基于单片机的酒精浓度测试仪设计

苏州科技学院本科生毕业设计（论文） I 基于单片机的酒精浓度测试仪设计基于单片机的酒精浓度测试仪设计 摘摘 要要 中国经济的飞速发展使得私家车的占有量越来越高。人们生活水平的提高，车 辆的大幅度增多，也使得道路安全问题越来越严重。有些事故是让人回天乏术的， 而有些事故是完全可以避免的。比如酒后驾车，这种行为是对自己以及他人生命的 严重不负责。为了遏制这种行为，对驾驶员进行酒精浓度测试不失为一种有效的方 法。酒精浓度测试仪不仅要能准确测出酒精的浓度，而且要让测试人员读出该浓度。 当然也要有报警装置，提醒人们浓度超标。本设计目的在于实现对不同的酒精浓度 的检测和显示，通过适当改进可以用于对驾驶员进行是否酒后驾车的检测。本文主 要采用 STC89C52 单片机与 MQ-3 型气体传感器，而且能够对显示出所测量的数据， 加之二极管的使用就可以简单地显示出所测的酒精浓度。当其浓度超过允许值时， 检测仪将发出蜂鸣声。 关键词关键词: 酒精浓度检测；STC89C52 单片机；MQ-3 气体传感器；A/D 转换， 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） II Alcohol tester based on MCU Abstract The rapid development of Chinas economy makes the share of private cars increase. Whats more, the improvement of peoples living standards and a substantial increase in the vehicle makes the road safety problem get worse. Some accidents are beyond resurrection, while others are completely can be avoided . Such as drunk driving. such behavior is serious not responsible to their and the others lives . In order to curb this behavior, the driver alcohol test is an effective method. Alcohol tester is not only able to accurately measure the concentration of alcohol, but also can let testers reads the concentration. Of course, we have an alarm system to alert people to the concentration exceeded. The design aims to achieve different alcohol concentration detection and display. And it can be used for the driver is drunk driving tests through appropriate improvements. This paper uses STC89C52 MCU and MQ-3 Gas Sensor as the main devices. With the use of the diode, the alcohol tester can display the measured data and simply show the alcohol concentration measured. When the concentration exceeds the allowable value, the detector will beep. Keywords STC89C52 microcontroller; MQ-3 gas sensor; A/D conversion 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） III 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 酒精测试仪现状和发展趋势.1 1.2 酒精浓度检测仪设计的意义.1 1.3 研究内容.2 1.4 系统总体思路.2 第 2 章 系统总体方案设计.3 2.1 总体设计.3 2.2 控制模块方案论证.3 2.3 显示模块方案论证.3 第 3 章 硬件电路设计.5 3.1 单片机电路设计.5 3.1.1 单片机介绍.5 3.1.2 STC89C52 的功能特性.6 3.1.3 STC89C52 的原理说明.6 3.2 MQ3 气体传感器 .7 3.2.1 MQ-3 主要技术指标.7 3.2.2 MQ-3 结构、外形、测试电路.8 3.2.3 MQ-3 传感器调理电路.10 3.3 电源电路.11 3.4 ADC0809 .11 3.5 LCD 液晶显示模块.12 3.5.1 LCD1602 显示模块技术参数.12 3.5.2 LCD602 显示模块功能.13 3.6 发光二极管显示报警电路.15 3.7 阈值存储电路.16 3.8 系统硬件设计原理图分析.16 第 4 章软件系统的设计与实现.18 4.1 主程序设计.18 4.2 分部分软件设计.19 4.2.1 ADC 程序流程图.19 4.2.2 LCD 程序流程图.20 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） IV 第 5 章 系统的调试及实验结果.21 5.1 调试步骤.21 5.1.1 按键修改酒精阈值程序.21 5.1.2 模数转换测试.21 5.1.3 液晶显示程序设计.22 5.1.4 声光报警测试.25 5.1.5 整体功能调试程序.25 5.2 实验结果.25 结 论.27 致 谢.28 参 考 文 献.29 附录 A 译文.30 STC89C51RC/ RD+系列 MCU .30 附录 B 外文原文.38 STC89C51RC/RD+ SERIES MCU.38 附录 C.51 附录 a：全局变量头文件和延时模块.51 附录 b：AD 转化模块.53 附录 c：24c08 存储模块.54 附录 d：LCD 显示模块.59 附录 e：主函数.64 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 酒精测试仪现状和发展趋势酒精测试仪现状和发展趋势 汽车的发明，使世界的文明跨出了一大步。汽车产业的飞速发展使得拥有汽车 已不是遥不可及的梦。现在几乎每家每户都有汽车，汽车让人们的距离不再遥远， 但交通事故却给人们带来了不可挽回的悲剧。交通事故多发的原因有很多，其中能 避免的就是由于酒后驾车引起的交通事故。中国的酒桌文化由来已久，很多人认为 自己虽然喝了酒，但是还是能掌控车辆。但是这是完全错误的，在酒精的作用下， 人的大脑并不能做出正确的判断，容易错误的操控车辆，从而导致悲剧的发生。为 了从根源上遏制由于酒后驾车引发的交通事故的发生，酒精浓度检测仪的诞生便可 以方便快捷的解决这一问题。不仅如此，涉及到酒精浓度检测的食品加工、酿酒等 行业，也广泛运用酒精浓度检测仪来提高生产安全性。由于科技的飞速发展，用于 检测酒精浓度的首要元件气体传感器越来越符合现代社会的生产需求。用来检 测酒精浓度的传感器正朝着功耗低，功能多，方便，快捷的方向发展。地球上大部 分国家使用的都是呼吸式酒精浓度检测仪，只要驾驶人员对着检测仪呼气，就可以 现场检测出驾驶员体内的酒精浓度，确定他们有没有酒后驾车，以及是否为醉酒开 车。这样就可以大大减少这种可避免的交通事故的发生。 1.2 酒精浓度检测仪设计的意义酒精浓度检测仪设计的意义 进入二十一世纪以来，我国的经济发生了突飞猛进的发展，人们的生活水平越 来越高，私家车几乎成为每家每户的必备品。凡事有利有弊，有私家车的人大多生 活质量还不错，这种情况下，聚会，谈生意等场合下饮酒的可能性也相对比较大。 由于驾驶员饮用大量酒精后导致驾驶人员判断力降低，不能很好的操控机动车，从 而导致非常严重的交通事故，家破人亡，惨绝人寰的事情频频发生。为什么喝酒以 后不宜开车呢？那是因为酒后驾车，由于驾驶员体内酒精浓度比较高，会使其反应 速度比较慢，对危险的评估能力比较低，因而不能对危险起到很好的控制，悲剧就 此发生。而酒精浓度检测仪可以检测出驾驶员体内的酒精浓度，从而预防驾驶员酒 后驾车，从而减少因酒后驾车导致的交通事故的发生。因此研究酒精浓度测试仪对 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 2 这个社会的安定和谐是有重大意义的。 1.3 研究内容研究内容 本论文研究的主要内容如下： （1）气体传感器：本设计使用的是 MQ-3 气体传感器。主要研究 MQ-3 气体传 感器的性能特性，以及怎样将其运用到本设计中去； （2）单片机：选择 STC89C52 单片机，作为控制单元； （3）模数转换：模拟电压信号经放大电路被放大后，通过单片机内部的模数转 换器，将模拟电压信号变成数字电压信号； （4）LCD 显示器：数码管显示器上显示其测得的酒精浓度，并与所设置的浓 度阈值进行对比，若超过阈值，则通过蜂鸣器发出报警； （5）软件方面：通过对单片机的编程，最终实现数据在数码管上的显示 1.4 系统总体思路系统总体思路 设计酒精浓度检测仪首先要有一个气体传感器将乙醇的浓度变成电信号。本设 计选择的是 MQ-3 型气体传感器，该传感器灵敏度高，价格低，使用方便，是做酒 精浓度检测仪的不二之选。而传感器得到的电信号不能直接用来传输给单片机，因 此得到的信号要经过一定的电路处理，变成 05V 的模拟电压后方能输出。由于这 里得到的是模拟电压，要经过 A/D 转换器才能将其变成数字电压。这里选用 STC89C52 单片机的好处就体现出来了。因为 STC89C52 单片机内部自带的 A/D 转 换模块，无需外接转换器，这样就大大地降低了设计难度和设计成本。模拟信号通 过 A/D 转换后便会输出酒精浓度的数据，把该数据与预先设定的醉酒阈值进行对比。 要想实现酒精浓度值在数码管上显示或报警，就要将该该数据送到单片机的 P1 口， 再通过 STC89C52 单片机进行一些软件程序的处理。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 3 第第 2 章章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2.1 总体设计总体设计 图 2-1 总体设计框图 本论文的第一步就是信号采集模块，即由传感器采集酒精浓度信号。然而采集 到的仅仅是模拟信号，所以要通过一个模数转换器，将原本的模拟信号转变成数字 信号。这就要求单片机内部能进行模数转换。出于这方面的考虑，就选择了 STC89C51 型单片机。这样省去了不少麻烦。单片机作为控制模块与 LCD 显示器相 连接，并通过编程，控制其显示出所测试的乙醇的浓度。同时单片机还与键盘连接， 这样就能改变阈值，使所设计的酒精浓度检测仪适应多种场合需要。另外所测得的 酒精浓度与阈值做比较，当超过预设阈值时，报警器就会发出报警。 2.2 控制模块方案论证控制模块方案论证 控制模块主要是由单片机来完成。单片机接收酒精浓度传感器送来的模拟数据， 首先要将其变成数字量。然后通过对单片机的一系列编程，使其控制 LCD 显示器显 示酒精浓度值。同时，通过键盘改变阈值，把设置的阈值传送给单片机，这样就能 使测得的酒精浓度与实时阈值相比较，并将比较结果通过单片机传达给声光报警器。 最终实现报警功能。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 4 2.3 显示模块方案论证显示模块方案论证 显示模块选择 LCD 液晶显示器来完成，因其符合设计的需求，将单片机的 P0 口与 LCD 相连便可传输经过单片机处理的数据，使酒精浓度值在 LCD 上显示。通 过一系列编程，便能达到设计预想的结果。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 5 第第 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 3.1 单片机电路设计单片机电路设计 3.1.1 单片机介绍单片机介绍 STC89C52单片机是宏晶公司生产的STC系列增强型8051单片机，这种单片机几 乎囊括了采集数据和系统控制过程中所有的单元模块。这种单片机的指令代码完全 可以兼容传统的8051单片机，这样既能使元件性能提高，又不用大费周章的重新编 写指令代码。 STC89C52单片机在标准的8051基础上新增了许多实用功能：ISP/IAP编程方式， 6时钟/机器周期模式，内部扩展RAM,双DPTR数据指针，扩展P4口，内置看门狗电 路，多种复位方式，省电模式实现超低功耗，PCA/PWM功能。相较于传统的8051功 能更加强大。 其引脚图和内部结构如图3-1所示： 图 3-1 STC89C52 单片机管脚图 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 6 3.1.2 STC89C52 的功能特性的功能特性 （1）内有增强型52内核。 （2） 工作电压：3.45.5V。 （3） 内部集成MAX810专用复位，使复位可靠更高，8级可选复位门槛电压， 彻底省掉外部复位电路。 （4） 低功耗设计 （5） 工作频率：035MHz,相当于普通8051:04205MHz。 （6） 通用I/O口，无需上拉电阻便可作为总线扩展用，但必须加上上拉电阻才 能作为I/O口使用。 （8）UART(通用异步串行口)。 （9）具有片上集成512字节RAM数据存储器。 （10）具有片内EEPROM功能 （11） ISP/IAP， ，无需编程器/仿真器便可通过串口直接下载用户程序，而且速 度非常快。 （12） 8通道，8位逐次逼近式ADC。 （13） 捕获/比较单元（PWM/PCA) 3.1.3 STC89C52 的原理说明的原理说明 图 3-2 单片机系统原理图 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 7 STC89C52 单片机为 52 内核 8 位单片机，选择这个型号的单片机的一个重大原 因是它内部集成了 8 位多路 A/D 转换模块。如图 3-2 所示，这个单片机系统原理图 适用于常用检测。该原理图中 STC89C52 占主要地位。MQ-3 传感器模块将检测电 压信号通过 AOUT 这条线送入单片机的 ADC7 端口进行处理，然后经过单片机内部 的 ADC0809 处理后，变成数字电平信号，由单片机的 P0 口送出。P0 口则与 LCD 显示器相连。通过把数据信号传送给 LCD 使其显示出测得的浓度。这样更加直观的 让使用者知道浓度的具体值。然后比较测得的酒精浓度与阈值大小。如果测得的信 号如果超出阈值，就会发出报警信号。另外上图最下方是一个时钟电路，用于产生 时钟信号。P1.0 与 P1.1 是与外部存储器相连的，这个存储器用于存储设定的阈值， 这样就能更加人性化，使该设计的应用场合更加广泛。 3.2 MQ3 气体传感器气体传感器 酒精浓度检测的准确性决定于其所用的传感器。而MQ-3乙醇气体传感器具有较 高的灵敏度，和较好的稳定性，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。其技术特点为： 灵敏度高，酒精浓度的细微变化，都能检测出来 对于外界的干扰具有良好的选择性 具有快速的响应恢复特性 有效工作时间比较长而且比较稳定 具有简单的驱动回路 具有信号输出指示 能够输出两路信号 TTL 输出有效信号为低电平这时可直接接单片机 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 8 3.2.1 MQ-3 主要技术指标主要技术指标 表 3-1 MQ-3 主要技术指标 3.2.2 MQ-3 结构、外形、测试电路结构、外形、测试电路 如图 3-3 所示，是 MQ-3 传感器的内部主要结构。因其良好的特性，而且价格便宜，所以这 种传感器被广泛用于单片机学习中。和一般的电子元器件一样，它只需要 5V 电压为其供电，因 此功耗比较低。使用时应注意要预热 20s，这样更能确保其检测的准确性。 图 3-3 MQ-3 气敏元件结构图 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 9 表 3-2 MQ-3 传感器的主要组成材料表 下图3-4为MQ-3乙醇气体传感器的灵敏度曲线。其工作原理是，当酒精气体浓 度发生改变时，MQ-3的气敏电阻也随之改变，由图可以看出，该传感器的灵敏度非 常高，因此准确性也比较高。 图 3-4 MQ-3 乙醇气体传感器灵敏度曲线 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 10 3.2.3 MQ-3 传感器调理电路传感器调理电路 图3-5为MQ-3乙醇气体传感器接入电路原理图。其实物图如图3-6所示。MQ-3测 得的信号，经过一定的电路处理后，在输入单片机的A/D转换模块。这样更便于单 片机处理信号。 AB H 1 3 6 4 5 2 QM-N10 VCCVCCVCC R3 LED C1 VCC 2 3 4 1 8 U1A R1 1 2 3 4 P1 Rp 产产产产 产产产 产产产产产产产产 R2 +5V DOUT AOUT GND 图 3-5 传感器模块原理图 图 3-6 MQ-3 传感器模块实物图 本论文所设计的传感器模块为了方便与单片机系统连接组成酒精浓度检测仪。 RP是用来调节阈值的，当LM393的2脚(即测得的酒精浓度信号)比3脚高时，其1脚就 会输出低电平。这时LED灯就会亮起。图中R3为限流电阻，C1为滤波电容。而且该 电路有两路信号输出，另一路是MQ-3检测到的模拟量，通过AOUT与单片机ADC7 端口相连，实现模拟信号送入A/D转换模块。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 11 3.3 电源电路电源电路 本设计采用 USB 接口供电，供电电压为 5V。当 USB 接口与电脑相连时，并不 能直接供电，而要通过内含的 PL2303 芯片的转换电路才能实现对单片机进行程序 编写。其电路原理如图所示。 图 3-7 供电及程序下载电路 3.4 ADC0809 ADC0809 是 8 路 8 位逐次逼近式的 A/D 转换器。该器件的主要性能如下： 1.采用单一的+5v 电源逐次逼近式 A/D 转换。实现 A/D 转换所需要的时间极端， 仅为 100s 。 2.分辨率为 8 位二进制码，总失调误差为1LSB。 3.具有 8 通道模拟量选通开关控制，可以直接接入 8 个单端模拟量。 4.转换后的数字信号采用三态逻辑，输出符合 TTL 电平。 ADC0809 引脚功能如下： 1.IN0-IN7:8 个模拟输入通道的输入引脚。 2.D0-D7:8 位数字量输出引脚，输出转换结果。 3.START：启动信号输入引脚。A/D 转换由正脉冲启动，其上升沿使 ADC0809 复位，下降沿启动 A/D 转换。 4.ALE:地址锁存允许信号，输入。A/B/C3 位地址码被送入内部的地址锁存器中， 以选择模拟输入通道。 5.EOC:转换结束信号，输出。启动信号后经延时，使 EOC 降为低电平，待转换 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 12 结束，恢复到高电平。 6.OE:高电平允许输入。 7.CLK:时钟信号，典型值为 640KHz，范围为 10KHz-1280KHz。 8.(+)和(-):参考电压的正负端输入引脚。其典型值为(+)=+5V.(-) REF V REF V R V R V =0V。 9.和 GND:+5V 的电源和地。 cc V 图 3-8 模数转换 IN0 用于接收 MQ-3 传感器传来的模拟电压信号，IN1 为比较器 LM393 的电压 信号。D0-D7 用来输出转换后的数字电压信号 3.5 LCD 液晶显示模块液晶显示模块 LCD 即液晶显示器，是一种低功耗的显示器，其应用十分广泛。液晶显示器可 根据需要将电极做成各种文字、数字、图形以获得各种形态的显示。 1602 是一款通用的字符型 LCD，由于其价格低，采购容易，方便控制，得到广 泛运用。1602 有 14 和 16 条引脚线两种，区别在于多了 2 条背光电源线。主要功能 有：40 通道点阵 LCD 驱动；有行驱动和列驱动两种选择。 3.5.1 LCD1602 显示模块技术参数显示模块技术参数 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 13 表 3-3 LCD1602 的主要技术参数 3.5.2 LCD602 显示模块功能显示模块功能 表 3-4 LCD1602 引脚，符号功能说明 引脚标号状态说明 Vss1接地 VDD2电源正极（5V） VL3用于调整液晶显示器的对比度 RS4输入用于选择用何种寄存器，高电平时选择数据寄存器、 低电平时选择指令寄存器。 R/W5输入读写选择，高电平时进行读操作，低电平时进行写 操作 E6输入使能端，当 E 端从高电平变成低电平，液晶模块执 行命令 D0D7714三态8 位双向数据 IO BLA15输入背光源正极 BLB16输入背光源负极 显示容量 162 个字符 芯片工作电压4.55.5V 最佳工作电压5.0V 最佳工作电流2.0mA 字符尺寸 2.954.35mm 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 14 表 3-5 LCD1602 部分指令说明表 指令码功能 01H显示清屏，数据指针清 0，所有显示清 0 08H显示关闭 06H显示光标移动设置 0CH显示开及光标设置 02H显示回车，数据指针清 0 1602 液晶显示器要想得到广泛运用，就需要包含数字，英文字母等常见字符。 要能拥有这些字符，则需有存储器存储这些字符，即有字符发生存储器（CGROM)。 如何将这些不同形式的字符存储到液晶显示器内，就需要一种代码。这种代码称为 ASCII 码。而且为了不造成混乱，每一个字符都有自己的专属代码，比如数字 0 的 代码是 30H，显示时模块把地址 30H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到数 字 “1” ，具体寄存器的选择控制表 3-11 有操作说明。 通过对 ASCII 码赋值，实现对 LCD 显示器的操作。当然也可以直接用字符型常 量或者变量赋值 表 3-6 LCD1602 寄存器选择控制表 单片机控制 LCD 的接口电路如图 3-9 所示。其中 J2 的 3 脚为背光引脚，与 R9 和 R10 电阻连接主要为了调节背光亮度，使其不至于出现鬼影。 ，单片机对 LCD 显 示器的控制主要通过 J2 的 4、5、6 引脚，这三个引脚为液晶显示器的 RS、E/W 和 E 控制引脚与单片机的 P2.5,P2.6,P2.7 相连， 。J2 的 714 引脚与单片机的 P0.0-P0.7 相连，用于传输数据。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 15 图 3-9 LCD 与单片机接口电路 3.6 发光二极管显示报警电路发光二极管显示报警电路 图 3-10 声光报警电路 当经过 A/D 转换后的数字信号值比预设的阈值大时，单片机的 P3.3 口输出低电 平。而 P3.3 口语声光报警电路相连，当其为低电平时，三级管 Q1 就会导通，那么 二极管就会发光，而且蜂鸣器也会发出蜂鸣声。当 P3.3 口输出高电平时，声光报警 电路将不能导通，不会有报警现象。 3.7 阈值存储电路阈值存储电路 当对传感器模块的 Rp 进行调节时，所设立的阈值会相应的做出改变。这个值 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 16 必须经过存储，才能用于比较大小。所以必须要有一个存储器。单片机通过 P1.0 和 P1.1 口对 EEPROM 进行编程，EEPROM 将新的阈值存储到芯片中，从而实现阈值 的重新设置。芯片 AT24C04 的 SCL 和 SDA 分别与单片机的 P1.0 和 P1.1 相连。 图 3-11 EEPROM 存储电路 3.8 系统硬件设计原理图分析系统硬件设计原理图分析 图 3-12 系统硬件设计原理图 上图中 USB 接口与电脑相连，与单片机的 RXD0 口和 TXD 口相连，给单片机 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 17 提供 5V 电源。当按下 K1 键时，电路接通，指示灯亮起，说明有供电。EEPROM 存储电路的 SCL 口和 SDA 口分别与单片机的 P1.0 和 P1.1 相连，用于存储新设定的 阈值。下面要解决的问题就是怎样把传感器测得的信号传给单片机了。传感器的两 个接口 AOUT 和 DOUT 分别与单片机的 P1.7 和 P1.4 相连，用来给单片机传输测得 的模拟电压。经过单片机内部的模数转换功能，将模拟变压变成数字电压，并将其 传送给 LCD 显示器。单片机通过 P2.7，P2.6，P2.5 与 LCD 显示器的 4,5,6 引脚相连， 控制其工作。7-14 引脚分别与单片机的 P0.0-P0.7 相连，用于传输数据。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 18 第第 4 章软件系统的设计与实