基于单片机的汽车醉酒禁驾系统设计.doc

摘 要 随着科技的进步 智能产品在社会生产和人们生活等方面扮演着越来越重要 的角色 在我们的日常生活中智能产品已经随处可见 本文以 STC89C52 单片机 和酒精传感器MQ 3 为核心部分 设计制造一种基于单片机的汽车醉酒禁驾系 统 该系统在酒精浓度超标的环境下可以自动控制汽车禁止启动 为减少酒后驾 车造成的交通事故提供了帮助 同时该系统还具有声光报警 LCD 显示的功能 并且该系统可以使用在不同的监控环境下 可根据不同的环境设置不同的阈值 超过阈值即进行声光报警 并自动禁止启动汽车 该设计方案的优点是硬件电路 设计简单 软件功能采用 C 语言编程 方便灵活 而设计用的酒精传感器具有灵 敏度高 工作性能好 低功耗 低成本等优点 该系统不仅可以运用在交通检测 中 还可以使用在酒厂和食品工厂发酵监控等场所 关键词 醉酒禁驾 STC89C52 单片机 酒精传感器 阈值 Abstract With the progress of science and technology intelligent products in social production and people life playing an increasingly important role in our daily life intelligent products has been everywhere This paper takes the STC89C52 single chip and alcohol sensor MQ 3 as the core part the design and manufacture of a drunken driving ban of car based on single chip system The system in the alcohol concentrations exceed the standard environment can automatically control the motor start up prohibited as in reducing drunk driving traffic accidents caused by the offers of help At the same time the system also has a sound and light alarm LCD display function And the system can be used in different monitoring environment according to different environmental settings of different thresholds exceeds a threshold that sound and light alarm and automatically banned and start the car The design scheme has the advantages of simple hardware circuit design software function is the use of C language programming convenient and flexible Design and use of alcohol sensor has high sensitivity good working performance low power consumption low cost and other advantages The system not only can be used in traffic detection may also use in the winery and food plant fermentation monitoring etc Key words A drunken driving ban STC89C52 single chip microcomputer Alcohol sensors Threshold value I 目 录 第第 1 章章 概述概述 1 1 1 选题的依据和课题的意义 1 1 2 选题的目的 1 1 3 国内外研究概况 2 1 4 课题研究方法 3 1 5 设计构成及研究内容 3 第第 2 章章 系统的工作原理与结构系统的工作原理与结构 4 2 1 系统的工作原理 4 2 2 系统的结构框图 4 2 3 系统的整体结构特点 5 2 4 系统的设计内容 6 2 5 本章小结 6 第第 3 章章 汽车醉酒禁驾系统的硬件设计汽车醉酒禁驾系统的硬件设计 7 3 1 单片机的选择 7 3 2 酒精浓度检测的设计 12 3 3 按键设定阈值及阈值存储电路的设计 16 3 4 液晶接口电路的设计 17 3 5 声光报警电路的设计 18 3 6 单片机供电与程序下载电路 19 3 7 晶振电路的设计 20 3 8 复位电路的设计 21 3 9 系统继电器控制电路的设计 21 3 10 系统完整电路图 22 3 11 本章小结 23 II 第第 4 章章 系统的软件实现系统的软件实现 24 4 1 A D 转换的软件实现 24 4 2 阈值设定及显示的软件控制 25 4 3 整体软件控制流程 26 4 4 本章小结 28 第第 5 章章 系统的调试和实物图系统的调试和实物图 29 5 1 单片机安装的程序调试 29 5 2 按键修改酒精阈值程序 29 5 3 酒精传感器 TTL 输出测试程序 30 5 4 整体功能调试程序 31 5 5 系统的硬件调试过程 32 5 6 系统的实物图 33 5 7 本章小结 33 结论结论 34 参考文献参考文献 35 致致 谢谢 36 附附 录录 37 东北石油大学本科生毕业设计 论文 1 第 1 章 概述 1 1 选题的依据和课题的意义 根据 WTO 数据 2003 年全世界人均纯酒精消费量为 6 2L 其中欧洲地区人 均纯酒精消费量达 11 9L 美洲地区人均消费量为 8 7L 俄罗斯及其周边的东欧 国家酒精消费量最高 其次为欧洲其他国家 在人均国民生产总值低于 7000 美 元的低收入国家 酒精消费量与人均国民生产总值有关 人均国民生产总值越高 这个国家或者地区的酒精消费量也就越高 随着我国近些年来高速发展的经济水 平和居民生活水平 私家车的占有率直线上升 几乎做到每家都有一台或者几台 私家车了 但是 随着私家车的普及 带来了交通事故的频频发生 特别是因为 酒后驾车所引发的交通事故 给自己和他人的生命财产带来严重的威胁 同时也 给国家和社会带来了巨大的经济损失 因此 对于每辆汽车安装智能的醉酒禁驾 系统是很重要的 在每次驾驶之前自行检测酒精浓度再决定驾驶员是否可以安全 驾驶 这不仅是对自己赋有责任感的表现 也是对国家 对社会赋有责任感的表 现 酒后驾车上路的危害一是触觉能力下降 科学研究发现 驾驶员在没有饮酒 的情况下行车 发现前方有危险情况 从视觉感知到踩制动器的动作中间的反应 时间为 0 75 秒 饮酒后尚能驾车的情况下反应时间要减慢 2 至 3 倍 同速行驶下 的制动距离也要相应延长 这大大增加了出事的可能性 饮酒后驾车 因酒精麻 醉作用 人的手 脚触觉较平时降低 往往无法正常控制油门 刹车及方向盘 二是判断能力和操作能力降低 饮酒后 人对光 声刺激的反应时间延长 从而 无法正确判断距离和速度 三是视觉障碍 饮酒后会使视力暂时受损 视像不稳 辨色力下降 因此不能发现和正确领会交通信号 标志和标线 饮酒后视野还会 大大减小 视像模糊 眼睛只盯着前方目标 对处于视野边缘的危险隐患难以发 现 1 2 选题的目的 汽车的普及 虽然给人们带来了很大的出行方便 但随之而来也有很大的伤 害 据统计 全球每年死于道路交通事故的人数已超过 120 万 其中 95 的事 故死亡是由于酒后驾车引起的 为了减少酒后驾车带来的危险 我国采取了严厉 东北石油大学本科生毕业设计 论文 2 的法律制裁那些酒后驾车的人 可是还是有很多人以身试法造成难以挽救的灾难 为了减少因酒后驾车引发的交通事故 全世界都在研究有效 灵敏的检查酒 精浓度仪器 为了检查酒驾 警察常常使用一种便携式的酒精呼吸检测仪 通过 检测驾驶员呼出的气体判断驾驶者是否饮酒 而目前使用的酒精呼吸检测仪只能 初步显示驾驶员是否饮酒 具体酒精浓度含量还得通过血液检测才能测得 从理 论上说 要判断是否是酒后驾驶 最简单可行的方法是现场检测驾驶人员呼气中 的酒精含量 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 根据国家质量监督检验检疫局发布的 车辆驾驶人员血液 呼 气酒精含量阈值与检验 GB19522 2004 中规定 该规定指出 饮酒驾车是指 车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于 20mg 100ml 小于 80mg 100ml 的 驾驶行为 醉酒驾车是指车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于 80mg 100ml 的驾驶行为 为了能精确的测量出驾驶员是否属于酒后驾车 同时为 了减少酒后驾车引起的交通事故我设计了本系统 1 3 国内外研究概况 受 20 世纪信息技术快速发展的影响 传感技术逐渐走向成熟 在生活生产 中得到了广泛的应用 由于传感器在各个领域都有着举足轻重的作用 因此 高 精度 高可靠性 微型化 低功耗和智能数字化成了其发展方向 为了检查酒驾 警察常常使用一种便携式的酒精呼吸检测仪 通过检测驾驶员呼出的气体判断驾 驶者是否饮酒 而目前使用的酒精呼吸检测仪只能初步显示驾驶员是否饮酒 具 体酒精浓度含量还得通过血液检测才能测得 后来英国推出一种超级酒精呼吸检 测仪 能够根据体温 呼吸频率等情况 当场判断出驾驶员体内的酒精含量 由 此可见 高精度 高可靠性 微型化以及低功耗是酒精浓度检测仪今后发展的主 流方向 迄今为止 对气体中酒精含量进行检测的设备有燃料电池型 半导体型 红外线型 气体色谱分析型和比色型五种类型 但由于其他检测方法复杂且可操 作性低 燃料电池型和半导体型受到大家的广泛关注 燃料电池是当前世界都在广泛研究的环保型能源 它可以直接把可燃气体转 变成电能 而不产生污染 酒精传感器只是燃料电池的一个分支 燃料电池酒精 传感器采用贵金属白金作为电极 在燃烧室内充满特种催化剂 是进入燃烧室内 的酒精充分燃烧转变为电能 也就是在两个电极上产生电压 电能消耗在外接负 载上 此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比 与半导体型相比 燃料电 池型呼气酒精测试仪具有稳定性好 精度高 抗干扰性好的优点 但是由于燃料 电池酒精传感器的结构要求非常精密 制造难度相当大 目前仅在美国 英国 东北石油大学本科生毕业设计 论文 3 德国等少数几个国家能够生产 加上材料成本高 价格昂贵 通常是半导体传感 器的几十倍 东北石油大学本科生毕业设计 论文 3 1 4 课题研究方法 1 文献索引法 利用学校图书馆资料和文献及通过网络查询相关资料对 本课题有足够深的了解 为本设计的具体模块电路做好理论准备 2 调查法 与身边的同学和朋友进行交流 充分考虑本设计实现的功能 尽可能完善该设计的功能 3 对比分析法 与目前市场上相关产品进行比较 发现该醉酒禁驾系统 存在的不足以及可以优化的部分 加以改进 1 5 设计构成及研究内容 该控制系统以 52 内核单片机和气敏酒精传感器为核心 具有声光报警和 LCD 显示功能 为了满足不同环境下的检测 可以根据不同的环境设置不同的阈 值 超过阈值即进行声光报警 提示危害 软件编程采用的是 C 语言 设计主要 包括以下内容 第 1 章 概述了国内外对醉酒驾驶的关注 介绍了选题的背景 意义 目的 以及选题的研究方法 第 2 章 介绍基于单片机的汽车醉酒禁驾系统的工作原理和结构 第 3 章 基于单片机的汽车醉酒禁驾系统的硬件设计 给出系统的完整电路 图 并介绍该系统应用到的各种器件工作原理和接线图 第 4 章 主要讲述了系统的软件实现部分和系统流程图 第 5 章 介绍系统的软 硬件调试过程 并且给出完整的实物图 东北石油大学本科生毕业设计 论文 4 第 2 章 系统的工作原理与结构 2 1 系统的工作原理 汽车醉酒禁驾系统是检测驾驶员所处环境中的酒精浓度 在 LCD 显示器上 显示出检测的结果数值并且当检测值超过设定阈值时 禁止汽车启动 同时本设 计所做的控制系统除具有这个基本功能外 还可通过手动随意设置酒精浓度的阈 值 以划定不同环境条件下酒精的安全界限 同时具有声光报警功能 它主要由 酒精传感器 模数转换器 单片机 LCD 显示 键盘模块 继电器部分以及声光 报警部分组成 汽车醉酒禁驾系统以单片机为核心部件 单片机选择 STC89C52 型号 该芯 片为 52 内核 8 位单片机 内部集成了数据传输及转换模块 适用于常用检测电 路 该系统还需外接额外的 A D 转换器 本系统数据的采集由酒精传感器 MQ 3 2 完成 酒精传感器将检测的酒精浓度 转换为电信号 然后将电信号传递给单片机 由于单片机内部具有自己的模数 转换器 所以不需要外接单独的模数转化器 经过 ADC0804 模数转换器转换成 数字信号 同时单片机对所得到的数字信号进行分析处理 最后将分析处理的结 果通过 LCD 显示器显示出来 同时与根据键盘设定的酒精浓度阈值进行比对 如果检测到所处环境中的酒精浓度超过设定的阈值界限 那么单片机将会控制蜂 鸣器发出声音报警并且点亮发光二极管以提示危害 同时单片机通过控制继电器 的导通来控制汽车的启动与否 2 2 系统的结构框图 硬件系统结构框图如下图 2 1 所示 东北石油大学本科生毕业设计 论文 5 LCD 显示 独立按键 单片机 酒精传感器 A D 转换 声光报警 继电器工作 图 2 1 系统结构框图 系统主要由酒精传感器模块 模数转换器模块 键盘模块 LCD 显示模块 声光报警模块 继电器模块组成 通过单片机把这些模块有序的组合在一起 实 现该系统的自动控制过程 本设计使用 STC89C52 单片机为核心元件 该单片机内部无 A D 转换器 还 需外接单独的 A D 转换器 传感器选择最新型酒精传感器 MQ 3 该传感器对乙醇蒸汽有很高的灵敏度 和良好的选择性 具有快速的响应和恢复特性 长期的寿命和可靠的稳定性 以 及简单的驱动电路 液晶显示器选择为 LCD1602 LCD1602 可显示两行英文字符 且内带 ASCII 字符库 独立按键 用于存储酒精阈值浓度 该存储器实现修改酒精阈值浓度的过程 可以使本设计应用在不同环境下 本设计具有声光报警功能 如果传感器检测到的酒精浓度比酒精阈值浓度高 本设计会出现声光报警 本设计控制汽车禁止启动部分选择普通小车进行模拟 当传感器检测到的酒 精浓度高于酒精阈值浓度时 本设计通过继电器控制小车开关回路自动断开来实 现禁驾功能 2 3 系统的整体结构特点 本文设计的汽车醉酒禁驾系统具有如下特点 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 键盘响 应电路和继电器电路 无需其他计算机 用户就可与之进行交互工作 完成数据 东北石油大学本科生毕业设计 论文 6 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 灵敏度高等特点 3 从便携式的角度出发 系统通过键盘设置酒精浓度的阈值 结合单片 机的控制 实现了人机交互操作 界面友好 4 软件系统采用 C 语言进行编写 在兼顾实时性处理的同时 也方便了 对数据的处理 2 4 系统的设计内容 1 主控芯片的选择 在此设计中选择了 C51 系列单片机 熟悉 C51 系列 1 芯片怎样控制外围硬件电路 2 酒精浓度检测模块的设计 酒精浓度常用酒精传感器来检测 3 了解该 传感器的工作原理 制作数据采集模块完成数据的采集 3 键盘模块的设计 要通过键盘完成设定不同环境中酒精浓度的阈值 4 声光报警模块的设计 超过设定的阈值直观地给予警示 5 液晶显示模块的设计 准确显示出检测到的数据 6 继电器控制启动模块的设计 根据检测到的酒精浓度来实时的控制汽 车的启动 7 各个硬件模块电路衔接 8 PCB 的布板 元件焊接及功能调试 2 5 本章小结 本章说明了基于单片机的汽车醉酒禁驾系统的工作原理和系统的结构 当系 统所处的环境中酒精浓度超过设定阈值浓度时 单片机通过控制继电器的导通 实现对汽车禁止启动的控制 并且系统还具有声光报警和 LCD 显示的功能 东北石油大学本科生毕业设计 论文 21 第 3 章 汽车醉酒禁驾系统的硬件设计 3 1 单片机的选择单片机的选择 3 1 1 单片机概述 MCS 51 单片机是美国 Intel 公司于 1980 年推出的一款相当成功的产品 该 系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品之一 该系列单片机是在一块芯片中 集成了 CPU RAM ROM 定时器 计时器和多种功能的 I O 线等一台计算机所 需要的基本功能部件 该系列单片机主要包括 8031 8051 8751 和 80C51 等通 用产品 MCS 51 单片机中 64K 字节程序存储器的地址空间是统一的 对于内 部 ROM 的单片机 在正常运行时 应把 EA 非引脚接高电平 使程序从内部 ROM 开始执行 当 PC 值超出内部 ROM 的容量时 会自动转向外部程序存储器空间 因此外部程序存储器地址空间为 1000H FFFFH 对这类单片机 若把接低EA 电平 可用于调试程序 即把药调试的程序放在与内部 ROM 空间重叠的外部程 序存储器内 进行调试和修改 8031 单片机无内部程序存储器 地址从 0000H FFFFH 都是外部程序存储器空间 因此应始终接低电平 使系统只EA 从外部程序存储器中取址 本次设计选用的是 STC89C52 单片机 4 STC89C52 单 片机是低功耗 高性能的 CMOS8 位微控制器 具有 4K 系统可编程 Flash 存储器 使用宏晶高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼 容 片上 Flash 允许程序存储器在系统上可编程 亦适于常规编程器 在单芯片 上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 存储器 使得 STC89C52 单片机 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 超有效的解决方案 STC89C52 单片机 具有以下标准功能 8 字节的 Flash 256 字节的 RAM 32 位的 I O 口线 看门 狗定时器 2 个数据指针 2 个 16 位定时器 计数器 1 个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 除此 STC89C52 单片机内无 AD 转换功 能 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续 工作 掉电保护方式下 内容被保存 振荡器被冻结 东北石油大学本科生毕业设计 论文 22 3 1 2 STC89C52 单片机功能介绍 在自动化控制领域 单片机 微控制器 是一种重要的控制设备 单片机也被 称为微控制器 Microcontroller Unit 常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机 单片机又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个计算 机系统集成到一个芯片上 52 MCS 51 单片机如图 2 1 所示 如果按功能划分 它 由如下部件组成 中央处理器 CPU 8 位 运算和控制功能 内部 RAM 共 256 个 RAM 单元 用户使用前 128 个单元 用于存放可读写 数据 后 128 个单元被专用寄存器占用 内部 ROM 4KB 掩膜 ROM 用于存放程序 原始数据和表格 定时 计数器 两个 16 位的定时 计数器 实现定时或计数功能 并行 I O 口 4 个 8 位的 I O 口 P0 P1 P2 P3 串行口 一个全双工串行口 中断控制系统 5 个中断源 外中断 2 个 定时 计数中断 2 个 串行中断 1 个 时钟电路 可产生时钟脉冲序列 允许晶振频率 6MHZ 和 12MHZ 振荡器及时序 8052CPU 串行口 定时计数器 扩展控制器I O 口 RAM ROM 中断 外部计数器 外时钟源 控制串行通信并行 口 图 3 1 80C52 单片机功能结构框图 单片机有一个 8 位的 CPU 与通用的 CPU 基本相同 同样包括了运算器和 控制器两大部分 只是增加了面向对象的处理能力 不仅可以处理字节数据 还 可以进行位变量的处理 例如 位处理 查表 状态检测 中断处理等 数据处 理器 片内 128B 52 子系列的为 256B 片外最多可扩展 64KB 数据处理器用 来存储单片机运行期间的工作变量 运算的中间结果 数据暂存和缓冲 标志位 东北石油大学本科生毕业设计 论文 23 等 程序存储器 ROM EPROM 用来存储程序 片内程序存储器容量不够可 进行片外扩展 单片机中断系统具有五个中断源 两级中断优先权 片内有两个 16 位定时器计数器 一个全双工串行口 都具有有 4 种工作方式 四个准双向 I O 口有 P0 P1 P2 P3 和特殊功能寄存器 SFR 6 掌握单片机 首先要了解单片机的引脚 80C51 单片机一般采用双列直插 DIP 封装 共 40 个引脚 40 个引脚按功能大致可分为 4 类 电源 时钟 控制 和 I O 引脚 4 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器 能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的 原因 将输出电流 IIL 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器时 P2 口送出高 八位地址 在这种应用中 P2 口使用很强的内部上拉发送 1 在使用 8 位地址访 问外部数据存储器时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 在 flash 编程和校验时 P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 输出缓冲器能 驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此 时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原 因 将输出电流 IIL P3 口亦作为 STC12C5A32AD 特殊功能 第二功能 使用 如下表所示 在 flash 编程和校验时 P3 口也接收一些控制信号 如下表为 P3 口第二功 能 地址锁存控制信号 ALE 是访问外部程序存储器时 锁存 ALE PROG 低 8 位地址的输出脉冲 在 flash 编程时 此引脚 也用作编程输入脉PROG 冲 在一般情况下 ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲 可用来作为外部 定时器或时钟使用 然而 特别强调 在每次访问外部数据存储器时 ALE 脉冲 将会跳过 如果需要 通过将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置 1 ALE 操作将 无效 这一位置 1 ALE 仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效 否则 ALE 将被微弱拉高 这个 ALE 使能标志位 地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位 的设置对 微控制器处于外部执行模式下无效 表 3 1 P3 口第二功能 引脚号第二功能 P3 0RXD 串行输入 P3 1TXD 串行输出 东北石油大学本科生毕业设计 论文 24 P3 2INT0 非 外部中断 0 P3 3INT1 非 外部中断 1 P3 4T0 定时器 0 外部输入 P3 5T1 定时器 1 外部输入 P3 6 外部数据存储器写选通 WR P3 7 外部数据存储器读选通 RD 3 1 3 单片机引脚接口 STC89C52 单片机作为控制核心 通过 P0 口来实现液晶显示的功能 单片机 的 I O 口控制图 5 如下图 3 2 所示 图 3 2 STC89C52 的接口控制图 P3 3 P3 4 和 P3 5 用于控制 ADC0804 的工作 P1 口用于连接外部存储芯片 ADC0804 P3 6 P3 7 口为外部中断控制口 由它来控制酒精阈值的设定 P1 口 的输出为酒精传感器的数字电压信号 可以根据乙醇气体浓度直接输出报警信号 P1 口为酒精传感器的检测电压信号 经 ADC0804 将电压信号转换为对应的数字 量传给单片机 P3 0 口为蜂鸣器的控制端 P3 0 口为高于设定阈值时的灯光报警 东北石油大学本科生毕业设计 论文 25 3 2 酒精浓度检测的设计 酒精浓度的准确检测是决定该设计成功与否的关键因素 而酒精的检测依靠 酒精传感器来实现信号的采集 在本设计中选用灵敏度高 稳定性好的 MQ 3 气 敏传感器 该传感器对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性 快速的响应和 恢复特性 长期的寿命和可靠的稳定性 以及简单的驱动电路 它的工作原理是 在确定的环境条件下 环境中的酒精浓度变化将会引起电阻值的变化 且这两种 变化存在着线性关系 3 2 1 MQ 3 气敏传感器的外形机构图 MQ 3 气敏元件的外形如图 3 3 所示 图 3 3 MQ 3 气敏元件结构外形图 在上图中 由微型 AL2O3陶瓷管 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制成的腔管内 加热器为敏感元件提供必要的工作条 件 10 封装好的气敏元件有 6 只针状管脚 其中 2 只用于信号提取 4 只用于提 供加热电流 东北石油大学本科生毕业设计 论文 26 3 2 2 MQ 3 灵敏度特性曲线 图 3 4 MQ 3 气敏元件的灵敏度特性曲线 在图 3 4 中给出了 MQ 3 气敏元件的灵敏度曲线 其中 温度 20 相对湿 度 65 氧气浓度 21 RL 200K Rs 气敏元件在不同气体 不同浓度 时的电阻值 R0 气敏元件在洁净空气中的电阻值 3 2 3 MQ 3 标准工作条件和环境条件 为了更好地使用酒精传感器 MQ 3 现将 MQ 3 的标准工作条件和环境条件 9 进行介绍 分别如表 3 4 和表 3 5 所示 表 3 2 工作条件 符号参数名称技术条件备注 VC回路电压 15V AC or DC VH加热电压 5 0V 0 2V AC or DC RL负载电阻可调 RH加热电阻 31 3 室温 东北石油大学本科生毕业设计 论文 27 PH加热功耗 900mW 表 3 3 环境条件 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 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 2 4 酒精浓度信号的采集 详细的酒精浓度采集电路见下图 3 5 所示 图 3 5 酒精浓度采集电路 在上图中传感器将环境中的酒精浓度转化电压信号 输出引脚直接输出电压 信号模拟量 该模拟量将送到模数转换 通过单片机控制最终得出环境中酒精的 含量 同时可以通过对电位器的调节来改变输出的灵敏度 3 2 5 酒精检测的原理 当具有 N 型导电性的氧化物暴露在大气中时 会由于氧气的吸附而减少其内 部的电子数量而使其电阻增大 其后如果大气中存在某种特定的还原性气体 它 将与吸附的氧气反应 从而使氧化物内的电子数增加 导致氧化物电阻减小 半导 体 氧化物传感器就是通过该阻值的变化来分析气体浓度 3 2 6 酒精传感器的外接电路 酒精传感器 MQ 3 的外接电路 10 如图 3 6 所示 东北石油大学本科生毕业设计 论文 28 图 3 6 传感器的接口电路 酒精传感器 MQ 3 的 1 2 3 引脚接电源高电平 5 引脚接地 4 6 引脚接 ADC0804 的 6 引脚 ADC0804 的数据引脚接单片机的 P1 口相连接 酒精传感器 检测到的酒精浓度由 6 引脚输入到单片机 在 ADC0804 内部完成 A D 转换后 经单片机进行数据处理在 LCD 显示器中显示出酒精浓度 3 3 按键设定阈值及阈值存储电路的设计 3 3 1 独立按键按键电路 为了适应对不同环境中酒精浓度的检测和监控 必须调整该仪器的酒精浓度 阈值以符合既定的工作要求 同时为了节省硬件资源的消耗 于是在此通过外部 中断的按键操作来改变酒精浓度的不同阈值 独立按键电路见下图 3 7 所示 图 3 7 外部中断按键电路 东北石油大学本科生毕业设计 论文 29 当按下开关 S2 键时进入报警限设置状态 按下开关 S3 酒精浓度阈值加 1 按下开关 S4 酒精浓度阈值减 1 按下 S5 键确定报警限设置 这样的设计可以满 足该系统在不同检测环境中的应用条件 也可按增加了可用本系统检测酒精浓度 使用的环境 在未来的社会生活中更具有竞争力 3 3 2 A D 转换电路 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 模数转换采用ADC0804 对输入模拟量要求 信号单极性 电压范围是0 5V 若 信号太小 必须进行放大 输入的模拟量在转换过程中应该保持不变 如若模拟 量变化太快 则需在输入前增加采样保持电路 ADC0804有20个引脚 其中11 18 管脚为数字信号输出端 与单片机P1口相连 cs为片选端 接单片机P3 5口 当 cs接低电平时ADC0804开始工作 WR接P3 6口 当WR变为低电平再跳变为高电平后 启动A D转换 RD接单片机P3 7口 当RD由低电平跳变为低电平时 单片机读 走 A D 转换完的数字信号 CLK 为时钟输入信号线 因 ADC0804 的内部没有 时钟电路 所需时钟信号必须由外界提供 通常使用频率为 500KHZ VREF VREF 为参考电压输入 INTR 为中断控制信号 接单片机外部中断端口 当 A D 转换完后向单片机发出中断信号 等待读走数字信号 INTR 也空可置不接 因为当启动 A D 后一段时间后模数转换完后 等待一段时间后单片机也可以读走 数字量 图 3 8 ADC0804 存储电路 东北石油大学本科生毕业设计 论文 30 3 4 液晶接口电路的设计 LCD 技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间 这两个平面上的槽互相垂 直 相交成 90 度 也就是说 若一个平面上的分子南北向排列 则另一平面上的 分子东西向排列 而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种 90 度扭转的状态 由于光线顺着分子的排列方向传播 所以光线经过液晶时也被扭转 90 度 但当 液晶上加一个电压时 分子便会重新垂直排列 使光线能直射出去 而不发生任 何扭转 LCD 正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成 所以在正常情况下应 该阻断所有试图穿透的光线 但是 由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶 所以 在光线穿出第一个滤光器后 会被液晶分子扭转 90 度 最后从第二个滤光器中 穿出 另一方面 若为液晶加一个电压 分子又会重新排列并完全平行 使光线 不再扭转 所以正好被第二个滤光器挡住 总之 加电将光线阻断 不加电则使 光线射出 然而 可以改变 LCD 中的液晶排列 使光线在加电时射出 而不加 电时被阻断 但由于计算机屏幕几乎总是亮着的 所以只有 加电将光线阻断 的方案才能达到最省电的目的 酒精浓度的显示采用 1602 液晶 6 LCD1602 可显示两行英文字符 且内带 ASCII 字符库 LCD1602 模块内部可完成显示扫描 单片机只要向 LCD1602 发 送命令和显示内容的 ASCII 码 具体的接口电路见图 3 9 所示 图 3 9 液晶接口电路图 控制信号 RS R W 和 E 分别由单片机 P3 1 GND P3 2 口实现 要显示的 信息通过 P0 口实现 3 5 声光报警电路的设计 当酒精浓度超过所设定标准时 通过控制单片机的 P3 0 口的电平来实现声音 警报功能 通过控制单片机 P3 0 口的电平来实现发光报警 其蜂鸣器驱动电路 7 东北石油大学本科生毕业设计 论文 31 见图 3 10 所示 图 3 10 声音报警电路 如上图所示 酒精浓度超过设定的阈值时 给单片机的 P3 0 口低电平 则三 极管导通 同时蜂鸣器工作 发出声音报警 否则 单片机的 P3 0 口维持在高电 平 三极管截止 蜂鸣器不工作 如上图所示 当酒精浓度超过设定的阈值时 单片机使 P3 0 口变为低电平 L2 warn1 发光二极管导通 进行发光报警 否则 单片机的 P3 0 维持高电平 发 光二极管不导通 3 6 单片机供电与程序下载电路 当程序在 uVision 环境下编写完成 并编译生成 hex 文件后 就可以下载并 进行调试了 打开 USB 驱动文件夹下的 PL2303 Prolific DriverInstaller v130 exe 安装文件 按提示安装 USB 转串口驱动程序 安装完成后 插入 USB 下载线后 在 开始 控制面板 打印机和其他硬件 设备管理器 在 端口 分支下有 Prolific USB to Serial Comm Port COMX X 表示串口号 如果没有说明 USB 转串口驱 动没有安装 须重新安装 记住括号里的 COM 口号 打开 STC 单片机下载软件 文件夹 点击运行 STC ISP V481 exe 程序 正确选择 MCU 类型 COM 口 与 刚才安装的 COM 号一致 最高波特率和最低波特率都选 2400bps 或者 1200bps 下载线内 PL2303 芯片所限 没办法 并打开正确的 hex 数据文件 按下电 路板上的电源按纽 保证其有个失电至上电的过程 则窗口显示开始烧录芯片 本设计采用 USB 接口供电 电源电压 5V 同时 USB 接口通过内含 PL2303 芯片的转换电路对单片机进行程序编写 其电路原理如图 3 11 所示 东北石油大学本科生毕业设计 论文 32 图 3 11 供电及程序下载电路 本设计的供电方式简单方便 USB 线有四个引脚 其中红线接高电平 黑线 接地 绿线接单片机的 P3 0 口 白线接单片机的 P3 1 口 当线路接好后 闭合 电路板开关按钮 发光二极管 L1 发光 说明电路板正常接通电流 3 7 晶振电路的设计 3 7 1 晶振介绍 内部晶振一般不够准确 所以有的时候接外部晶振 如果单片机有内部晶振 外部晶振就可以不接了 内部晶振 外部晶振作用都一样 给系统提供时钟 不 是特别精确的场合内部晶振足够了 这样成本还低 因为外部晶振稳定 受温度 湿度等环境因素影响比内部振荡器小 精度比较高 而且当设计需要降低功耗时 比如说便携式仪表等 就需要外设晶振 因为内部振荡器不能根据需要停止 而 外部晶振可以适时停止 从而进入休眠状态 降低功耗 3 7 2 晶振电路 本系统采用的是 11 0592MHZ 的晶振 其电路图 16 如图 3 12 所示 东北石油大学本科生毕业设计 论文 33 图 3 12 晶振电路图 XTAL 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器 反相放大器和内部时钟电路的输出端 晶振为 11 0592MHz 比 12MHz 的晶振稳 定 定时器时钟 1105920 12 921600 每毫秒 922 个脉冲 3 8 复位电路的设计 单片机的复位电路 5 如图 3 13 示 图 3 13 复位电路图 如图所示 本设计的复位电路选择上电自动复位 无需外接开关按钮 当系 统上电时 单片机会自动复位一次 消除上次烧录程序时出现的错误 系统从头 开始执行本次烧录的程序 东北石油大学本科生毕业设计 论文 34 3 9 系统继电器控制电路的设计 3 9 1 继电器说明 单稳态继电器 只有一个稳定状态的一种继电器 当它有规定的输入量 激励 量 时改变了其状态 但去除输入量时又恢复到原来状态 在静态是继电器处于稳 定状态 当继电器线圈输入超过额定电压的 70 时 继电器触点翻转 当输入量 降低到 10 时继电器触点返回到稳定状态 双稳态继电器 有两个稳定状态的一种继电器 它有两个稳定状态 在没有 外来触发信号的作用下 继电器始终处于原来的稳定状态 由于它具有两个稳定 状态 故称为双稳态继电器 在外加输入触发信号作用下 双稳态继电器从一个 稳定状态翻转到另一个稳定状态 3 9 2 继电器电路图 本设计的小车启动控制部分由继电器完成 继电器控制电路 14 如图 3 14 所示 图 3 14 继电器控制电路图 本设计选择的继电器为 Omnon 公司的 G5V 2 H1 继电器 8 该继电器有 16 引 脚 当酒精浓度检测值超过设定阈值时 单片机使 P2 0 引脚变为低电平 15 三极 管导通 使继电器原来导通的引脚断开 从而控制小车禁止启动 东北石油大学本科生毕业设计 论文 35 3 10 系统完整电路图 本文设计的汽车醉酒禁驾系统采用的传感器是气敏传感器 属于半导体型 该传感器实质是个可变电阻 在它两端加以固定的电压 随着所处环境酒精浓度 的变化阻值将进行线性变化 从而将酒精浓度的变化转化为电压的变化 当所处 环境酒精浓度高于舍得阈值酒精浓度时 系统可以自动控制汽车禁止启动 同时 系统还具有声光报警 LCD 显示和阈值调节功能 本系统选择 STC12C5A32AD 型号单片机作为核心元件 该单片机内部包含 10 位 A D 转换功能 所以无需另 外接 A D 转换器 系统的电路图是用 Protell 99se 4 软件绘制 该软件是转业的绘 制电路图软件 该电路如图 3 15 所示 图 3 15 系统完整电路图 3 11 本章小结 本章介绍了醉酒禁驾系统的硬件设计 清晰的给出了任意元件的外围电路同 时介绍了各个器件的工作条件 重点介绍了酒精传感器 MQ 3 的工作原理 灵敏 度曲线和标准工作条件和环境条件 而且给出了系统完整的电路图 东北石油大学本科生毕业设计 论文 36 东北石油大学本科生毕业设计 论文 24 第 4 章 系统的软件实现 程序设计就是用计算机所能接受的语言把所需解决问题的步骤逐一描述出来 也就是编制计算机的程序 在设计应用系统时 软件的编制是重要环节 软件的 质量直接影响整个系统功能的实现 应用程序的设计因系统而异 但程序设计总 是有共同特点及其规律的 在编写程序时 采取如下几个步骤 1 分析问题 明确所要解决问题的要求 将软件分成若干个相对独立的 部分 根据功能关系和时序关系 设计出合理的软件总体结构 2 定程序框图 即根据所选择的计算方法制定框图 3 合理分配系统资源 包括定时器 计数器 中断 堆栈等 4 根据程序的流程图和指令系统编写出程序 注意在程序的有关位置处 写上功能注释 提高程序的可读性 5 程序调试 通过编辑软件编辑出的源程序 必须用编译程序汇编后生 成目标代码 如果源程序有语法错误 需修改源文件后继续编译 直到无语法错 误为止 然后利用目标代码通过仿真器进行程序调试 排除设计和编程中的错误 直到成功 6 程序优化 使各功能程序模块化 子程序化 缩短程序的长度 加快 运算速度和节省数据存储空间 减少程序执行的时间 4 1 A D 转换的软件实现 A D 转换器 即模数转换器 或简称 ADC 通常是指一个将模拟信号转变为 数字信号的电子元件 A D 转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字 信号 A D 转换器最重要的参数是转换的精度 通常用输出的数字信号的位数的 多少表示 A D 转换器能够准确输出的数字信号的位数越多 表示转换器能够分 辨输入信号的能力越强 转换器的性能也就越好 A D 转换一般要经过采样 保 持 量化及编码 4 个过程 A D 转换的软件控制流程如图 4 1 所示 东北石油大学本科生毕业设计 论文 25 准备 延时 转换结束 酒精浓度 调用数据处理 程序 数字量输出 结束 Y N 图 4 1 A D 转换流程控制 A D 转换 17 的启动必须依靠下降沿触发 在 START 置低后延时一段时间 约 10ms 后才正式开始转换 过程中的所需输入时钟允许范围为 10KHZ 1280KHZ 在本次设计中选用 500KHZ 通过定时器产生 转换完成后得到的数字量即为由酒 精传感器检测到环境中的酒精含量而产生的电压值 18 调用数据处理程序从而可 得到酒精浓度的真实值 4 2 阈值设定及显示的软件控制 本设计通过独立按键设置酒精阈值浓度 这样方便检测到的酒精浓度与设定 东北石油大学本科生毕业设计 论文 26 的阈值浓度进行实时的比较 并且可以通过外部中断来实时的调整酒精阈值浓度 酒精阈值设定及显示的具体软件控制流程如图 4 2 所示 准备 是否有按键 按下 设酒精浓度阈值 确定酒精浓度阀值 LCD 显示 结束 Y N 图 4 2 酒精浓度的阈值设定及 LCD 显示的软件控制流程 当系统进行完初始化后 该系统在将检测到的酒精浓度进行 A D 转换的同时 还在时刻检测有无外部中断的响应 一旦有按键按下 将会根据按键按下的次数 选择酒精浓度表中的酒精浓度值 以便与监测到的环境中的酒精浓度进行比较 完成接下来的声光报警功能 4 3 整体软件控制流程 该系统软件程序主要使用 C 语言编写 采用了模块化结构程序设计方法 包 括主程序 中断程序等 系统在开机或者复位后 首先进行初始化 自检 然后 进入中断等待 如果有外部中断存在 改变设定阈值 如果不存在外部中断 东北石油大学本科生毕业设计 论文 27 LCD 显示出预先设定出的阈值浓度 酒精浓度阈值设定为 80mg l A D 转换 液晶显示三个状态 最终根据所得结果判断是否执行声光报警 本设计的醉酒禁 驾系统的软件流程图 12 见图 4 3 所示 开始 系统初始化 A D 转换 调用数据处理 函数 LCD 显示 得出酒精浓度 值 有无按键 按下 启动设定阈值 大于设定阈值 声光报警 继电器工作 结束 Y Y N N 图 4 3 软件方案总体流程图 当系统上电开始时 首先检查有无外部中断 如果有外部中断存在 酒精浓 度阈值改变并显示在 LCD1602 液晶屏上 酒精传感器检测周围环境中的酒精浓 度 并实时的把检测到的浓度显示在 LCD1602 液晶屏上 同时检测到的酒精浓 度与预先设定的阈值浓度比较 如果比阈值浓度大 继电器自动使小车启动回来 断开 从而控制汽车不能启动 并且带有声光报警功能 东北石油大学本科生毕业设计 论文 28 4 4 本章小结 本章介绍了系统的软件实现流程 简单介绍了下单片机及 A D 转换的工作原 理和按键部分的设计原理 设定的酒精阈值浓度显示在 LCD1602 初始界面上 该系统软件编程使用的是 C 语言 因为本人有一点的 C 语言编程基础 而且它简 单 可读性好 最后绘出了系统完整的流程图 把整个过程清晰的展现给读者 东北石油大学本科生毕业设计 论文 29 第 5 章 系统的调试和实物图 本醉酒禁驾系统的软件功能通过方便灵活 移植性好的 C 语言 19 编程来实现 采用分模块化程序设计思想 对不同模块分别进行调试后 最后