基于单片机的酒精浓度检测

第1章前言1.1MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc课题背景和意义随着我们国家的日益发展，在我们的国家中有车的人可以说是与日俱增，而酒驾酿成的交通事故经常出现，而且与日俱增。因此，我们国家很重视酒驾问题并且严惩，所以设计可以检测驾驶员口腔中酒精浓度的智能仪器是很有必要的。伴随着社会的生产发展，大到工厂企业，小到私人家庭，对于酒类气体的检测是非常重要的，主要是关于工厂企业资产安全和私人人身的安全，比如酒驾、酒精泄漏等。据近年来的数据，在中国发生的大多数交通事故，将近一半以上是因为喝酒后导致的，主要原因是中国经济发展很快。人们的收入越来越高，越来越多的家庭拥有私家车。所以有越来越多的人在喝酒后开车。这也是增加交通事故的重大原因之一。因为我国人民日益增强的安全意识，以及对于外在环境安全和生存舒适性的日益增长的需求，对于人类呼出来的气体中，含有酒精浓度气体的实时检测越来越受到大家的重视，为了防止机动车驾驶员在饮酒后驾驶车辆，浓度检测仪在我们生活中已得到广泛的应用，而且使用效果明显。除此之外，但我们需要对空气中的酒精浓度进行检测时，酒精测试仪还可以用于食物的加工、啤酒、汽水、制备等。在该系统中，检测当前的酒精浓度是该系统中包括在内的主要功能，利用液晶实现显示，系统可以设定浓度值报警值，超过设定的酒精浓度值系统就会通过蜂鸣器进行报警，同时会打开继电器并关闭汽车发动机引擎。近年来，酒精浓度测试仪具有非常广泛的实际市场和市场的潜在要求，主要得益于气体传感器正朝着低功耗，多功能性和集成的方向发展。1.2国内外研究现状目前，我国的很多科研院所都对酒精检测提出了新颖、科学、可靠的方案。国外也有不少学者对酒精检测方案进行了大量的实验和研究。西安交通大学开发了一种多用途而且高灵敏度的酒驾检测设备，包括：PZT压电陶瓷片，微振发生单元，惠斯通电桥，微振检测放大检测电路结构，吸收池，吸收酒精分子用于检测，DFB激光发射器，发射出用于酒精分子检测的激光源，温度控制模块，我们用于监控激光发射器（DFB）的温度装置，用于激光发射器（DFB）的电流控制模块，数字锁相放大电路，用于调制解调、频率合成、彩色副载波同步、图象处理并可以对离散样值的实时处理，本发明涉及酒驾检测技术领域。该多用途高灵敏度酒驾检测方法，达到了就驾驶人员进行酒精检测的目的，并且通过方向盘对驾驶员的心率进行实时检测可以提高驾驶员的驾车安全系数，减少因为酒驾而导致的交通事故，为安全、文明的社会做更大的贡献。河南理工大学的研究团队明确提出了一种酒驾检测装置以及检测方法，它包括检测单元及手持单元，检测单元设置位于汽车内部，用于对车辆内部气体的酒精含量进行检测，当车内气体酒精含量超标时，检测单元立刻向手持单元发出报警信号，当报警车辆行驶近时，交通警察就可以对报警车辆进行酒驾检查，若报警车辆为酒驾车辆，则交通警察就可以对此车辆做出处罚，若报警车辆为代驾或运输酒水或者含有酒精的物品，则交通警察就利用键盘对此车辆进行标记，避免该车辆一直被交通警察重复检查而耽误时间和行程，同时也能够减少交通警察的工作量和节约时间。本发明能够实现有目的地对酒驾车辆进行精的确检测，有效地减少了醉酒后驾驶车辆造成的交通事故的发生，同时也能够减轻交警的工作量，提高酒驾检查的工作效率。日本的一些科学家们提出了一种酒精检测数据收集器用于移动终端的酒精检测系统。集电器包括很多，如电源集成接头、推拉机构、外壳以及电路板来组成;吹气口布置在外壳的一端，在外壳的侧壁上开有一个储存口;电路板固定在外壳内，并且在电路板上设置有酒精检测电路；通信供电一体式接头可转动的设置于收纳口内并与酒精检测电路相连接；推拉机构设置于壳体上并与通信供电一体式接头相连接，使得在推拉机构的驱动下，通信供电一体式接头能够伸出壳体外或收缩于收纳口内。本发明的采集器不需要单独设置电池为其供电，也不需要单独设置显示屏等元器件，减少了碱性电池、显示屏、塑料件等材料的使用，可以大幅度降低产品的生产成本并降低用户使用门槛，并达到了节约资源、保护环境的目的。1.3MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc课题的预期目标熟悉单片机的设计原理，了解该课题的设计背景和设计意义目的。掌握相关电子设计软件的使用方法，如AltiumDesigner电路设计软件，Keil4软件开发平台。熟悉硬件电路焊接和软件代码编写步骤和流程。掌握一定的电路设计和焊接技巧，实现系统的电路板焊接和软件编程。系统可以自由设定酒精浓度报警值。酒精浓度检测精度良好，控制误差系数。继电器控制准确，液晶显示清晰，在户外可以轻松辨认浓度示数。1.3MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc本文主要结构 本文主要由六大章节组成，分别为前言、设计方案、硬件电路设计、软件设计、系统调试和总结。其中最为重要的是设计方案和硬件软件设计章节。在论文最后附录中会给出本系统的总体硬件电路图和部分核心代码。

第2章课题的总体设计2.1MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc课题总体方案设计本文的设计基于单片机的酒精浓度检测。系统的硬件组件主要包含酒精传感器，AD电路，液晶显示电路，声光报警电路，继电器电路，单片机控制电路，键输入电路，和电源模块的酒精传感器模块。采用的是MQ-3的传感器，然后经过AD模拟电路和数字电路转换后，将带有数字信号输送到单片机，再进行处理，单片机选用的型号为STC89C52。然后再通过显示模块进行数值显示，显示模块应用的是LCD1602液晶屏幕，通过按键的键盘可以修改报警的数值。声光报警主要是有蜂鸣器和LED灯组成。报警的时候继电器会断开。下图所示的是系统总体设计框图。GSM短信报警GSM短信报警单片机酒精传感器电源AD转换输入键盘声光报警显示模块继电器图2.1系统总体设计框图2.2系统总体电路接口 单片机是该系统的中心，链接通过P0口液晶显示屏和单片机，报警电路和单片机链接的是P26接口，AD芯片和单片机的链接是通过P12-P14接口，按键电路和单片机链接通过P27，P28和P37。具体电路接口如下所示。图2.2系统总电路图

第3章系统的硬件设计3.1STC89C52单片机3.1.1单片机历史进程世界上的第一个微处理器是美国的intel公司进行开发出来的，大多数人都知道这款微处理器只有4位，虽然它非常小，但它却是在世界上有历史意义的一款微处理器。美国Intel公司里面的一个员工叫霍夫，他便是这款高科技微处理器的创造者和开拓者，他在1971年的时候在美国的intel公司的研究室开发出了世界上具有历史意义的第一款微处理器芯片，这也标志着微处理器时代的开始。霍夫本人也因为研发出了这款微具有历史意义的处理器芯片而被著名期刊《经济学家》提名为“最优影响力的7位科学家”之一。可见他对世界的贡献是非常之大，就因为有他们这样的人，世界才可以得到更快的进步、发展。1971年的11月份，美国的英特尔公司就推出了基于该处理器的微型计算机。微机电脑系统由以下的几部分组成：ROM（只读内存）、RAM（随机存取储存器）、移位寄存器以及微处理器。所使用的微处理器是由两千三百多个晶体管组成的，长和宽仅有3mm*4mm，可谓非常之小，但是它的性能却是比当时的计算机处理器芯片强了百倍有余，可见它是非常强大的。1972年4月份，这款微处理器被命名为Intel8008，其位数是初代的一倍，为八位。不过它的设计原理跟原来的是一致的（P沟道MOS），所以这款微处理器还是归属于第一代的处理器。1973年8月份，美国的intel公司第二代微处理器诞生，它还是由霍夫的团队进行研发出来的，这代处理器的原理和上一代有所不同，它是将上一代的N沟道MOS电路来代替之前的P沟道。因此第二代微处理器就被命名为Intel8080。新一代的Intel8080芯片主要采用2MHz的主频，内存也只有64KB，在现代来说可谓非常之小，但是在当时来说存储量已经非常大了，并且其运算速度更是比之前的快了十倍，比起上一代的微处理器进步确实不小。第二代微处理器的芯片采用的是当时最先进晶体管最新的技术，使用了6微米技术的晶体管，里面共包含有6000个晶体管。所以在当时这款微处理器的科技含量也是极其之高。1975年4月份，世界上最具有历史意义的第一台微型计算机在美国的MITS公司诞生，也就是当时的家用计算机。该计算机是由MITS公司研发出来的，型号为Altair8800。1976年，世界上具有历史意义第一台单片机（MicrocontrollerUnit）诞生。该单片机是由美国的Intel公司研发出来的，它的型号被命名为MCS－48，位数为8位，名副其实，它就是在以后占领全球各大工业控制领域的单片机（MicrocontrollerUnit）。它的构成分别是算术单元控制器，储存器，输入/输出设备等组成。事实上，它可以等同于微型计算机，与个人计算机中使用的通用微处理器相比，它更侧重于自主电源（无需外部设备）和成本节省。其中，极小的尺寸是它最大的优点，可放在仪器内部，但它的缺点是存储量比较小，而且输入输出的接口比较简单，功能较低。所以在应用中也受到了部分限制。1980年，基于第一台单片机，美国英特尔又连续推出许多出色单片机，更强大的功能和更多的内存，都是这些出色单片机提供的。在工业控制范围的广阔使用的微控制器就是单片机，并且它的发展前途非常好，工业控制领域也成单片机的天堂。单片机主要是由一个只有一个处理器的专用处理器芯片开发的。它最初的概念是将大量的外围设备和处理器集成到相同的芯片中，使计算机系统更小，并使其更容易集成到非常复杂的，体积关键的控制设备中去。实际上，单片机也可以称为单片微控制器。它既不是执行特定逻辑功能的控制芯片，而是集成了计算机系统的芯片。用一句话概括来讲：很小一块芯片就成了一台微型计算机。而且它的体积比较小、质量较轻、价格较便宜、它为我们的学习，应用和开发提供了很多便利。因此，要学习计算机的结构和原理，我们可以首先了解和使用单片机。可以说，在二十世纪，有三个“电力”时期，电子时期和如今进入的计算机时期。不过，这种计算机一般指的是个体计算机或简称PC。它由主机，键盘，显示器等组成。还有一种大多半人不了解的计算机。这种计算机是一种单片机（也称为微控制器），可为各样机器供应智能。咱们都理解这种微电脑最小的控制系统只使用一个集成电路。为什么都被放置在受控机器中，是因为它的尺寸比较小。在如今社会，这种单片微机广泛使用于各种领域，如家用电器，导航系统，通讯装置，实时工业控制，智能电表等。把微控制器安装到各种各样产品后，可以升级产品和更新产品，这样我们就可以在产品前面加上形容词—智能型，比如智能手表、智能洗衣机等等。在现代的工厂中有一些其他业余电子开发者和工厂的技术人员开发出来的某些产品，它们的电路并不是很复杂，就是因为它们的功能太简单和很容易就会被仿制。问题的根本原因就是产品没使用其他可编程逻辑控制器或单片机在器件上。3.1.2STC89C52简介 STC89C52RC是一款8位CMOS微控制器，具有高性能和低功耗特性。拥有8KB可编程闪存，它的设计生产来自STC公司，STC89C52单片机利用十分经典的MCS-51内核，但已经对他实行了很多方面改良，而且为芯片供应了传统微控制器所没有的许多其它功能。在单个芯片上，它不但拥有可在系统中编程的智能8位处理器和闪存，况且还准许STC89C52为很多嵌入式管理应用供应十分灵便和超高效的处理方法。细致来说，有几个标准功能：8k字节系统可编程闪存，512字节RAM（随机存取存储器），32位I/O接口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，四个外部中断，7矢量4级中断结构（与传统51中断兼容）5矢量2级中断结构），全双工串行通信接口。此外，STC89C52还能够将频率的静态逻辑运算下降到0Hz，支持两种可通过软件选择的节能模式。在待机模式下，CPU结束运转并准许RAM，计数/定时器，串行端口和中断一直运行。所以，在断电保护模式下，RAM（随机存取存储器）的信息被保存，振荡器被冻结，所有单片机操作都将停止，直到下一次中断或硬件复位。最高作业频率为35MHz，6T/12T可选。其重要的功能是：可以直接利用串口加载里面的磁带，4KB内存EEPROM，512字节内存。图3.1STC90C51引脚布置3.2单片机最小系统3.2.1时钟电路模块MCU的操作过程需要时钟电路模块的辅助，如计算机的CPU。在没有用于产生驱动MCU的时钟的时钟电路模块的情形下，MCU无法运行程序。逻辑电路，时钟电路是微电脑的中心，它支配着电脑的两个节奏。CPU经过复杂的时序电路实施各样的指令功能。例如，MCS-51时钟信号可以以两种方式使用：一种是内部的运用，它使用内部振荡器电路来产生时钟信号;假如没有时钟电路产生时钟来驱动微控制器，则微控制器将无法作工。时钟电路由12MHz晶体振荡器和两个30pF陶瓷电容构成。主要用于产生微控制器操作所需的时钟信号的是时钟电路。时间研究是指示进行中的关联。由于微控制器本身类似于复杂的同步定时电路，因此它还必须在单个时钟信号的控制下严格操作，以保证同步操作模式的实现。晶体振荡通常分为两类：一类是无源晶体振荡器，另一类是有源晶体振荡器。其中之一，无源晶体振荡器通常称为晶体，另一个有源晶体振荡器称为振荡器。有源晶体振荡器是一个十分完美的谐振振荡器。它的振荡效应，使用的是石英晶体的压电效应。所以有源晶体振荡器需要有电源，不然就无法进行工作。当我们做好了有源晶体振荡器电路，这样我们就可以不需要其他的外部设备。当咱们要用它时，只要我们给他供应电源，它就能够主动产生振荡频率并为我们供给高精度频率来进行参考。其信号质量优于无源信号质量。咱们认识的无源石英振荡器不会单独振荡，它一定迫使芯片的里面振荡电路共同振荡，原因是它准许有不一样的电压，从而使质量和精度信号的有效性优于有源晶体振荡器。从另一方面的价格相比来说，无源晶体振荡器的价格比有源晶体振荡器的价格便宜很多。在无源晶体振荡器中，通常在它的两侧都有一个一模一样电容器。一般情况下，其电容值就是在10pF和40pF之间。如果我们使用，20pf是比较好的选择。因为这是一个长期存在的经验，而且具有极其普遍的适用性和广泛性。有源晶体振荡器、无源晶体振荡器区别点：在无源石英振荡器中，必须利用里面的DSP芯片发生器。假如电压没有问题，可以改变信号电平，这可以简单地由振动电路确定。同样的晶体也能够使用于各种不一样的电压，也可以用于DSP时钟信号的不同电压要求，其价钱普通较低，所以对于普通使用，若是条件在这种境况下，提倡使用不含附加费的晶体，十分适用于据有大型产品线的制造商。没有必要利用内部DSP发生器，并且信号质量好，稳定，连接相对简单，这就是有源晶振所具有的有优点（最首要的是对电源实施过滤，PI滤波器网络和电感器组成了普通的电容器。输出应仅用一个小电阻器对信号进行滤波能够达到目的）没有必要有高级的配置，所以解决了一些在配置比较繁琐、复杂的问题。使用晶体振荡器的作用是什么？一种时钟源，可分为两种主要类型的控制器：基于机械谐振器装置的时钟源，如石英振荡器，陶瓷谐振回路和RC振荡器（电阻，电容器）。其中之一是用于石英振荡器和陶瓷谐振回路的Pierce振荡器配置。另外的是一般的离散RC振荡器。有源晶体振荡器一般领有四个引脚，VCC，GND，晶体振荡器输出引脚和未应用的浮动引脚（某些晶体振荡器也将此引脚用作激活引脚）。无源晶体振荡器一般有两个的或三个的引脚。如果是有三个引脚的有源晶体振荡器，中间的引脚就是晶体振荡器的外壳。使用后应连接到GND。两侧的引脚是晶体的两个引脚。但这两个引脚的功能相同，就像典型电阻的两个引脚一样。阳性和阴性之间是没有区别。对于无源晶体振荡器而言，我们可以将其与单片机上的两个晶体振荡器引脚相连接，但是有源晶体振荡器只能与单片机晶上的体振荡器的输入引脚相连接，而且不需要连接输出引脚，其电路如下图所示。图3.2时钟电路模块3.2.2复位电路模块复位电路设计用于将微控制器或其它组件中的CPU传送到系统中的特定初始状态，并准许它开始于初始状态。除了因为程序启动故障或操作错误导致系统陷入死锁时，还具有进入正常系统初始化的能力，我们可以重新启动电路的复位按钮，可以达到摆脱以上出现的系统锁死。由于我们的微控制器必需在启动时复位，因此我们的处理器和全部的系统上的组件能够处于某种肯定初始状态，而且可以从初始状态启动。被RST引脚引入到施密特触发器进行复位信号主要来自于单片机的89系列中。假如我们的CPU可以做出响应并且系统重新启动，说明我们的系统正常运转并且振荡器稳定，就可以知道有引脚的RST里面存在着高电平一个而且一直保持着两个机器的周期(24个振荡周期)。我们把按键复位电路运用到这次设计中。当这个电路处于稳定状态的时候，电容器就会起到对直流电流进行隔离的作用，如果隔离的是+5V的直流电流，安放在左侧的复位按钮就会处于弹出来的状态，因为在c11电容器下面的电位和GND一样，所以没有电压差电路下面的部分，即下部的电压为0V，在低电平时正常运作，我们的微控制器就在在高电平时复位，因此，电压工作是为0V时，我们的微控制器的正常工作，没问题。当我们的电容器C11下的电压为0伏的时候，电容器C11两头的电压为5伏的时候，电源故障的分析从那个时候始。我们需要对电容器C11进行充电，这是根据我们在初中学到的知识。带有负电荷的电子从GND进行充电，带有正电荷的正离子从上面到下面进行下充电，这是充电时的状态。此时，电容器的功能就和导线一样，在电路中。此时，我们把全部电压都施加到电阻r31里面;因此它是第一个端口的位置。该装置所带的电压为5伏，伴随着电容器的充电量的继续增加，电流就会慢慢的变小，此时，电流和电阻器r31的乘积等于RST端口的电压值，而且它将越来越小。在电容器完全充电充满之前，在线路上是没有任何电流的。就在此时此刻，RST和GND的电位将等于0V。当我们从这个角度来看时，我们就是添加了这个电路，当我们打开微控制器系统时，RST的引脚将会在高电平在很短的时间内一直保持，接下来又改变成为低电平。通电和复位的过程就是上面所述的这种情况。那么我们应该让这个有多短？应该是多少才是最合适的？不同的单片机合适的这种“短期”是不完全相同的，例如，其手册中记录的51单片机具有至少两个机器周期的持续时间。每台单片机的复位电压值也是不完全相同的。重置经过计算过程也很混乱，因为我们利用的0.7VCC的正常值用作复位电压值。当时间t=1.2RC时，R是4700欧，C是0.000000000001法拉。然后t的计算值为0.000564秒，即564us，远大于电路中的两个机器循环（2us）。一般来说，设计的时候要留有足够的余量。有两个按钮重置过程（即手动重置）。电路在通电的时候，该按键的按键被按下，但是在按键没有按下之前，RST中的电压为0伏，电容也瞬间放电。RST电压变为4700VCC/（4700+18），此时高复位状态。当我们不按按钮的时候，就好像上电复位。首先，在RST电压变为0伏的这个过程中，电流一直在慢慢变小，说明电容器正在进行充电。我们按下按钮的时间通常在数百毫秒以内，重置的时间是远远剩余的。下图所示的是复位电路模块电路图。图3.3复位电路模块3.3MQ-3传感器传感器的应用和原理是什么？传感器原理：传感器通常由四部分组成：转换元件，转换电路，敏感元件和辅助电源。其中，直接接收测量是用于输出与测量相关的物理量信号的敏感部件。敏感元件首要包含对气体的敏感性，对强度的敏感性和声学灵敏度。磁灵敏度，色灵敏度，热灵敏度，光敏感度，湿度敏感度和味觉敏感度。十种放射性和敏感性;转换元件主要用于将敏感元件输出的物理量信号转换成电信号;转换电路用于处理转换元件的输出信号，用于调制，放大等;系统（主要是敏感和转换组件）是提供能量的辅助电源。比如，在智能手机里面游戏中的重力传感器类游戏就是传感器在手机中的使用，如跑酷，极品飞车，以及刺激战场，都有近乎完美的体现;移动电话中的加速度计的应用，例如移动电话上的抖动功能，是在移动电话上感知到加速度;光传感器在手机中的应用，如自动调节手机亮度的功能;例如，当移动电话离开耳朵时，距离传感器在移动电话中的应用，当接听电话时屏幕变亮，并且当移动电话靠近耳朵时屏幕改变成黑色。手机中有如此多的传感器，许多功能都是使用传感器实现的。除了手机以外，比如学校的会自动进行开关的大门，工厂工业生产中，流水线的机械设备，学校教室内的会喷水的烟雾检测设备，主要是通过检测空气烟雾来进行报警，生活中测量身高和体重的称就是通过机械传感测量人或其他物体的重量，水库预警，电梯等等，以上这些都是传感器的广泛应用。该项目标中心主要是基于单片酒精浓度检测系统，我们利用的传感器是MQ-3。气体传感器中最常用的型号是MQ-3。用于产生气体传感器的气体检测材料主要是SnO2。由于气体传感器中使用的材料的导电性相对较低，因而采选具有相对低导电率的气体传感器的材料，原因是当存在其它气体时，如酒精、甲醛或天然气等等气体的环境中放置这个气敏传感器的话，它的电导率就会随着这些气体的浓度增加而不断增加。这样我们就可以通过监测电导率的变化，从而来计算出在该环境中含有酒精等气体的浓度，然后气敏传感器再将这个数据传输给单片机系统，让单片机系统根据这个信号判断是否需要触发报警器。MQ-3传感器主要是对酒精类气体敏感，对于外界的其他类型的气体却又不敏感，所以对于这样针对性设计，它是具有很强的抗干扰能力。不仅如此，我们设计的这个传感器的寿命是很长的，并且非常地可靠；我们也不需要设计很复杂的电路去驱动它。它可以应用于交通警察用来检测驾驶人员是否酒后驾驶等。MQ-3的结构形式如下图所示。图中①、②、图3分别表示MQ-3乙醇传感器的引脚布局，引脚功能图、使用接线图。①中的两个H管脚是用来加热的（5V电压加热），而其他四个管脚是用来传输数据信号的。图3.4MQ-3传感器的外观和相应的结构形式 下表中的A为MQ-3的标准工作条件，表B为环境条件，表C为灵敏度特性。3.4AD模数转换整流便是AD转换（模拟到数字转换）。积分型，逐次逼近型，并联比较型/串并联型，Σ-Δ调制型，电容阵列连续比较型和电压频率转换型这些都属于AD模数转换。如电压或电流，或非电信号，如压力，温度，湿度，位移和声音这些都属于模拟量。但是，我们将信号输入A/D转换器，在A/D模数转换之前，必需经过各种物理量转换为可以读取的电压信号。我们可以输出8位和10位的数字信号。在模数转换之后获得的12位，14位和16位等。在模数转换之后得到的。电压-频率转换法，双积分法，逐次逼近法，这些方法便是模数转换器的运行法则。满量程误差，线性度属于其技术方向，其他的还有分辨率，转换率，量化误差，偏移误差。D/A转换是一种数模转换，可将离散数字量转换为连接的模拟量。数模转换是模数转换的对应，而不是数模转换（与其相反）。本系统利用的MQ-3传感器来检测酒精浓度，然后再利用AD转换芯片，把它转成数字信号，传给单片机进行处理，ADC0832是我们本系统利用的AD芯片。可将模拟信号转换为可在许多情况下使用的数字信号，就是A/D转换（模数转换），是非常方便的，模数转换模块的种类也是非常之多。虽然它的种类繁多，但也有一定的分类规律，我们可以按位数来对它们进行分类，8位，10位，12位和16位属于按位数进行分类。然而，位数不一样，价格也不一样的，因为随着位数的增加，制造它们的价格也会升高，所以价格也随之水涨船高，并且它们的分辨率也随着位数的增加而提高。如果按照模数转换的结构来分类的话，可以划分为：有单一的，也有集成多个模数转换的转换器。我们在这里详细介绍的是ADC0832芯片，ADC0832芯片引脚如下图所示。图3.5ADC0832芯片的引脚图 ADC0832芯片内含有的输入模拟量通道的数量有两个，可同时用两个模拟量信号去输入芯片，然后进行模数转换。该芯片的工作频率为250KHz，模数转换所消耗的时间为32us。该芯片的功耗也是非常小，大约为15mw，所以非常节能。分辨率为八位，且最高分辨率可达到256级。并且该芯片的输入输出电平也是可以用在CMOS和TTL上。封装类型是多种多样的，比如贴片式和直插式。一般的芯片可以在温度为0～70摄氏度之间使用；而工业级的芯片具有更加强大的抗低温和抗高温能力，可以在零下温度为40摄氏度到85摄氏度间正常使用。该芯片用的是5V电源供电。全部符合模数转换的通常要求就是我们的ADC0832芯片。输入电压界限为0至5V，芯片的输入信号为模拟输入电压。其内部还有能够降低数据转换误差率的数据输出校验，因此，数据的真实性和可靠性在很大水平上得到了保证并且该芯片将模拟量转换为数字量数据的速度也非常之快的，以及能做到非常之平稳。不仅如此，芯片的输入也是可以独立输入的，这样就可以使单片机等其他系统对它的操作更加之方便与快捷。这个芯片还有一个很方便的功能，就是有一个数据输入端可以选择使用哪个通道来进行数据转换，这样给写程序操作时带来了很大的便利。3.5报警电路设计 报警电路中必不可少的一种器件是蜂鸣器，蜂鸣器可以在报警电路中作为声音提示的作用。以下是蜂鸣器实际用途的细致说明。有两种重要类别的蜂鸣器，其中一种是压电式，另一种是电磁式。两种类型都有其各自的特点以及各自的优缺点。当压电材料通过外力变形时，压电材料产生电荷。这是因为压电蜂鸣器使用压电材料。另外，压电材料在通电时变形。由带电导体，永磁体和导电导体产生的磁场的特性产生磁力以推动附着在线圈上的鼓膜，这就是电磁蜂鸣器。压电式构造简易经用，但音调信号是适合警报等设备的一种音调，这是因为这两个蜂鸣器的发音原理不同所造成的。因为它的音质很好，所以用于语音，音乐和其他设备，他就是电磁式的。蜂鸣器的应用范围非常之广的，比如在报警器、手机、电脑、音响、大广播等等。只要使用了蜂鸣器的，就可以发出我们所需要的声音。作用在压电陶瓷上的脉冲电流是压电蜂鸣器通过脉冲产生的，使其震动并发出音响。声音一般较弱，辅助声腔通常安装在一侧。有电流局部的线圈在由永磁体形成的磁场中移动，并且卡在线圈中的声盘抖动并发出回响，不仅如此声音质量优于压电类型的声音质量。一些压电蜂鸣器还配有发光二极管等其他器件。当电源接到1.5-15V直流电源上并进行工作时，同时，1.5-2.5KHz的音频信号的输出来源于多谐振器振荡。压电蜂鸣片由铌酸铅镁压电陶瓷或锆钛酸铅制作而成由于阻抗匹配器的驱动从而产生声音。在陶瓷板的两侧镀有银电极。经过极化和时效处理后，将它们与黄铜或不锈钢板粘合在一起。由于一种高压极化后的压电陶瓷片附着在产生振动的金属片上从而成为压电蜂鸣器。当外加交流电压时，由于压电效应会产生机械变形、伸长和收缩，使金属板振动产生声音。电磁线圈，振膜和振荡器再加上外壳，磁铁，共鸣箱，这几个部件就组成了电磁蜂鸣器。因为发电机内部产生的声波电流经过电磁线圈，电磁线圈产生磁场，这是因为对该设备进行了通电操作。抖动膜片可以执行周期性振动，这是因为电磁线圈和磁铁的互相作用产生的。无源电磁振动器经过缠绕在载体周围的导线在支架轴上产生交变磁通量来进行工作的。使得钼板以交变信号的给定频率震动并与谐振腔相互作用以产生声响，这是因为将磁环的恒定磁通量和交变磁通量进行了彼此的叠加。物品的频率和声压的完整响应曲线，以及磁环间隙的大小，钼片的固有频率（可以近似折射到一小片钼的厚度），外壳的频率（亥姆霍兹共振音腔）和磁环强力漆包线的大小有关系。 共鸣箱、压电蜂鸣片以及外壳，还有阻抗匹配器、多谐振荡器他们几个共同构成了压电式蜂鸣器。音频信号必须由多谐振荡器完成，所以多谐振荡器是最主要的在他们的里面。当给蜂鸣器接上电源后（1.5～15VDC），多谐振荡器就可以开始工作，起振后就会输出一个音频信号，然后再将这个音频信号发送给压电蜂鸣片，然后就可以发出声音来。多谐振荡器发出的音频信号频率大约在1.5～2.5KHz范围内。图3.6报警电路3.6液晶显示设计LCD1602液晶显示器是51单片机系统中最常用的显示器。是点阵型的液晶模块。它可以用来显示一些数字、字符、字母等简单的文字，但是它无法显示中文字符。因为中文字符比较复杂，而液晶显示器的构造主要是一些点阵，且大多是5*7或5*11的规格。液晶里的每个点阵都能够显示一个字符，但是每个字符之间又不是连续的，而是中间有一个点阵在间隔的。并且每个点阵的上下左右都会有点阵间隔，这样子就不会每个字符都连在一起分辨不出显示的是什么东西，这种功能也就类似于word文档文字编辑的时候的字间距和行间距一样，可以很明朗地阅读显示的字符。但是这种功能也有一些缺点，比如显示图像的时候效果就不太好，有点像马赛克一样。1602只能显示两行的字符，并且每行只能显示16个字符。 对于HD44780的芯片，现在的大部分液晶都是用它来制造的，它们的显示原理完全一样。因此，编写显示控制程序原则上可以应用于不同的LCD。并且它们的显示原理也是一模一样的。所以写一个显示控制程序可以基本适用于各种液晶，不需要每换一种液晶显示器就要重新写一次程序，兼容性非常地好。这款液晶模块内部的存储模块存储了大量的字符图形，用来直接给程序调用显示使用，这些字符的数量大约有160个。这160个字符中包含了基本的符号（52个大小写的英文字母，10个阿拉伯数字，还有标点符号以及日文假名等等）。并且每个字符的标志符都是固定的，所以当我们需要显示一个字符的时候，只需要调用对应字符的标志符就可以显示出我们需要的字符。当我们在编写程序的时候我们还可以通过赋值的形式来操作。比如定义一个字符型常量Y，然后就可以将液晶存储里的一个字符直接赋值给Y，比如将‘A’赋值给Y，可以直接这样写：Y＝‘A’，程序编译的时候可以直接识别出这个是字符‘A’，这样可以使用自定义的常量来操作，非常方便。图3.7液晶电路3.7GSM电路设计美国出名通信公司Sprint的子公司使用GSM作为宽带个人通信服务技术。这种个体通讯服务很快将最后为移动电话建立400多个基站，这些基站当前由爱立信，摩托罗拉和诺基亚大批生产。我们所用的对讲机、短信呼叫机，移动电话都属于手持机。无线通信技术的发展，主要还是得益于GSM和其它的技术，涵盖无线移动通信的非常之多，诸如具有基于GSM网络的加强数据传输的移动通讯技术，和通用移动服务，高速电路交换数据，普通无线分组系统。向家人和朋友发送短信的是该系统中使用的GSM模块。提示使用者酒驾问题，GSM模块是手机里的一个核心模块，可以通过它来发送短信、打电话、上网等等。这个模块再加上电池、显示屏和键盘，就是一部手机了，手机的所有功能都是基于这个模块来实现的。我们在一个开发平台对GSM模块的开发过程中可以用RS232串口将其与我们的开发平台进行通信。通信的命令有一个标准化的命令（AT命令），可以在开发平台中通过串口线发送相应的指令去控制它，实现手机的各种功能，比如发短信、打电话、上网。开发基于GSM模块的产品必须要有一个良好的开发平台来开发相应的产品，这个开发平台必须很好地兼容这个模块，因此，市场基础上基于ARM平台并利用集成系统来开发GSM模块的多样无线通信功能。目前GSM模块仍然可以在各个行业看到它的身影，在工业领域仍然具有不可替代性。比如GSM模块在车载导航中的使用；又比如在商场、家庭中的火灾报警系统等等。它还可以分为短信、GPRS、3G、EDGE模块。这些模块的种类主要是根据数据传输速率来进行分类。其实这些模块的一代代的更替我们也全都看在眼里，从手机最开始只能发送短信，到开始可以无线上网，再到无线上网网速的飞速提升。从我们不断更换手机中就可以看出这些模块的更替。我们从2G网络过渡到3G网络，再进入现在的4G网络时代。GSM模块最早是由国外的一些技术公司开发出来的，其中最著名的公司是西门子。随着国内技术的发展，国内也逐渐出现了各种通信模块，能够替代GSM模块，且性价比更高。比如华为，作为一个通信企业，它的通信模块在国内是最为成熟的，所以它们所开发出来的通信模块已经逐渐替代了GSM模块，在国内已经占据了主流地位。本系统采用的型号是SIM800L模块，IM800L是一款四频GSM/GPRS模块，LGA封装。其性能稳定，外观小巧，性价比高，能满足客户的多种需求。要能够实现低功耗的完成语音、SMS和数据讯息的传输，我们的SIM800L工作频率必须是GSM/GPRS900/1800MHz。可用于各种紧凑的产品设计需求，我们的SIM800L的尺寸应为15.8*17.8*2.4mm，其引脚的TX和RX分别和单片机RX和TX相连接进行数据交换。电路图如下所示。图3.8GSM模块电路3.8按键电路设计 使用三个按键设定报警值的酒精检测系即是本项目设计。键盘是许多微控制器系统的组成部分。键盘的接法也非常之多，如果接四个键盘，那么建议最好采用独立式的接法来连接键盘跟单片机IO口。也就是一个IO口只接一个按键。虽然这样占用了四个IO口，但是程序编写起来会非常的简单。假如连接成扫描式，虽然占用的IO口数量会比独立式的少，但是这样连接的话编写程序的时候将会复杂地多。所以大多时候我们都推荐采用独立式连接按键。单片机判断按键是否按下的方法很简单，因为按键一端是连接IO口，另一端是直接接地的。当单片机IO口将直接与地接连的时候，说明我们已经按下了按键，当单片机IO口是处于高电平状态时，说明我们没有按下了按键，跳变为低电平。所以我们只要通过查询这个IO口的电平状态即可知道按键是否按下，从而判断是否需要做相应的动作。我们按下按键的时候，不可避免的会产生一个抖动的情况，这是硬件上无法避免的，所以我们要通过其他方法来去除掉抖动所带来的影响。虽然抖动一般持续的时间非常短，一般只在10～200ms范围，但是这点时间对于单片机系统来说却是不可忽略的。所以我们应该去除掉这个抖动从而保证单片机系统的稳定性不受其影响。虽然抖动的方式有硬件和软件方式，但是硬件方式会给成本带来急剧的增加，所以我们一般都使用软件方式去抖动。软件去抖动的原理非常简单，避开抖动的那段时间，等这段时间过了之后我们再去给按键按下做相应的处理。也就是在检测到按键有按下时，先启动一个延时程序，等延时结束后再判断这个IO口是否为低电平。如果是，那么系统就可以对按键按下做相应的动作。按键电路如下所示。图3.9按键电路3.9继电器电路设计 本课题利用继电器切断发动机电源。继电器是很多自动控制装置中非常核心的一个零部件。它的构成部分由电磁铁控制的，就像开关一样他就是继电器。许多地方得低压，低电流控制电路，难以控制高压，高电流工作电路，继电器得到了非常广泛的使用，比如在升降机、大卡车、微波炉。工厂工业等很多地方都使用了继电器。 触点簧片、线圈、铁芯、衔铁这几个部件组合在一起就构成了我们的继电器。下图所示的就是继电器的原理图。当电流经过线圈时，发生电磁效应，此时，由于线圈中的有了磁效应，在继电器中的衔铁被吸引到常开触点。当线圈中无电流通过时，线圈也就会随之失去磁性从而衔铁将被弹簧拉回原来的位置。继电器就是靠线圈的磁性来实现开关的闭合与断开。继电器原理图如下所示。图3.10继电器原理图

第4章系统的软件设计4.1keil4编程软件不管是来自不同公司的各种类型MCS51架构的芯片，都是可以被KeilUvision所支持的，这是一款拥有编辑，修改和建模功能的高性能单芯片应用开发软件。它的界面十分简洁，容易操作。Keiluvision4于2009年2月发布，具有功能强大的窗口约束系统。，能够灵便地调置，控制和管理窗口。研发的人员可以利用监视器来对窗口进行利用和监察。他可以让我们可视化地完全控制窗口表面上的任何位置。Keiluvision4所使用的新的用户界面可以有效的进行窗口安排和组织，能够能有效的利用屏幕的空间，给用户提供了一个有序整洁，简单方便的环境进行应用程序的开发，它支持更多版本的ARM芯片，它的编译器、调试器可以与更多更新的ARM器件进行匹配，实现更多新的功能。KeiluVision4最重要的目的是实现高效率、功能准的程序开发，让开发人员的生产能力，工作效率等到提升，它加入了窗口管理系统能够使灵活高效的使用窗口的各个位置同时也支持多窗口显示。Keiluvision4在keiluvision3的基础上有了更多新的功能例如：可以调试还原视图创建并且保存多个调试窗口的布局、在系统浏览窗口的显示设备外围设置寄存器、可以简化多项目工作区可以进行众多的项目与ARM进行共同工作。4.2主程序设计系统上电后，单片机内容软件代码首先执行的的任务是对整个系统进行初始化。初始化对象为液晶和传感器以及一些代码变量的赋值，然后单片机驱动酒精传感器采集信号，通过AD转换后，送到液晶显示电路中，如果测得的液晶浓度高于设定值，此时系统就会报警。通过按键可以对系统功能进行设定，在进入功能设定函数后，通过按键调整报警值，然后保存设定值。系统设计用的是C语言软件程序对单片机进行操作控制，也就是说通过一个系统的软件KeiluVision对我编写的程序进程的调试过程，观察一下是否有不正常或者是错误的现象，首先，我们要把程序烧录进去，同时我们在编写程序的时候也会出现很多的系统本自带的问题，有可能在软件的设计过程中的延时有的过长，有的过短的过程，比如说按键的消抖过程中，如果时间比较短暂的情况下，就会很容易导致数值连续等，下面展示了在此经过中连续改变系统的主程序的框图，如下图所示。YYNYN进入设定功能按键调整函数设置完成开始初始化酒精传感器数据采集AD转换酒精浓度显示延时、报警函数图4.1主程序流程图

第5章系统调试 本课题设计的单片机酒精浓度检测系统的主要组成部分是单片机。液晶，报警电路，传感器电路及其对应的软件部分，但重点是单片机和液晶，因为其他电路都有较为成熟的模块，硬件焊接和软件编程并不难，因此调试也主要调试单片机和液晶显示部分。我们利用的MQ-3传感器，用于确定单片机中酒精浓度的系统。MQ-3传感器主要是对酒精类气体敏感，对于外界的其他类型的气体却又不敏感，所以对于这样针对性设计，它是具有很强的抗干扰能力。不仅如此，我们设计的这个传感器的寿命是很长的，并且非常地可靠；我们也不需要设计很复杂的电路去驱动它。LCD1602液晶显示是51单片机系统最常用的一种显示器，是点阵型的液晶模块。它可以用来显示一些数字、字符、字母等简单的文字，但是它无法显示中文字符。目前所生产出来的液晶绝大多数都是用HD44780芯片来制作的，并且它们的显示原理也是一模一样的。所以写一个显示控制程序可以基本适用于各种液晶，不需要每换一种液晶显示器就要重新写一次程序，兼容性非常地好。5.1单片机焊接调试 单片机的调试主要针对软件编写和电路焊接方面，因为单片机的硬件电路较为简单，主要是由复位电路，晶振电路组成。焊接过程中，注意不可直接将单片机的引脚焊接在电路板上，需要先焊接底座，然后再将单片机芯片插入底座中。这么做主要是因为用电烙铁焊接引脚的时候，电烙铁的高温可能会使单片机芯片烧坏，另一个原因是方便系统后期更换单片机，更换单片机的时候直接将单片机从底座上拔出，就可更换，如果直接将单片机的引脚焊接在电路板上，后期将无法为系统更换单片机。