工程测试技术实例：酒精检测装置——方案设计

1、工程测试技术实例：酒精检测装置方案设计1 气体传感器的选择1.1 MQ-3基本介绍一个新型的气体检测系统应该包括：（1）基于一种或几种传感技术的气体传感器。（2）组合了气体传感器和采样调理电路的探头。（3）配有人机接口软件的中心监测和控制系统。（4）在一些应用中，与其它安全系统和仪器的接口。本设计中的酒精气体传感器采用河南汉威电子有限公司的MQ-3型,它属于MQ系列气敏元件的一种。如图 3-1所示：图 3-1特点:检测范围为10ppm2000ppm 灵敏度高，输出信号为伏特级；响应速度快，小于10秒；功耗0.75W，尺寸：D17*H10连续工作使用寿命大于三年，可靠性好。可根据用户要求调整外型

2、参数提供应用设计服务。 MQ-3型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物（二氧化锡）的N型半导体微晶烧结层构成。当其表面吸附有被测气体酒精分子时，表面导电电子比例就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化。由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。MQ-3的灵敏度特性曲线如 图3-2所示：灵敏度特性曲线 图3-21.2 MQ-3的检测 图3-3如图 3-3所示，当电源开关S断开时，传感器加热电流为零，实测A，B之间电阻>20M欧。S接通，则f，f之间电流由开始时155mA降至153mA而稳定。加热开始几秒钟后A，B之间电阻迅速下降至1M欧以下，然后又逐渐上升至20M欧以上后并保持

3、着。此时如果将内盛酒精棉花的小瓶瓶口靠近传感器，我们立即可以看到数字万用表显示值马上由原来大于20M欧降至1M欧以下。移开小瓶过15-40s后，A，B之间电阻恢复至大于20M欧。这种反应可以重复试验，但要注意使空气恢复到洁净状态。1.2 编程语言的选择对于8051单片机，现有四种语言支持，即汇编、PLM、C和BASIC。（1）BASIC通常附在PC机上，是初学编程的第一种语言。一个新变量名定义后可在程序中做变量使用，非常易学，根据解释的行可以找到错误而不是当程序执行完才能出来。BASIC由于逐行解释自然很慢，每一行必须在执行时转换成机器代码，需要花费许多时间，不能做到实时性。BASIC为简化使

4、用变量，所有变量都用浮点值。22这样简单的运算完全是浮点算术操作，因而程序复杂且执行时间长。即使是编译BASIC，也不能解决此浮点运算问题。8052单片机片内固化有解释BASIC语言，BASIC适用于要求编程简单而对编程效率或运行速度要求不高的场合。（2）PLM是lntel从8080微处理器开始为其系列产品开发的编程语言。它很像PASCAL，是一种结构化语言，但它使用关键字去定义结构。PLM编译器像好的汇编器一样可产生紧凑代码。PLM总的来说是高级汇编语言，可详细控制着代码生成。但对8051系列，PLM不支持复杂的算术运算、浮点变量，也无丰富的库函数支持。学习PLM无异于学习一种新语言。（3）

5、C是一种源于编写UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生紧凑代码。C结构是以括号 而不是字和特殊符号的语言。C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编相比，有如下优点：对单片机指令系统不要求了解，仅要求对8051的存贮器结构有初步了解；寄存器分配、不同存贮器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理；程序有规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化；具有将可变的选择与特殊操作组合在一起能力，改善了程序的可读性；关键字及运算函数可用近似人的思维过程方式使用；编程及程序高度调试时间显著缩短，从而提高效率；提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；已编好程序可容易地植

6、入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不作修改就可根据单片机的不同较快地移植过来。（4）8051汇编语言非常像其它汇编语言，指令系统比第一代微处理器要强一些。8051的不同存贮器区域使得其复杂一些。尽管懂汇编语言不是你的目的，但看懂一些可帮助你了解影响任何语言效率的8051特殊限定。例如，懂得汇编语言指令就可使用在片RAM做变量的优势，因为片外变量需要几条指令才能设置累加器和数据指针进行存取。要求使用浮点和启用函数时只有具备汇编程经验才能避免生成庞大的、效率低的程序，这需要考虑简单的算术运算或先算好的

7、查表法。最好的单片机编程者应是由汇编转用C而不是原来用过标准C语言的人。从实用性和语言的熟悉程度考虑，选用汇编语言编制主要程序，用C语言辅助设计。1.3 开发工具1.3.1 单片机选择单片机是把CPU、内存及IO压缩在同一块芯片上，再外加一些电子元件便可以构成一套简易的控制系统。如此一来可以降低硬件成本，由于单片机芯片设计及制造技术的限制，在面积有限的芯片上无法设计出太大的内存空间，因此单片机上ROM及RAM的容量都比较小，不过却也加入了位输入输出控制，计时计数器及外部中断的控制功能，有些单片机还有串行传输的接口，甚至还提供有AD (模拟至数字转换)及DA(数字至模拟转换)的接口，真可谓麻雀虽

8、小五脏俱全。8051单片机是INTEL公司在8048的基础上，对其功能加以改进所开发出来的8位单片机，表 3-1是8048与8051硬件功能的比较表。从表中可以看出8051在功能上比8048强很多，程序代码(存于外部ROM中)的设计空间如同传统8位的单片机，像Z80、6502CPU等，寻址至64K字节的范围，更甚者，其随机存储器(存于外部RAM中)可额外再寻址64K字节，这是8051特别优异的一点，加上IO控制端口、中断功能、定时器及串行接口，使得在一块8051芯片上外加少许外接元件便可组成一个完整的单片机控制系统。表 1-1列出了8051系列的成员：其中8751H有可擦除可编程只读存储器(E

9、PROM)，可以存放程序代码，同时具有程序保密的特性，可以防止程序代码被任意地拷贝，只是价格较贵。电路构成类型如为CMOS则耗电较低，而8031与8051的差别在于8031内部本身没有可存放程序代码的存储空间(没有内部ROM的型态)，因此程序代码必须由外部提供并外加EPROM。表 1-1 8048和8051的功能比较比较项目 8048 8051指令周期 2.5us 1us内部RAM 64字节 128字节内部ROM 1K字节 4K字节外部RAM 256字节 64K字节外部ROM 4K字节 64K字节IO引脚数 27 32中断源 2 5定时器 8位1组 16位2组串行端口 无 一组表 1-2 80

10、51系列内部ROM和内部RAM的内存容量编号 电路类型 ROM存储容量（字节） RAM存储容量（字节）8051AH HMOS 4K ROM 1288031AH HMOS 没有 1288751H HMOS 4K EPROM 12880C51 CMOS 4K ROM 12880C31 CMOS 没有 1288052 HMOS 8K ROM 2568032 HMOS 没有 256 8051主要功能列举如下：为一般控制应用的8位单片机；芯片内部有时钟振荡器(传统最高工作频率可达12MHZ)；内部只读存储器(ROM)为4K字节；内部随机存储器(RAM)为128字节；外部只读存储器可扩充至64K字节；外部

11、随机存储器可扩充至64K字节；32条双向输入输出线，且每条均可以单独做IO的控制；5个中断向量源；2组独立的16位定时器；1个全双工串行通信端口：8751及8752单片机具有数据保密的功能；单片机提供位逻辑运算指令。本次设计选用的是低耗的80C51单片机。1.3.2 开发环境本设计选用的开发平台为MedWin单片机集成开发环境，只需在PC机上安装MedWin软件，即可配合仿真器进行模拟仿真，使用十分方便。1.3.3 仿真器 目前，单片机因其诸多特点，在各行各业中得到了广泛的应用。单片机本身只是一个电子器件，只有和其它器件、设备有机地组合在一起，并配置适当的工作程序(软件)后，才能构成一个单片机

12、的应用系统。因此，单片机的开发包括硬件和软件两个部分。单片机本身没有自开发功能，必须借助于开发工具。近年来，随着个人计算机系统的不断普及，国内外推出了不少以PC机为基础的单片机开发系统；而软件模拟仿真器是一种新型的开发方法。这种方法是在PC机上，用软件来实现仿真，并配置一系列相关的服务程序，使用时，只要在PC机上运行该软件包，就可以对目标码程序进行调试。对于那些只是用到单片机内部资源的设计来说，可以在软件仿真器内完成仿真工作。而单片机软件的设计总要和外部事件打交道，比如响应外部中断，检测某一引脚上输入信号电平的高低，完成AD转换等；同时某些情况下，还要根据外部信号输出不同的控制信号。如果使用硬

13、件仿真系统或在线调试器时，已有一个实实在在的硬件环境，在调试时，可以利用目标系统提供给单片机各种信号的输入，以便测试单片机的实际运行情况。如果使用软件仿真器，没有任何硬件环境可以给出这些外部信号，所以外部信号的输入是面临的一个难题；此外单片机常常需要和其它常用器件有机地组合在一起使用，如AD芯片、液晶显示板等，如何仿真这些常用器件的功能，也是面临的一个难题。 本设计选用的仿真器是SE52P单片机仿真开发系统。1.4 系统框图图 1-41.5 发光二极管显示 1.5.1 LM3914基本介绍图 1-5发光二极管集成驱动器LM3914结构如图 4-1所示。其内部的缓冲放大器最大限度的提高了该集成电

14、路的输入电阻（5脚），电压输入信号经过缓冲器（增益为零）同时送到10个电压比较器的异相（-）输入端。10个电压比较器的同相输入（+）端分别接到10个等值电阻（1K欧）串联回路的10个分压端。因为与串联回路相接的内部参考电压为1.2V，所以相邻分压端之间的电压差为1.2V/10=0.12V。为了驱动LED1发光，集成电路LM3914的1脚输出应该为低电平，因此要求电压比较器异相（-）端的输入电压>0.12V。同理，要使LED2发光，异相端输入电压应>0.12*2=0.24V；要使LED10发光，异相端输入电压应>0.12*10=1.2V。LM3914的9脚为点，条方式选择端，当9脚与11脚相接为点状显示；当9脚与3脚相接，则为条状显示。本系统采用条状显示方式。 1.5.2 工作原理图 1-6如图 1-6所示，当检测到酒精气味时，气敏传感器的A-B间电阻变小，LM3914的5端电位升高，通过比较放大，驱动发光二极管依