毕业设计（论文）-基于51单片机的防醉酒驾驶设计.doc

目录目录 一、前言一、前言.3 二、酒精测试仪总体方案设计二、酒精测试仪总体方案设计.3 2.12.1 酒精浓度检测仪设计要求分析酒精浓度检测仪设计要求分析.3 2.22.2 酒精浓度检测仪设计方案酒精浓度检测仪设计方案.3 三、硬件设计三、硬件设计.4 3.13.1 传感器的选择传感器的选择.4 3.23.2 电压比较电路电压比较电路 .8 3.2.1 LM393 介绍.8 3.2.3 LM393 连线图.9 3.33.3 单片机系统单片机系统.10 3.3.1 STC12C5A16AD 的功能特性.11 3.3.2 STC12C5A16AD 的引脚说明.11 3.43.4 LCD1602LCD1602 液晶显示电路液晶显示电路 .12 3.53.5 键盘电路键盘电路 .14 3.63.6 报警电路报警电路 .15 3.6.1 灯光提示电路.16 3.6.2 声音报警电路.16 3.73.7 EEPROMEEPROM 阀值存储模块阀值存储模块 .16 四、软件设计四、软件设计.21 4.14.1 软件介绍软件介绍.21 4.24.2 主程序框图主程序框图.23 4.34.3 液晶显示程序框图液晶显示程序框图.23 五、测试结果及结论五、测试结果及结论.25 5.15.1 调试调试.25 5.25.2 结论结论.25 六、致谢六、致谢.26 七、参考文献：七、参考文献：.27 附图附图.28 附程序附程序.29 2 基于基于 5151 单片机的防醉酒驾驶设计单片机的防醉酒驾驶设计 全套设计加扣全套设计加扣 30122505823012250582 一、前言一、前言 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。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。自刑法修正案(八)和修改后的道路交通安全法正式实施， “醉酒驾驶”正式入刑。不仅交警部门，而且很多车主都期盼能够有便携仪器方便地 测量气体酒精浓度，为安全驾驶提供保障，有效减少重大交通事故的发生。 本研究设计的酒精浓度测试仪是一款实用性强、安全可靠的气体乙醇浓度检测工 具，采用高精度MQ-3乙醇气体传感器对空气中的乙醇浓度进行检测，利用宏晶公司高 性能低成本单片机STC12C5A16AD对检测信号进行A/D转换和处理，最后通过液晶屏显示 输出。本研究设计的酒精浓度测试仪还具有醉酒阈值设定功能，可以根据法律法规或 用户需要设定修改醉酒阈值，并进行保存。 二、酒精测试仪总体方案设计二、酒精测试仪总体方案设计 2.1 酒精浓度检测仪酒精浓度检测仪设计要求分析设计要求分析 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酒精浓度检测仪设计方案 3 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单片机 A/D转换器转换得到数据进行处理。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。 ，与设定的醉酒阈值进行比较，并显示或报警。 MQ-3气体传感器 信号调理电路 MQ-3传感器模块 模/数转换 电压/酒精浓度 转换 阈值比较外部EEPROM 醉酒阈值 模拟电压信号 酒精浓度显示过阈报警 STC12C5A16AD单片机 图图2-12-1 基本工作原理图基本工作原理图 三、硬件设计三、硬件设计 3.1 传感器的选择传感器的选择 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。 4 图图3-13-1 MQ3MQ3 结构和外形结构和外形 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。 AOUT A 1 F 2 A 3 B 4 F 5 B 6 RL3 MQ-3 R8 1k R75.1 C4 104 C5 104 GND +5V 图图3-23-2 MQ3MQ3 结构图结构图 MQ-3 传感器模块具有的特点： 1. 具有信号输出指示 2. 双路信号输出（模拟量输出及 TTL 电平输出） 3. 模拟量输出 0-5V 电压，浓度越高电压越高 4. 对乙醇蒸汽具有良好的选择性和很高的灵敏度 5. 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 5 6. 快速的响应恢复特性 MQ-3的性能参数 1）MQ-3标准工作条件表 表 3-1 MQ-3 标准工作条件表 符号参数名称技术条件备注 Vc 回路电压 15VAC or DC VH 加热电压 5.0V0.2VAC or DC RL 负载电阻可调 RH 加热电阻 313 室温 PH 加热功耗 900mW 2）MQ-3工作环境环境条件表 表 3-2 MQ-3 工作环境环境条件表 符号参数名称技术条件备注 Tao 使用温度 -10-50 Tas 储存温度 -20-70 RH 相对湿度 小于95%RH O2 氧气浓度 21%(标准条件) 氧气浓度会影响灵敏度特 性 最小值大于 2 3）MQ-3灵敏度特性表 表 3-3 MQ-3 灵敏度特性表 符号参数名称技术参数备注 Rs 敏感体电阻1M 8M (200ppm alcohol ) 适用范 围： 10100 0ppm 6 （200/100） alcohol 浓度斜率 0.6 标准工作条 件 温度： 202 Vc:5.0V0.1V 相对湿度： 65%5% Vh: 5.0V0.1V 预热时间不少于24小时 Alcohol 表 3-4 MQ-3 气敏元件的组成材料表 部件材料 1 气体敏感层二氧化锡 2 电极金（Au） 3 测量电极引线铂（Pt） 4 加热器镍铬合金（Ni-Cr） 5 陶瓷管三氧化二铝 6 防爆网100目双层不锈钢（SUB316） 7 卡环镀镍铜材（Ni-Cu） 8 基座胶木 9 针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu） MQ-3 型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值，变化如图3-3所 MQ-3 0.1 1 10 100 0.1110 mg/L Rs/Ro Alcohol Benzine CH4 Hexane LPG CO Air 7 示。 在不同温湿度的条件下，变化如图3-10，因此在使用此类型气敏元件时，灵敏度 的调整是很重要的。 图 3-4 MQ-3 的灵敏度特性图（温度：20、相对湿度：65%、氧气浓度： 21%、RL=200k） 图 3-4 MQ-3 型气敏元件的温湿度特性图 Ro: 20，33%RH条件下，200ppm的乙醇蒸汽中元件电阻。 Rs: 不同温度，湿度下，200ppm 的乙醇蒸汽中元件电阻。 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。MQ-3 乙醇气体传感器可以应用用于机动车驾驶人员及其他严禁 酒后作业人员的现场检测，也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。 主要技术指标： Rs/Ro-Temp 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 -100102030405060 Temp Rs/Ro 33%RH 85%RH 8 3.2 电压比较电路电压比较电路 3.2.1 LM393 介绍 LM393 主要特点如下： （1）工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：236V，双电源: 118V； （2）消耗电流小，Icc=0.8mA； （3）输入失调电压小，VIO=2mV； （4）共模输入电压范围宽，Vic=0Vcc-1.5V； （5）输出与 TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容； （6）输出可以用开路集电极连接“或”门； 采用双列直插 8 脚塑料封装（DIP8）和微形的双列 8 脚塑料封装（SOP8） 。LM393 引脚图及内部框图如下图所示： 9 图 3-4 LM393 引脚图 LM393 是高增益,宽频带器件,象大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电 容而产生耦合,则 很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电 压过渡的间隙.电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准 PC 板的设计对减小输入输 出寄生电容耦合是有助的.减小输入电阻至小于 10K 将减小反馈信号,而且增加甚至很 小的正反馈量(滞回 1.010mV)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振 荡.除非利用滞后,否则直接插入 IC 并在引脚上加上电阻将引起输入输出在很短的转 换周期内振荡,如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞回将不需要。 比较器的所有没有用的引脚必须接地. LM393 偏置网络确立了其静态电流与电源电 压范围 2.030V 无关。 通常电源不需要加旁路电容，差分输入电压可以大于 Vcc 并不 损坏器件.保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V。LM393 的输出部分是集电极 开路,发射极接地的 NPN 输出晶体管,可以用多集电极输出提供或 OR ing 功能。输出负 载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上,不受 Vcc 端电压值的限制。 此输出能作为一个简单的对地 SPS 开路(当不用负载电阻没被运用),输出部分的陷电流 被可能得到的驱动和器件的 值所限制.当达到极限电流(16mA)时,输出晶体管将退出 而且输出电压将很快上升。输出饱和电压被输出晶体管大约 60ohm 的 SAT 限制。当 负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压(约 1.0mV)允许 输出箝位在零电平。 3.2.3 LM393 连线图 LM393 电压比较图如图 3-5： 10 A OU T DOUT A 1 F 2 A 3 B 4 F 5 B 6 RL3 MQ -3 R8 1k R75.1 C4 104 C5 104 O UT 1 IN 2 A C 3 G ND 45 6 7 V CC 8 LM393 RT1 10k R1 10k G ND G ND +5V +5V 图图 3-53-5 LM393LM393 电压比较图电压比较图 3.3 单片机系统单片机系统 本设计选用宏晶公司高性能单片机 STC12C5A16AD，其管脚如图 3-6 所示。 图 3-6 STC12C2052AD 单片机管脚图 STC12C5A16AD是宏晶科技生产的新一代8051单片机，包含有中央处理器（CPU） 、 程序存储器（FLASH） 、数据存储器（SRAM） 、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接 11 口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶振振荡等模块， 几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块。 STC12C5A16AD单片机相比传统C51功能更加强大，有些特殊功能寄存器被扩展为专 用的特殊寄存器。 3.3.1 STC12C5A16AD的功能特性 STC12C5A16AD的具体功能特性如下： （1） 高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快812倍。 （2） 宽电压：3.35.5V。 （3） 增加外部掉电检测电路，可在掉电时及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需 操作EEP。 （4） 增加第二复位功能脚， （高可靠复位，可调复位门槛电压，频率小于12Hz,无需 此功能） 。 （5） 低功耗设计：空闲模式（可由任意一个中断唤醒） ；掉电模式（可由外部中断唤 醒） ，可支持下降沿/上升沿和远程唤醒。 （6） 工作频率：035MHz,相当于普通8051:04205MHz。 （7） 时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置。 （8） 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节片内FLASH程序存储器，擦写次数10万次 以上。 （9） 1280字节片内RAM数据存储器。 （10） 芯片内EEPROM功能，擦写次数10万次以上。 （11） ISP/IAP，在系统可编程/在在应用可编程，无需编程器/仿真器。 （12） 8通道，10位高速ADC,高速可达25万次/秒，2位PWM还可当2路D/A使用。 （13） 2通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP）,也可用来再实现2个定时器或2个外部中 断（支持上升沿/下降沿中断） 。 （14） 4个16位定时器，兼容8051的定时器T1/T0，2路PCA实现2个定时器。 （15） 可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟，BRT在P1.0输 出时钟。 （16） 硬件看门口（WDT） 。 （17） 高速SPI串行通信端口。 （18） 全双异步串行口（UART） ，兼容普通8051串口。 （19） 先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令。 （20） 通用I/O口（37/40/44个） ，复位后为准双向口/弱上拉（普通8051 I/O口）可 设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每 个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不超过100mA。 3.3.2 STC12C5A16AD的引脚说明 12 单片机采用 40 引脚的双列直插封装方式。图 3-2 为引脚排列图，40 条引脚说明 如下： 1）主电源引脚 Vss 和 Vcc 2）外接晶振引脚 XTAL1 和 XTAL2 3）控制或与其它电源复用引脚 RST，ALE 和 NA 4）输入/输出引脚 P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7，P3.0P3.7 （1）P0 口（P0.0P0.7）是一个漏极开路型准双向 I/O 口。在访问外部存储器时， 它是分时多路转换的地址(低 8 位)和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电 阻。 （2）P1 口（P1.0P1.7）是带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在 EPROM 编程和程 序验证时，它接收低 8 位地址。 （3）P2 口（P2.0P2.7）是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在访问外部 存储器时，它送出高 8 位地址。在对 EFROM 编程和程序验证期间，它接收高 8 位地址。 （4）P3 口（P3.0P3.7）是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在访问外部 存储器时，它送出高 8 位地址。在对 EFROM 编程和程序验证期间，它接收高 8 位地址。 3.4 LCD1602 液晶显示电路液晶显示电路 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、专用符号和图形。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。发光管和 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和亮度，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，和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和驱动 IC 上，因而耗电量 比其它显示器要少得多。 （1）引脚说明： 第 1 脚：VSS 为地电源。 第 2 脚：VDD 接 5V 正电源。 第 3 脚：VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度 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。 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5 脚：R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 13 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。 第 15 脚：背光源正极。 第 16 脚：背光源负极。 （2）1602LCD 的 RAM 地址映射以及标准字库表 LCD1602 液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了 160 个不同的点阵字符图形， 这些字符图有：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。 它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的（说明：1 为高电平， 0 为低电平） 。 指令 1：清显示，指令码 01H，光标复位到地址 00H 位置。 指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H 。 指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 。S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效 。 指令 4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电 平表示关显示。 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标。 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 。 指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 。 指令 6：功能设置命令 DL：高电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线。 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示。 F：低电平时显示 5X7 的点阵字符， 高电平时显示 5x10 的点阵字符 （有些模块是 DL：高电平时为 8 位总线，低电平时 为 4 位总线） 。 指令 7：字符发生器 RAM 地址设置 。 指令 8：DDRAM 地址设置 。 指令 9：读出忙信号和光标地址。 BF 为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能 接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙，模块就能接收相应的命令或者数据。 指令 10：写数据 。 指令 11：读数据 。 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙 标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址， 也就是告诉模块在哪里显示字符。 1602 内部显示地址如图 3-14 所示： 图 3-7 1602 内部显示地址 14 例如第二行第一个字符的地址是 40H，那么是否直接写入 40H 就可以将光标定位 在第二行第 一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位 D7 恒定 为高电平 1，所以实际写入的数据应该是 01000000B（40H）+10000000B(80H) =11000000B(C0H) 。在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示 字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处 于忙的状态。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，如下图所示，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”。 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性， 通过电压对其显示区域进行控制，有电 就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路 直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄 像机、PDA 移动通信工具等众多领域。 本设计的灰度调节是采用 10k 电阻和 1k 电阻分压的形式，灰度适中。 液晶显 示电路如下 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1602 16PIN +5 G ND RS G ND LCDEN +5 G ND +5 R5 1k R6 10K G ND 图图 3-83-8 液晶显示电路液晶显示电路 3.5 键盘电路键盘电路 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和矩阵式键盘两种：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 口与地短路迫使 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。 15 在用单片机对键盘处理的时候涉及到了一个重要的过程，那就是键盘的去抖动。这里 说的抖动是机械的抖动，是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳定正常现象， 并不是我们在按键时通过注意可以避免的。这种抖动一般 10200 毫秒之间，这种不稳 定电平的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟是微秒的单片机而言则是慢长的。 硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理，软件去抖动不是去掉抖动，而是避 抖动部分的时间，等键盘稳定了再对其处理。所以这里选择了软件去抖动，实现法是 先查寻按键当有低电平出现时立即延时 10200 毫秒以避开抖动（经典值为 20 毫秒） ， 延时结束后再读一次 I/O 口的值，这一次的值如果为 1 表示低电平的时间不到 10200 毫秒，视为干扰信号。当读出的值是 0 时则表示有按键按下，调用相应的处理程序。 硬件电路如图 3-9 所示： K3 HH- K2 HH+ GND 图图 3-93-9 按键电路按键电路 3.6 报警电路报警电路 16 L2 warn1 1 A 2 K L3 warn2 +5V R6 1k R5 1k Q1 9012 LS1 SPEAKER R11 2.2k SF1 SW SPST +5V GND 图图 3-103-10 声光报警电路声光报警电路 3.6.1 灯光提示电路 LED 英文单词的缩写，主要含义：LED = Light Emitting Diode，发光二极管，是一 种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光；它改变 了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED 的 特点非常明显，寿命长、光效高、辐射低与功耗低。作为目前全球最受瞩目的新一代 光源，LED 因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是 21 世纪最有发展前景的绿色照明光源。我国的 LED 产业起步于 20 世纪 70 年代，经过近 40 年的发展，产品广泛应用于景观照明和普通照明领域，我国已成为世界第一大照明 电器生产国和第二大照明电器出口国。近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的 不断深入，LED 制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用， 各种颜色的超高亮度 LED 取得了突破性进展，其发光效率提高了近 1000 倍，色度方 面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光 LED 的出现，使 LED 应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出，高亮度 LED 将是 人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。 本设计利用 LED 指示酒精是否 超标。 3.6.2 声音报警电路 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、 打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中 作发声器件。 ；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电 17 路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、 “LB”、 “JD”等）表示。1压电式蜂鸣器 压电 式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的 压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。 多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V 直流工作电压）, 多谐振荡器起振,输出 1.52.5kHZ 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电 极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。 电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。 接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。 振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互缠绕 蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：一个三极管、一个蜂鸣器、一个限流 电阻。 蜂鸣器为发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣 器）就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电 流、驱动方式（直流/方波）等。这些都可以根据需要来选择。本设计采用有源蜂鸣器。 三极管 Q1 起开关作用，其基极的低电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基 极高电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。 3.7 EEPROM 阀值存储阀值存储模块模块 (1) 工作电压：1.8V5.5V； (2) 输入/输出引脚兼容5V； (3) 应用在内部结构：1288(1K),2568(2K),5128(4K),10248(8K), 20488(16K)； (4) 二线串行接口； (5) 输入引脚经施密特触发器滤波抑制噪声； (6) 双向数据传输协议； (7) 兼容400KHz（1.8V,2.5V,2.7V,3.6V）； (8) 支持硬件写保护； (9) 高可靠性； (10) 读写次数：1,000,000 次； (11) 数据保存：100 年。 AT24C02 是一个 2K 位串行 CMOS EEPROM， 内部含有 256 个 8 位字节，CATALYST 公 司的先进 CMOS 技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02 有一个 16 字节页写缓冲器。该 器件通过 IIC 总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。 18 AT24C02 支持 IC，总线数据传送协议 IC，总线协议规定任何将数据传送到总线的 器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟 和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器， 但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，通过器件地址输入端 A0、A1 和 A2 可以实现将最多 8 个 AT24C02 器件连接到总线上。 R10 10k +5V A0 1 A1 2 A2 3 Vss 4 Vcc 8 WP 7 SCL 6 SDA 5 U2 24C01A R9 10k GND 2402_SCL 2402_SDA 图 3-11 EEPROM 阀值存储模块 AT24C02的外部特性（引脚功能）： 表 3-7 引脚功能表 引脚功能标号说明 A01 A12 A2 器件 地址 输入 3 24C02 的硬件连接的器件地址输入引脚。24C02 在一个 总线上最多可寻址 8 个 2K 器件，A0、A1、A2 内部必 须连接。24C02 仅使用 A1、A2 作为硬件连接的器件地 址输入引脚，在一个总线上最多可寻址 4 个 4K 器件， A0 引脚内部未连接。这些输入脚用于多个器件级联时 设置器件地址，当这些脚悬空时默认值为 0。当使用 AT24C02 时最大可级联 8 个器件。如果只有一个 AT24C02 被总线寻址，这三个地址输入脚 （A0、A1、A2 ）可悬空或连接到 Vss，如果只有一个 AT24C02 被总线寻址这三个地址输入脚（A0、A1、A2 ）必须连接到 Vss。 19 Vss 地 4 接地 SDA 串行 数据 输入/ 输出 5 AT24C02 双向串行数据/地址管脚用于器件所有数据的 发送或接收，SDA 是一个开漏输出管脚，可与其它开 漏输出或集电极开路输出进行线或（wire-OR）。 AT24C02 双向串行数据/地址管脚用于器件所有数据的 发送或接收，SDA 是一个开漏输出管脚，可与其它开 漏输出或集电极开路输出进行线或（wire-OR）。 SCL 串行 时钟 输入 6 AT24C02 串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发 送或接收的时钟，这是一个输入管脚。在 SCL 输入时 钟信号的上升沿将数据送入， EEPROM 器件,并在时钟 的下降沿将数据读出。 WP 写保 护 7 如果 WP 管脚连接到 Vcc，所有的内容都被写保护只能 读。当 WP 管脚连接到 Vss 或悬空允许器件进行正常 的读/写操作。 Vcc 电源 8 正电源电压 AT24C02 的工作原理： 表 3-8 器件操作工作原理表 器件操作操作说明 时钟及数据传输SDA 引脚通常被外围器件拉高。SDA 引脚的数据应在 SCL 为低 时变化；当数据在 SCL 为高时变化，将视为下文所述的一个 起始或停止命令。 起始命令当 SCL 为高，SDA 由高到低的变化被视为起始命令，必须以 起始命令作为任何一次读/写操作命令的开始。 停止命令当 SCL 为高，SDA 由低到高的变化被视为停止命令，在一个 读操作后，停止命令会使 EEPROM 进入等待态低功耗模式。 应答所有的地址和数据字节都是以 8 位为一组串行输入和输出的。 每收到一组 8 位的数据后，EEPROM 都会在第 9 个时钟周期时 返回应答信号。每当主控器件接收到一组 8 位的数据后，应 当在第 9 个时钟周期向 EEPROM 返回一个应答信号。收到该 应答信号后，EEPROM 会继续输出下一组 8 位的数据。若此时 20 没有得到主控器件的应答信号，EEPROM 会停止读出数据，直 到主控器件返回一个停止命令来结束读周期。 等待模式24C02 特有一个低功耗的等待模式。可以通过以下方法进入 该模式：(a)上电;(b)收到停止位并且结束所有的内部操作后。 器件复位在协议中断、下电或系统复位后，器件可通过以下步骤复位： （1）连续输入 9 个时钟；（2）在每个时钟周期中确保当 SCL 为高时 SDA 也为高；（3）建立一个起始条件。 AT24C02 工作时总线各个时序图如下： 1）写周期时序图 图 3-12 写周期时序图 2）数据有效时序图 图 3-13 数据有效时序图 3）起始与停止时序图 21 图 3-14 起始与停止时序图 22 四、软件设计四、软件设计 4.1 软件介绍软件介绍 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统， 与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易 学易用。用过汇编语言后再使用 C 来开发，体会更加深刻。 Keil C51 软件提供丰富 的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。另外重要的一点，只要 看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高， 多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的 优势。下面详细介绍 Keil C51 开发系统各部分功能和使用。 Keil_c 软件界面如图 图图 4-14-1 KEIL_CKEIL_C 软件界面软件界面 Protel99SE 是 PORTEL 公司在 80 年代末推出的 EDA 软件。Protel99SE 是应用于 Windows9X/2000/NT 操作系统下的 EDA 设计软件，采用设计库管理模式，可以网设计， 具有很强的数据交换能力和开放性及 3D 模拟功能，是一个 32 位的设计软件，可以完 成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计 32 个信 号层，16 个电源-地层和 16 个机加工层。 Protel99SE 软件的特点： (1)可生成 30 多种格式的电气连接网络表； (2)强大的全局编辑功能； (3)在原理图中选择一级器件， PCB 中同样的器件也将被选中； 23 (4)同时运行原理图和 PCB，在打开的原理图和 PCB 图间允许双向交叉查找元 器件、引脚、网络 (5)既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注 释（由 PCB 到原理图），以保持电气原理图和PCB 在设计上的一致性； (6)满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出， GB4728 国标库）； * 方便 易用的数模混合仿真（兼容 SPICE 3f5）； (7)支持用 CUPL 语言和原理图设计 PLD，生成标准的 JED 下载文件； * PCB 可设计 32 个信号层， 16 个电源-地层和 16 个机加工层； (8)强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查； (9)智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺； (10)提供大量的工业化标准电路板做为设计模版； Protel99SE 的工作界面是一种标准的 Windows 界面，如图所示，包括：标题栏、主菜 单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿 真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。 图图 4-24-2 PRTEL99SEPRTEL99SE 软件界面软件界面 24 4.2 主程序框图主程序框图 主程序的设计主要是综合考虑本设计要达到的功能要求，要进行数据、定时器、A/D 转换等的初始 化，实时采集 MQ-3 酒精传感器模块输出的数据信息，并采集阀值存储模块的数据，进行的相应的 处理，实现 1602 实时显示被测气体中的酒精浓度和报警阀值，浓度超过阀值会发光报警提示。主 程序流程图如下图所示： 数据初始化 A/D转换初始化 定时器初始化 显示初始化 进入后台while循环 触发A/D转换 换算酒精浓度 酒精浓度显示 超过阈值吗？ 有键按下吗？按键处理 酒精浓度显示 报警 是 是 否 否 图图 4-34-3 主程序框图主程序框图 4.3 液晶显示程序框图液晶显示程序框图 主程序实现的功能：与硬件相结合实现酒精浓度检测系统的各个功能。主要是检测与显示，门 限调整与显示，检测数据显示功能子函数的调用。显示流程图如图 4-1 所示。 25 忙？ 初始化 LCD 读显数据 开始 是 否 图 4-4 LCD1602 程序流程图 26 五、测试结果及结论五、测试结果及结论 5.1 调试调试 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。 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单片机的管脚，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。 5.2 结论结论 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，并且老师只给出了大致要求。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，虽然以前还做过这方面的实验，但那都是是些简单应用。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，下了非常大的功夫才最 后弄出来。 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，才能真正为社会服务，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。 27 六、致谢六、致谢