1、調(diào)研類別#1酒精濃度檢測儀的設(shè)計酒精濃度檢測儀的設(shè)計一、前言一、前言對氣體中酒精含量進行檢測的設(shè)備有五種基本類型，即：燃料電池型(電化學(xué))、半導(dǎo)體型、氣體色譜分析型、紅外線型、比色型。但由于價格和使用方便的原因，常用的只有燃料電池型和半導(dǎo)體型兩種。燃料電池作為一種發(fā)電裝置，它的原理是將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。當前各國家都在廣泛研究環(huán)保型能源，因為它直接可以把可燃氣體轉(zhuǎn)變成電能，并且不產(chǎn)生污染，酒精傳感器只是燃料電池的一方面應(yīng)用。與半導(dǎo)體型的相比，燃料電池型呼氣酒精檢測儀有很多優(yōu)勢，即穩(wěn)定性好，精度高，抗干擾性好。但是燃料電池酒精傳感器的結(jié)構(gòu)要求非常精密，制造難度相當大，并且

2、材料成本高，價格昂貴。如今的酒精濃度檢測儀都是采用可替代吹管，酒精儀從傳統(tǒng)的機械檢測或酒精計到現(xiàn)在的利用傳感器和單片機核心技術(shù)的酒精濃度檢測儀是在技術(shù)上是一大突破，提高了檢測酒精的精確度，社會公共安全系數(shù)也大大的提高。但是現(xiàn)在大部分一般的酒精濃度檢測儀價格低的靈敏度低，準確度高的售價也比較昂貴，并且大多只是對結(jié)果進行預(yù)警、低報、高報三限報警點設(shè)置。為了得到準確的濃度數(shù)值，在LED顯示酒精濃度數(shù)值上應(yīng)實現(xiàn)普及。同時很多其他氣體會可能會對檢測的結(jié)果產(chǎn)生影響，從而影響準確度，所以在傳感器的腐蝕性以及排除其他干擾的能力上也待提升?，F(xiàn)在大多都是對氣體濃度或液體濃度的單一檢測，最好是能解決一個檢測儀能同時

3、對酒精的氣體和液體兩種狀態(tài)下的檢測。本課題分為兩部分：硬件設(shè)計部分和軟件設(shè)計部分。硬件部分為利用MQ3氣敏傳感器測量空氣中酒精濃度，并轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳給單片機系統(tǒng)，由單片機及其相應(yīng)外圍電路進行信號的處理，顯示酒精濃度值以及超閾值聲光報警。程序采用模塊化設(shè)計思想，各個子程序的功能相對獨立，便于調(diào)試和修改。而硬件電路又大體可分為單片機小系統(tǒng)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、聲光報警電路、LED顯示電路，按鍵電路，各部分電路的設(shè)計及原理將會在硬件電路設(shè)計部分詳細介紹。二、酒精測試儀總體方案設(shè)計二、酒精測試儀總體方案設(shè)計2.1酒精濃度檢測儀酒精濃度檢測儀設(shè)計要求分析設(shè)計要求分析設(shè)計

4、的酒精濃度測試儀應(yīng)具有如下特點：（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單片機為控制核心，外圍電路帶有LED顯示以及鍵盤響應(yīng)電路，調(diào)研類別#2無需要其他計算機，用戶就可以與之進行交互工作，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、計算、分析等過程。（2）系統(tǒng)具有低功耗、小型化、高性價比等特點。（3）從便攜式的角度出發(fā)，系統(tǒng)成功使用了數(shù)碼管顯示器以及小鍵盤。由單片機系統(tǒng)控制鍵盤和LED顯示來實現(xiàn)人機交互操作，界面友好。（4）軟件設(shè)計簡單易懂。2.22.2酒精濃度檢測儀設(shè)計方案酒精濃度檢測儀設(shè)計方案設(shè)計時，考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉(zhuǎn)換為電量，傳感器輸出的是0-5伏的電壓值且電壓值穩(wěn)定，外部干擾小等。因此，可以直接把傳感器輸出電壓值

5、經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)送入單片機進行處理。此外，還需接人LED顯示，4*4鍵盤，報警電路等。其總體框圖如圖2-1所示。被測環(huán)境氣敏傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路單片機聲光報警電路LED顯示鍵盤圖圖2-12-1基本工作原理圖基本工作原理圖三、硬件設(shè)計三、硬件設(shè)計3.1傳感器的選擇傳感器的選擇本系統(tǒng)直接測量的是呼氣中的酒精濃度，再轉(zhuǎn)換為血液中的酒精含量濃度，故采用氣敏傳感器?？紤]到周圍空氣中的氣體成分可能影響傳感器測量的準確性，所以傳感器只能對酒精氣體敏感，對其他氣體不敏感，故選用MQ3型氣敏傳感器。其有很高的靈敏度、良好的選擇性、長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。MQ3型氣敏傳感器由微型Al2O3，陶瓷

6、管和SnO2敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。傳感器的標準回路有兩部分組成。其一為加熱回路，其二為信號輸出回路，它可以準確反映傳感器表面電阻值的變化。傳感器的表面電阻RS的變化，是通過與其串聯(lián)的負載電阻RL上的有效電壓信號VRL輸出面獲得的。負載電阻RL可調(diào)為05-200K。加熱電壓Uh為5v。上述這些參數(shù)使得傳感器輸出電壓為0-5V。MQ3型氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)和外形、標準回路、調(diào)研類別#3傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關(guān)系圖如圖3-3所示。為了使測量的精度達到最高，誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測量前需將

7、傳感器預(yù)熱5分鐘。圖圖3-13-1MQ3MQ3結(jié)構(gòu)和外形結(jié)構(gòu)和外形圖圖3-23-2MQ3MQ3結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖調(diào)研類別#4圖圖3-3傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關(guān)系傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關(guān)系3.23.2A/DA/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，被測量對象的有關(guān)變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，須經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬電信號（電壓或電流），這些模擬電信號必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能在單片機中用軟件進行處理。實現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）。A/D轉(zhuǎn)換器大致分有三類：一是雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點是精度高，抗干擾性好，價格便宜，但

8、速度慢；二是逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，精度、速度、價格適中；三是-A/D轉(zhuǎn)換器。該設(shè)計中選用的是ADC0809屬第二類，是8位A/D轉(zhuǎn)換器。0809具有8路模擬信號輸入端口，地址線（23-25腳）可決定那一路模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換。22腳為地址鎖存控制，當輸入為高電平時，對地址信號進行鎖存。6腳為測試控制，當輸入一個2s的高電平脈沖時，就開始A/D轉(zhuǎn)換。7引腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標志，當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，7腳輸出高電平。9腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許端，當OE腳為高電平時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。10腳為0809的時鐘輸入端。3.2.1ADC0809的引腳及功能逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器在精度、速度、和價格上

9、都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。芯片采用的是ADC0809，以下介紹ADC0809的引腳及功能。芯片如圖3-4所示。調(diào)研類別#5圖圖3-43-4ADC0809ADC0809的引腳的引腳ADC0809是一種逐次比較式8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。由圖可見，ADC0809共有28個引腳，采用雙列直插式封裝。主要引腳功能如下：IN0-IN7是8路模擬信號輸入端。D0-D7是8位數(shù)字量輸入端。A、B、C與ALE控制8路模擬通道的切換，A、B、C分別與3根地址線或數(shù)據(jù)線相連，3位編碼對應(yīng)8個通道地址端口。需要注意的是：ADC0809雖然有8路模擬通道可以同時輸入8路模擬信號，但每個瞬間只

10、能換1路，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，各路之間的切換由軟件改變C、A、B引腳上的代碼來實現(xiàn)。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C3個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，圖3-5為通道選擇表。圖圖3-53-5通道選擇表通道選擇表OE、START、CLK為控制信號端，OE為輸出允許端，START為啟動信號輸入端，CLK為時鐘信號輸入端。VR(+)和VR(-)為參考電壓輸入端。調(diào)研類別#63.2.2ADC0809的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換原理ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-6。ADC0809采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的，由單一

11、的+5V電源供電。片內(nèi)有鎖存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由C、B、A引腳的功能來決定所選的通道。0809完成一次轉(zhuǎn)換需100s左右，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到MCS-51的數(shù)據(jù)總線上。通過適當?shù)耐饨与娐罚?809可對0-5V的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。STARTCLKOEVR(+)VR()VCCGNDEOCD0.D7三態(tài)輸出鎖存器8位A/D轉(zhuǎn)換器地址鎖存與密碼CBAALE8路模擬量開關(guān)IN7.IN0圖圖3-63-6ADC0809ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖的結(jié)構(gòu)框圖3.2.3ADC0809連線圖ADC0809與單片機的連線圖如圖3-7：調(diào)研類別#7圖圖3-73-7ADC0809ADC0809

12、的連線圖的連線圖3.33.389C5189C51單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口(SCI)，顯示驅(qū)動電路(LCD或LED驅(qū)動電路)，脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構(gòu)成一個雖小然而完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)。3.3.1單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu)51單片機的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖3-8

13、所示。它把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。按功能劃分，它有如下功能部件組成：微處理器（CPU）。調(diào)研類別#8數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。程序存儲器（ROM/EPROM）。4個8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）。一個串行口。2個16位定時器、計數(shù)器。2個16位定時器、計數(shù)器。中斷系統(tǒng)。特殊功能寄存器（SFR）。PSEN88EOCXTAL1CPU（運算器）（控制器）數(shù)據(jù)存儲器RAMP0P2程序存儲器ROM/EPROMP1串行口定時器/計數(shù)器中斷系統(tǒng)特殊功能寄存器（SFR）P3ALEEAIN7.I0XTAL288RESET圖圖3-83-85151單片機

14、片內(nèi)結(jié)構(gòu)單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu)上述功能部件都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但CPU對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。從硬件角度來看，與MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列機，比在片外加EPROM才能相當?shù)?031單片機抗干擾性能強，與87C51單片機技能相當，但功耗小。程序修改直接用+5V或+12V電源擦除，更顯方便、而且其工作電壓放寬至2.7V-6V，因而受電壓波動的影響更小，而且4K的程序存儲器完全能滿足單片機系統(tǒng)的軟件要求，故AT89C51單片機是構(gòu)造本檢測系統(tǒng)的更理想的選擇。3.3.289C51芯片介紹調(diào)研類別

15、#9掌握MCS-51單片機，應(yīng)首先了解MCS-51的引腳，熟悉并牢記各引腳的功能，MCS-51系列中各種型號芯片的引腳是互相兼容的。制作工藝為HMOS的MCS-51的單片機都采用40只引腳的雙列直插封裝方式，如圖3-9所示。P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST(TXD)P3.1(INT0)P3.2(INT1)P3.3T0P3.4T1P3.5(WR)P3.6(RD)P3.7XTAL1XTAL2GNDVccP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)EA/VPPPS

16、ENP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8)PDIP(RXD)P3.0ALE/PROG圖圖3-93-9AT89C51AT89C51芯片管腳圖芯片管腳圖40只引腳按其功能來分，可分為如下3類：電源及時鐘引腳：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。電源引腳接入單片機的工作電源。Vcc接+5V電源，Vss接地。時鐘引腳XTAL1、XTAL2外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成了1個晶體振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號。2個時鐘引腳也可外接獨立的晶體振蕩器。XTAL1接外部的一個引腳。該引腳內(nèi)部是一個反

17、相放大器的輸入端。這個反相放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。如果采用外接晶體振蕩器時，此引腳接地。XTAL2接外部晶體的另一端，在該引腳內(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的輸出端。若采用外部時鐘振蕩器時，該引腳接受時鐘振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端?？刂埔_：、ALE、RESET（RST）。此類引腳提供控制信號，有的還PSENEA具有復(fù)用功能。RST/VPD引腳：RESET（RST）是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。當單片機運行時，在此引腳加上持續(xù)時間大于2個機器周期（24個振蕩周期）的高電平時，就可以完成復(fù)位操作。在單片機工作時，此引腳應(yīng)為0.5V低電平。VPD為本引腳的第二功能，即備用電源的

18、輸入。當主電源發(fā)生故障，降低到某一規(guī)定值的低電平時，將+5V電源自動接入RST端，為內(nèi)部RAM提供備用電源，以保證片內(nèi)RAM的信息不丟失，從而使單片機在復(fù)位后能正常進行。調(diào)研類別#10ALE/引腳：ALE引腳輸出為地址鎖存允許信號，當單片機上電正常工作PROG后ALE引腳不斷輸出正脈沖信號。當單片機訪問外部存儲器時，ALE輸出信號的負跳沿用于單片機發(fā)出的低8位地址經(jīng)外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號。即使不訪問外部鎖存器，ALE端仍有正脈沖信號輸出，此頻率為時鐘振蕩器頻率的1/6。為該引腳PROG的第二功能。在對片內(nèi)EPROM型單片機編程寫入時，此引腳作為編程脈沖輸入端。引腳：程序存儲器允許輸出控制

19、端。在單片機訪問外部程序存儲器時，此PSEN引腳輸出脈沖負跳沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。此引腳接外部程序存儲器的OE（輸出允許端）。/VPP引腳：功能為片內(nèi)程序存儲器選擇控制端。當引腳為高電平時，EAEAEA單片機訪問片內(nèi)程序存儲器，但在PC值超過0FFFH時，即超出片內(nèi)程序存儲器的4KB地址范圍時將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當引腳為低時，單片機只訪EA問外部程序存儲器，不論是否有內(nèi)部程序存儲器。I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，為四個8位I/O口的外部引腳。P0口、P1口、P2口、P3口是3個8位準雙向的I/O口，各口線在片內(nèi)均有固定的上拉電阻。當這3個準雙向I/O口作輸

20、入口使用時，要向該口先寫1，另外準雙向口I/O口無高阻的“浮空”狀態(tài)。由于單片機具有體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、耗電少等突出特點，所以本系統(tǒng)采用89C51單片機，硬件設(shè)計電路圖如圖1所示。89C51內(nèi)部有4KB的EPROM，128字節(jié)的RAM，所以一般都要根據(jù)所需存儲容量的大小來擴展ROM和RAM。本電路接高電EA平，沒有擴展片外ROM和RAM。3.3.3晶振電路和復(fù)位電路電路圖如下：調(diào)研類別#11圖圖3-103-10晶振與復(fù)位電路晶振與復(fù)位電路3.43.4LEDLED顯示電路顯示電路LED顯示有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。本設(shè)計使用并行輸入硬件譯碼靜態(tài)顯示電路，靜態(tài)顯示電路中，各位可獨立顯

21、示，只要在該位的段碼線上保持段碼電平，該位就能保持相應(yīng)的顯示字符。電路中采用了鎖存譯碼器MC14495將P1口低4位輸出的BCD碼譯成七段字型碼，利用P1口高四位做為各鎖存譯碼器的所存信號，實現(xiàn)穩(wěn)定顯示。LED使用的是共陰極7段數(shù)碼管。數(shù)碼管顯示電路如下調(diào)研類別#12圖圖3-113-11數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路3.53.5鍵盤電路鍵盤電路鍵盤有兩種工作方式：編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤。處理方式有掃描法和線反轉(zhuǎn)法。本設(shè)計采用的是非編碼鍵盤，并利用掃描法處理按鍵，消抖由軟件實現(xiàn)。鍵盤掃描電路圖3-12：圖圖3-123-12按鍵電路按鍵電路3.63.6報警電路報警電路報警電路圖3-13：圖圖3-1

22、33-13報警電路報警電路調(diào)研類別#13四、四、軟件設(shè)計軟件設(shè)計4.14.1主程序框圖主程序框圖主程序流程圖如下圖4-1所示。圖圖4-14-1主程序框圖主程序框圖4.24.2數(shù)據(jù)采集子程序程序框圖數(shù)據(jù)采集子程序程序框圖A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖如下圖3-2所示。ADC0809初始化后，把0通道輸入的0-5V的模擬信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量OOH-FFH，然后將對應(yīng)數(shù)值存儲到內(nèi)存單元。程序框圖如圖4-2初始化LCD顯示子程序數(shù)據(jù)處理子程序鍵盤掃描子程序序A/D轉(zhuǎn)換子程序序大于閾值？聲光報警N開始Y開始啟動ADC0809通道，并延時100s轉(zhuǎn)換完？讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果結(jié)果存入內(nèi)存單元返回YN調(diào)研類別#14圖

23、圖4-24-2數(shù)據(jù)采集子程序框圖數(shù)據(jù)采集子程序框圖4.34.3報警子程序程序框圖報警子程序程序框圖系統(tǒng)設(shè)定閾值并保存在以50H開始的3個單元，為了便于比較和顯示，閾值的千位放入50H中，百位和十位放入5lH，個位放人52H中。報警電路分為蜂鳴器報警電路和LED發(fā)光報警電路組成。當輸入端P3.5為低電平時，有電流通過蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)出聲音報警。而當輸入端為高電平時不報警。報警子程序執(zhí)行之前，將報警閾值轉(zhuǎn)換為壓縮的BCD碼并存放在兩個存儲單元中。傳感器輸入值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換后，調(diào)用比較程序，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示的測量值與閾值比較，小于閾值則繼續(xù)執(zhí)行顯示程序。若大于閾值則將單片機的P3.5口清零進行聲光報警。40H、4lH、42H單元存放A/D轉(zhuǎn)換后，并進行十進制轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。40H和50H分別存放的是處理后的測量值與閾值的千位的壓縮BCD碼，41H和51H分別存放的是處理后的測量值與閾值的百位、十位壓縮的BCD碼，42H和52H分別存放的是處理后的測量值與閾值的個位的壓縮BCD碼。程序首先對40H、50H中的值進行比較大小，如果40H中的值大于50H中的值，則進行報警。依此類推，比較41H和51H，42H和52H。程序框圖如圖4-3：開始40H中的BCD碼大？與閾值相等