶体振荡器XT2的输出端口。/NMIN:复位信号输入端/不可屏蔽中断输入端。RSTTCK: 测试时钟，用于器件编程和测试时的时钟输入端。TMS:测试方式选择，器件编程和测试输入端。TDI:测试数据输入端。TDO/TDI:测试数据输出端/编程时数据输入端。,3 酒精探酒精探测测控制控制仪仪系系统统的硬件的硬件设计设计本文所涉及的酒精探测仪是典型的基于单片机控制器的应用系统。单片机的机型选择、控制系统个模块的规划与设计及实现是本章硬件设计的重点部分。质量的好坏，直接影响系统的性能。硬件功能应有总体设计来规定。硬件设计的任务要根据总体设计要求，在所选择机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图。必要时做一些新推出部件的实验，以验证电路图的正确性，以及工艺结构的设计加工、印刷版的制作、样机的组装等。3.1 系系统统的硬件原理框的硬件原理框图图系统主要是由键盘输入、传感器采集模块、显示模块、报警模块和 CPU处理模块等组成，整个系统的原理框如图 3.1 所示。由3.1图可以看出，整个系统具有结构简单等特点。传感器模块与单片机的A/D通道进行连接，这样可以简化模拟采集的设计，从而可以减小设计的复杂性，增加系统的可靠性，也同时减小了PCB的面积。键盘输入模块是通过单片机的P1口来实现的，由于P1口具有中断功能，所以实现起来非常容易，并且也非常适合软件编程。电源及复位模块主要是为整个系统提供可靠的电源，另外考虑到系统工作需要有复位功能，因此也为系统提供复位信,号。报警模块主要是单片机在检测到报警条件时，给一个报警信号，从而驱动蜂鸣器实现报警功能。显示模块主要是为了将得到数据显示出来。汽车供电系统滤波电路调理放大超高灵敏度酒精传感器电压变换电路JTAG 接口监控复位单片机内置 12位 A/D声光报警LED 液晶显示键盘设定点火控制装置MSP430F149单片机图3.1 系统的整体框图3.2 酒精酒精传传感器原理感器原理 人饮酒后, 酒精通过消化系统被人体吸收, 经过血液循环,约有90% 的酒精通过肺部呼气排出,因此测量呼气中的酒精含量,就可判断其醉酒程度。大量的统计研究结果表明,如果被测者深吸气后以中等力度呼气达三秒钟以上, 这时呼出的气就是从肺部深处出来的气体。呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关系:BAC(mg/L)=BrAC(mg/L)*2200, BAC(blood alcohol concentration)为血液酒精浓度,BrAC(breath alcohol concentration)为,呼气酒精浓度,二者具有固定的比例关系。mg/L 是物理单位,为毫克每升。由于BrAC 受到环境温度、湿度,以及被测试者个体差异等多方面影响,其测试结果不如直接检测BAC 准确,但是该结果仍可作为判断饮酒程度的重要参考。MQ K2 型酒精传感器主要由气敏元件和电热丝组成。当MQ K2 传感器外接5V 电压时,可将电热丝加热至270 300 。如图3.2 所示,电路将MQK2 传感器的阻值变化转换为输出电压的变化,从而可以通过A/D换成数字量供单片机处理。2k+5vSSVOUTVt3.2 MQK2 传感器电路根据分析 ,乙醇浓度增加时,元件电阻R 减小,反之亦反,所以当呼出气体中的气态乙醇逐渐扩散后,元件电阻R 敏感地变化。若不加处理,则表头指针摆动幅度,将随之变小,无法及时读出测量数值,而造成误则头指针摆动幅度,将随之变小,无法及时读出测量数值,而造成误读,所以显示系统中应加入保持电路,使指针保持在测量时指示的最大值位置。此外,由于MQ K2 传感器是旁热式。且敏感度与工作温度关系密切,一般在270 300 范围敏感,度最大,所以设计时加热电路也应该加入稳压电路。由于气敏传感器存在初期稳定时间和初期恢复时间,为了避免大电流冲击和指示误读,设计电路时应考虑加入延时电路。3.2.1 MQK2 传传感器特性感器特性l、对酒精气体有很高的灵敏度。2、具有良好的重复性和长期的稳定性。3、抗干扰，对酒精气体有很好的选择性。3.2.2 MQK2 传传感器特性参数感器特性参数l、回路电压：() 5-24VCV2、取样电阻：(RL) 0.5-20K3、加热电压：(VH) 50.1V4、加热功率：(P)约750mW5、灵敏度：R0(air)/RS (100ppmC2H5OH)56、响应时间：10 秒Tres7、恢复时间：30 秒Trec3.2.3传传感器感器输输出信号的出信号的调调整整通过测量,MQ K2 的输出信号同酒精浓度为近似的线形函数关系图3.3,酒精浓度单位 mg/L53 330单位 v图3.3 酒精浓度同输出电压的近似函数关系3.2.4 传传感器的感器的调调零和零和补偿补偿进一步提高信号调理模块的精度，应将传感器的凋零与信号放大电路的调零结合在一起，进行整体调零，以同时补偿传感器的零位偏移和放大器的失调及漂移。 3.3 电电源源电电路路整个系统采用 3.3v 供电，考虑到硬件系统对电源要求具有稳压功能和纹波小灯特点，另外也考虑到硬件系统的低功耗的特点，因此该硬件的硬件系统的电源部分采用 TI 公司的 TPS76033 芯片实现，该芯片能很好的满足该硬件系统的要求，另外该芯片有很小的封装 因此能有效地节约 PCB 的面积。为了使输出电源的纹波小，在输出部分用一个 2.2uF 和 0.1uF 的电容，,另外在芯片的输入端也放置一个 0.1uF 的滤波电容，减少输入端受到干扰。电源电路具体如图 3.4 所示： 图 3.4 电源电路 3.4 复位复位电电路路复位电路：在单片机系统里，单片机需要复位电路，复位电路可以采用R-C复位电路，也可以采用复位芯片实现复位电路，R-C复位电路具有经济性，但可靠性不高，用复位芯片实现的复位电路具有很高的可靠性，因此为了保证复位电路的可靠性，该系统采用MAX809芯片。,图 3.5 复位电路为了减少电源的干扰，还需要在复位芯片的电源输入腿加一个0.1uF的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。监控复位电路用于保证单片机处于良好的运行状态，防止受到干扰导致程序跑飞，比内部看门狗电路更可靠。复位电路如图3.5所示。3.5 键盘输键盘输入入电电路、路、显显示示电电路和指示灯路和指示灯电电路路3.5.1 键盘输键盘输入入电电路路 键盘电路主要是用来输入数据，从而实现人机交互。该系统的键盘设计是采用扫描方式实现的矩阵键盘。MSP430F149 的P1、P2 口除了支持输入、输出以外,还支持硬件中断。非常适合实现基于中断的键盘输入响应程序。该仪器采用了12 按键, 分别为数字键09、设置键、确定键。设置为3 4 的行列式键盘。键盘程序采用行扫描法。即P1.0P1.2接三根列线,列线,定义为输出口,P1.3P1.6 接四根行线,行线定义为输入口。基于对系统低功耗要求的考虑,键盘输入响应程序应设计为中断方式运行。中国地域广大, 各不同地域和民族的饮酒习惯也不尽相同。因此可以按“设置键”来更改酒精浓度报警阀值。确认键有两个用途: 一是更改阀值后按下, 另一个是充当报警以后的复位, 以便进行下一次的测量。键盘的电路图如图3.6所示。 图3.6 键盘输入电路从图中可以看出该矩阵扫描键盘由行线和列线组成，P1.0和P1.1、 P1.2 构成了键盘的列线， P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P构成了键盘的行线。键盘的行线。键盘的行线作为键盘的控制机输出端，键盘的列线作为键盘的输入端。在设计时为了程序设计的方便性，键盘的列线采用的是P1.0和P1.1、P1.2这样可以利用该管脚的中断功能。键盘的列线P1.0、P1.1和P1.2,通过上拉电路将该两个管脚拉高，这样在没有按键按下的情况下，该两个管脚的点评，如果有按键按下时，则相应的列线管脚为低电平，这是通过设置P1.0和P1.1和P1.2为低电平触发中断方式，低电平就触发中断而进入中断服务程序，从而获得输入的数据。具体分析一下键盘的工作原理，首先将P1.3、P1.4、P1.5和P1.6设置为低电平，如果该行商友按键按下的话，则P1.0和P1.1和P1.2设置成低电平中断触发方式；将P1.6设置为低电平，如果该行上有按键按下的话，则P1.0或者P1.1或者P1.2上位低电平，就会触发中断，进入中断服务程序，获得输入的数据。如果没有键按下的话，则P1.0和P1.1和P1.2均为高电平，不会进入中断服务程序。依次将P1.5P1.4P1.3设置为低电平来判断该行是否有输入，如果没有输入的话，P1.0和P1.1和P1.2均为高电平，如果有输入的话，P1.0或者P1.1上或者P1.2为低电平，就会触发中断，进入中断服务程序，获得输入的数据。键盘的扫描时间时很短，仅仅几微妙的时间，然而按键的时间一次至少需要几十毫秒，所以只要有按键按下的话是都可以被扫描到的，但是按键按下时有一定的时间抖动，因此一定要考虑键盘的抖动处理。3.5.2 显显示示电电路路系统的显示电路采用的是简单的LED显示方式，这样的方式能满足该系统的要求，也可以减低系统的成本。下图为该系统的显示电路。通过图3.7可以看出，该显示电路直接与单片机的数据I/O口进行连接，,由于MSP430F149具有丰富的I/O口资源，这样采用并行的接口方式非常容易，减小了系统设计的复杂度，也可以增加系统的可靠性。P2.3和P2.4是用来控制数码管的选通状态，比如要在DIS0上显示，则要在P2.2管脚上给出高电平，通过三极管选通数码管进行显示。3.5.3 指示指示电电路路指示灯电路有红绿黄三个指示灯，红灯是电源指示灯，工作时亮；绿灯是检测提示灯，因为酒精探头需要一定时间加热，才能达到理想的灵敏度，加热时间到，绿灯亮，表示可以进行浓度探测；黄灯为报警指示灯,黄灯不亮，表示可以行车；当黄灯亮时，表示酒精浓度超标，不可以驾驶，同时黄灯闪烁的频率越高，酒精浓度越高。指示电路如图 3.8 所示,图3.7 显示电路,图 3.8 指示电路3.6 报报警警电电