基于单片机的数字酒精气体传感系统毕业论文.doc

大连海事大学装订线毕 业 论 文二一四年六月基于单片机的数字酒精气体传感系统 专业班级： 电子信息科学与技术2班 姓 名： 刘天恒 指导教师： 刘剑桥 信息科学技术学院基于单片机的数字酒精气体传感系统 目 录摘 要5第一章 绪论71.1 交通安全的现状和发展趋势71.2 精测试仪现状和发展趋势81.3研究内容9第二章 硬件原理及设计102.1 硬件总体设计思路102.2 设计总体框架10总框架流程图102.3 STC89C52单片机102.4 MQ3酒精传感器122.4.1 MQ3工作条件14图1.3 MQ3灵敏度特性曲线142.5 A/D转换电路142.5.1 ADC0809性能的介绍152.5.2 内部结构162.5.3 外部特性（引脚功能）162.5.4 ADC0809的工作原理172.6 报警设计172.6.1 蜂鸣器172.7 LED显示182.8 晶振电路202.9 复位电路21第三章 系统设计223.1 主程序流程图及设计223.2 设计电路及程序223.2.1 52单片机电路223.2.2 A/D模数转换电路及程序233.2.3 报警电路及程序243.2.4 晶振及复位电路253.2.5 按键电路及程序263.2.6 数码管电路及程序263.2.7 实验总电路273.3 仿真结果283.3.1 Proteus介绍283.3.2 仿真结果28第四章 实物调试及结果294.1系统硬件调试294.2 实物展示294.3 误差及故障分析314.4 传感器浓度校准314.4.1 呼出酒精气体浓度与血液酒精浓度关系324.4.2 检测依据33总结34参考文献36致谢37摘 要近年来，随着我国经济的发展，人民的生活水平提高，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频发生。 鉴于人们对于醉酒驾驶的逐渐重视，酒精测试课题便引起了广泛的关注。为本课题研究的是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有LED显示功能的空气酒精浓度监测仪。此需要设计一智能仪器能够监测驾驶员体内酒精含量。本课题研究的是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有声报警功能及LED显示功能的空气酒精浓度监测仪。其可监测出空气环境中和呼气中酒精浓度值，并根据不同的环境设定不同的阀值，对超过的阀值进行声报警，并显示阀值来提示危害。关键词：52单片机；ADC0809；LED显示；MQ3酒精传感器ABSTRACTIn recent years, as Chinas economic development, peoples living standards improve, more and more people have their own private cars and traffic accidents caused by drunk driving is also frequent. Given peoples increasing emphasis on the drink driving, alcohol test subject has aroused widespread concern. Based research is a kind of gas sensor and microcontroller-based, monitoring of air alcohol concentration , and with LCD display monitor air alcohol concentration. The need to design an intelligent instruments to monitor the drivers alcohol content. This research is a kind of gas sensor and microcontroller-based, monitoring of air alcohol concentration , and with sound alarm and LCD display monitors the air alcohol concentration. The environment can be monitored from the air and breath alcohol concentration, and according to different environments set different threshold than the threshold of the acoustic alarm, and display threshold. To prompt the hazard. Keyword：52MCU；ADC8090；LED；MQ3第一章 绪论 1.1 交通安全的现状和发展趋势我国汽车工业发展很快,汽车拥有量猛增,自1978年以来我国汽车保有量一直以两位数的百分比率在增长,至2002年底我国汽车已达2141万辆。与此同时,每年因交通事故死亡的人数也在迅速增长,十年间翻了一番,1991年5.3万人,2001年已达10.6万人,2002年为10.9万人,居世界第一位。更值得关注的是这种增长势头至今尚未受到有效遏制和减弱,如不作重大的政策调整,未来十年间道路交通事故年死亡人数还会再翻一番。我国道路交通事故的致死率也很高,比工业发达国家高出10倍。因此,我国道路交通安全形势十分严峻,已经引起全国各有关方面的重视。迄今为止全世界被汽车夺去的生命已超过者已超过75万。在全球范围内，平均每万辆汽车每年死亡人数在10人左右。由于占人口优势的发展中国家的汽车总数在增加，全世界每年死于汽车事故的总人数也在增加交通事故，这场“和平时代的战争”还将无情地持续下去，全世界每年因道路交通事故造成的经济损失约为5180亿美元。随着全世界汽车拥有量的增加，全球道路交通事故的死亡人数也在增加。根据WHO数据，全球2003年的人均纯酒精消费量为6.2L，其中欧洲地区人均达11.9L，美洲地区人均为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GDP相关，GDP越高酒精消费量越高。而随着我国近年来高速发展的经济水平和居民生活水平，酒精消费量亦呈直线上升趋势，随之而来的是因为饮酒而造成的一系列社会问题，例如酒后驾驶造成的交通意外。当酒精在人体血液内达到一定浓度时，造成神经麻痹，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。而根据世界卫组织的事故调查，大约50%69%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主要原因。为了实现对人权的尊重，对生命的关爱，使更多人的生命权、健康权及幸福美满的家庭能得到更好的保护，需要设计一智能仪器能够检测驾驶员体内酒精含量。目前全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者体内酒精含量的多少，以确保驾驶员的生命财产安全。酒精检测仪的设计与使用有着不可替代的作用，也有着相当的前景和意义。随着汽车制造业的发展，全球汽车拥有量的增加，据德国一家调研机构预测，全球汽车（包括个人用车和商用车）保有量最迟到 2010 年将突破10亿量。随着汽车保有量的增加，交通事故也在不断的增加，全世界每年约有 120 万人死于道路交通事故，受伤者多达 5000 万人，同时全球道路交通事故每年造成的直接经济损失为 5180 亿美元，可见道路交通安全问题已成为全球性的主题。随着我国经济的快速发展，公路建设也得到了前所未有的发展机遇。随着公路运输业的发展，公安部交管局透露，截至2011年8月底，全国机动车保有量达到2.19亿辆。其中，汽车保有量首次突破1亿辆，占机动车总量的45.88%，是机动车的主要构成部分。随着汽车使用量的增加和道路交通事业的发展，也给社会带来了负面影响。为了能够有效的防止酒后驾驶造成的此类危害，研究一种酒精含量测试仪来测量驾驶员呼气中酒精浓度是否超标是非常必要的，降低交通事故的发生率。驾驶员酒后驾车就像一颗颗流动的“炸弹”，随时随地都有可能爆炸，威胁着我们的安全。1.2 精测试仪现状和发展趋势喝酒后，呼出的气体会有酒味，表情行为会有反常。远古时代人们利用鼻子作为传感器，进行简单的呼出气体酒精测量。19世纪末出现了用体液对酒精进行定量分析。1927年，有科学家建议使用呼出气体做酒精浓度分析。现在，肺泡气中酒精的测量技术有了很大的进步，有先进微处理器的酒精测试仪已被商品化。越来越多的国家开始禁止酒后驾车。精确的呼出气体酒精测试和传统的法医血液酒精分析相比有许多优点，例如，进行无毒的采样，能进行现场处理，这样为交警节省了时间，使交通控制更高效，能避免运输和贮存有艾滋病病毒和肝炎病毒的血样。由于最早使用BAC极限值来分辨酒后驾车 ，当呼出气体酒精浓度测量用于交通执法时，情况就变得错综复杂，要把所测量的呼出气体酒精浓度换算成血液酒精浓度 。一般认为，2100：1呼出气体中所含的酒精和11血液中所含的酒精量 相等 。对于把结果转化成BAC的呼出气体酒精测量仪，呼气血液酒精转换系数是决定测试精度的重要因素。在美国、加拿大、澳大利亚，定量分析呼出气体酒精测试仪已用了十多年，转化系数为2100：1。在美国许多州，0.102101BAC为饮酒驾驶处罚极限，2100：1的BAC/BAC的转化系数直接体现在立法条例中，如果不这样 ，立法确定大于等于0.47m1为犯罪极限，还得强调 2100：1的转化系数。假设有这种可能，BAC是合法的，而BAC不合法 ，反之亦然。立法中存在 的这种进退两难的问题，至今没有很好地解决 。BAC和BAC内在转化如下所述：BAC=BACBAC/BAC转化系数1.3研究内容设计一个基于单片机的酒精浓度检测系统，检测结果用LED或LCD显示器显示。基于STC89C52单片机，MQ3酒精浓度传感器，本设计设计一种具有检测及超限报警功能的酒精浓度测试系统。 MQ3对酒精浓度的变化，其阻值产生相应的变化，然后通过取样电阻分压的变化表现出来；人体血液酒精浓度的不同，其呼出的气体中酒精浓度也不同。通过MQ3对呼出气体中酒精浓度的反应以取样电压的形式送入到ADC0809，进行A/D转换后并将转换的数据送入单片机进行分析处理，再通过液晶板显示出来。第二章 硬件原理及设计 2.1 硬件总体设计思路思路从设计的要求出发，要求是测试究竟气体的浓度，必然要用到酒精传感器。设计出来的仪器要对酒精快速响应，预热时间短，这就对酒精传感器的性能指标由一定的要求，首先这个酒精传感器本身就有很好的灵敏度，和检测到的酒精气体发生化学反应快。测量直观要求仪器有一个显示器，能直接从显示器上读取测试结果，这时选择一个数码管做显示器。又考虑到酒精传感器采集到的电信号是微弱模拟信号，而单片机所能处理的事数字信号，所以还要运用运放和一块A/D转换芯片，把酒精传感器采集到的模拟信号放大，并转换成数字电信号，再送到单片机进行信号处理，经单片机运算处理的数字电信号最后送到数码管进行显示2.2 设计总体框架数码管显示52单片机ADC0809MQ3传感器酒精气体 总框架流程图2.3 STC89C52单片机本系统采用单片机为控制核心。单片机/MCU主要有51基本型和52增强型，而相比之下52型比51型功能更为强大，ROM和RAM存储空间更大，52还兼容51指令系统。基于本系统设计内容的需要，综合考虑后，我们选择单片机STC89C52为控制核心；主要基于考虑STC89C52是无法解密低功耗,超低价高速，高可靠强抗静电，强抗干扰,功能强大的单片机。STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，片内振荡器及时钟电路。同时STC89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发本。STC单片机有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 STC89C52单片机引脚如图1.1：图1.1 STC89C52引脚图Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。P3口：P3口时一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE ：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。 ：程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当89C5X单片机由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 有效，即输出两个脉冲。在次期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 信号。 /VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFH）， 端必须保持低电平（接地）。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端2.4 MQ3酒精传感器 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者不锈钢的腔体内，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的变化。传感器表面电阻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 出面获得的。二者之间的关系表述为：RS/RL=(VCVRL)/VRL，其中VC 为回路电压10V。负载电阻RL 可调为0.5200K，加热电压Uh 为5V。上述这些参数使得传感器输出电压为05V。MQ3 型气敏传感器的结构和外形如图3.1所示，标准回路如图四所示，传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系如图3.2所示。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，一般在测量前需要将传感器预热5分钟。MQ3酒精传感器对乙醇蒸气有很高的灵敏度，并且响应和恢复快速。另外，MQ3酒精传感器简单的驱动回路和可靠的稳定性是相比较于其他型号传感器的优点。MQ3酒精传感器可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，也可用于其他场所乙醇蒸气的检测。MQ3酒精传感器有6只针状管脚，其中4个管脚（两个A和两个B）用于信号读取，两个H脚用于提供加热电流。MQ3型气敏传感器与电位器串联构成分压电路，采样点为电位器的分压。MQ3型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物SnO2的N型半导体微晶烧结层构成。当其表面吸附有被测气体酒精分子时，表面导电电子比例就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化。由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。当气敏传感器的敏感体电阻阻值发生改变时，对应的电位器的分压值也会发生相应的变化，即一个电压值对应着一个被测酒精气体浓度。对酒精气体浓度的采样就可以转化为对电位器分压的采样。MQ3型气敏传感器技术指标如下：使用气体：酒精(乙醇）探测范围：101000*10-6 特征气体：100*10-6灵敏度：Rin air/Rin typical gas5敏感体电阻：4004000k（空气中）响应时间：10s（70% Response)恢复时间：30s（70% Response)加热电阻：313加热电流：180mA加热电压：5V0.2V加热功率：900mW工作条件：环境温度：1065摄氏度 湿度：95%RH贮存条件：温度：2070摄氏度 湿度：70%RH灵敏度调整：MQ3 型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。 因此，在使用此类型气敏元件时 ，灵敏度的调整是很重要的。 建议使用 200ppm 的乙醇蒸汽校准传感器。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。 电路图如图1.2： 图1.2 MQ3传感器电路图2.4.1 MQ3工作条件使用温度在-2055范围；储存温度在-20-70范围；相对湿度要求不大于95%RH；氧气浓度在21%(标准条件)。回路电压要求15V（AC or DC），加热电压要求是5.0V0.2 V，测量电压不大于24V。负载电阻要可调，加热电阻是313；加热功耗900mW，属于小功率；探测空气中酒精浓度范围100ppm-2000ppm。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，一般在测量前需要将传感器预热5 分钟。 MQ3灵敏度特性曲线资料如图1.3： 图1.3 MQ3灵敏度特性曲线本灵敏度曲线图条件：温度：20、相对湿度：65%、氧气浓度：21% RL=5k Rs：元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。R0: 元件在洁净空气中的电阻值。2.5 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。所谓A/D转换器就是模拟/数字转换器（ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号。信号输入端可以是传感器或转换器的输出，而ADC的数字信号也可能提供给微处理器，以便广泛地应用。 CS 、RD 、WR 是数字控制输入端，满足标准TTL 逻辑电平。其中CS 和WR 用来控制A/D 转换的启动信号。CS 、RD 用来读A/D 转换的结果，当它们同时为低电平时，输出数据锁存器DB0DB7 各端上出现8 位并行二进制数码。ADC08010805 片内有时钟电路，只要在外部“CLKI”和“CLKR”两端外接一对电阻电容即可产生A/D 转换所要求的时钟，其振荡频率为fCLK1/1.1RC。其典型应用参数为：R=10K，C=150PF，fCLK640KHZ，转换速度为100。若采用外部时钟，则外部fCLK 可从CLKI 端送入，此时不接R、C。允许的时钟频率范围为100KHZ1460KHZ。 INTR 是转换结束信号输出端，输出跳转为低电平表示本次转换已经完成，可作为微处理器的中断或查询信号。如果将CS 和WR 端与INTR 端相连，则ADC0804 就处于自动循环转换状态。CS 0 时，允许进行A/D 转换。WR 由低跳高时A/D 转换开始，8 位逐次比较需88=64 个时钟周期，再加上控制逻辑操作，一次转换需要6673 个时钟周期。在典型应用fCLK640KHZ 时，转换时间约为103114。当fCLK 超过640KHZ，转换精度下降，超过极限值1460KHZ 时便不能正常工作。被转换的电压信号从VIN（+）和VIN（-）输入，允许此信号是差动的或不共地的电压信号。如果输入电压VIN的变化范围从0V到Vmax，则芯片的VIN（-）端接地，输入电压加到VIN（+）引脚。由于该芯片允许差动输入，在共模输入电压允许的情况下，输入电压范围可以从非零伏开始，即Vmin 至Vmas。此时芯片的VIN（-）端应该接入等于Vmin 的恒值电码坟上，而输入电压VIN仍然加到VIN（+）引脚上。A/D 转换器一般都有这两个引脚。模拟地AGND 和数字地DGND 分别设置引入端，使数字电路的地电流不影响模拟信号回路，以防止寄生耦合造成的干扰。参考电压VREF/2 可以由外部电路供给从“VREF/2”端直接送入，VREF/2 端电压值应是输入电压范围的二分之一所以输入电压的范围可以通过调整VREF/2 引脚处的电压加以改变，转换器的零点无调整。2.5.1 ADC0809性能的介绍根据A/D 转换器的工作原理可将A/D 转换器分成两大类：一类是直接型A/D转换器；另一类是间接型A/D 转换器。在直接型A/D 转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中间变量。在间接型A/D 转换器中，首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等等），然后再把这个中间变量转换为数字代码输出。 主要特性 （1）8路8位A/D转换器，即分辨率8位。（2）具有转换起停控制端。（3）转换时间为100s。（4）单个+5V电源供电。（5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。（6）工作温度范围为-40+85摄氏度。（7）低功耗，约15mW。2.5.2 内部结构ADC0809由4部分逻辑结构构成，如图1.4 所示。图1.4 ADC0809工作原理图ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。2.5.3 外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。下面说明各引脚功能。IN0IN7：8路模拟量输入端。D0-D7：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START： A/D转换启动信号，输入，高电平有效。EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单5V。GND：地。2.5.4 ADC0809的工作原理ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。2.6 报警设计 在单片机应用系统中，一般的工作状态可以通过指示灯或数码显示来指示，供操作人员参考，了解系统的工作状况。但对于某些紧急状态，比如系统检测到的错误状态等，为了使操作人员不至于忽视，及时采取措施，往往还需要有某种更能引人注意，提起警觉的报警信号。这种报警信号通常有三种类型：一是闪光报警，因为闪动的指示灯更能提醒人们注意；二是鸣音报警，发出特定的音响，作用于人的听觉器官，易于引起和加强警觉；三是语音报警，不仅能起到报警作用，还能直接给出警报种类的信息。其中，前两种报警装置因硬件结构简单，软件编程方便，常常在单片机应用系统中使用；而语音报警虽然警报信息较直接，但硬件成本高，结构较复杂，软件量也增加。闪光报警实现单频音报警的接口电路比较简单，只要当值高于警报值的时候给一个低电频就能驱动二极管发光,简单易懂。2.6.1 蜂鸣器压电式蜂鸣器 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声。单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种：一种是PWM 输出口直接驱动，另一种是利用I/O 定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。PWM 输出口直接驱动是利用PWM 输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。在单片机的软件设置中有几个系统寄存器是用来设置PWM 口的输出的，可以设置占空比、周期等等，通过设置这些寄存器产生符合蜂鸣器要求的频率的波形之后，只要打开PWM 输出，PWM 输出口就能输出该频率的方波，这个时候利用这个波形就可以驱动蜂鸣器了。比如频率为2000Hz 的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为500s，这样只需要把PWM 的周期设置为500s，占空比电平设置为250s，就能产生一个频率为2000Hz 的方波，通过这个方波再利用三极管就可以去驱动这个蜂鸣器了。而利用I/O 定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。比如为2500Hz 的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为400s，这样只需要驱动蜂鸣器的I/O 口每200s 翻转一次电平就可以产生一个频率为2500Hz，占空比为1/2duty 的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。蜂鸣器电路图如图1.5。图1.5蜂鸣器工作电路图2.7 LED显示led数码管（LED Segment Displays）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。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。本次用到的的七段数码管为共阴型，段码采用同相驱动，输入端加高电平，选中的数码管亮，位码加反相驱动器，位码输入端高电平选中，S1=1选中十位，S01选中个位。引脚都是对应一个字母表示 DP是小数点。A、静态显示驱动：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埠进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O多，如驱动5个数码管静态显示则需要58=40根I/O口来驱动。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。 B、动态显示驱动： 数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，单片机对位元选通COM端电路的控制，所以只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。每位元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体的余辉效应，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资料，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口，而且功耗更低。引脚图如1.6。图1.6位共阴数码管引脚图图1.7 数码管电路图2.8 晶振电路单片机工作的过程中各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序称作时序，单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部各种微操作提供时间基准，STC89C52的时钟产生方式有两种，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。内部时钟方式即在单片机的外部接一个晶振电路与单片机里面的振荡器组合作用产生时钟脉冲信号，外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内，此方式常用于多片STC89C52单片机同时工作，以便于各单片机的同步，一般要求外部信号高电平的持续时间大于20ns.且为频率低于12MHz的方波。对于CHMOS工艺的单片机，外部时钟要由XTAL1端引入，而XTAL2端应悬空。本系统中为了尽量降低功耗的原则，采用了内部时钟方式。在STC89C52单片机的内部有一个震荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振）就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号，图中电容器C1和C2稳定频率和快速起振，电容值在530pF，典型值是22pF，晶振CYS选择的是12MHz。STC89C52单片机中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚19对应的XTAL1和18对应的XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。石英晶体及电容C1和C2接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路。石英晶体的两端分别接到引脚XTAL1 和引脚XTAL2，同时石英晶体的两端分别接一个电容C1和C2，电容的另一端接地。对于外接电容C1和C2的大小虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小还是会对振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度和温度稳定性带来一定的影响。根据技术资料的推荐，使用石英晶体推荐电容容量为30pF10pF，使用陶瓷谐振器推荐电容容量为40pF10pF。因为电路中接的是石英晶体，所以设计中接的两个电容C1和C2的容量都为30pF。2.9 复位电路单片机开始工作的时候，必须处于一种确定的状态，否则，不知哪是第一条程序和如何开始运行程序。端口线电平和输入输出状态不确定可能使外围设备误动作，导致严重事故的发生；内部一些控制寄存器（专用寄存器）内容不确定可能导致定时器溢出、程序尚未开始就要中断及串口乱传向外设发送数据.因此，任何单片机在开始工作前，都必须进行一次复位过程，使单片机处于一种确定的状态。当在STC89C52单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。对于复位电路部分，STC89C52技术资料给出，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。复位是单片机的初始化操作，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，可以按复位键以重新启动，所以复位电路的设计很有必要。复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种方式，本设计选用按键电平复位方式。10F的电容C3与一个10K的电阻串联，电容的正极端接到电源的正极，电容的另一端接至引脚RST。设计中选用的石英晶体大小为11.0952MHz,但复位键按下后，电容和电阻选用的参数值能够保证给复位端RST提供大于2个机器周期的高电平复位信号。第三章 系统设计3.1 主程序流程图及设计 主程序流程图如下图。首先系统上电后要求对系统各模块进行初始化设置。之后是数据采集，转换，计算等过程，单片机对传感器检测的酒精其一浓度输出信号进行A/D转换后，经过计算处理后，将呼出气体酒精浓度值与报警限设定值进行比较，判断是否发出声音警报。同时送入LED显示屏模块显示酒精气体的浓度值。开始系统各模块初始化A/D转换器酒精浓度显示报警是否超过报警阀值酒精浓度计算3.2 设计电路及程序3.2.1 52单片机电路如图1.8 图 1.8 单片机电路 void ADC()/ADC转换程序START=0;START=1;START=0; /ad 开始转换while(EOC=0); /等待转换结束OE=1;3.2.2 A/D模数转换电路及程序 时钟信号 void timer() interrupt 1/给ADC产生50K的时钟信号CLK=CLK;/取反，产生时钟信号中断初始化EA=1; /开总中断 TMOD=0x02;/设定定时计数工作方式为2TH0=0xf6;TL0=0xf6;/提供50kHZ时钟输入信号，由定时器计算公式得出TH0，TL0ET0=1;/开定时器0中断TR0=1;/定时计数器0开始运行 LED1=1; LED2=1; LED3=1; LED4=1; beep=0; 电路如图1.9 图 1.9 A/D转换电路3.2.3 报警电路及程序如图2.0 图2.0 报警电路if(b0*1000+b1*100+b2*10+b3x) beep=1;delay();beep=0;/高于报警值响3.2.4 晶振及复位电路如图2.1 图2.1 晶振及复位电路3.2.5 按键电路及程序如图2.2 图2.2 按键电路if(key1=0)/键盘扫描 delay();/去抖 if(key1=0) set+; if(set=5)set=0; while(key1=0); 3.2.6 数码管电路及程序 图2.3 数码管电路int code LedData=0x5f,0x06,0x3b,0x2f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/四位共阴极数码管09 if(set!=0)/显示调整报警值 b0=x/1000; P0=LedDatab0|0x80;LED1=0;delay() ;LED1=1; b1=x/100%10;P0=LedDatab1; LED2=0;delay() ;LED2=1; b2=x/10%10;P0=LedDatab2;LED3=0; delay() ;LED3=1; b3=x%10;P0=LedDatab3; LED4=0; delay() ;LED4=1; if(set=0)/显示浓度值 3.2.7 实验总电路如图2.4 图2.4 设计总电路3.3 仿真结果3.3.1 Proteus介绍本设计选择用Proteus环境进行，Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：原理布图；PCB自动或人工布线；SPICE电路仿真。革命性的特点：互动的电路仿真，用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。仿真处理器及其外围电路，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。3.3.2 仿真结果仿真结果如图2.5 图2.5 仿真结果第四章 实物调试及结果4.1系统硬件调试先做出PCB板，焊接前应对整个电路板进行检查。首先，用万用表对印制的电路板线路进行检查，该过程是在焊接元器件之前的必要工作，主要是检查印制的电路板线路是否有断路的情况，如果检查没有问题，则可以对元器件进行焊接。焊接前对电阻、电容的量值要进行测量、筛选，选择与电路中参数值一致的元器件，在选择芯片时，要注意芯片与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在焊接时，应将印制的电路板认真对照原理图，查看元器件的引脚焊接是否正确。电路板焊接完成后，需要对每个元器件的引脚逐个进行检查，一方面是检查有没有引脚虚焊或与其他信号线短路，另一方面是对器件引脚功能的再检查，查看设计是否正确。检查电路焊接没有问题后，则可以进行上电测试。上电测试是调试的关键部分，按照系统方案设计的模块化思想，应该分模块测试系统。首先还是应该测试电源部分，系统上电以后，测试各个电源端口和器件的电源部分是否工作正常，同时应注意系统中有无器件过热情况，如果有的话，可能是相应的器件损坏或电路中有短路，需要认真检查之后再加电。如果没有问题，则可以进行功能的检测。在调试的时候有以下问题及解决方法：（1） 由于本图是由PCB板焊的，在画PCB图中，有些电源线和接地线没有画出来，造成有些功能不能实现。经仔细检查，找到少焊的电源线和接地线。焊好后实现了应有的功能。（2） 在选择元器件的时候，由于酒精传感器模块的分压电阻的大小没有选的适当，使得在酒精测试时候酒精传感器反应不太灵敏。经过多次尝试换分压电阻，使得酒精传感器灵敏度大大提高。4.2 实物展示 图 2.6 成品 图 2.7 MQ3酒精传感器 图 2.8 空气状态下示数减小增大设置复位 图 2.9 设置报警阀值红灯亮起表示MQ3开始工作 图 3.0 酒精示数测量4.3 误差及故障分析在调试过程中，出现以下故障：（1）单片机不能下载程序；可能是检查晶振不工作或单片机线路故障；经排查，发现是晶振有一脚虚焊，重新焊上解决了这个问题。（2）用万用表测传感器输出电压，变化范围不大。原因可能是滑动变阻器阻值不够大，导致传感器电路灵敏度。经调试，换一个适当的、更大的滑动变阻器，再去测输出电压，电压变化范围就变大了，达到了测试要求。（3）传感器输出电压不稳定，在同浓度酒精情况下测试电压，测试值也不同。可能是传感器没有预热充分以及测试仪电源不稳定导致。检查调节电源电压，保证供电电压稳定，同时使传感器预热5分钟，等传感器充分预热以及系统功能稳定后，在进行电压测试。（4）LED无显示，可能是程序不对或者是LED硬件电路问题。经检查，有一根数据线插错了了，重新连接即可。（5）LED亮度不够，可能是因为电阻过大，经调试，解决问题4.4 传感器浓度校准在网上和图书馆查阅资料，了解到一种校准方法：密闭容器中，一定温度下，酒精溶液挥发到容器空气中后，酒精水溶液浓度与空气中酒精浓度是有一定关系的。利用这个关系进行计算，配置出标准的酒精溶液，就能对测试仪进行校准。当要是用来校准空气中0.25mg/L和0.40mg/L两个点时，根据资料中的数据，计算出要分别配置0.64g/L和1.02g/L的酒精水溶液，由于条件限制，这个是比较难达到精度要求的，而且还要在一定温度下密闭容器里进行校准，操作比较困难。资料中的数据时通过实验得到的，而且在于国家计量检定规程误差范围内的，以下为资料数据：表1酒精水溶液浓度与空气中酒精浓度的关系酒精水溶液/gL-1空气中的酒精含量/mgL-10.370.1430.610.2380.930.3564.4.1 呼出酒精气体浓度