酒精检测仪设计.doc

四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 毕业设计毕业设计 酒精浓度测试仪的设计酒精浓度测试仪的设计 学 院移动通信与软件学院 年 级2012 级 1 班 专 业通信 学 号201201080115 学生 姓名 匡胜东 指导 老师 郑运刚 2 014 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第I页 毕业设计诚信承诺书毕业设计诚信承诺书 题目酒精浓度测试仪的设计 学生姓名匡胜东学号 201201080115 专业通信技术班级2012 级 1 班 学生承诺 我承诺在毕业设计活动中，遵守学校有关规定，恪守学术规范， 本人毕业设计内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、 抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况，如果有违规行为和 毕业设计抄袭率达到 30%以上，我愿意承担一切责任，接受学校的处 理。 学生(签名)： 年 月 日 指导教师承诺 我承诺在毕业设计活动中，遵守学校有关规定，恪守学术规范， 经过本人核查，该生毕业设计内容除特别注明和引用外，均为本人观 点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的现象。 指导教师(签名)： 年 月 日 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第II页 摘要 2000 年以来，随着中国经济的高速发展，人民生活水平的迅速提高，中国逐渐 步入“汽车社会” 。此外，因为交通事故造成的经济损失也相当惊人。在全国各地加 强查处酒后驾驶的力度，以减少由酒后驾驶造成的恶性交通事故。要查处就涉及到 检测人体内的酒精含量和使用设备来进行检测问题。 本文以单片机设计了一个酒精浓度测试仪系统,本论文大体分为两个部分：硬件 部分和软件部分。硬件部分利用 MQ3 酒精浓度传感器输出信号通过 A/D 转换电路调 理后，经由单片机进行数据处理，最后由 LED 显示酒精浓度值。软件部分用 C 语言 进行编程，程序采用模块化设计思想。该测试仪器在于简洁的硬件结构、高效的软 件设计和较高的性价不，从而让驾车的人知道自己该在什么情况下可以开车，这是 一个在现代生活很实用。 关键字：关键字：酒驾；单片机；酒驾；单片机；MQ3MQ3 传感器；传感器；A/DA/D 转换器；转换器；LEDLED 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第III页 目 录 第一章 绪论.1 第二章 酒精浓度测试仪总体方案设计.2 2.1 酒精浓度测试仪设计要求分析.2 2.2 酒精浓度测试仪设计方案.2 第三章 硬件设计.4 3.1 传感器的选择.4 3.2 A/D 转换电路 .5 3.3 89C51 单片机系统 .6 3.4 LED 显示电路 .7 第四章 软件设计.9 4.1 系统的主程序设计.9 4.2 数据采集子程序程序框图.9 第五章 测试结果及结论.11 结论.12 致谢.13 参考文献.14 附录.16 附录 1 原理图 .16 附录 2 原程序 .17 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 1 页 第一章 绪论 近年来，我国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 频繁发生。 世界卫生组织的事故调查显示，大约 50%-60%的交通事故与酒后驾驶有关，酒 后驾驶已经被列为车祸致死的只要原因。在中国，每年由于酒后驾车引发的交通事 故达数万起；而造成死亡的事故中 50%以上都与酒后驾车有关，酒后驾车的危害触 目惊心，已经成为交通事故的第一大“杀手”。 喝酒时酒精的刺激使人兴奋，在不知不觉中就会喝多，当酒精在人体血液内达 到一定浓度时，麻痹神经，造成大脑反应迟缓，肢体不受控制等症状。人对外界的 反应能力及控制能力就会下降，处理紧急情况的能力也随之下降。对于酒后驾车者 而言，其血液中酒精含量越高，发生撞车的几率越大。 为此，我国将酒驾列入刑法范围内，所以需要设计一智能仪器能够检测驾驶员 体内酒精含量。本课程设计研究的是一种以气敏传感器和单片机 A/D 转换器为主， 检测驾驶员呼出气体的酒精浓度。其可检测出空气环境中酒精浓度值。 本课题分为两部分：硬件设计部分和软件设计部分。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。 程序采用模块化设计思想，各个子程序的功能相对独立，便于调试和修改。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、LED 显示电路，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。 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 2 页 第二章 酒精浓度测试仪总体方案设计 2.1 酒精浓度测试仪设计要求分析 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LED显示电路，无需要其 他计算机，用户就可以与之进行交互工作，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 机系统控制键盘和LED显示来实现人机交互操作，界面友好。 2.2 酒精浓度测试仪设计方案 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，还需接人LED数码管显示电路 等。其总体框图如图2-1所示。 图 2-1 基本工作原理图 酒精浓度测试仪包括以下几个模块： 1、被测环境：在喝酒的情况下，喝酒的人所呼出的气。 2、气敏传感器：用于呼气中酒精浓度检测，检测到酒精为电信号，将电信号出 入 A/D 转换器中。 3、A/D 转换器：接收气敏传感器中输入的电信号，将电信号转换成模拟信号， 最后将电信号输入单片机中进行信号处理。 气敏传感器A/D 转换器单片机显示被测环境LED 显示 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 3 页 4、单片机：单片机处理模拟转换器中输入的电信号，将处理过后的酒精浓度送 入 LED 中显示。 5、LED显示：将单片机处理过后的酒精浓度电信号送入LED内显示。 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 4 页 第三章 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、长期的使用寿命和可靠的稳定性。MQ3 型气敏传 感器由微型 Al2O3，陶瓷管和 SnO2 敏感层、测量电极和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，是通过与其串联的负 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 的结构和外形、标准回路、传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系。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。MQ3 电路图如图 3-1 所示 A 1 F 2 A 3 B 4 F 5 B 6 RL1 MQ-3 +5GND RA2 220 RA1 220 GND IN 图3-1 MQ3 电路图 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 5 页 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。ADC0809 与单片机的连线 图如图 3-2 所示 In3 1 In5 3 In6 4 In7 5 ST ART 6 EOC 7 D3 8 OE 9 CLOCK 10 V cc 11 V ref+ 12 GND 13 D1 14 D2 15 V ref- 16 D0 17 D4 18 D5 19 D7 21 ALE 22 ADDC 23 ADDB 24 ADDA 25 In0 26 In1 27 In4 2 D6 20 In2 28 ADC0809 ADC1 ADC0809 +5 GND D0 D1 D2 GND D3 D4 D5 D6 D7 ST STEOC OE CLK IN 图 3-2 ADC0809 的连线图 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 6 页 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。 从硬件角度来看，与 MCS-52 指令完全兼容的新一代 89CXX 系列机，比在片外加 EPROM 才能相当的 8031 单片机抗干扰性能强，与 87C52 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 89C52 单片机是构造本检测系统的更理想的选择。87C52 单片机图如图 3-3 所示 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 7 页 图 3-3 87C52 单片机图 3.4 LED 显示电路 LED 数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成 “8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电 极。数码管分为动态显示和静态显示驱动两种， 静态驱动也称直流驱动。静态 驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个 单片机的 I/O 端口进行驱动，或者 使用如 BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显 示亮度高，缺点是占用 I/O 端口多，如驱动 5 个数码管静态显示则需要 58=40 根 I/O 端口来驱动，要知道一个 STC89C52 的 I/O 端口才 32 个呢：） ， 实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。数码管动 态显示接口是单片机中应用最为广泛 的一种显示方式之一，动态驱动是将所有 数码管的 8 个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 8 页 公共极 COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O 线控制，当单片机 输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示 出字形，取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示 的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通 过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就 是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的 视觉暂留现象及发光二极管的 余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮， 但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感， 动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O 端口，而且 功耗更 低。 本设计利用三极管驱动数码管，用4.7k 电阻起到限流作用，使得数码管亮 度适中。数码管显示电路图如图 3-4 所示 a bf c g d e V CC1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS1 REDCA a bf c g d e V CC1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS2 REDCA a bf c g d e V CC1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS3 REDCA a bf c g d e V CC1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS4 REDCA D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Q1 PNP Q2 PNP Q3 PNP Q4 PNP +5 R1 4.7k R2 4.7k R3 4.7k R4 4.7k 图 3-4 数码管显示电路 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 9 页 第四章 软件设计 4.1 系统的主程序设计 主程序是系统的转换程序，在程序运行的过程中必须先经过初始化，包括中断 程序，以及各个端口的初始化工作。系统在初始化完成后就进入酒精浓度测量程序， 实时的测量当前的酒精浓度并通过显示电路在数码管上显示。根据硬件设计完成对 酒精浓度的测试。系统软件流程图如图 4-1 所示 图 4-1 软件流程图 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 4-2 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 初始化 读取 AD 转换酒精值 显示当前的酒精浓度 结束 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 10 页 图 4-2 数据采集子程序框图 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 Y N 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 11 页 第五章 测试结果 调试过程中首先要检测的就是硬件电路的设计原理是否正确、能否达到预期效 果以及实现方法是否简便等等；其次在焊接好难有线电路之后，认真检查电路的焊 接情况。这次采用的是分块调试的方法，酒精探测电路，控制电路以及单片机控制 电路进行调试。在对每个模块的进行调试过程中又采用了由局部到整体，由简单到 复杂的调试方法，最后再将各个模块总和成一个整体。 调试过程： （1）插上电源。 （2）打开开关将显示调为零。 （3）将酒精放到传敏器旁，检测酒精浓度。 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 12 页 在调试过程中遇到的问题有： （1）由于在焊电路之前没有认真的查看 89C51 的管脚，使得管脚的顺序全部焊错 了，最后只好重新买器件重焊； （2）酒精值一直显示很高，经过查阅资料和换元件测试发现，酒精传感器初次使 用得通电几小时以上才可以正常使用，要做老化试验。 （3）在解码程序的编写过程中，随着理解的深入也作了相应的修改。 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 13 页 结论 经过一周的努力，终于完成了智能仪器的课程设计。这是我第一次基于单片机 独立设计一个东西。这对于我来说是很有挑战性的。 首先这是一个基于单片机的课程设计，单片机是这学期学习的课程，虽然不陌 生，但是用起来还发现很多的问题。硬件方面还好解决，弄明白就可以了，但软件 方面就非常困难了，虽然以前做过这方面的实验，但那都是些简单应用。这次设计 真的让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙 的程序算法，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论 有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。 其次，就是使用到的各种元器件。这次我使用的基本上都是已经学过的元件， 但真正用起来才发现自己还差的很多，所以我又重新对所用到的器件仔仔细细，认 认真真的研究了一遍从引脚，到时序，再到最后的电路整体构成。 回顾起此次单片机课程设计，我仍感慨颇多。通过这次课程设计使我懂得了理 论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识 与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考 的能力。这让我学到了很多课本上没有的东西，扩展了自己的视野，增强了自己的 动手能力，清醒的认识到自己的不足，培养了小心谨慎的作风，使自己对课题设计 了解进一步加深。总之，此次的课程设计使我收获颇丰，也是我上大学来难忘的一 次经历。 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 14 页 致谢 这次毕业设计得到了很多人的帮助，其中*老师对我的关心和支持尤为重要， 每次遇到难题，我首先想到的就是向金老师寻求帮助。另外，他严谨的作风使我的 论文即使在谨小细微处也给予了纠正，让我的论文无论是结构还是内容变得更加公 整、紧凑，感谢金老师对我的悉心指导。 感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成这样一个设计，作为检验这些 年来学习的成果,在这个过程当中，学校给予我们各种方便，使我们在即将离校的最 后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用 能力，提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。 感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮 助的伙伴们，正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知 识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成， 有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最 后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 15 页 参考文献 1 陈权昌,李兴富.单片机原理及应用M.广州:华南理工大学出版社,2007.8 2 李庆亮.C 语言程序设计实用教程M.北京:机械工业出版社,2005.3 3 杨志忠.数字电子技术M.北京:高等教育出版社,2003.12. 4 及力.Protel 99 SE 原理图与 PCB 设计教程M.北京:电子工业出版社,2007.8. 5 徐江海.单片机实用教程M.北京:机械工业出版社,2006.12 6 胡宴如.模拟电子技术M.北京:高等教育出版社,2008.6 7 刘宁.单片机多功能时钟的设计M.浙江:浙江海洋学院,2009. 8 汪文，陈林.单片机原理及应用M.湖北:华中科技大学出版社,2007. 9 康华光.电子技术基础数字部分M.北京:高等教育出版社,2008. 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 16 页 附录 附录 1 原理图 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 REST 9 P3.0/RX D 10 P3.1/TX D 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/W R 16 P3.7/RD 17 X TAL2 18 X TAL1 19 GND 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.7 28 SPEN 29 ALE 30 EA 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 V CC 40 P2.6 27 STC89C52 U1 STC89C52 C1 30P C2 30P +C3 10uf 1 2 3 4 5 6 7 8 9 J110K Y1 12MHZ GND R1 10K GND +5 In3 1 In5 3 In6 4 In7 5 START 6 EOC 7 D3 8 OE 9 CLOCK 10 V cc 11 V ref+ 12 GND 13 D1 14 D2 15 V ref- 16 D0 17 D4 18 D5 19 D7 21 ALE 22 ADDC 23 ADDB 24 ADDA 25 In0 26 In1 27 In4 2 D6 20 In2 28 ADC0809 ADC1 ADC0809 +5 GND D0 D1 D2 GND D3 D4 D5 D6 D7 ST ST ST EOC EOC OE OECLK CLK D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 IN A 1 F 2 A 3 B 4 F 5 B 6 RL1 MQ-3 +5GND RA1 220 GND IN +5 k1 k2 k3 a bf c g d e V CC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS1 REDCA a bf c g d e V CC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS2 REDCA a bf c g d e V CC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS3 REDCA a bf c g d e V CC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS4 REDCA D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Q1 PNP Q2 PNP Q3 PNP Q4 PNP +5 R1 2.2k R2 2.2k R3 2.2k R4 2.2k +5 3 21 P1 POW ER 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 S1 +5 GND 四川科技职业学院毕业设计 授人以渔能力为本 第 17 页 附录 2 原程序 /程序头函数 #include /宏定义 #define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define Data_ADC0809 P1 /管脚声明 /ADC0809 sbit ST=P33; sbit E