测控电路设计--酒精测试仪

1、酒精测试仪设计1. 设计思路酒精浓度检测仪主要是用来检测酒精浓度的，它主要由酒精传感器、模数转换器、单片机、LED 显示构成。酒精传感器将检测到的酒精浓度转化为电信号，然后将电信号传送给模数转换器，经过模数转换器转换后，把转换后得到的数字信号传给单片机，单片机对所输入的数字信号进行分析处理，最后将分析处理的结果通过显示器显示出来。2. 设计方案2.1 酒精测试仪设计方案2.1.1 硬件部分硬件设计时，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（变化不大），外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出电压值经过ADC0809采集数据送入单片机进行处理。将输出

2、的电压值与参考的标定电压值进行比较，如果在某一个范围内就将这个范围的档数显示到LED上。2.1.2 软件部分采用51单片机，并用c语言编写，主要流程是单片机对采集的数据进行处理这一环节，具体见流程图。2.2计原理框图2.2.1 硬件原理设计框图51单片机模转换器酒精传感器数码管图1 硬件设计框图2.2.2 软件原理框图开始上电硬件初始化等待60s，加热气敏传感器采样，A/D转换延时100ms得到10个结果取最大的三个数进行求平均将平均值进行比较，判断属于哪个档将其档数显示在数码管上图2 软件原理框图3.单元电路设计3.1 传感器电路根据传感器性能，可知其输出电压在2.510V之间，这超过了AD

3、C0804规定的输入电压，所以我们将其输出电压统一缩减5倍，在输入到ADC0804中。图3 传感器检测电路以及衰减电压电路传感器供电电压是回路电压VC产生，因此我们可以利用运放将标准的5V电压进行放大得到10V的回路电压并进过滤波除噪，电路中的稳压管保证输出回路电压能稳定在10V左右。图4 回路电压Vc产生电路3.2 ADC采集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。对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。图5

4、ADC采集电路3.3 单片机电路根据常见的单片夹类型再结合本次设计方案可以选择出AT89C51是最适合的。51单片机P1口连接AD数据采集器，P0连接数码管。P1口接受采集器传来的采集数据，经过处理后，通过P0口控制数码管显示档位。图6 单片机系统电路晶振电路是用来给51单片机提供工作动力的，复位电路则利用按动开关产生高电平使单片机复位。图7 晶振电路和复位电路3.4.数码管电路连接LED数码管是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。采用共阳数码管

5、，共阳就是7段的显示字码共用一个电源的正极。图8 数码管连接图4. 电路工作原理及参数计算4.1 酒精传感器部分4.1.1 气敏传感器的选择与介绍气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速地测量。在选择传感器的时候，一定要考虑到稳定性、灵敏度、选择性和抗腐蚀性，由于设计要求是能够抗干扰而且测量范围在03000ppm范围内，常见的气敏传感器MQ3、QM-J3、TGS822三种

6、传感器，可是第一种的测量范围只在01000ppm之内，故排除，后面两种传感器的性能相似但是TGS822并不常见，而且价格比QM-J3贵，综合以上考虑这里选择QM-J3。QM-J3是以复合金属氧化物为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触乙醇蒸汽时，其电导率随气体浓度增加而迅速升高。其对汽油蒸汽有抗干扰能力、灵敏度高、响应速度好、寿命长、工作稳定可靠等特点。其技术指标：加热电压（） AC或DC 50.2V 回路电压 () 最大DC 24V负载电阻() 4K(或可调)清洁空气中电阻（） 2000 K灵敏度（） 5（在100ppm蒸汽中）分辨率（） 3（在100ppm汽油蒸汽中）响应时间（tres

7、） 10S恢复时间 (tres) 30S元件功耗 0.7W监测范围 505000ppm使用寿命 2年使用方法和注意事项：(1) 元件开始通电工作时，没有接触检测气体，其电导率也急剧增加，约1分钟后达到稳定，这时方可正常使用，这段变化在设计中电路时可采用延时处理解决。基本酒精测试电路如图2.1.2(1)所示。(2) 加热电压的改变会直接影响元件的性能，所以在规定的电压范围内使用为佳。(3) 元件在接触标定气体100ppm10秒钟以内负载电阻两端的电压可达到（）差值的80%（即响应时间）；脱离标定气体100ppm30秒钟以内负载电阻两端的电压下降到（）差值的80%（即恢复时间）。(4) 负载电阻可

8、根据需要适当改动，不影响元件灵敏度。(5) 使用条件：温度1535；相对湿度4575%RH;大气压力80106KPa。(6) 环境适度的变化会给元件电阻带来小的影响，当元件在精密仪器上使用时，应进行温度补偿，最简便的方法是采用热敏电阻补偿之。表1 酒精浓度和输出电压关系表浓度/ppm电压/V浓度/ppm电压/V0016009.1521002.50319009.6014004.16522009.9867005.415250010.40210006.842280010.81113007.938传感器检测原理： 半导体气敏传感器是利用待测气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化来检测气体

9、的种类和浓度的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处时，如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而形成正离子吸附。如H2、CO、碳氢化合物等，被称为还原型气体。当还原型气体吸附到N型半导体上时，载流子增多，使半导体电阻值下降。根据模块电路的设计，当吹进一定量的含有酒精的气体时，测试电压从电路中输出，由于在我们所要求的范围内其测试电压在2.510V之间，这超过了ADC0804规定的输入电压，所以我们将其输出电压统一缩减5倍，在输入到ADC0

10、804中。另外一个模块电路是回路电压VC产生，同样我们利用运放将标准的5V电压进行放大得到10V的回路电压并进过滤波除噪，电路中的稳压管保证输出回路电压能稳定在10V左右。4.2 数据采集部分4.2.1 数据采集器的选择与介绍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。模数转换采用ADC0804,其工作特性：工作电压：+5V，即VCC=+5V。 模拟输入电压范围：0+

11、5V，即0Vin+5V。 分辨率：8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0255之间。 转换时间：100us（fCK=640KHz时）。 转换误差：1LSB。 参考电压：2.5V，即Vref=2.5V。对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。ADC0804有20个引脚，其中11-18管脚为数字信号输出端，与单片机P1口相连；cs为片选端直接接地，表示始终有效。WR接P3.6口，当WR由为低电平跳变为高电平后启动A/D转换，RD接单片机P3.7口，当RD由低电平跳变为

12、高电平时，单片机读走A/D转换完的数字信号。CLK为时钟输入信号线, 因ADC0804的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。INTR为中断控制信号，接单片机外部中断端口，当A/D转换完后向单片机发出中断信号，等待读走数字信号，INTR也空可置不接，因为当启动A/D后一段时间后模数转换完后，等待一段时间后单片机也可以读走数字量。注意这里我们在编程时将adc0804当成是单片机的外部存储器，这通过引脚的连接实现并在程序通过关键词xdata来定义。这是一个操作外部存储器的依据。只要将某一数据声明成该形式就可以让操作这一数

13、据时触动操作外部存储器的命令。4.3 数据处理（单片机系统）部分4.3.1 单片机的选择与介绍根据常见的单片夹类型再结合本次设计方案可以选择出AT89C51是最适合的。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。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。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，主要性能8K字节在

14、系统可编程Flash存储器1000次擦写周期 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线 三个16位定时器/计数器八个中断源全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 4.3.2 引脚功能描述图9 AT89C51的引脚如 VCC: 供电电压。 GND: 接地 。P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在Flash编程时，

15、P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平

16、。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚

17、由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 引脚号第二功能: P3.0RXD（串行输入）。P3.1TXD（串行输出）。P3.2INT0(外部中断0)。 P3.3INT0(外部中断0)。P3.4T0（定时器0外部输入）。P3.5T1（定时器1外部输入）。P3.6WR(外部数据存储器写选通)。 P3.7RD(外部数据存储器写选通)。 RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)

18、上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”， ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微

19、控制器处于外部执行模式下无效。PSEN: 外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP: 访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在Flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。4.3 数码管显示的原理LED数码管（LED Segment Displays）是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

20、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。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等.，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，我们这里采用共阳数码管，共阳就是7段的显示字码共用一个电源的正极。led数码管原理图示意：从下图可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件：1、是要在VT端（3/8脚）加正电源；2、要使（a,b,c,d,e,f,g,dp)端接低电平或“0”电平。这样才能显示的。 图10 共阳极LED数码管的内部结构原理表2 共阳极数码管编码数字（dp）gfedcba十六进制0110000000xc011

21、11110010xf92101001000xa43101100000xb04100110010x995100100100x926100000110x827111110000xf88100000000x809100110000x905. 整体电路图通过放大电路，滤波稳压产生回路电压供电气敏传感器QM-J3工作，传感器输出的不同电压通过ADC0804变成模拟量，被51单片机处理然后控制数码管显示不同档位。图11 整体电路（1）图12 整体电路图（2）6 程序部分#includechar code disp_code10= 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99, 0x92,0x82,0x

22、f8,0x80,0x90;/digital tube coding table#define SEG7P P0 #define N 10 #define MAX 3sbit INTR=P32;unsigned char dip; unsigned char xdata adc;void delay_1ms(int x)int i,j;for(i=0;ix;i+)for(j=0;j120;j+);void delay_1s(int x) int i,j; for(i=0;ix;i+) for(j=0;j=0) SEG7P=disp_codedip;delay_1ms(10); float dat