【《基于单片机的酒精检测系统硬件设计案例》5500字】

基于单片机的酒精检测系统硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u26692基于单片机的酒精检测系统硬件设计案例 169821系统总体设计 116301.1系统结构设计 1198211.2硬件设计思路 2248741.3软件设计思路 295771.4系统工作原理 3275781.5本章小结 3274652硬件系统的设计与实现 346142.1硬件设计总体设计 358282.2单片机最小系统介绍 487292.1.1单片机芯片介绍 4261472.1.2主控模块芯片介绍 540572.1.3最小系统结构 5310812.3按键模块电路设计 8286882.2.1独立按键介绍 8316862.2.2按键模块电路设计 9114102.4MQ-3酒精检测模块电路设计 9301042.4.1酒精检测模块介绍 9170762.4.2STM32内置模数转换器介绍 10295782.4.2酒精检测模块电路设计 1198472.5液晶显示模块 12213922.5.1液晶显示模块介绍 12307412.5.2液晶显示模块电路设计 12201712.6换气模块电路设计 13263112.6.1换气模块介绍 13203892.6.2换气模块的电路设计 13130642.7声光报警模块电路设计 14239632.7.1声光报警模块介绍 1450222.7.2声光报警模块电路设计 14系统总体设计1.1系统结构设计仪器的设计思路为：明确功能，根据功能的实现方法分为不同的模块，在对各模块进行硬件电路设计和底层驱动的编写。在硬件电路设计和驱动的编写基础上，将仪器分为六个模块：单片机主控模块液晶显示模块独立按键模块酒精检测模块声光报警模块换气模系统结构设计图如图2-1所示。图2-1系统结构设计图1.2硬件设计思路系统各模块的实现方式如下：(1)单片机主控模块：选择STM32F103C8T6最小系统板来实现对酒精测试仪的总体控制。(2)独立按键模块：在用户使用时需要进行模式选择和阈值设定的操作，所以需要独立按键进行输入参数。(3)酒精检测模块：在气体采集的要求上需要传感器对酒精敏感而对其他气体敏感[9]。为了确保测量结果的准确性，综合选用MQ-3气敏传感器进行当前环境下空气中酒精浓度的检测和测量。(4)声光报警模块：根据酒精传感器检测出来的酒精浓度值，以用户所设定的阈值为准，与检测到的浓度值进行比较，为了结果准确性，需要排除气体浓度测量的误差值[10]，若测定超出规定浓度值，系统控制蜂鸣器长鸣，并且LED灯光闪烁达到警示效果。选用MH-FMD无源蜂鸣器，LED发光二极管。液晶显示模块：因需要实时显示酒精浓度和汉字较多，考虑到用户的使用体验，故选用0.96寸OLED12864液晶显示屏幕作为液晶显示模块的硬件设备。换气模块：选用JQC-3FF-S-Z继电器进行控制风扇的转动，来达到换气改变当前环境的酒精浓度的作用。1.3软件设计思路该仪器设计软件层面主要使用Keil5软件进行C语言的编写工作。软件设计参照任务书的功能要求，实物电路，硬件设计，系统结构设计和软件设计思路根据功能模块的顺序进行相应的代码编写。软件设计包括6个主要模块：主程序模块、液晶显示模块、独立按键模块、酒精检测模块、声光报警模块、换气模块。1.4系统工作原理系统初始化完成后，由单片机主控芯片对用户选择的按键进行判别选择何种模式启动。当按下按键1后，系统进入模式一，无风扇模式，该模式下用户需要进行按键输入调整阈值，按下确认按键后进入检测界面。此时由MQ-3气敏传感器检测到酒精浓度通过AOUT口输入到STM32F103C8T6最小系统板中，因本设计选择模拟量输出，所以需要将数据通过ADC模数转换将测得的模拟电压值转换为浓度值。再将结果实时输出到OLED液晶显示屏上[11]。主控模块判断测得当前环境下酒精浓度值超过阈值时，对LED灯和蜂鸣器进行控制，此时声光报警模块开始工作，LED灯闪烁，蜂鸣器长鸣达到警示效果。当按下按键2后，系统进入模式二，有风扇模式，该模式与模式一的不同之处在于多增加了换气模块。超过阈值后不仅会进行声光报警还会启用换气模块进行换气处理从而达到降低环境下酒精浓度的作用。1.5本章小结本章介绍了酒精测试仪的设计实现的思路和方法，设计了总体流程，并将整个仪器进行模块化，进一步分析各模块所需要完成与实现的功能，确定了模块实现所采用的具体元器件。硬件系统的设计与实现2.1硬件设计总体设计酒精测试仪开机后，OLED12864液晶显示屏显示有两种模式可供选择。用户可以根据测试仪所使用的环境键入选择不同的模式，使用测试仪的不同功能，选择完功能后进入阈值设定界面。键入设定阈值，按下确定按键后测试仪进入到酒精浓度检测界面，液晶屏将会实时显示环境下的酒精浓度。声光报警模块和换气模块根据环境下的酒精浓度具体数值情况进行工作。系统硬件总体设计图如图3-1所示。图3-1系统硬件总体设计图本设计采用STM32F103C8T6最小系统核心板作为测试仪的控制核心对系统进行总体的控制，对独立按键进行扫描输入数据的采集；采用MQ-3气敏传感器对环境下酒精浓度进行检测，并通过最小系统版中带有的AD模数转换模块进行数据的处理[12]。将处理好的数据实时通过OLED12864液晶显示屏幕显示出来；声光报警模块通过LED灯和无源蜂鸣器，在接收到主控模块的控制下完成声光报警[13]；换气模块采用继电器在收到主控模块的控制下控制风扇转动达到改善环境下的酒精浓度的功能。2.2单片机最小系统介绍2.1.1单片机芯片介绍本系统选用STM32F103C8T最小系统核心板，具体硬件实物如图3-2所示。该核心板属于加强型的32位微处理控制器。核心板内部集成了最小系统，提供多个可接入外设模块的IO口，具备问多种外围设备的功能，并且支持多种通信接口协议[14]。从而一定程度地减少了外部硬件电路的设计难度。图3-2STM32F103C8T6核心板实物图2.1.2主控模块芯片介绍STM32F103C8T6最小系统板内部的主控制芯片使用的是由意法半导体（ST）集团公司开发的STM32F103C8T6芯片，具体芯片实物如图3-3所示。该芯片以Cortex-M3为内核，芯片内集成了60KB的FLASH和20KB的SRAM，最大工作频率可以达到72MHz，调试方式为SWD[15]。芯片原理图如图3-4所示。该主控制芯片不仅价格低廉，而且可实现丰富多样的功能，具有损耗低、体积小、集成度高、稳定可靠、编程简单的特点。因此，该核心板可以广泛地应用于嵌入式智能设备，完全满足本设计的系统功能需求。图3-3STM32F103C8T6主控芯片实物图图3-4STM32F103C8T6主控芯片原理图2.1.3最小系统结构STM32F103C8T6最小系统板的电路是维持最小系统能够正常工作的前提。最小系统板的电路包含晶振电路、电源电路、复位电路、稳压电路、去耦电路、下载电路。(1)本仪器的设计所采用的电源电路如图3-5所示。稳压电路如图3-6所示。图3-5电源电路图图3-5稳压电路图(2)晶振电路晶振电路的作用是为了给芯片提供时钟信号，通过晶振产生的频率生成时钟脉冲信号。晶振电路主要由晶振和电容组成，原理图如图3-6所示。图3-6晶振电路图STM32F103XX系列微控制器支持三种不同的时钟(SYSCLK)，分别是：HSI振荡时钟、HSE振荡时钟、PLL时钟，具有两种二级时钟源：内部振荡器和外部晶振，任何一个时钟源都可以独立使用并工作，时钟电路的作用是控制单片机运行的指令传输节奏[16]。(3)复位电路STM32有三种复位方式：电源复位、系统复位和后备域复位。电源复位时，当NRST引脚被拉低，产生外部复位，并产生复位脉冲，从而使系统复位。复位电路如图3-7所示。图3-7复位电路图(4)去耦电路去耦电路的作用是为了滤除杂波，从而保持引脚电压的稳定，让系统能够正常工作。如图3-8所示。图3-8去耦电路图(5)下载电路在下载时，STM32可以使用串口下载、JLINK下载和MDK下载三种下载方式。选择不同的下载模式需要不同的BOOT选择。BOOT电路和下载电路如图3-9和3-10所示。仪器的设计采用串口下载的方式，使用STM32芯片中自带的Bootloader实现串口下载，无需购买JLINK下载器。在下载程序时需要将BOOT1的键帽由2、4引脚改变到4、6引脚，待下载完成后再改回原来的连接。图3-9BOOT电路图图3-10下载电路图2.3按键模块电路设计按键的作用主要是用户进行模式的选择，与检测前的阈值设置，作为提供参数给主控芯片的作用。2.2.1独立按键介绍在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其他按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入时与软件结构密切相关的过程。单片机控制系统中，如果只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。独立按键式直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点式每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其他I/O口线的状态[17]。独立按键的典型应用如图所示。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一个I/O口线。本设计所采用的独立按键电路原理图如图3-11所示。2.2.2按键模块电路设计 设计中按键的作用是输入参数给主控模块，主控模块根据按键的参数做数据处理再做出控制其他模块工作的相应操作。在测试仪选择模式时，按键K1对应模式一，按键K2对应模式二；在测试仪进行阈值设定时，按下按键K1阈值增加1mg/L,按下按键K2阈值减小0.01mg/L，通过两个按键差值，在测试仪精度要求范围内能够达到遍历量程中每个值，选择好阈值后按下K3按键确定按键，进入到酒精浓度测量界面。该过程都会在OLED12864液晶显示器上显示出对应的操作结果。按键模块电路如图3-11所示。图3-11独立按键电路图2.4MQ-3酒精检测模块电路设计2.4.1酒精检测模块介绍 本系统采用酒精浓度采集模块为MQ-3气体传感器，其使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率随空气中酒精蒸汽浓度的增加而增大[18]。当传感器所处环境中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号[19]。MQ-3气体传感器对酒精的灵敏度高，可以抵抗汽油、烟雾、水蒸气的干扰。这种传感器可检测多种浓度酒精气氛，是一款适合多种应用的低成本传感器。其实物图如图3-12所示。图3-12MQ-3实物图MQ-3型气敏传感器由陶瓷管和二氧化硅敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或者不锈钢腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件[20]。在工作时，气敏传感器的加热电压选取交流或直流5v均可。当其被受热后，加温室环境中的可燃气体浓度迅速增大，传感器的内阻阻值将会迅速降低，利用该特性并结合电路分析中的分压原理，分析便得知Vout的值将逐渐增大，当超过预设定的阈值时，可产生相应的操作。MQ-3的结构图如图3-13所示。图3-12MQ-3酒精传感器结构图2.4.2STM32内置模数转换器介绍STM32F103X系列芯片上内嵌的模数转换器为12位，是一种逐次逼近型模拟数字转换器。该模数转换器拥有18个通道，包括16个外部和2个内部通道，可以测量不同信号源，每个通道都可以单独执行工作，在扫描模式下自动进行在选定的一组模拟输入信号上的转换，转换结果以设定好的方式存储在寄存器当中，并且可以通过直接存储器进行访问。本设计利用模数转换器的一个通道进行采样，最后利用采样数值计算得出所测酒精浓度值。2.4.2酒精检测模块电路设计 MQ-3原理图如图3-13所示。图3-13MQ-3酒精传感器电路原理图经过传感器后所输出的电压为模拟信号，要想获取到具体数值就需要用到ADC转换，即将模拟信号转换为数字信号。设计所选取的主控模块STM32F103C8T6最小系统板自带ADC功能，应用方便，不需要自行添加AD芯片。MQ-3传感器上自带LED，用来表示是否检测到酒精气体。当检测到有酒精气体时，输出低电平LED点亮，当空气中酒精气体浓度降低，LED熄灭输出高电平。MQ-3传感器引脚功能如表3-4所示。表3-4MQ-3引脚功能表pin名称注释1VCC供电5V2DOUT输出TTL电平3AOUT输出模拟信号4GND接地，电源负极在本设计中选用MQ-3模块的AOUT的输出，作为判断当前环境是否具有酒精气体的依据。根据MQ-3的电路原理图可知，在本模块的设计中需要将4号脚的输出电压接入STM32F103C8T6最小系统中的内部AD芯片，通过ADC转换得到数据。通过ADC1的通道采集外部电压的具体数值，将采集到的数值进行转换后显示到OELD12864液晶显示模块上。对ADC配置允许端口和ADC时钟，将0引脚配置为模拟输入方式，之后设置ADC的分频因子，对ADC参数进行初始化等。然后使能ADC并校正，最后读取ADC转换值。2.5液晶显示模块2.5.1液晶显示模块介绍 本系统采用的酒精浓度实时显示模块为0.96寸12864OLED显示屏，具体实物如图3-14所示。该显示屏具备厚度薄、体积小、辨识度高、价格低廉和反应迅速等较为良好的优势性。与传统的LCD点阵液晶屏对比，OLED屏因具备自发光的特性而不需要背光，同时可支持黄白蓝三种颜色，这使得同样的显示OLED具有更为良好的界面直观性，分辨程度也更可观。该模块可大大提高用户与系统的交互性，同时也符合本系统对外部显示设备的需求。图3-14液晶显示模块实物图2.5.2液晶显示模块电路设计目前我们经常使用的OLED屏幕一般有两种接口，IIC或者SPI，本设计将采用四针IIC协议的OLED12864液晶显示屏幕，将OLED12864的第一个脚接地，第二脚接5V电源；第三第四两脚分别接STM32F103C8T6最小系统的PB6、PB7管脚，这两个管脚为STM32F103C8T6芯片的IIC接口。其中SCL为时钟信号引脚，SDA为数据引脚。通过编写相关驱动，使OLED12864能实时显示测量的酒精浓度、选择的模式、阈值设定等信息。其电路图如图3-15所示。图3-15液晶显示模块电路图2.6换气模块电路设计2.6.1换气模块介绍 继电器（英文名称：Relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中