毕业论文基于SPCE061A的酒精浓度监测.doc

毕业设计说明书基于SPCE061A的酒精浓度检测仪的设计学 院：电气与电子工程学院专 业：电子信息科学与技术姓 名：学 号：指导教师：2013 年 6 月摘 要本设计实现了对不同浓度酒精的检测和显示，通过适当改进可以用于检测酒后驾车。本文用SPCE061A单片机与MQ-3型气体传感器实现了对酒精浓度的测量，并对测量数据进行显示，同时利用二极管简单显示浓度的高低，在设计允许值时发出报警。论文主要研究了（1）硬件方面，MQ-3气体传感器技术参数的检测和将它接入到酒精浓度检测模块中；将模拟电压信号放大驱动发光二极管点亮报警；将采集到的模拟电压信号通过单片机控制经A/D转换，得到数字电压信号；用于显示浓度的数码管显示模块。（2）软件方面，主要研究了电压到浓度的线性转换和最终浓度值的数码管显示。（3）对设计的传感器进行了标定。设计的传感器对酒精气体反应灵敏，能在有效范围内测量它的浓度值。并且在检测低浓度酒精时误差较小，最大误差为8.2%满足设计要求。本文的特色在于标准的确定。对于流动空气，样品的稳定性和水蒸气的影响，提出了解决方案和验证方法。对不同的区间浓度和电压转换关系做线性化处理，简化了硬件电路的设计。设计的传感器可以检测不同浓度的酒精气体，改进之后对解决酒后驾车事故和特殊场合酒精检测都可以使用。关键词：气体传感器，模数转换，单片机Abstract Differentconcentrationsofalcoholsolutionaredetectedandshowedinthedesign.Thedesigncanbeusedtothedetectionofdrunkdrivingthroughimprovement.Inthisthesis,theconcentrationofalcoholcanbemeasuredanddisplayedbyusingthegassensorbasedonSPCE061AMCUandMQ-3.AtthesametimetheconcentrationisdisplayedbyLED,andthesystemallowtoalarminthecertainvalue. InthethesisMajorresearchesarethreepoints.(1)Inthehardware,detectingthetechnologyparametersMQ-3gassensor,andconnectingittoatestingpartofthealcoholgasconcentration;Analogvoltagesignalamplificationtodrivelight-emittingdiodelighttoalarm;conversingthevoltagesignalthroughtheA/Dconversionatthecontrolofthesingle-chip,obtainingthedigitalvoltagesignal;displayingtheconcentrationinthedigitaltubedisplaymodule.(2)IntheSoftware,linearconversionbetweentheconcentrationofthealcoholandthevoltageandthedigitaldisplayofthefinalconcentrationvalue.(3)Thedesignedsensoriscalibrated.Thedesignofgassensorisresponsivetothealcohol,canmeasureconcentrationintheeffectiverangeofitsconcentration.Andinthelowconcentrationofalcoholinthetesttheerrorissmallwiththemaximumerror8.2%,meetingrequirementsofthedesign. Thecharacteristicsofthethesisaretodeterminethestandard.Thesolutionsandverificationmethodsareproposedabouttheflowofairsamples,thesamplestabilityandwatervapor.Theconversionbetweenvoltageandconcentrationindifferentrangeistreatedaslinearrelationship.Thedesignofsensorcandetectdifferentthealcoholgaswithdifferentconcentration.Itplaysanimportantroletosolvethedrunk-drivingaccidentsandalcoholtestingforspecialoccasionsafterimprovement.KeyWords:Gassensor,A/Dconversion,Single-chipMicrocomputer目 录摘 要IAbstractII第一章 引言- 1 -1.1 系统研究的目的和意义- 1 -1.2 气敏传感器的发展状况- 1 -1.3本论文主要工作- 2 -第二章 方案设计与论证- 3 -2.1 系统总框图- 3 -2.2 方案论证- 3 -2.2.1 信息采集部分- 3 -2.2.2 驱动控制部分- 4 -2.2.3显示部分- 5 -2.2.4总体方案选定- 5 -第三章 主控芯片及61板简介- 6 -3.1 凌阳单片机SPCE061A简介- 6 -3.1.1 性能特点- 6 -3.1.2 SPCE061A芯片内部结构- 7 -3.1.3 SPCE061A芯片引脚- 7 -3.1.4 SPCE061A芯片内部所设部件- 8 -3.2 61板简介- 11 -3.2.1 61板总体概述- 11 -3.2.2 61板具体接口描述- 12 -3.3 本章小结- 13 -第四章 主要模块的选型- 14 -4.1 传感器的选型- 14 -4.2 液晶显示器的选型- 14 -4.2.1 MGLS-12032A基本参数- 16 -4.2.2 MGLS-12032A显示字符的方法- 16 -4.3 语音压缩算法选择- 17 -4.3.1 音频概述- 17 -4.3.2 数字音频的采样与量化- 17 -4.3.3 数字音频的压缩基础- 17 -4.3.4 压缩分类及压缩算法的选择- 17 -4.4 本章小结- 18 -第五章 系统硬件设计- 19 -5.1 系统硬件设计的主要内容- 19 -5.2 系统硬件电路设计- 19 -5.2.1 外部复位及时钟电路- 19 -5.2.2 音频输出接口电路- 20 -5.2.3 在线调试PROBE和EZ_PROBE接口电路- 21 -5.2.4 电源接口电路- 22 -5.2.5 键盘电路- 22 -5.2.6 放大电路- 23 -5.2.7 显示电路- 25 -5.3 本章小结- 27 -第六章 系统软件设计- 28 -6.1主程序设计及流程图- 28 -6.2 各按键子程序流程图及功能介绍- 29 -6.2.1 开始按键子程序- 29 -6.2.2存储子程序- 30 -6.2.3 求均值按键子程序- 31 -6.2.4 查询按键子程序- 32 -6.3 汉字显示和播音的实现- 32 -6.3.1 汉字的显示- 32 -6.3.2 S480的播音- 32 -6.4 显示及播音程序中用到主要API函数介绍- 33 -6.5 显示程序中所用字模的提取- 34 -6.6 本章小结- 34 -结 论- 35 -参考文献- 36 -附1.1 主程序- 38 -附1.2 键盘程序- 43 -附1.3 部分字模数据- 46 -附录二 系统总电路图- 53 - 第一章 引言1.1 系统研究的目的和意义随着经济高速发展，人民生活水平的迅速提高，中国逐渐步入“汽车社会”， 越来越多的人有了自己的私家车，酒后驾车行为所造成事故越来越多，对社会的影响也越来越大，酒精正在成为越来越凶残的第一大“杀手”。据有关资料统计，全世界每年就有超过60万人因车祸而丧失，400万以上的永久性伤残，一般受伤者则更是不计其数。并且据有关调查统计，大约50%到60%的车祸都是饮酒造成的。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。酒后驾驶已经被列为车祸致死的主要原因。造成的经济损失也相当惊人。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。1.2 气敏传感器的发展状况目前，应用最广泛的是半导体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。一是气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展，国外气体传感器发展很快。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国1996年2002年气体传感器年均增长率为（2730）。目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0.110）106硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。1.3本论文主要工作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，并具有声光报警功能及LCD显示功能的空气酒精浓度监测仪。其可监测出空气环境中酒精浓度值，并根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警来提示危害。采用c语言来实现其软件功能。该仪器硬件电路设计简单、软件功能完善、灵敏度高、工作性能好，并且具有尺寸小、方便携带的优点。此外，低功耗、低成本的特点可以使其吸引更多的市场目光。第二章 方案设计与论证 2.1 系统总框图图2.1 系统总框图2.2 方案论证2.2.1 信息采集部分方案一采用催化燃烧式气体传感器：该类型传感器是利用催化燃烧的热效应原理制成的。在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，通过测量铂丝的电阻变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。主要用于可燃性气体的检测，具有输出信号线性好，指数可靠，价格便宜，不会与其他非可燃性气体发生交叉感染缺点：在可燃性气体范围内，无选择性。暗火工作，有引燃爆炸的危险。大部分元素有机蒸汽对传感器都有中毒作用。方案二采用半导体气体传感器：半导体传感器已经成为当今应用最普遍、最实用的一类气体传感器。它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。MQ3酒精浓度检测传感器，具有以下优点：对乙醇蒸气有很高的灵敏度和良好的选择性，快速的响应恢复特性，长期的寿命和可靠地稳定性等因此，本设计采用半导体气体传感器MQ32.2.2 驱动控制部分方案一C8051F040单片机:该款单片机具有与MCS-51完全兼容的指令内核，它采用流水线处理(pipe line)技术，不再区分时钟周期和机器周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令执行效率。而且具有内部集成AD转换器、集成CAN20控制器等功能，能够完成多路数据的采集、判断处理、以及数据的传输等功能，使整个系统由一个单片机就控制起来。但是该单片机需外接模数转换器来满足数据采样。如果系统增加语音播放功能，还需要外接语音芯片，对外围电路来说，比较复杂，且软件实现起来也比较麻烦。方案二SPCE061A单片机和现有的大多数单片机相比，此单片机最大的特色就是增加了语音处理功能，是设计语音处理系统的理想选择。测试过程中伴有良好的语音提示，测试完毕后对结果进行显示的同时还可以语音报出，具有人性化、智能化的特点。另外，它内置8路ADC，2路DAC，因此在使用时便省去了外接模数转换器多带来的麻烦。还有，比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发和调试。因此，本设计将采用凌阳推出的SPCE061A2.2.3显示部分方案一采用LED显示：LED指的是发光二极管，数码管显示电路简单，价格便宜，耗电量低，编程方面也是很易于实现的，在不少产品中已得到广泛的采用。但是，显示的内容少，只能显示数字和部分字母，对于汉字和图形则是无法进行显示的，在实际应用中是很不便利的。方案二LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。其体积小，很符合便携式仪器的要求。虽然其价格贵，编程比较复杂，但是它具有显示内容多、清晰度高以及低功耗等优点，所以被人们所亲睐。现在LCD已经替代CRT成为主流，价格也已经下降了很多，并已充分的普及因此，在这选择液晶显示方式2.2.4总体方案选定综前面所述，本设计的中信息采集部分采用气敏电阻MQ3传感器；主控模块采用凌阳的16位语音单片机SPCE061A；显示模块采用液晶显示方式来实现，可以同时显示数字和汉字。这样在总体上初步实现一个对酒精浓度检测仪的设计。第三章 主控芯片及61板简介3.1 凌阳单片机SPCE061A简介SPCE061A 是继nSP（Microcontroller and Signal Processor）系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以nSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。3.1.1 性能特点（1）16位nSP微处理器（2）工作电压：内核工作电压（CPU）VDD为2.43.6V，I/O口工作电压VDDH为2.45.5V（3）CPU时钟：0.32MHz49.152MHz（4）可编程音频处理（5）内置2K字SRAM（6）内置32K字FLASH（7）系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2A3.6V （8）2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）（9）2个10位DAC（数-模转换）输出通道（10）锁相环晶体振荡器RC振荡器，为系统提供时钟信号（11）32位通用可编程输入/输出端口（12）14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒（13）出键唤醒功能（14）7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器（15）声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC功能）（16）串行设备接口（17）具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测(LVD)功能（18）内置在线仿真电路ICE(In-Circuit Emulator)接口（19）具有WatchDog功能3.1.2 SPCE061A芯片内部结构内核采用公司最新推出的16位微处理器芯片，工作电压范围为2.65.5V，系统工作频率为0.37549.152MHz。3.1.3 SPCE061A芯片引脚SPCE061A共有84个引脚，在84个引脚中有空脚15个，其引脚的排列如图3-1所示。图3-1 SPCE061A封装引脚排列图3.1.4 SPCE061A芯片内部所设部件1、I/O口nSP内有并行和串行两种方式的I/O口。并行口线路成本较高，但是传输速率也很高；与并行口相比，串行口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。部分SPCE061A单片机端口具有唤醒功能（IOA0IOA6）,即具有输入电平变化引起CPU中断功能。在那些用电池供电、追求低能耗的应用场合，可以应用CPU的睡眠模式即节电模式（通过软件设置）以降低功耗。通常，每一个I/O口位会由3个向量位来控制。一个是方向向量位（_Dir），控制着I/O口位的输入/输出方向；第二个是方式（或称属性）向量位（_Attr），控制I/O口位采用什么方式进行输入或输出；最后一个则是数据向量位（_Data），它一方面用来进行口位数据的输入或输出，另一方面与_Attr向量位组合在一起可对口位进行复合功能的设置。图3-2 带上拉电阻、下拉电阻、和悬浮式I/O口输入口的方式可设置为内部带上拉电阻、内部带下拉电阻或悬浮式的端口，各种连接如图3-2所示。若通过口位的组合设置还可以使输入口引入外部中断源或唤醒源事件，使端口具有中断或唤醒之特殊功能。口位数据的读入一般可直接来自输入管脚，亦可来自输入缓存器。输出口的方式也可根据需要设为常规的CMOS端口或NMOS、PMOS开漏端口，以及是与写入口位的数据同相输出还是反相输出。通过设置还可使口位具有输出缓存功能，以避免该口再被设为输入端口时管脚上输入电平的状态会影响到其输出的状态。串行通讯总线接口，SPCE061A单片机部分型号提供两种方式，一种是串行总线接口（SPI），另一种是凌阳公司自定义传输格式的同步串行接口（SIO），SPI接口占用三个端口，即SCK（串行时钟线），SDO(串行数据输出口)和SDI（串行数据输入口）。同步串行接口只占用两种端口，即SCK(串行时钟口)和SDA(串行数据口)。两种串行通讯方式用于与其它设备进行数据通讯或者外围设备的连接。2、A/D转换模/数转换器是一种信号转换接口，可以把模拟信号转换成数字量信号以便输入给计算机对其进行各种处理。SPCE061A采用主次逼近式原理实现模/数转换（A/D）。ADC有两种工作方式：手动方式和自动方式。它的ADC的结构如图3-4所示：图3-3 逐次逼近式ADC结构3、音频输出D/ASPCE061A的音频输出有两种方式，一种是音调输出方式，另一种则为语音输出方式，如图3-5所示。二者的区别在于其输出的控制机理不同。前者是通过控制Timer溢出所产生的不同频率来决定声波振动次数的多寡，从而决定发出的声音音调的高低，譬如好听的乐声；后者则是用与声音数据采样率相同的速率将声音数据通过数/模转换（D/A）通道还原成音频电压或电流输出，其中声音数据采样率可决定声音音质的好坏，并决定了声音数据所需占据的存储空间。4、定时器与计数器SPCE061A通常会提供了两个至三个16位的定时器/计数器；TimerA和TimerB(TimerC)。定时器/计数器的结构，TimerA的时钟源是由两个时钟源ClkA和ClkB经过一个逻辑与门相与而成的，TimerB的时钟源较简单，只有ClkA。此处的KlkA和ClkB为不同频率的时钟源。一般来说ClkA为高频时钟源，ClkB为低频时钟源。在TimerA中，对于计数器的时钟源来自两个时钟源的与信号。在TimerB中，只有ClkA时钟源，即高频时钟源。5、看门狗计数器设置系统维护是为了增加整个单片机系统的安全性和可靠性。SPCE061A的系统维护可有多项措施，如:低电压监测和低电压复位，还有一种就是看门狗计数器。SPCE061A的WatchDog的清除时间周期为0.75s。因为WatchDog的溢出复位信号WatchDog-Reset是由4Hz时基信号经4分频之后产生的，即每4个4Hz时基信号(1s)将会产生一个WatchDog_ Reset信号，如图3-6所示。而清除WatchDog的WatchDog-Clear信号却可以发生在4Hz信号(0.25s)之间的任意一个时刻点上。假如WatchDog-Clear信号发生在4Hz信号尾端的0.01 s即第0.25s时刻，此时虽然WatchDog被清掉，但由于它发生在4Hz信号之后，再经3个4Hz信号即0.75s，如果一直没有WatchDog-Clear信号，便会产生出一个WatchDog_ Reset信号。3.2 61板简介3.2.1 61板总体概述常说的“61板”就是SPCE061A EMU BOARD V1.0的简称,是以16位单片机SPCE061A为核心的精简开发仿真实验板，有一页扑克牌大小，是“凌阳大学计划”专为电子爱好者、课程设计、毕业设计及电子竞赛而设计的。硬件电路包括有电源电路、音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部分）、复位电路等，在学生掌握了软件知识的同时，又学习单片机硬件设计制作，锻炼动手能力，该板子采用电池供电，体积小，方便学生随身携带。具体能完成以下实验内容：1、单片机内含常用功能: I/O口、中断、定时、A/D转换和D/A转换等。2、综合实验：配合学校要求学生动手环节，要求搭配必要的电路来完成，包括键盘、数码管、液晶（LCD）、USB及外扩FLASH等模组的实验。3、语音处理实验：提供包括三种应用于不同场合、不同压缩比的放音；录音（DVR）及语音辨识等实验，同学们可以通过简单的操作实现放音或录音，了解一般语音处理的功能，大大丰富了同学们的单片机知识，还能提高学生学习的兴趣。另外，SPCE061A具有16*16位的乘法运算和内积运算的DSP功能，这不仅为它进行复杂的语音数字信号的压缩编码与解码提供了便利，还可以做数字滤波器(Digital Filter) 。图3-4 61板接口图3.2.2 61板具体接口描述61板将SPCE061A的32个I/O口全部引出：IOAOIOA15，IOB0IOB15，对应的SPCE061A引脚为：A口，4148、53、5460；B口，51、8176、6864。而且该I/O口是可编程的看，即可以设置为输入或输出：在5V情况下为输入时，上拉电阻为150K，下拉电阻为110K；设置为输出时，可以选择同相输出或者反向输出。61板具有强大的语音处理功能，由DAC输出引脚21或22经语音集成放大器SPY0030(功能相当于LM386)放大，然后输出。图3-4中J4为PROBE的皆苦，我们就是通过它与PC机链接起来进行调试、仿真和下载程序的。这样，就不需要再用仿真器和编程器了。61板的内核SPCE061A电压要求为3.3V,而I/O端口的电压可以选择3.3V也可以选择5V。所以，在板子上具有两种工作电压：5V和3.3V。这两种电平的选择通过跳线J5来选择。需要注意的是由于SPCE061A最大输出电流为50mA，所以如果需要外接一些模组时要先考虑负载能力。3.3 本章小结本章主要是对SPCE061A单片机和一次为核心的61板做了简单的叙述，以便为后续的硬件和软件方面的设计做好准备。第四章 主要模块的选型4.1 传感器的选型由于本设计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。MQ3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。传感器是将外界信息转换成电信号的装置，其中的电信号包括数字信号和模拟信号，数字信号可以通过电气隔离直接送给单片机或微型计算机进行处理，模拟信号则利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测控。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，所以是模拟信号。图4-1 MQ3酒精浓度传感器电路图4.2 液晶显示器的选型基于液晶显示的高清晰度、低功耗等的特点，它已广泛受到人们的青睐。国内外的许多厂家都生产的有各自规格的液晶显示屏，如深圳钜汉科技生产的ATM专用液晶显示模组，查询机液晶显示器，地铁用液晶显示器，工业用显示器，机械设备液晶显示器，停车场液晶显示器等。MGLS-12032A是香港精电公司提供的一款小型的点阵式液晶显示屏。它采用内置的SED1520作为控制驱动器，它具有体积小，重量轻的特点，该模块的显示屏一次最多可显示14个1616的点阵汉字，是一款便携式产品的首选显示器件，另外，它在与单片机的搭接上也非常简单，只占用单片机的12个端口，因此只要将其通过12插针的排线连接到61板即可，这为我们的学习和设计提供了方便。因此，显示模块选用想搞静电MGLS-12032A是内置SED1520控制驱动器的图形LCD模块，点阵数为12032，点大小为0.6mm0.425mm，模块尺寸为75.0mm54.0mm，视频尺寸为60mm26.5mm。MGLS-12032A由2片SED1520来驱动，2片SED1520都只采用了其中的60个列驱动口，分别驱动LCD的左右半屏。其结构如图4-2所示。MGLS-12032A内部有12032=3840位显示RAM。显示RAM 中的每位数据对应相应LCD屏上一个像素点的亮、灭状态，“1”表示亮，“0”表示灭。在LCD上显示汉字其实就是按照汉字的点阵图向显示RAM中写0或1，从而在LCD屏上显示出具体的汉字。LCD：MGLS-12032A12032点SED1520SED1520SED152060 60 VCC GND Vo E1 E2 A0 R/W DB0DB7 图4-2 MGLS12032A的结构框图4.2.1 MGLS-12032A基本参数序号管脚符号管教名称说明1GND逻辑电源地2Vcc逻辑电源+53V0工作负电压提供对比调节负电压4A0数据/指令选择A0=0选择数据通道A0=1选择指令通道5R/W读/写选择信号R/W=0写操作R/W=1读操作6E1读写使能1E1=0禁用E1=1允许7E2读写使能2E2=0禁用E2=1允许8NC空916DB0DB7三太数据总线MGLS-12032A共有16个管脚，非常容易通过接口被访问液晶显示器采用内置的SED 1520作为控制驱动器，。模组上的图形等，且有4级灰度可调。4.2.2 MGLS-12032A显示字符的方法要在液晶显示块上显示一个字符，需要三个最基本的控制操作：分别向两个SED1520控制器写指令代码、写显示数据和读写数据。完成这三星操作的前提是相应SED1520处于准备好的状态，当SED1520处于忙的状态时，除了读状态字之外，其他指令均不起作用，因此在访问SED1520之前，就要先读取控制器的当前状态，判断是否准备好。MGLS-12032A液晶显示块中液晶显示区为120*32点阵，每8个像素行组成一页，整个显示区分为4页；显示区的左半区收E1控制器的60个列驱动器控制，右半区受E2控制器的60个列驱动器控制。当字符的输出的指定位置出现在E1和E2的交界线附近时，如不进行适当的处理的话，字符是无法被完整显示的，因此必须加入切换控制区以及换页的自动处理，得到完整显示的字符的输出。4.3 语音压缩算法选择4.3.1 音频概述音频是个专业术语，人类可以听到的所有声音都称之为音频。声音先被录制下来以后，无论是说话声、歌声、乐器都可以通过相关软件处理，或是将其制作成CD，它的声音没有改变，这是因为CD本来就是音频文件的一种类型。而音频只是储存在计算机里的声音。如果由计算机再加上相应的音频卡就是我们经常说的声卡，我们可以把所有的声音录制下来，声音的声学特性如音的高低等都可以用计算机硬盘文件的方式储存下来。反过来，我们也可以把储存下来的音频文件用一定的音频程序播放，还原以前录下的声音。4.3.2 数字音频的采样与量化将模拟的声音波形数字元化（离散化），以便利数字计算机进行处理的过程，主要包括采样和量化两个方面。只有经过了这样一个过程，单片机才能对于语音进行不同的处理。数字音频的质量取决于：采样频率和量化位数这两个重要参数。此外，声道的数目、相应的音频设备也是影响音频质量的原因。4.3.3 数字音频的压缩基础语音压缩编码中的数据量是指：数据量=（采样频率量化位数）/8（字节数）声道数目。压缩编码的目的：通过对资料的压缩，达到高效率存储和转换资料的结果，即在保证一定声音质量的条件下，以最小的资料率来表达和传送声音信息。压缩编码的必要性：实际应用中，未经过压缩编码的音频资料量很大，进行传输或存储时不现实的。所以要通过对信息趋势的预测和冗余信息处理，进行资料的压缩，这样就可以使我们用较少的资源建立更多的信息。4.3.4 压缩分类及压缩算法的选择凌阳音频压缩算法根据不同的压缩比分为以下几种：SACM-A2000： 压缩比为8:1， 8:1.25， 8:1.5SACM-S480： 压缩比为80:3，80:4.5SACM-S240： 压缩比为80:1.5它们按音量的排序为：A2000S480S240SACM_A2000压缩算法压缩比较小（8:1）所以具有高质量、高码率的特点适用于高保真音乐和语音。SACM_S240压缩算法的压缩比较大80:1.5，价格低，适用于对保真度要求不高的场合，如玩具类产品的批量生产，编码率仅为2.4Kbps。SACM_S480压缩算法压缩比较大80：3，存储容量大，音质介于A2000和S240之间，适用于语音播放，如“文曲星”词库。综上所述：综合在压缩比例和音质上的考虑，本设计选用了SACM_S480压缩算法，它既可以保证较高的语音清晰度，又能保证语音文件不会占用过大的存储空间。4.4 本章小结本章主要在信息采集器件、显示器件和语音压缩算法的选择上做了必要的阐述，通过本章论述和说明最终确立出了这三大主要模块的实现方法：传感器采用MQ3酒精传感器、显示器件选用MGLS-12032A液晶显示模块、语音压缩算法采用SACM-S480压缩算法。第五章 系统硬件设计5.1 系统硬件设计的主要内容基于凌阳单片机SPCE061A所设计的酒精浓度检测仪在信息的整体流程上可以主要分为信号的采集放大、信息的控制与处理、处理结果的显示和语音播报等模块。而本系统在设计时充分利用了凌阳公司为大学生所提供的61板，因此，主控模块和语音播报模块便得到了相应的解决。在此基础上本系统在硬件上的主要设计终点便放在了信号的采集放大，液晶显示模块和外扩的键盘电路的设计上。5.2 系统硬件电路设计5.2.1 外部复位及时钟电路通过某种方式使单片机内存及各寄存器的值变为初始值的操作称为复位，复位是对61板内部的硬件初始化，61板本身具有上电复位功能，即通电就自动复位，另外，还具有外部复位电路，即在引脚6上外加一个低电平就可令其复位。SPCE061A复位电路如图5-1所示。在SPCE061A单片机RES_B（第6脚）端加上一个低电平就可令其复位。图5-1 复位电路原理图如图5-1所示为SPCE061A时钟电路的接线图。因阻容振荡的电路时钟不如外接晶振准确，故采用了外接晶振的方式。其频率采用的是32768Hz。图5-2 时钟电路原理图32768Hz实时时钟通常用于钟表、实时时钟延时以及其他与时间相关产品。SPCE061A通过对32768Hz实时时钟源分频，提供了多种实时时钟中断源。5.2.2 音频输出接口电路凌阳的SPCE061A是16位单片机，具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达到49M，具备运算速度高的优势等等，这为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。另外SPCE061A单片机具有32K闪存，事先把所需要的语音信号录制好，整个语音信号经凌阳SACM_S480压缩算法压缩只占有很小的存储空间，对凌阳SPCE061A单片机的存储系统来说绰绰有余。凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出、自动增益（AGC）控制。图5-3中J3是语音输出接口，一个2pin的插针外接喇叭，当测量的结果比较稳定时，语音播报电路开始播报测量结果。由DAC输出引脚21或22经语音集成放大器SPY0030A放大，然后输出。SPY0030是凌阳的一款芯片，功能相当于LM386，但是比LM386音质好，它可以工作在2.46.0V范围内，最大输出功率可达700mW(LM386必须工作在4V以上，而且功率只有100mW)。图5-3 语音输出接口5.2.3 在线调试PROBE和EZ_PROBE接口电路图3-7中J4为PROBE的接口，该接口有5pin，我们就是通过它将PROBE与PC机连接起来进行调试、仿真和下载程序的，这样，就不需要再用仿真器和编程器了。图5-4中J11是EZ_PROBE的接口，我们采用一根下载线一端连接PC机的25pin并口，另外一端接61板的5pinEZ_PROBE接口便可实现程序的下载。IEC基本运作方式是通过控制clock及通过ICE喂入指令方式，来控制CPU的运行及缓存器资料和内存资料的存取，因此必须透过控制缓存器值得设定来控制目前CPU的动作。每个相连接的不同ICE模块都拥有自己独特的3-bitID，当PC在传送control信号时都会先传送该3-bitID，只有ICE本身的ID和control信号的ID相同时才会执行该命令或回传资料。61板上的74HC244主要在我们选用下载线的时候起作用，主要起缓存的作用和完成SDA是作为数据回送还是数据下传的选择。图5-4 在线调试与编程下载原理图5.2.4 电源接口电路图3-7中J10是电源接口，61板的内核SPCE061A电压要求为3.3V，而I/O端口的电压可以选择3.3V也可以选择5V。所以，在板子上具有两种工作电压：5V和3.3V。对应的引脚中15、36和7必须为3.3V，对于I/O端口的电压51、52、75可以为3.3V也可以是5V，这两种电平的选择通过跳线J5来选择。图5-5中的VDDH3给SPCE061A的I/O供电，VDD_P为PLL锁相环供电，VDD为数字电源，VDD为数字电源，VDD_A为模拟电源，VSS是数字地，AVSS1是模拟地，AVSS2接音频输出的地，电源部分电路原理图如图5-5所示：图5-5 电源电路原理图其中的前后两组电容用来去耦滤波，使其供给芯片的电源更加干净平滑。两个二极管，是为防止误将电源接反造成不必要损失而设置的，在操作过程中千万不要将电源接反，因为反向电压超过一定的值，二极管将会被损坏，达不到保护的目的。后面的零电阻及其电源、地分成不同的几路是为减少电磁干扰设置的。5.2.5 键盘电路键盘输入电路如图5-6所示，当有按键按下时，SPCE061A通过键盘扫描程序便可读出相应的键值并作出相应的操作。在本系统中，除了61板自身所带的复位按键外，又扩展了五个按键，它们的功能分别是：开始按键、存储按键、求平均值按键、上查按键和下查按键，它们分别对应S2、S3、S4、S5、S6。图5-6 键盘电路原理图系统之所以将键盘模块搭接在IOA口上，是因为：若通过口位的组合对IOA进行设置，可使输入口引入外部中断源或唤醒源事件，使端口具有中断或唤醒之特殊功能，这样，使系统在无输入的情况下处于低功耗状态，这正符合了便携式系统对低功耗电路的要求。5.2.6 放大电路1、电流/电压转换电路及放大电路的分析（1）电流/电压转换电路电流/电压转换电路能将输入的电流信号转换为电压信号输出，又成为互阻放大器。通常利用反向输入的放大器构成，如图5-7所示：图5-7 电压转换参照图由于 U+=U-=0 （5-1）所以 Is = Ir （5-2） U0=-IsR=-KIs （5-3）式（5-3）中K=R为变换系数，输出电压U0与负载电阻R1无关，在电路参数一定时，U0与输入电流Is成正比，故可将其视为电流/电压转换电路。（2）放大电路图5-8 电压串联负反馈如图5-8的连接方法是以同向比例运算电路。输入信号Ui从同向输入端输入，Rf是电路引入了一个电压串联负反馈。根据： ，可得 （5-4） （5-5） （5-6）于是 （5-7）所以此电路的电压放大倍数为： （5-8）式（5-8）说明输出电压与输入电压的大小成正比且相位相同，电路实现了同向比例运放。Auf只取决于电阻Rf和R1的比值，与集成电路的内部参数无关，故比例运放的精度和稳定性只取决于这两个电阻的稳定程度。由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高。对于理想运放，输入电阻为无穷。同样输出电阻为零。在同向比例的实际运用电路中，为了保持两个输入端处于平衡状态，也常常使使2、电路的具体设计（1）电流/电压转换电路采用电流/电压转换电路可以将其转换成相应的电压值。在此我们采用1K的电阻，这样，传感器所输出的电流信号经电流/电压转换电路后所输出的电压信号约为0至200mv。（2）电压放大电路在凌阳单片机的VRT(35脚)上加一3.0V的参比电压，这样可以使单片机的端口电压量程置为0到3.0V。根据电流/电压转换电路的输出电压可知，若采用10倍的放大电路，可将此电压放大到02000mv的范围内波动，这样基本满足了SPCE061A模数转换的要求。图5-9 电压放大电路5.2.7 显示电路本设计采用了内置MGLS-12032A点阵式图形液晶显示模块，液晶显示示器(LCD)以其重量轻、体积小、电压低、功耗小、显示内容丰富等优点，逐渐在仪器仪表、工业控制等领域得到广泛应用isl。其功能强，使用方便，能直接与单片机接口，可方便地实现显示字符、数字、汉字、图形等功能。其连接驱动电路如图5-10所示。图5-10 显示电路图5-10中的MAX1677是电压转换芯片，输入为3V, 输出两路电压，分别为+5和一10,M