酒精测试仪--项目设计报告

四川工程职业技术学院 毕业综合实践 项目设计报告 基于单片机的酒精浓度检测仪 专 业：计算计应用技术（IT 制造与售后服务） 姓 名：周姣、龙俊江 指导老师：何晓龙 目录目录 一、前言.3 二、酒精测试仪总体方案设计.3 2.1 酒精浓度检测仪设计要求分析.3 2.2 酒精浓度检测仪设计方案.3 三、硬件设计.4 3.1 传感器的选择.4 3.2 A/D 转换电路.5 3.2.1 ADC0809 的结构及转换原理.6 3.2.2 ADC0809 连线图.6 3.3 89C51 单片机系统.7 3.3.1 单片机片内结构.7 3.3.2 89C51 芯片介绍.8 3.3.2 晶振电路和复位电路.9 3.4 LCD1602 液晶显示电路.11 3.5 键盘电路.11 3.6 报警电路.12 3.6.1 灯光提示电路.12 3.6.2 声音报警电路.12 四、软件设计.13 4.1 主程序框图.13 4.2 数据采集子程序程序框图.14 酒精浓度检测仪的设计酒精浓度检测仪的设计 一、前言一、前言 本课题分为两部分：硬件设计部分和软件设计部分。硬件部分为利用 MQ3 气敏传感器测量空气中酒精浓度，并转换为电压信号，经 A/D 转换器转换成数 字信号后传给单片机系统，由单片机及其相应外围电路进行信号的处理，显示 酒精浓度值以及超阈值声光报警。程序采用模块化设计思想，各个子程序的功 能相对独立，便于调试和修改。而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、 A/D 转换电路、声光报警电路、LCD 液晶显示电路，按键电路，各部分电路的设 计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍。 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 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 压值经过A/D转换器转换得到数据送入单片机进行处理。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。 被测 环境 气敏 传感器 A/D 转换 电路 单片机 声光报警电路 液晶显示 键盘 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。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。MQ3 型气敏传感器的结构和外形、标准回路、传感器阻 值变化率与酒精浓度、外界温度的关系图如图 3-3 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，一般在测量前需将传感器预热 5 分 钟。 图图3-13-1 MQ3MQ3 结构和外形结构和外形 A 1 F 2 A 3 B 4 F 5 B 6 RL3 MQ -2 +5 G ND R8 470 G ND IN R7 5.1 C4 104 图图3-23-2 MQ3MQ3 结构图结构图 图图3-3 传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系 3.2 A/D 转换电路转换电路 在单片机应用系统中，被测量对象的有关变化量，如温度、压力、流量、 速度等非电物理量，须经传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流）， 这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。实现模 拟量转换成数字量的器件称为 A/D 转换器（ADC）。 A/D 转换器大致分有三类：一是双积分 A/D 转换器，优点是精度高，抗干 扰性好，价格便宜，但速度慢；二是逐次逼近型 A/D 转换器，精度、速度、价 格适中；三是-A/D 转换器。 该设计中选用的是 ADC0809 属第二类，是 8 位 A/D 转换器。0809 具有 8 路 模拟信号输入端口，地址线（23-25 脚）可决定那一路模拟信号进行 A/D 转换。 22 脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6 脚为测试 控制，当输入一个 2s 的高电平脉冲时，就开始 A/D 转换。7 引脚为 A/D 转换 结束标志，当 A/D 转换结束时，7 脚输出高电平。9 脚为 A/D 转换数据输出允许 端，当 OE 脚为高电平时，A/D 转换数据输出。10 脚为 0809 的时钟输入端。 3.2.13.2.1 ADC0809ADC0809 的结构及转换原理的结构及转换原理 ADC0809 的结构框图如图 3-6。ADC0809 采用逐次比较的方法完成 A/D 转换 的，由单一的+5V 电源供电。片内有锁存功能的 8 路选 1 的模拟开关，由 C、B、A 引脚的功能来决定所选的通道。0809 完成一次转换需 100s 左右，输 出具有 TTL 三态锁存缓冲器，可直接连接到 MCS-51 的数据总线上。 通过适当的外接电路，0809 可对 0-5V 的模拟信号进行转换。 START CLK OEVR(+) VR() VCC GND EOC D0 . . . D7 三态输 出锁存 器 8 位 A/D 转换 器 地址锁 存与密 码 C B A ALE 8 路模 拟量开 关 IN7 . IN0 图图 3-63-6 ADC0809ADC0809 的结构框图的结构框图 3.2.23.2.2 ADC0809ADC0809 连线图连线图 ADC0809 与单片机的连线图如图 3-7： In3 1 In5 3 In6 4 In7 5 ST ART 6 EOC 7 D3 8 OE 9 CLOCK 10 V cc 11 V ref+ 12 GND 13 D1 14 D2 15 V ref- 16 D0 17 D4 18 D5 19 D7 21 ALE 22 ADDC 23 ADDB 24 ADDA 25 In0 26 In1 27 In4 2 D6 20 In2 28 ADC0809 ADC1 ADC0809 +5 GND D0 D1 D2 GND D3 D4 D5 D6 D7 ST STEOC OE CLK IN 图图 3-73-7 ADC0809ADC0809 的连线图的连线图 3.3 89C51 单片机系统单片机系统 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算 术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存 储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O 口)，可能还包括定时 计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD 或 LED 驱动电路)，脉宽调制电 路(PWM)，模拟多路转换器及 A/D 转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一 个虽小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效 地完成程序设计者事先规定的任务。 3.3.13.3.1 单片机片内结构单片机片内结构 51 单片机的片内结构如图 3-8 所示。它把那些作为控制应用所必需的基本 内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。按功能划分，它有如下功能部 件组成： 微处理器（CPU） 。 数据存储器(RAM)。 程序存储器（ROM/EPROM） 。 4 个 8 位并行 I/O 口（P0 口、P1 口、P2 口、P3 口） 。 一个串行口。 2 个 16 位定时器、计数器。 2 个 16 位定时器、计数器。 中断系统。 特殊功能寄存器（SFR） 。 PSEN 88 E O C X T A L 1 CPU （运算器） （控制器） 数据存储器 RAM P0P2程序存储器 ROM/EPROM P1 串 行 口 定时 器/计 数器 中断 系 统 特殊功能 寄存器 （SFR） P3 ALEEA IN7 . I 0 X T A L 2 8 8 RESET 图图 3-83-8 5151 单片机片内结构单片机片内结构 上述功能部件都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是 CPU 加 上外围芯片的传统结构模式。但 CPU 对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄 存器的集中控制方式。 从硬件角度来看，与 MCS-51 指令完全兼容的新一代 AT89CXX 系列机，比在 片外加 EPROM 才能相当的 8031 单片机抗干扰性能强，与 87C51 单片机技能相当， 但功耗小。程序修改直接用+5V 或+12V 电源擦除，更显方便、而且其工作电压 放宽至 2.7V-6V，因而受电压波动的影响更小，而且 4K 的程序存储器完全能满 足单片机系统的软件要求，故 AT89C51 单片机是构造本检测系统的更理想的选 择。 3.3.23.3.2 89C5189C51 芯片介绍芯片介绍 掌握 MCS-51 单片机，应首先了解 MCS-51 的引脚，熟悉并牢记各引脚的功 能，MCS-51 系列中各种型号芯片的引脚是互相兼容的。制作工艺为 HMOS 的 MCS-51 的单片机都采用 40 只引脚的双列直插封装方式，如图 3-9 所示。 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST (TXD) P3.1 (INT0) P3.2 (INT1) P3.3 T0 P3.4 T1 P3.5 (WR) P3.6 (RD) P3.7 XTAL1 XTAL2 GND Vcc P0.0 (AD0) P0.1 (AD1) P0.2 (AD2) P0.3 (AD3) P0.4 (AD4) P0.5 (AD5) P0.6 (AD6) P0.7 (AD7) EA/VPP PSEN P2.7 (A15) P2.6 (A14) P2.5 (A13) P2.4 (A12) P2.3 (A11) P2.2 (A10) P2.1 (A9) P2.0 (A8) PDIP (RXD) P3.0 ALE/PROG 图图 3-93-9 单片机芯片管脚图单片机芯片管脚图 3.3.23.3.2 晶振电路和复位电路晶振电路和复位电路 最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单 片机始终处于正常的运行状态。电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条 件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、 A/D 扩展等，使单片机完成较复杂的功能。 89C51 是片内有 ROM/EPROM 的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统 简单可靠。用 89C51 单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电 路和复位电路即可，结构如图 3-10 所示，由于集成度的限制，最小应用系统只 能用作一些小型的控制单元。 图图 3-103-10 单片机最小系统原理框图单片机最小系统原理框图 时钟电路 复位电路 STC89C51 单片机 I/ O 口 (1) 时钟电路 89C51 单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式，二是 外部时钟方式。内部时钟方式如图 3-11 所示。在 89C51 单片机内部有一振荡电 路，只要在单片机的 XTAL1(18)和 XTAL2(19)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 C1 和 C2 的 作用是稳定频率和快速起振，电容值在 530pF，典型值为 30pF。晶振 CYS 的 振荡频率范围在 1.212MHz 间选择，典型值为 12MHz 和 6MHz。 Y1 11.0592MHz C2 30pF C3 30pF 18 19 图图 3-113-11 89C5189C51 内部时钟电路内部时钟电路 (2) 复位电路 当在 89C51 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)。 最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充 放电来实现的。只要 Vcc 的上升时间不超过 1ms,就可以实现自动上电复位。 除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复 位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过 RST(9)端 与电源 Vcc 接通而实现的。 R1 10k C1 10uF S4VCC 9 图图 3-123-12 89C5189C51 复位电路复位电路 （3）89C51 中断技术概述 中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源 提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理。这是由片内的中断系统来实现 的。当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当 前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求。中断服务处 理程序处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点） ，继续执 行被中断的主程序。 图 3-13 为整个中断响应和处理过程。 图图 3-133-13 中断响应和处理过程中断响应和处理过程 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。 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 3-153-15 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