酒精气体智能报警系统设计(LCD)

1、酒精气体智能报警系统设计 (LCD)摘要：本设计的酒精浓度测试仪是一款实用性强、安全可靠的气体酒精浓度检测工具。本文设计一种可以检测酒精浓度并在超过一定浓度阈值时进行声光报警提示的酒精浓度测试仪。系统采用酒精浓度传感器MQ3，把检测到的酒精浓度转换为电信号，经A/D转换器转换成数字信号在传给单片机，最后单片机进行相应处理，LCD液晶可以显示酒精浓度，当超过设定值时可以进行声光报警。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。本设计方案基于市场的需求，设计简单，操作方便，成本低廉等特点。关键词：单片机；酒精传感器；A/D转换；声光报警0 前言随着经济高速发展，越来越多的人有

2、了自己的私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频繁发生。为此，需要设计一智能仪器能够检测驾驶员体内酒精含量。作为即将步入社会的大学毕业生，作为新世纪四有青年，作为社会主义事业的践行者，我们应当积极将自己所学知识与实际问题实际挑战相结合，解决实际问题，造福广大人民。酒驾正是造成交通事故的重要原因，2011年05月01日，备受关注的刑法修正案(八)和修改后的道路交通安全法正式施行，酒驾被正是列为刑事犯罪，最高可处以6个月的刑事拘留和2000元罚款本论文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，并可根据不同的环境设定不

3、同的阈值，对超过的阈值进行声光报警来提示危害。酒精气体浓度探测仪在生产生活中也有重要的应用，比如，在一些环境要求严格的生产车间，用这种酒精浓度探测仪，可随时检测车间内的酒精气体浓度，当酒精气体浓度高于允许限定值时，发出警报，提醒人们及时通风换气，做到安全生产。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、

4、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。1 总体方案设计针对本课题的设计任务，进行分析得到：本设计以单片机为核心外围电路带有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。按照系统设计的要求，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。其系统原理框图如图1所示。MQ3气

5、敏传感器 单片机A/D转换电路键盘液晶显示被测环境声光报警电路图1 系统原理框图2 硬件电路设计2.1 单片机最小系统单片机最小系统：所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系统。一般来说，它包括单片机，晶振电路和复位电路。STC89C52是一种8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。如图2为STC89C

6、52单片机最小系统连线图：图2 单片机最小系统2.1.1 时钟电路时钟电路是用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号。STC89C52单片机内部包含有一个振荡器，可以用于CPU的时钟源，另外也可以采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供内部CPU运行使用。两种时钟方式如图3所示：图3 单片机的两种时钟方式(1)内部时钟方式内部时钟方式是采用单片机内部振荡器来工作的方式。单片机内部包含有一个高增益的单级反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片内放大器的输入端口和输出端口,其工作频率为033MHz。当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需在XTAL1引脚和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器

7、或陶瓷振荡器，并联两个电容后接地即可，使用时对于电容的选择有一定得要求，具体如下：A 当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=3010pF；B 当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=4010pF。在实际电路设计时，尽量保证外接的振荡器和电容尽可能接近单片机的XTAL1和XTAL2引脚，这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够稳定可靠地为单片机CPU提供时钟信号。(2)外部时钟方式外部时钟方式是采用外部振荡器产生时钟信号，直接提供给单片机使用。对于不同的结构的单片机，外部时钟信号接入的方式有所不同。对于普通的8051单片机，外部时钟信号由XTAL2引脚接入后直接送到单片机内

8、部的时钟信号发生器，而引脚XTAL1则应直接接地。这里需要注意，由于XTAL2引脚的逻辑电平不是TTL信号，因此外接一个上拉电阻。对于CMOS型的80C51,80C52,AT89S52等单片机，和普通的8051不同的是其内部的时钟信号取自于反相放大器的输入端。因此外部的时钟信号应该接到单片机的XTAL1引脚，而XTAL2引脚悬空即可。本次设计选择内部时钟电路，外接频率11.0592MHz的晶体振荡器，选择两个电容值为30pF的陶瓷电容。2.1.2 复位电路单片机复位有两种：一种是上电复位，一种是手动复位。在程序开发过程中，经常需要手动复位。所以本次设计选用如下手动复位电路。除了系统上电的时候可

9、以给RST引脚一个短暂的高电平信号外，当按下复位开关FW的时候，VCC通过一个高电阻R7连接到RST引脚，给RST一个高电平，FW松开的时候，RST引脚恢复为低电平，复位完成。2.2 A/D转换电路设计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；

10、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。ADC0809的结构框图如图4。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

11、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，可直接连接到单片机的数据总线上。通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。START CLKOEVR(+) VR()VCCGNDEOCD0.D7三态输出锁存器8位A/D转换器地址锁存与密码CBAALE8 路模拟量开 关IN7.IN0图4 ADC0809的结构框图 ADC0809与单片机的连线图如图5。图5 ADC0809与单片机的连线图2.3 LCD显示系统2.3.1 1602字符型LCD简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用

12、16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图6所示。图6 1602LCD尺寸图 1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表1所示.表1 LCD1602引脚说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1GND电源地6EN使能信号2VCC电源正极7D0D7数据3VL液晶显示偏压8BL+背光源正极4RS数据/命令选择9BL-背光源负极5R/W读写选择 表1引脚接口说明： 第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源

13、。 第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第714脚：D0D7为8位双向数据线。 第15脚：背光源正极。 第16脚：背光源负极

14、。2.3.2 LCD1602电路设计1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。LCD1602液晶显示模块表示能显示2行，每行能显示16个字符。其分为带背光和不带背光两种，本设计中选择的是带背光的一种。D0-D7接单片机P0口，可以通过RV2调节背光亮度，RS,R/W,EN分别接单片机的P2.7，P2.6，P2.5口，电路连线图如图7所示。图7 LCD1602电路连线图2.4 键盘电路系统设计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

15、/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。独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下。将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O 口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保护高电平。当有键按下时，此I/O 口与地短路迫使I/O 口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。我们所要做的就是在程序中查寻此I/O口的电平状态就可以了解我们是否有按键动作了。在用单片机对键盘处理的

16、时候涉及到了一个重要的过程，那就是键盘的去抖动。这里说的抖动是机械的抖动，是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳定正常现象，并不是我们在按键时通过注意可以避免的。这种抖动一般10200毫秒之间，这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟是微秒的单片机而言则是慢长的。硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理，软件去抖动不是去掉抖动，而是避抖动部分的时间，等键盘稳定了再对其处理。所以这里选择了软件去抖动，实现法是先查寻按键当有低电平出现时立即延时10200毫秒以避开抖动（经典值为20毫秒），延时结束后再读一次I/O 口的值，这一次的值如果为1 表示低电平的时间不到10200 毫秒，

17、视为干扰信号。当读出的值是0时则表示有按键按下，调用相应的处理程序。电路连线图如图8所示。图8 独立键盘电路连线图2.5 报警电路系统设计2.5.1 灯光提示电路LED英文单词的缩写，主要含义：LED = Light Emitting Diode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光；它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、辐射低与功耗低。作为目前全球最受瞩目的新一代光源，LED因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源。我

18、国的LED产业起步于20世纪70年代，经过近40年的发展，产品广泛应用于景观照明和普通照明领域，我国已成为世界第一大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。 本设计利用LED指示酒精是否超标。灯光提示电路连线

19、图如图9所示。图9 灯光提示电路连线图2.5.2 声音报警电路蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。 ；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。1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1.52.5kH

20、Z的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互缠绕蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：一个三极管、一个蜂鸣器、一个限流电阻。蜂鸣器为发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直流/方波）等。这些

21、都可以根据需要来选择。本设计采用有源蜂鸣器。三极管Q1起开关作用，其基极的低电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极高电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。声音报警电路连线图如图10所示。图10 声音报警电路连线图3 软件设计3.1 主程序设计主程序流程如图11所示：初始化开始读取AD转换酒精值判断按键是否按下执行相应的控制判断当前酒精范围NY结束设置相应参数显示设置数值图11 主程序流程图3.2 数据采集子程序设计 A/D转换子程序流程图如图12所示。ADC0809初始化后，把0通道输入的0-5V的模拟信号转换为对应的数字量，然后将对应数值存储到内存单元。开始启动ADC0809通道，并延时1

22、00s转换完？读出A/D转换结果结果存入内存单元返回YN图12 A/D转换子程序流程图4 调试分析控制电路板的安装与调试在整个电路的设计中占有重要位置，它是把理论付诸实践的过程，也是把纸面设计转变为实际产品的必经阶段。4.1 上电前的调试在上电前，必须确保电路中不存在断路或短路情况，这一工作是整个调试工作的第一步，也是非常重要的一个步骤。在这部分调试中主要使用的工具是万用表，用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情况等。通过万用表的检测,没有发现短路和断路的地方，电路基本正常。4.2 上电后的调试在确保硬件电路正常，无异常情况(断路或短路)方可上电调试，上电调试的目的是检验电路是否接错，同时还

23、要检验原理是否正确。经过几次失败后终于调试正常。4.3 酒精气体智能报警系统软件调试将程序在Proteus仿真，由于MQ-3传感器在仿真中并没有该器件，则用了滑动变阻器代替。经过实验，基本能够达到成果。5 结论及进一步设想此次设计中我完成了酒精气体智能报警系统设计，经过焊接调试出来实物能够实现用LCD实时显示空气中酒精气体浓度的智能报警系统。这个设计很有实际意义的。根据实验结果，本设计基本完成了设计要求，但是过程还是挺困难的。这次我使用的基本上都是已经学过的元件，但真正用起来才发现自己还差的很多，所以我又重新对所用到的器件仔仔细细，认认真真的研究了一遍从引脚，到时序，再到最后的电路整体构成，下

24、了非常大的功夫才最后弄出来。参考文献1 刘复华.单片机及其应用系统.北京:清华大学出版社,19922 潘新民,王燕.微型计算机控制技术M.北京：电子工业出版社,2003.3 Protel 99 SE原理图与PCB设计教程M.北京:电子工业出版社,2009.8.4 余永权,汪明慧.单片机在控制系统中的应用M.北京：电子工业出版社,2003.5 胡汉才.单片机原理及其接口技术M.北京：清华大学出版社,2004.6 张杨，魏莹，刘新力.PIC、MSP430 单片机的比较与分析J.自动化技术与应用，2007，26（5）：122124. 7 高宇.单片机原理及应用J.西南师范大学学报(自然科学版),20

25、07,3(10):30-39.8 岳睿.警用呼气式酒精传感器的研究进展J.化学传感器，2006（9）:78. 9 唐建东.基于C51的智能仪器性能测试仪J.微计算机信息,2010, (23):44-45.10 刘小春.单片机控制J.自动化技术与应用,2009，21(3):129-131. 课设体会为期三周的课程设计终于结束了，不到三周时间我完成了设计课题。回顾这三周的设计生活，可以说是对我所学单片机知识的一次系统性的总结和应用。设计不仅要求理论基础，还需要很强的动手能力，善于发现问题，分析问题，解决问题的思维能力。通过设计对自身的技能水平和理论基础有一个全面的，客观的评价。这次课程设计，尽管在

26、实践中困难重重，但我获得了很多很多。从初期总体设计到最终的成品，从组装到最后的总调成功，我学到的知识比课堂上学到的要多很多！由此说明了理论基础的重要性，实践的巩固性，只有扎实的理论基础才可以为实践所服务，同时通过实践才能更好的掌握好所学的理论知识。本设计完成结束，我提高了对STC89C52单片机的原理的认识，锻炼了C语言编程的能力，深刻理解了MQ-3气敏传感器原理。同时我也深刻体会到了，学习和实践是密不可分的，要用于动手积极实践才能深刻理解学到的知识。在本设计中我学到了很实用的技术，为以后的工作积累宝贵经验。当然，在整个设计的过程中我不可避免地碰到了许多问题，为了能够使问题得到及时的解决，我查

27、阅资料，积极的询问同学，请教老师。因此，在整个的设计过程中除了我自身的努力外，离不开同学的帮助，老师的关心和指导。在此，我要特别感谢本次课程设计的指导老师吴星刚老师，感谢他对我本次设计的悉心指导和大力支持！2016年1月 ?日完成附录1 电路原理图 附录2 程序清单/程序头函数#include /显示函数#include /宏定义#define uint unsigned int #define uchar unsigned char#define Data_ADC0809 P1/管脚声明sbit LED_R= P22; /红指示灯sbit LED_G= P20; /绿色指示灯sbit FEN

28、G = P25; /蜂鸣器/ADC0809sbit ST=P33;sbit EOC=P36;sbit OE=P32;/按键sbit Key1=P26;/设置按键sbit Key2=P27; /加sbit Key3=P37;/减bit bdata flag;/指示灯和蜂鸣器闪烁报警标志位uchar set; /设置标志位/函数声明extern uchar ADC0809();extern void Key();/酒精含量变量uchar temp=0;uchar WARNING=25; / 初始报警值/初始化函数void init() TMOD=0x01; /定时器0方式1 TL0=0xb0; T

29、H0=0x3c; /赋初值 EA=1;/开总中断ET0=1;/允许定时器0中断 TR0=1;/定时器0开 /主函数void main()Init1602();/1602初始化init(); /初始化函数while(1)/主循环temp=ADC0809();/读取酒精值if(set=0) /如果没有按下设置（默认set是0，就是正常显示状态）Display_1602(temp,WARNING); /显示酒精值if(tempWARNING&set=0) /若实际的酒精值大于报警值且在正常显示状态下flag=1;/执行下面flag=1的（主要就是红灯闪，开蜂鸣器和继电器）Key();/按键扫描/AD

30、C0809读取信息uchar ADC0809()uchar temp_=0x00;/初始化高阻太 OE=0;/转化初始化ST=0;/开始转换ST=1;ST=0;/外部中断等待AD转换结束while(EOC=0)/读取转换的AD值OE=1;temp_=Data_ADC0809;OE=0;return temp_;/按键函数void Key()if(Key1=0)/如果设置按键按下while(Key1=0);/等待按键释放FENG=0;/蜂鸣器响set+;/设置的变量加1flag=0;/绿灯闪TR0=0;/关定时器0if(set=1)/此时设置报警值 write_com(0x38);/屏幕初始化write_com(0x80+0x40+13);/位置 write_com(0x0f);/打开显示 无光标 光标闪烁 write_com(0x06);/当读或写一个字符是指针后一一位FENG=1;/蜂鸣器关else if(set=2)/又按了下设置set=0;/正常显示状态write_com(0x