基于AVR單片機的便攜式醉酒駕駛儀器設計——包含原理圖和完整代碼.doc

基于AVR單片機的酒精傳感器的設計包含原理圖和完整代碼摘要該設計作品基于ATmega16單片機，利用酒精傳感器，實現(xiàn)空氣周圍環(huán)境中的酒精濃度實時測量，通過LED數(shù)碼管實時顯示，一旦超過閾值即蜂鳴器報警，可用于車載監(jiān)控及倉庫等有防火要求的地方。關鍵字ATmega16單片機 酒精傳感器 自動報警AbstractThe design works based on single-chip microcomputer, using alcohol ATmega16 sensor, realize the alcohol concentration of air environment through real-time measuring, LED digital display, once more real-time tube threshold, which can be used for car buzzer alarm monitor and warehouse fire.目錄1 項目要求 42.項目的硬件原理和內(nèi)容 42.1 硬件設計思想和原理圖42.2 如何使用硬件單元42.3 硬件電路圖63.軟件設計思想和內(nèi)容 83.1端口初始化 83.2數(shù)據(jù)采集及處理流程83.3 LED顯示93.4蜂鳴器報警104.測試過程處理114.1硬件調(diào)試114.2仿真調(diào)試114.3綜合調(diào)試124.4測試過程問題分析134.5測試結(jié)論145. 系統(tǒng)設計所需資源 146. 項目分工 147. 系統(tǒng)設計總結(jié) 147.1團隊總結(jié)147.2個人心得15參考文獻 18附錄A 酒精傳感器參數(shù) 18附錄B 系統(tǒng)總程序代碼 20附錄C 實物圖 23一、 項目要求：便攜式酒后駕車測試儀 酒后駕車易出事故，但判定駕駛員是否喝酒過量帶有較大的主觀因素。請你利用學過的知識，設計一臺便攜式、交通警使用的酒后駕車測試儀?？傮w思路是: 讓被懷疑酒后駕車的駕駛員對準探頭(內(nèi)部裝有多種傳感器)呼三口氣，用一排發(fā)光二極管指示呼氣量的大小(呼氣量越大，點亮的LED越多)。當呼氣量達到允許值之后，“呼氣氣確認”LED亮，精酒蒸氣含量數(shù)碼管指示出三次呼氣的酒精蒸氣含量的平均百分比。如果呼氣量不夠，則提示重新呼氣，當酒精含量超標時，LED閃亮，蜂鳴器發(fā)出“嘀嘀”聲。二、 項目的硬件設計原理與內(nèi)容1、 硬件設計思想和原理圖：采用MQ303將酒精信號轉(zhuǎn)換成敏感體電阻的變化，外接電源和負載電阻，把電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，利用Mega16單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能采樣電壓變化，轉(zhuǎn)換成酒精濃度用七段數(shù)碼管顯示出來，當達到預定報警濃度時，蜂鳴器報警，并接通開關時，Led燈不再顯示。硬件設計時，考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉(zhuǎn)換為電量，傳感器輸出的是0-5伏的電壓值且電壓值穩(wěn)定，外部干擾小等。因此，可以直接把傳感器輸出電壓值送入單片機進行處理。此外，還需接入LED數(shù)碼管顯示，聲光報警電路等。其總體框圖右圖所示：2、 如何使用硬件單元：將MQ303預留引腳接電源，預熱3秒以上。接通單片機電源，七段數(shù)碼管閃爍顯示周圍酒精濃度。一旦酒精濃度超過閾值，蜂鳴器報警。與門和非門以及開關組成打火系統(tǒng)，蜂鳴器信號和開關決定是否導通。開關模擬打火系統(tǒng)電源開關，接通開關時，Led燈亮表示打火成功，反之則表示打火系統(tǒng)被強行制止。單片機選擇：ATmega16單片機是一款功能十分強大，集成度非常高的數(shù)字處理系統(tǒng)。它集成了ADC與DAC的模塊，因而此作品設計中可以直接將MQ3型酒精氣敏傳感器的探測信號輸入單片機中，然后在單片機內(nèi)進行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理。其引腳圖如下圖:下圖1為選擇4位一體共陽極數(shù)碼管，型號為SR410561k。該數(shù)碼管具有工作穩(wěn)定，亮度高，反應靈敏，質(zhì)量可靠等特點。圖表 1圖二為蜂鳴器報警部分:圖表 2圖三為傳感器回路圖:圖表 33、 硬件原理圖:PCB圖：三、 軟件設計思想和內(nèi)容軟件方案主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、聲光報警等子程序。儀器開機后經(jīng)初預熱階段后測量結(jié)果。測量時數(shù)據(jù)采集程序把數(shù)據(jù)送入到AVRmega16單片機中的A/D轉(zhuǎn)換器，進行A/D轉(zhuǎn)換。由數(shù)據(jù)處理程序完成數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換和數(shù)制間轉(zhuǎn)換。當測量數(shù)據(jù)超過閾值時報警子程序啟動，發(fā)出聲光報警。軟件主程序流程圖如右圖所示：1、端口初始化1、 PORTA用于傳感器信號輸入和蜂鳴器輸出； PORTB用于控制LED顯示； PORTC用于LED位選。2傳感器采集部分：采用ADC差分輸入，因為傳感器輸出電壓可以達到0-5v，單片機可以直接處理，故使用1倍增益。3 ADC轉(zhuǎn)換部分：使用7.3728M晶振，32分頻，T0比較匹配中斷，定時2ms，轉(zhuǎn)換結(jié)果右對齊。4 七段數(shù)碼管顯示部分 動態(tài)掃描顯示，間隔2ms。 2、數(shù)據(jù)采集及處理子程序流程：圖表 4數(shù)據(jù)采集及處理函數(shù)關系圖如下：圖表 54、 LED顯示子程序：本作品顯示為LED顯示。顯示子程序分為預熱階段顯示程序，測量結(jié)果顯示程序。流程如圖6：圖表 65、蜂鳴器報警子程序：傳感器輸入值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，調(diào)用比較程序，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示的測量值與程序中設定的報警閾值比較，小于等于閾值則繼續(xù)執(zhí)行顯示程序，大于閾值則將單片機PA5端口輸出高電平進行報警。 蜂鳴器報警大于閾值 圖表 7四、 測試過程處理調(diào)試分析包括硬件調(diào)試分析和軟件調(diào)試分析及軟、硬件聯(lián)調(diào)。由于硬件調(diào)試分析和軟件調(diào)試分析是獨立進行的，所以可以先調(diào)硬件再調(diào)軟件。在調(diào)試中找出錯誤、缺陷，判斷各種故障，并做出軟硬件的修改，直至設計作品能夠正確體現(xiàn)其功能。1、硬件調(diào)試硬件調(diào)試包括傳感器電路、顯示電路、單片機外圍電路、報警電路等。下面主要介紹傳感器電路、報警電路的調(diào)試。首先把MQ303A酒精傳感器，接1.5v左右電壓上由于電壓預熱3秒以上，酒精傳感器里已經(jīng)集成了放大電路，而用萬用表測量可證實傳感器輸入電路中輸出是一穩(wěn)定的0-5V的電壓信號，符合單片機的輸入條件，因此此信號可以直接接人單片機進行A/D轉(zhuǎn)換而不需要放大、濾波等。其次對于聲光報警電路的調(diào)試分為蜂鳴器和LED的調(diào)試。經(jīng)試驗可知蜂鳴器在高電平時正常工作，LED為共陽極。2、仿真調(diào)試軟件調(diào)試為利用ICCAVR，CVAVR，AVR Studio軟件進行模塊化調(diào)試。調(diào)試過程中觀察各個變量的變化，查找所寫程序的錯誤，并改正。ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換結(jié)束后(ADIF 為高)，轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入ADC 結(jié)果寄存器(ADCL, ADCH)。單次轉(zhuǎn)換的結(jié)果如下：1024是2的10次方，因為轉(zhuǎn)換結(jié)果是10位的仿真電路圖：報警時：不報警時:3、綜合調(diào)試利用AVR Studio軟件和硬件電路板進行軟硬件聯(lián)合仿真，首先將軟件程序下載到AVR Studio中，然后運行一下，確認無誤后，再把程序?qū)懭胗布小φ{(diào)試過程中出現(xiàn)的錯誤要仔細分析，然后不斷修正，直至達到理想效果為止。在軟硬件聯(lián)調(diào)時，根據(jù)在程序中設定的閾值，用酒精漸漸接近傳感器來模仿酒精濃度的增大，顯示結(jié)果良好，報警結(jié)果十分精確，在到達閾值時能夠準確發(fā)出報警聲。4、測試過程問題分析：1、 PCB板多處電路不通，只能在開發(fā)板上調(diào)試2、 MQ-3傳感器的輸入和輸出非線性，因此計算它的濃度和輸出電壓的值的關系非常困難，我們只能測出數(shù)據(jù)，然后折合為幾條曲線，通過編程控制輸出，由于硬件參數(shù)存在的誤差，開始我們的輸出數(shù)據(jù)不理想，通過多次調(diào)試，逐漸把它的輸入和輸出值接近真實值。3、 該開發(fā)只能在100-1000這個值內(nèi)進行工作，由于受加熱溫度的影響，加熱時間對輸出有比較大影響，所以超出這個范圍，我們都強制它等于0，這個范圍已經(jīng)可以夠我們進行酒后駕車的測試了，避免了超出輸出范圍，很難進行數(shù)據(jù)的處理這個方面的設計。4、 酒精傳感器的電阻值隨時間，溫度和酒精濃度變化較大，這是我們不能進行定量計算的難點。5、 用酒靠近傳感器進行測量，有相應的數(shù)據(jù)輸出，但撤去酒精的時候，數(shù)值只能緩慢地下降至低值，可能是因為酒精殘留的緣故。所以酒精傳感器不能進行快速的多次測量。這是我們設計的問題。5 測試結(jié)論:1、在距離一定距離內(nèi)對著傳感器吹濃度56%的白酒，成功報警。2、指標參數(shù)的分析MQ303說明書上說在0.9-1.0v下預熱時間大于48小時，在2.20.2V下預熱510秒鐘，實測不需這么長的時間，也不需2v以上的電壓，5號干電池提供1.5v左右電壓預熱3秒以上即可。五、 系統(tǒng)設計所需資源：MQ303A酒精傳感器1個，AVR單片機芯片，ATmega16單片機實驗板1個，印刷電路板一塊，七段數(shù)碼管4個，Led燈一個，15mh電感一個，104電容一個，蜂鳴器一個，10k歐電阻兩個，360歐電阻8個，插線若干，與門和非門各一個等等。參考資料：【1】 康華光 電子技術(shù)基礎 高等教育出版社，2006 第五版【2】馬潮avr單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實踐清華出版社 2005 第一版附錄A、1、酒精傳感器參數(shù)：符號參數(shù)技術(shù)條件備注V H加熱電壓0.9V 0.1VAC or DCV C回路電壓 6 VDCR L負載電阻可調(diào)P S 10 mWR H加熱電阻4.5W 0.5 W室溫IH加熱電流12020mAPH加熱功率 140 mWPS元件功率10 mWB.環(huán)境條件符號參數(shù)技術(shù)條件備注Tao使用溫度-20 o C +50 o C推薦使用范圍20ppm-1000ppm乙醇Tas儲存溫度-20 o C +70 o CRH相對濕度 95% RH(O2)氧氣濃度21%1%(標準條件)不得小于 16%氧氣濃度會影響靈敏度C. 靈敏度特性型號MQ303A 符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Rs元件電阻(4kW to 400 kW)在 潔凈空氣中a電阻比(0.50 0.15)Rs (300 ppm酒精) / Rs (100 ppm酒精)標準測試條件： 溫度: 20 o C 2 o C V C : 3.0 V 0.1 V DC 濕度: 65% 5% V H : 0.9 V 0. 1 V DC R L : 可調(diào)預熱時間：大于48小時3、酒精含量的判斷標準：呼氣測試最簡便。而血液中的酒精濃度與肺部呼出的氣體酒精濃度有一定的比例：大約2200毫升呼氣中酒精含量相當于1毫升血液中酒精含量，測出后者就可知道前者。大量的統(tǒng)計研究結(jié)果表明，如果被測者深吸氣后以中等力度呼氣達三秒鐘以上，這時呼出的氣就是從肺部深處出來的氣體。呼氣中的酒精含量與血液中的酒精含量有如下關系： BAC(in mg/L) = BrAC(in mg/L) x 2200 上式中，BAC是血液酒精濃度的英文縮寫，BrAC則是呼氣酒精濃度的縮寫，括號中的in mg/L表示以每升中多少毫克為單位。也就是說，以毫克/升為單位的血液酒精濃度在數(shù)值上相當于以毫克/升為單位的呼氣酒精濃度乘上系數(shù)2200（由于各國的情況不同，在美國此系數(shù)采用2000，而歐洲很多國家采用2100）?；诖?，目前全世界絕大多數(shù)國家都采用呼氣酒精測試儀對駕駛?cè)藛T進行現(xiàn)場檢測，以確定被測量者體內(nèi)酒精含量的多少。關于吹管 酒精測試儀用的吹管是一個容易被忽視的問題。GA307-2001標準對吹管也作了規(guī)定。吹管雖小，但對保證檢測精度非常重要。被測者口含吹管呼氣，進入吹管的氣體幾乎全部是被測者呼出的氣體。如果從一個喇叭口送入氣體，被測者不接觸喇叭口而對喇叭口吹氣，根據(jù)流體力學的原理，氣體流動時壓力減小，這就把周圍的空氣一起帶進儀器內(nèi)（噴霧器就是根據(jù)這個原理制成的），相當于把呼氣中的酒精濃度稀釋了，檢測到的酒精濃度就會比被測者實際的呼氣酒精濃度低，這顯然是不能容許的。另一個必須注意的是吹管一定要是單向性的，在吹氣的時候才能進行檢測，吸氣時不能進行檢測，因為吸氣時吹管中的氣體不來自人體，檢測的結(jié)果自然不能反映人體內(nèi)的酒精含量。在選擇警用酒精測試儀時必須注意這個問題。飲酒駕車和醉酒駕車，是按血液中不同酒精濃度區(qū)分。依標準，血液酒精濃度在0.20.8mg/ml(不含0.8)之間，屬于酒后駕車，處暫扣一個月以上三個月以下駕駛證，并處200元以上500元以下罰款。血液酒精濃度在0.8mg/ml(含)以上時，屬醉酒駕車。按照道路交通安全法，處十五日以下拘留和暫扣三個月以上六個月以下駕駛證，并處500元以上2000元以下罰款。附錄B、系統(tǒng)總程序代碼：/酒精傳感器C代碼，ICCAVR編譯環(huán)境/ICC-AVR application builder : 2010-4-16/ Target : M16/ Crystal: 7.3728Mhz#include #include flash unsigned char led710=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90;/數(shù)碼管字型09flash unsigned char position4=0x01,0x02,0x04,0x08;/用于選通四個數(shù)碼管顯示用unsigned char dis_buff4=0,0,0,0,posit;/對應個位，十位，百位，千位的相應的數(shù)值int time_2ms_ok;/中斷相應用到的變量unsigned long int value;/AD轉(zhuǎn)換的寄存器ADCH存放的結(jié)果，轉(zhuǎn)換為10進制的值。 unsigned long int middle_1,middle_2,middle_3;unsigned long density;/轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果值，此值需要顯示出來void port_init(void)/端口初始化 PORTA = 0x00; DDRA = 0xF0; PORTB = 0x00; DDRB = 0xFF; PORTC = 0x00; DDRC = 0xFF; PORTD = 0x00; DDRD = 0xFF;void adc_init(void)/dac初始化 ADCSR = 0x00; /disable adc ADMUX = 0x61; /select adc avcc 外部電源參考，數(shù)據(jù)左對齊； ACSR = 0x80; SFIOR&=0x1F; SFIOR|=0x60; ADCSR = 0xAD; void density_dis_buff()/此函數(shù)用于將density的個位，十位，百位，千位分開存放進數(shù)組dis_buffiunsigned char i; for(i=0;i=3;i+) dis_buffi=density%10;density/=10; #pragma interrupt_handler adc_isr:iv_ADC void adc_isr(void)/ADC轉(zhuǎn)換 float a,b; value=ADCH; a=(float)value; b=a/256; if (b0.1) density=(-0.12)*b+0.561)*2000; else if (b0.15) density=(-0.16)*b+0.461)*2000; else if (b0.2) density=(-0.28)*b+0.321)*2000;/分段直線計算，計算值在2001000ml/L內(nèi)誤差相對減少（已經(jīng)轉(zhuǎn)換為血液中的值），已經(jīng)能實現(xiàn)檢測酒后駕駛和醉酒駕駛。 else if (b0.25) density=(-0.3)*b+0.2)*2000; else if (b0.3) density=(-0.3)*b+0.18)*2000; else if (b0.35) density=(-0.3)*b+0.15)*2000; else if (b1.8)density=(-0.3)*b+0.15)*2000;else density=(-0.3)*b+0.2)*2000; /density=