基于單片機(jī)酒精濃度測(cè)試儀設(shè)計(jì)

1、 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 論文（設(shè)計(jì)）題目：論文（設(shè)計(jì)）題目：基于單片機(jī)酒精濃度 測(cè)試儀設(shè)計(jì) 學(xué)學(xué) 院：院：職業(yè)技術(shù)學(xué)院職業(yè)技術(shù)學(xué)院 專專 業(yè)：業(yè)：電子信息工程電子信息工程 班班 級(jí)：級(jí)：電信電信 061 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)：062002110169 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名：熊福輝熊福輝 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師：張張 均均 2010 年 3 月 15 日 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 誠信責(zé)任書誠信責(zé)任書 本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)），是在導(dǎo)師的 指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所完成。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中凡引用他人已經(jīng) 發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確

2、注明出處。 特此聲明。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日 期： 目 錄 摘要.iv abstrct.v 前言.1 第一章 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí).2 2.1 傳感器的定義.2 2.2 傳感器的分類.2 2.2.1 按輸入量分類.2 2.2.2 按測(cè)量原理分類.2 2.2.3 按結(jié)構(gòu)型和物理型分類.2 2.3 傳感器的基本組成.2 2.4 傳感器的選擇.3 2.5 傳感器的發(fā)展方向.3 2.5.1 傳感器的固態(tài)化.3 2.5.2 傳感器的集成化和多功能化.4 2.5.3 傳感器的圖象化.4 2.5.4 傳感器的智能化.4 第二章 酒精濃度測(cè)試儀總體方案設(shè)計(jì).5 2.1 酒精濃度測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)功能.5 2.2 測(cè)

3、試原理與電路原理方框圖.5 2.2.1 酒精濃度測(cè)試原理.5 2.2.2 原理方框圖.6 第三章 酒精濃度測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì).7 3.1 主控制電路的硬件設(shè)計(jì).7 3.1.1 at89s52 簡介.7 3.1.2 酒精傳感器信號(hào)采樣及處理電路.12 3.1.3 閾值保存及溫度測(cè)試.16 3.1.4 矩陣鍵盤和 lcd1602 顯示電路.16 3.2 語音播報(bào)及報(bào)警電路的硬件設(shè)計(jì).19 3.2.1 apr9600 簡介.19 3.2.2 語音播報(bào)電路.23 3.2.3 音頻放大電路.24 3.3 電源供電電路的硬件設(shè)計(jì).25 3.3.1 電池或交直流電供電電路.25 3.3.2 電源自動(dòng)關(guān)閉開關(guān)電

4、路.26 3.3.3 電源欠壓報(bào)警電路.27 第四章 酒精濃度測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì).28 4.1 軟件系統(tǒng)各子程序.28 4.1.1 液晶顯示程序設(shè)計(jì).28 4.1.2 a/d 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì).28 4.1.3 報(bào)警程序設(shè)計(jì).29 4.1.4 語音播報(bào)程序設(shè)計(jì).30 4.1.5 矩陣鍵盤識(shí)別程序設(shè)計(jì).30 4.2 系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì).32 第五章 測(cè)試儀的 pcb 板設(shè)計(jì)制作.33 5.1 電路圖的繪制.33 5.2 手工 pcb 板的制作.33 5.2.1 打印.33 5.2.2 轉(zhuǎn)印.34 5.2.3 蝕刻.34 5.2.4 鉆孔.34 第六章 測(cè)試儀的元件安裝與系統(tǒng)調(diào)試.36 6.1 元件的識(shí)辯與

5、測(cè)試.36 6.2 元器件安裝的基本要求與原則.36 6.2.1 元器件的安裝要求.36 6.2.2 元器件的安裝原則.37 6.3 元器件的焊接.37 6.3.1 對(duì)焊點(diǎn)的基本要求.37 6.3.2 焊接前的準(zhǔn)備.37 6.3.3 焊接操作.38 6.4 系統(tǒng)調(diào)試與分析.38 6.4.1 硬件調(diào)試.39 6.4.2 軟件調(diào)試.39 6.4.3 軟、硬件聯(lián)調(diào).39 6.4.4 調(diào)試故障及原因分析.39 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想.40 參考文獻(xiàn).41 致謝.42 附錄.43 附錄一 測(cè)試儀部分程序清單.43 附錄二 酒精測(cè)試儀總原理圖.58 附錄三 酒精測(cè)試儀的 pcb 圖.59 附錄四 元器件安裝圖.

6、61 基于單片機(jī)酒精濃度測(cè)試儀設(shè)計(jì) 摘要 酒精濃度測(cè)試儀是基于單片機(jī)的可編程的儀器。本論文介紹了采用 mq-3 酒精 氣敏傳感器和單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)酒精濃度測(cè)試儀的設(shè)計(jì)。本測(cè)試儀通過人性化的語音 提示和播報(bào)功能，實(shí)現(xiàn)了該測(cè)試儀一定程度上的智能化。能通過 lcd 液晶實(shí)時(shí)顯示。 可用鍵盤設(shè)定閾值，并具有超閾值報(bào)警和建議提示功能。本論文大體上分為兩部分： 硬件設(shè)計(jì)部分和軟件設(shè)計(jì)部分。硬件部分利用 mq-3 氣敏傳感器測(cè)量呼氣或空氣中 的酒精濃度，并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)經(jīng) a/d 轉(zhuǎn)換后傳給單片機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)及外圍電 路進(jìn)行信號(hào)處理，顯示和濃度值的超閾值進(jìn)行聲光報(bào)警。軟件部分用 c 語言進(jìn)行編 程，程序采用

7、模塊化設(shè)計(jì)思想。該測(cè)試器儀在于簡潔的硬件結(jié)構(gòu)、高效的軟件設(shè)計(jì) 和較高的性價(jià)比，可用于測(cè)試駕駛員是否飲酒過度，具有一定的市場(chǎng)前景和實(shí)用價(jià) 值。 關(guān)鍵詞：酒精濃度測(cè)試, 單片機(jī), 氣敏傳感器, 語音 design of an alcoholicity tester based on mcu abstrct alcohol tester is programmable device based on mcu. this paper describes the use of mq-3 ethanol gas sensor and mcu system implementation alcohol te

8、ster design. a certain intelligence is realized，through speech play function by the tester。real-time display through lcd liquid crystal. and the keyboard can be used to set thresholds, and has value alarm and recommendations of the prompts. this paper is divided into roughly two parts: the hardware

9、design and software design part of the section. hardware compo- nents using gas sensor mq-3 measured breath alcohol concentration, or in the air, and converted into voltage signal by the a / d converted mcu systems passed by the mcu and peripheral circuits for signal processing, display and concentr

10、ation of the super sound and light alarm threshold value. software components using c programming language, procedures, modular design. in conclusion，the tester is charactered with compact hardware configuration，efficient software design and high performance price ratio，and it can be used to test wh

11、ether a driver drinked too morefor its practical value，optimistical market foreground can be expected key words：alcoholicity test，mcu，alcohol sensor ，speech 前言 近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民的生活水平迅速提高，越來越多的人 有了自己的私家車，而酒后駕車造成的交通事故也頻頻發(fā)生。資料顯示，我國近幾 年發(fā)生的重大交通事故中，有將近三分之一是由酒后駕車引起的1。酒后駕車引起 的交通事故是由于司機(jī)的過量飲酒造成人體內(nèi)酒精濃度過高，麻痹神經(jīng)

12、，造成大腦 反應(yīng)遲鈍，肢體不受控制等癥狀。少量飲酒并不會(huì)有上述癥狀，即人體內(nèi)酒精濃度 比較低時(shí)，而人體內(nèi)酒精超過某一個(gè)值時(shí)就會(huì)引起危險(xiǎn)。為此，需要設(shè)計(jì)一智能儀 器能夠測(cè)試駕駛員體內(nèi)酒精含量的多少，以確保駕駛員的生命財(cái)產(chǎn)安全。 酒精濃度測(cè)試儀,是指在規(guī)定的溫度、濕度和壓力條件下,對(duì)呼出的肺泡氣體中乙 醇含量進(jìn)行定量分析的儀器。隨著中華人民共和國道路交通安全法的頒布實(shí)施, 交管部門進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)酒后駕車的查處力度,gb19522 - 2004駕駛?cè)藛T血液、呼 氣酒精含量閾值與檢驗(yàn)對(duì)飲酒駕車和醉酒駕車作了定量的規(guī)定:血液中乙醇含量大 于 20mg/100ml 駕駛機(jī)動(dòng)車為酒后駕車,血液中乙醇含量大于

13、 80mg/100ml 時(shí)駕駛機(jī) 動(dòng)車為醉酒駕車2。從理論上說,判斷是否酒后駕車最準(zhǔn)確的方法是測(cè)試駕駛?cè)藛T血 液中的酒精含量。但在執(zhí)法過程中,要現(xiàn)場(chǎng)抽取駕駛?cè)藛T血液進(jìn)行測(cè)試并不現(xiàn)實(shí),而事 后測(cè)試無疑會(huì)與現(xiàn)場(chǎng)事實(shí)結(jié)果不符,故目前我國交管部門普遍使用酒精測(cè)試儀進(jìn)行執(zhí) 法取證,通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量駕駛?cè)藛T呼出氣體中的酒精含量來判定駕駛?cè)藛T是否為酒后駕 車18。此外，酒精濃度測(cè)試儀還能測(cè)試某一特定環(huán)境中的酒精濃度。如食品加工、 釀酒生產(chǎn)車間可避免發(fā)生起火、爆炸及工業(yè)場(chǎng)地酒精中毒等惡性事故，確保環(huán)境安 全。由此可見，酒精濃度測(cè)試器具有巨大的潛在用戶群，市場(chǎng)前景十分廣闊。 本設(shè)計(jì)課題研究的是一種以氣敏傳感器和單片

14、機(jī)為主，能測(cè)試人體或環(huán)境中的 酒精含量，并具有語音播報(bào)、聲光報(bào)警、欠壓提示及 lcd 顯示功能的酒精濃度測(cè)試 儀。其根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)定不同的閾值，對(duì)超過的閾值進(jìn)行聲光報(bào)警，來提示危害， 同時(shí)用語音給予相應(yīng)的建議；當(dāng)測(cè)試儀達(dá)到 4 分鐘不用時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)，與負(fù)載斷開， 以達(dá)到節(jié)能、延長電池壽命的目的。 第一章 傳感器的基礎(chǔ)知識(shí) 2.1 傳感器的定義3 國家標(biāo)準(zhǔn)傳感器通用術(shù)語中，對(duì)傳感器的定義作了這樣的規(guī)定：“傳感器 是指能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測(cè)量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或 裝置。”廣義上說，傳感器是指在測(cè)量裝置和控制系統(tǒng)輸入部分中起信號(hào)測(cè)量作用 的器件。狹義上把傳感器定義為能把外界非

15、電量信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件或裝 置。 2.2 傳感器的分類 傳感器的分類方法很多，比較常見的有下列幾種。 2.2.1 按輸入量分類 如輸入量分別為溫度，壓力，位移，速度，加速度，濕度等非電量時(shí)，則相應(yīng) 的傳感器稱為溫度傳感器，壓力傳感器，位移傳感器，速度傳感器，加速度傳感器， 濕度傳感器等。 2.2.2 按測(cè)量原理分類 現(xiàn)有傳感器的測(cè)量原理主要基于電磁原理和固體物理學(xué)理論。如根據(jù)變電阻的 原理，相應(yīng)的有電位器式，應(yīng)變式傳感器；根據(jù)變磁阻的原理，相應(yīng)的有電感式， 差動(dòng)式，電渦流式傳感器；根據(jù)半導(dǎo)體有關(guān)理論，則相應(yīng)的有半導(dǎo)體力敏，熱敏， 光敏，氣敏等固態(tài)傳感器。 2.2.3 按結(jié)構(gòu)型和物理型分

16、類 所謂結(jié)構(gòu)型傳感器，主要是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化，將外界被 測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻，電感，電容等物理量的變化，從而測(cè)試出被測(cè)信號(hào)，這 種傳感器目前應(yīng)用得最為普遍。物理型傳感器則是某些材料本身物理性質(zhì)的變化而 實(shí)現(xiàn)測(cè)量，它是以半導(dǎo)體，電介質(zhì)，鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。 2.3 傳感器的基本組成 傳感器一般由敏感元件，轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路三部分組成，有時(shí)還需要加輔助 電源，用方塊圖表示，如圖 1.1 所示。 圖 1.1 傳感器的基本組成 敏感元件：在完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換時(shí)，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手 段直接變換為電量，往往是將被測(cè)非電量預(yù)先變換為另一種易于轉(zhuǎn)換成電量的非電

17、量，然后再變化為電量。因此又稱為預(yù)變換器。 轉(zhuǎn)換元件：將感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為轉(zhuǎn)換元件，例如壓電 晶體，熱電偶等。需要指出的是，并非所有的傳感器都包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件， 如熱敏電阻，光電器件等。而另外一些傳感器，其敏感元件和轉(zhuǎn)換元件合二為一， 如固態(tài)壓阻式壓力傳感器等。 測(cè)量電路：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量變成便于顯示，記錄，控制和處理的有用信 號(hào)的電路稱為測(cè)量電路。測(cè)量電路的類型視轉(zhuǎn)換元件的分類而定，經(jīng)常采用的有電 橋電路及其他特殊電路，如高阻抗輸入電路，脈沖調(diào)寬電路，振蕩回路等。 2.4 傳感器的選擇 傳感器的選擇是根據(jù)傳感器的線性度、靈敏度、分辨率、溫度穩(wěn)定性等特性來 確定的

18、。 2.5 傳感器的發(fā)展方向 近年來，由于半導(dǎo)體技術(shù)已進(jìn)入了超大規(guī)模集成化階段，各種制造工藝和材料 性能的研究已達(dá)到相當(dāng)高的水平。這為傳感器的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的條件。從發(fā) 展前景來看。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。、 2.5.1 傳感器的固態(tài)化 物理型傳感器亦稱為固態(tài)傳感器，目前發(fā)展很快。它包括半導(dǎo)體，電介質(zhì)和強(qiáng) 磁性體三類。其中半導(dǎo)體傳感器的發(fā)展最引人注目。它不僅靈敏度高，響應(yīng)速度快， 小型輕量，而且便于實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化和多能化。如目前最先進(jìn)的固態(tài)傳感器， 在一塊芯片上可同時(shí)集成差壓，靜壓，溫度三個(gè)傳感器，使差壓傳感器具有溫度和 壓力補(bǔ)償功能。 2.5.2 傳感器的集成化和多功能化 隨著傳感器的應(yīng)

19、用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，借助半導(dǎo)體的蒸鍍技術(shù)，擴(kuò)散技術(shù)，光刻技 術(shù)，精密細(xì)微加工及組裝技術(shù)等，使傳感器從單個(gè)元件，單一功能向集成化，就是 將敏感元件，信息處理或轉(zhuǎn)換單元以及電源等部分利用半導(dǎo)體技術(shù)將其制作在同一 芯片，如集成壓力傳感器，集成溫度傳感器，集成磁敏傳感器等。多功能化則意味 著傳感器具有多種參數(shù)的測(cè)試功能，如半導(dǎo)體溫度濕敏傳感器，多功能氣體傳感器 等。 2.5.3 傳感器的圖象化 目前，傳感器的應(yīng)用不僅限于對(duì)某點(diǎn)物理量的測(cè)量，而開始研究從一維，二維 到三維空間的測(cè)量問題，現(xiàn)已研制成功的二維圖象傳感器，有 mos，ccd，cid 型 全固體式攝像器件等。 2.5.4 傳感器的智能化 智能傳感器

20、是一種帶有微型計(jì)算機(jī)兼有測(cè)試和信息處理功能的傳感器。它通常 將信號(hào)測(cè)試，驅(qū)動(dòng)回路和信號(hào)處理回路；等外圍電路全部集成在一塊基片上，使它 具有自診斷，遠(yuǎn)距離通信，自動(dòng)調(diào)整零點(diǎn)和量程等功能。使傳感器向智能化方向前 進(jìn)了一大步。 第二章 酒精濃度測(cè)試儀總體方案設(shè)計(jì) 本章重點(diǎn)論證酒精濃度測(cè)試儀總體方案設(shè)計(jì)。包括酒精濃度測(cè)試儀的基本功能、 測(cè)試原理和電路原理方框圖。 2.1 酒精濃度測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)功能 本論文重點(diǎn)闡述的是一種采用 mq-3 酒精氣敏傳感器和單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)酒精濃 度測(cè)試儀的設(shè)計(jì)。此測(cè)試儀能測(cè)試人體或環(huán)境中的酒精含量，并具有語音播報(bào)、聲 光報(bào)警、欠壓提示及 lcd 顯示功能的酒精濃度測(cè)試儀。其根據(jù)

21、不同的環(huán)境可用鍵盤 設(shè)定不同的閾值，對(duì)超過的閾值進(jìn)行聲光報(bào)警，來提示危害，同時(shí)用語音給予相應(yīng) 的建議；當(dāng)測(cè)試儀達(dá)到 4 分鐘不用時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)，與負(fù)載斷開，以達(dá)到節(jié)能、延長電 池壽命。 2.2 測(cè)試原理與電路原理方框圖 2.2.1 酒精濃度測(cè)試原理 判斷駕駛員是否飲酒過度，最直接的方法是測(cè)試其血液酒精含量(blood alcohol content，bac)，但由于測(cè)試 bac 時(shí)需對(duì)駕駛員采取血樣，操作復(fù)雜且耗時(shí)較長， 交警使用起來不太現(xiàn)實(shí)，更無法應(yīng)用于駕駛員的自測(cè)。因此，通常采用測(cè)量呼出氣 體酒精濃度(breath alcohol content，brac)的方法來代替 bac 的測(cè)量。人體喝

22、人酒 后，酒精被胃和小腸的毛細(xì)血管吸收，通過肺動(dòng)脈進(jìn)入肺，血液在肺泡中完成氣體 交換，含有酒精的氣體被呼出體外。呼出氣體中的酒精含量與血液酒精濃度存在著 一定的線性關(guān)系。一般認(rèn)為，血液酒精濃度(bac)與呼出氣體酒精濃度(brac)的比 例為 2100：14，即 bac brac 2100 由于 brac 會(huì)受到環(huán)境溫度、濕度以及被測(cè)試者個(gè)體差異等多方面影響，其測(cè) 試結(jié)果不如直接測(cè)試 bac 準(zhǔn)確，但是該結(jié)果仍可作為判斷飲酒程度的重要參考。我 國于 2004 年 5 月 1 日開始實(shí)施的中華人民共和國道路交通安全法對(duì)酒后駕車的 處罰做了修改，但仍沒有明確的飲酒駕車、醉酒駕車認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)。目前我國大

23、多數(shù)省 市把 0.02bac(即每 100 ml 血液中含有 20mg 酒精)規(guī)定為“飲酒”的下限，把 0.10bac 規(guī)定為“醉酒”的下限5。根據(jù)上面的換算關(guān)系，將 bac 換算成 brac， 則當(dāng)呼出氣體的酒精濃度超過 0.09 mgl，即可判定為“飲酒”；超過 0.48 mgl，即可判定為“醉酒”。這樣，利用酒精傳感器，可將呼出氣體中的 brac 值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，供單片機(jī)處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試者飲酒程度的測(cè)試。 2.2.2 原理方框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求和測(cè)試原理，確定測(cè)試儀的總體設(shè)計(jì)方案。其設(shè)計(jì)方案的硬件設(shè) 計(jì)框圖如圖 2.1 所示。硬件電路主要由控制部分電路、測(cè)試部分電路、語音播報(bào)電 路和電

24、源電路等組成。 圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 該測(cè)試儀為一種手持設(shè)備，可由干電池、直流電和帶變壓器的交流電供電，接 通電源后，首先語音提示“預(yù)熱中，請(qǐng)等待”，預(yù)熱 30s，按“確認(rèn)”鍵后，語音 提示“歡迎使用”，并進(jìn)入模式選擇等待狀態(tài)。此時(shí)若要測(cè)試濃度，按下“濃度檢 測(cè)”鍵，則語音提示被測(cè)試者對(duì)進(jìn)氣口吹氣。單片機(jī)對(duì)來自酒精傳感器的模擬電壓 信號(hào)作 ad 轉(zhuǎn)換，經(jīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后，和事先設(shè)定的警戒值進(jìn)行比較，最后在 lcd 上顯示測(cè)試結(jié)果數(shù)值，同時(shí)以語音播報(bào)測(cè)試結(jié)果數(shù)值，并提示酒精濃度是否超 標(biāo)。此外，警戒值可以通過按鍵重新設(shè)置，以滿足不同使用者或外部環(huán)境變化后的 使用需要，更具體的闡述，將在后續(xù)的

25、相應(yīng)內(nèi)容中展開。 第三章 酒精濃度測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì) 為使酒精濃度測(cè)試儀能夠具有更好的實(shí)用性，并且具有更高的性能，需對(duì)該測(cè) 試儀的硬件進(jìn)行完整的設(shè)計(jì)。 該測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法。按實(shí)現(xiàn)的功能來分，可分為以 下幾個(gè)單元部分。其中，at89s52 單片機(jī)是整個(gè)電路的核心，它控制其他模塊來完 成各種功能。 附錄二就是酒精濃度測(cè)試儀的總體電路圖。 在本章下面的幾個(gè)小節(jié)中，我們根據(jù)附錄二所示的硬件設(shè)計(jì)圖，對(duì)各個(gè)模塊的 主要的一些電路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和分析。 3.1 主控制電路的硬件設(shè)計(jì) 主控電路的硬件主要包括單片機(jī)及外圍的測(cè)試電路、鍵盤和 lcd 顯示電路等。 3.1.1 at89s52 簡

26、介678 1）at89s52 功能特性描述 at89s52 是一種低功耗、高性能 cmos 8 位微控制器，具有 8k 在系統(tǒng)可編程 flash 存儲(chǔ)器。使用 atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80c51 產(chǎn)品 指令和引腳完全兼容。片上 flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程 器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 cpu 和在系統(tǒng)可編程 flash，使得 at89s52 為眾 多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 at89s52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k 字節(jié) flash，256 字節(jié) ram，32 位 i/o 口線， 看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針

27、，三個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)， 全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，at89s52 可降至 0hz 靜態(tài)邏輯操作， 支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，cpu 停止工作，允許 ram、定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，ram 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。外形及引腳排列如圖 3.1 所示。 圖 3.1 at89s52 引腳排列圖 2）主要管腳說明 at89s52 的主要管腳說明如下： vcc：電源。 gnd：地。 p0 口：p0 口是一個(gè) 8 位漏極開路的雙向 i/o 口。作為輸出

28、口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) ttl 邏輯電平。對(duì) p0 端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p0 口也被作為低 8 位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，p0 具有內(nèi)部 上拉電阻。在 flash 編程時(shí)，p0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令 字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 p1 口：p1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū) 動(dòng) 4 個(gè) ttl 邏輯電平。對(duì) p1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以 作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸 出電流。此外，p1.0 和 p

29、1.2 分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（p1.0/t2）和 時(shí)器/計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex），具體如表 3.1 所示。在 flash 編程和校驗(yàn) 時(shí)，p1 口接收低 8 位地址字節(jié)。 p2 口:p2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) ttl 邏輯電平。對(duì) p2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作 為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出 電流。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),p2 口送出高八 位地址。在這種應(yīng)用中，p2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)

30、送 1。在使用 8 位地址（如 movx ri）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p2 口輸出 p2 鎖存器的內(nèi)容。 表 3.1 p1 口管腳第二功能 引腳號(hào)第二功能 p1.0t2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 t2 的外部計(jì)數(shù)輸入，時(shí)鐘輸出 p1.1t2ex（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 t2 的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） p1.5mosi（在系統(tǒng)編程用） p1.6miso（在系統(tǒng)編程用） p1.7sck（在系統(tǒng)編程用） p3 口：p3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū) 動(dòng) 4 個(gè) ttl 邏輯電平。對(duì) p3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以 作為輸入口使用。作為輸入使用

31、時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸 出電流。p3 口亦作為 at89s52 特殊功能（第二功能）使用，如表 3.2 所示。 表 3.2 p3 口管腳第二功能 引腳號(hào)第二功能 p3.0rxd (串行口輸入端) p3.1txd (串行口輸出端) p3.2 (外部中斷 0 請(qǐng)求輸入端，低電平有效)tnt0 p3.3 （外部中斷 1 請(qǐng)求輸入端，低電平有效）tnt1 p3.4t0（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 脈沖輸入端） p3.5t1（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 脈沖輸入端） p3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端，低電平有效）wr p3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效）rd rst：

32、復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，rst 腳持續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù) 位?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，rst 腳輸出 96 個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器 auxr(地址 8eh)上的 disrto 位可以使此功能無效。disrto 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高 電平有效。 ：地址鎖存控制信號(hào)（ale）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低 8progale / 位地址的輸出脈沖。在 flash 編程時(shí)，此引腳（）也用作編程輸入脈沖。在一prog 般情況下，ale 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或時(shí) 鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ale 脈沖將會(huì)跳過。如 果需要，通過將地址

33、為 8eh 的 sfr 的第 0 位置“1”，ale 操作將無效。這一位置 “1”，ale 僅在執(zhí)行 movx 或 movc 指令時(shí)有效。否則，ale 將被微弱拉高。 這個(gè) ale 使能標(biāo)志位（地址為 8eh 的 sfr 的第 0 位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部 執(zhí)行模式下無效。 ：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)psenpsen at89s52 從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，psen 而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將不被激活。psen ：訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從 0000h 到 ffffh 的外部程vppea/ 序存儲(chǔ)器讀取指令，必須接

34、 gnd。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，應(yīng)該接 vcc。在eaea flash 編程期間，也接收 12 伏 vpp 電壓。ea xtal1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 xtal2:振蕩器反相放大器的輸出端。 3）時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。 在引腳 xtal1 和 xtal2 外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了 內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成 了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如下圖 3.2 所示。圖 中，電容器 c1，c2 起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作

35、用，一般石英晶振 c1,c2=30pf10pf， 陶瓷諧振器 c1,c2=40pf10pf。晶振頻率的典型值為 12mhz，采用 6mhz 的情況 也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路中使用較多。 外部振蕩方式是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)。這種方式適宜用來使單 片機(jī)的時(shí)鐘與外部信號(hào)保持同步。外部振蕩方式的外部電路如下圖 3.3 所示。 圖 3.2 內(nèi)部振蕩電路連接圖 圖 3.3 外部振蕩電路連接圖 由上圖可見，xtal1 接地，外部振蕩信號(hào)由 xtal2 引入。為了提高輸入電路 的驅(qū)動(dòng)能力，通常將外部信號(hào)經(jīng)過一個(gè)帶有上拉電阻的 ttl 反相門后接入 xtal2。 4）復(fù)

36、位電路的設(shè)計(jì) 在 51 系列單片機(jī)中，在振蕩器運(yùn)行時(shí)，rst 引腳上保持到少兩個(gè)機(jī)器周期的高 電平輸入信號(hào)，復(fù)位過程即可完成。為響應(yīng)這一不定期程，cpu 發(fā)出內(nèi)部復(fù)位信號(hào)。 內(nèi)部復(fù)位操作是在發(fā)現(xiàn) rst 為高電平后的第二個(gè)周期進(jìn)行的，并且此后每個(gè)周期都 重復(fù)進(jìn)行復(fù)位操作，直到 rst 變成低電平為止。針對(duì)復(fù)位電路對(duì)時(shí)間的需要，我們 對(duì)上電復(fù)位電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般來講，vcc 電源的上升時(shí)間不超過 1ms，片內(nèi)振蕩 器啟動(dòng)時(shí)間在 10ms 之內(nèi)。在這種情況下，把 rst 引腳通 10uf 電容接到 vcc 并同 時(shí)經(jīng)過 10k 電阻和地相連，就可獲得上電自動(dòng)復(fù)位的結(jié)果。其具體的復(fù)位電路如圖 3.4

37、 所示。 圖 3.4 單片機(jī)復(fù)位電路 接通電源后，vcc 便對(duì)電容通過電阻進(jìn)行充電。rst 腳的電壓等于 vcc 與電容 兩端電壓之差。在充電過程中，隨著電容電壓逐步趨于 vcc，rst 引腳上之電壓最 終將接近于 0。此過渡過程之長短取決于電阻和電容值的大小。10uf 電容足可使 rst 腳上的電壓在振蕩器啟振后尚有兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間保持高于施密特觸發(fā) 器的低門檻電平，從而使整個(gè)復(fù)位過程得以完成。 3.1.2 酒精傳感器信號(hào)采樣及處理電路 考慮到酒精測(cè)試儀的精度要求不是很高，本系統(tǒng)采用 mq-3 型半導(dǎo)體酒精傳感 器，其價(jià)格低廉，可滿足呼出氣體酒精濃度的測(cè)量需要910。 1）mq-3 型

38、氣敏傳感器基本結(jié)構(gòu)11 mq-3 型氣敏傳感器的敏感部分是是由金屬氧化物（二氧化錫）的 n 型半 2 sno 導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。但其表面吸附有被測(cè)氣體酒精分子（乙醇，）時(shí)， 25 c h oh 表面導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而起表面電阻會(huì)隨著被測(cè)氣體濃度的變化而變 化。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。 mq-3 型氣敏傳感器外形和符號(hào)如圖 3.5 所示。它有 6 個(gè)針狀引腳，其中 2 個(gè)引 腳 f 提供加熱電流，其余 4 個(gè)引腳用于信號(hào)取出。 使用時(shí)將傳感器 a 的 2 個(gè)引腳、b 的的 2 個(gè)引腳各自并接在一起，相當(dāng) a、b 只有 2 個(gè)引腳與外電路相連。傳感器頂部有一個(gè)不銹鋼網(wǎng)的

39、的圓孔，固定9.5mm 在腔內(nèi)的敏感元件與大氣相通。 （a）外形 （b）符號(hào) 圖 3.5 氣敏傳感器外形和符號(hào) 敏感元件有微型三氧化二鋁（）陶瓷管、二氧化錫（）敏感層、測(cè) 23 al o 2 sno 量電極和加熱器構(gòu)成，將它固定在塑料外殼和不銹鋼網(wǎng)制成的腔體內(nèi)。加熱是為了 加速反應(yīng)，給氣敏元件提供必要的工作條件。 2）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試回路 mq-3 氣敏傳感器的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試回路如圖 3.6 所示。 圖 3.6 氣敏傳感器的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試回路 該測(cè)試回路有兩部分組成。一個(gè)為了加熱回路，加熱器的電阻為，由335% 穩(wěn)定的交流或直流電源供電，電源電壓。另外一部分為信號(hào)輸出回路， h u =(50.1)v 它由傳感器的

40、表面電阻（即電極 a、b 之間的電阻）和外接負(fù)載電阻以及電 s r l r 源串聯(lián)而成，規(guī)定,也要求用穩(wěn)定的交流或直流電壓。信號(hào)從 c u c u =(100.1)v 的兩端輸出，它可以準(zhǔn)確反映傳感器表面電阻的變化。其關(guān)系為： l r cl rl sl u r u= r +r 式中 傳感器標(biāo)準(zhǔn)回路輸出信號(hào)電壓，v； rl u 回路電壓，v； c u 負(fù)載電阻，； l r 傳感器表面電阻，。 s r mq-3 型氣敏元件對(duì)不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使 用 mq-3 型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。廠家建議用 0.4mg/l(約 200ppm)濃 度的乙醇蒸氣校準(zhǔn)傳感器

41、。當(dāng)精確測(cè)量時(shí)，報(bào)警點(diǎn)的設(shè)定應(yīng)考慮溫濕度的影響。為 了設(shè)計(jì)簡單，這里標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試回路輸出信號(hào)與被測(cè)氣體濃度關(guān)系的粗略曲線如圖 3.7 所示（ppm 等于m）。 6 10 圖 3.7 標(biāo)準(zhǔn)回路輸出信號(hào)與氣體濃度關(guān)系曲線 3）化簡的工作電路 在本設(shè)計(jì)中，選用比標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試回路較為簡單的工作回路，將信號(hào)輸出回路的電 源用加熱回路電源取代，2 個(gè)回路會(huì)用一個(gè)電源。電路連接方式如圖 3.8 所示。 圖 3.8 氣敏傳元件化簡的工作電路 4）標(biāo)準(zhǔn)工作條件和環(huán)境條件 氣體傳感器 mq-3 的標(biāo)準(zhǔn)工作條件如表 3.3 所示。環(huán)境條件如表 3.4 所示。這些 條件是選擇 mq-3 型氣敏傳感器的依據(jù)。 環(huán)境溫度和濕度的

42、變化對(duì)氣敏傳感器的靈敏度有一定的影響。當(dāng)環(huán)境溫度較高 時(shí)，氣敏傳感器的靈敏度也較高；當(dāng)環(huán)境濕度較低時(shí)，氣敏傳感器的靈敏度較低。 在標(biāo)準(zhǔn)工作條件下，mq-3 型氣敏傳感器測(cè)試酒精氣體濃度范圍為，50 2000ppm 其濃度上限為。0.2% 表 3.3 mq-3 的標(biāo)準(zhǔn)工作條件 符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注 c u回路電壓10v交流或直流 h u加熱電壓5v交流或直流 l r負(fù)載電阻可調(diào)0.5 200k h r加熱器電阻335%室溫 h p加熱功耗 800 mw 表 3.4 mq-3 標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境條件 符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注 ao t使用條件 - 20 +50 as t儲(chǔ)存溫度 - 20 +70 rh

43、相對(duì)濕度 95% rh 推薦使用范圍 2 o氧氣濃度(標(biāo)準(zhǔn)條件)21%最小值2% 5）測(cè)試信號(hào)采樣及處理電路 酒精濃度是由傳感器 mq-3 把非電量轉(zhuǎn)換為電量，傳感器輸出的是v 的電0 5 壓值且電壓值穩(wěn)定，外部干擾小。因此，可以直接把傳感器輸出電壓值經(jīng)過 adc0832 采樣數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理。其采樣及處理電路與單片機(jī)的硬件接口如 圖 3.9 所示。 圖 3.9 采樣及處理電路與單片機(jī)的硬件接口 3.1.3 閾值保存及溫度測(cè)試 由傳感器 mq-3 標(biāo)準(zhǔn)工作條件可知，環(huán)境溫度和濕度的變化對(duì)氣敏傳感器的靈 敏度有一定的影響。為了反映在一定溫度下酒精濃度的具體值，測(cè)試儀增加了 ds18b20

44、溫度測(cè)試功能。其電路如圖 3.10 所示，1k 上拉電阻 r8 是為了提高信號(hào)線 的驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)，為了測(cè)試儀的使用方便，只需輸入一次酒精濃度閾值，將其保 存在 at24c02 中，以后再相同的測(cè)試環(huán)境中，就不再需要設(shè)置濃度閾值，這樣給使 用帶來很大的方便。保存閾值電路很簡潔，如圖 3.11 所示。 圖 3.10 濃度閾值保存電路 圖 3.11 溫度測(cè)試電路 3.1.4 矩陣鍵盤和 lcd1602 顯示電路 1)矩陣鍵盤 獨(dú)立按鍵編程簡單但占用口多,不適合在按鍵較多的場(chǎng)合應(yīng)用。在本測(cè)試儀中, 經(jīng)常要按數(shù)字鍵和功能鍵,用獨(dú)立按鍵顯然太浪費(fèi)端口資源, 為此引入了矩陣鍵盤。 矩陣鍵盤又稱行列鍵盤,

45、它是用若干個(gè) i/o 口作行線、若干個(gè) i/o 口作列線, 并 在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上設(shè)置一只按鍵組成的鍵盤。如果行線和列線均為 4 條, 則鍵盤上的按鍵的個(gè)數(shù)就有 4 4 個(gè)。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機(jī)系統(tǒng) 中 i/o 口的利用率。 常見的鍵盤一般由 16 只按鍵組成, 正好可以用單片機(jī)的一個(gè) p 口實(shí)現(xiàn), 這也是 在單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的一種形式, 4 4 矩陣鍵盤的內(nèi)部電路如圖 3.12 所示。 其工作原理：當(dāng)無鍵按下時(shí)，p10p13 與 p14p17 之間開路；當(dāng)有鍵閉合時(shí)， 與按下鍵相連的兩條 i/o 口線之間短路。判斷有無按鍵按下的方法是： 圖 3.12 矩陣鍵盤內(nèi)部電

46、路圖 首先，置列線 p14p17 為輸入狀態(tài), 并將行線 p10p13 置為低電平, 然后讀列 線數(shù)據(jù), 若某一列線為低電平, 則說明該列線上有鍵閉合。 其次，行線輪流輸出低電平,并讀入列線 p14 p17 數(shù)據(jù), 若某一列為低電平, 則 說明對(duì)應(yīng)行線上有鍵按下。 最后，綜合上述檢查結(jié)果, 便可可確定所按鍵的編號(hào)?？紤]到按一次鍵只應(yīng)進(jìn) 行一次對(duì)應(yīng)功能操作, 因此須等到按鍵釋放后,再進(jìn)行鍵功能操作, 否則按一次鍵有 可能連續(xù)進(jìn)行多次同樣的鍵操作。 2)lcd1602 顯示電路 液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖 珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，而

47、各種液晶廠家均有提供幾 乎都是同樣規(guī)格的1602模塊或兼容模塊，盡管各廠家的對(duì)其各自的產(chǎn)品命名不盡相 同；1602字符型lcd模塊最初采用的lcd控制器采用的是hd44780，在各廠家生產(chǎn) 的1602模塊當(dāng)中，基本上也都采用了與之兼容的控制ic，所以從特性上基本上是一 樣的。通常所見到的1602模塊的規(guī)格基本如表3.5所示： 目前字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件。 lcd1602液晶顯示模塊可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，采用單+5v電源供電，外圍 電路配置簡單，價(jià)格便宜，具有很高的性價(jià)比。一般的lcd1602模塊的結(jié)構(gòu)尺寸示 意圖如圖3.13所示。 表3.5 160

48、2模塊的規(guī)格 顯示容量16*2 芯片工作電壓4.5 5.5v 工作電流2.0ma（5.0v） 模塊最佳工作電壓5.0v 字符尺寸2.95*4.35mm 圖 3.13 1602 模塊結(jié)構(gòu)及引腳示意圖 1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，其中： 第 1 腳：vss 為地電源。 第 2 腳：vdd 接 5v 正電源 第 3 腳：v0 為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí) 對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10k 的電位器調(diào) 整對(duì)比度。 第 4 腳：rs 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存 器。 第 5 腳：rw 為讀寫信號(hào)線，高

49、電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng) rs 和 rw 共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) rs 為低電平 rw 為高電 平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng) rs 為高電平 rw 為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6 腳：e 端為使能端，當(dāng) e 端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 714 腳：d0d7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 第 1516 腳：分別為背光源正極和背光源負(fù)極。當(dāng)然，有的模塊是不帶背光的， 這時(shí)候 15 和 16 腳是沒有意義的。 1602 字符型 lcd 模塊和單片機(jī)的接口電路如圖 3.14 所示。 圖 3.14 lcd 模塊和單片機(jī)的接口電路 3.2 語音播報(bào)及報(bào)警電路的

50、硬件設(shè)計(jì)1213 3.2.1 apr9600 簡介17 臺(tái)灣公司最新推出的 60 秒語音錄放芯片 apr9600，是繼美國 isd 公司以后采 用模擬存儲(chǔ)技術(shù)的又一款音質(zhì)好、噪音低、不怕斷電、可反復(fù)錄放的新型語音電路， 單片電路可錄放 32-60 秒，串行控制時(shí)可分 256 段以上，并行控制時(shí)最大可分 8 段。 與 isd 同類芯片相比它具有：價(jià)格便宜，有多種手動(dòng)控制方式，分段管理方便、多 段控制時(shí)電路簡單、采樣速度及錄放音時(shí)間可調(diào)、每個(gè)單鍵均有開始停止循環(huán)多種 功能等特點(diǎn)，同時(shí)保留了 isd2500 芯片的一些特點(diǎn)，都是 dip28 雙列直插塑料封裝， 在管腳排列上也基本相同。管腳如圖 3.

51、15 所示，其管腳功能如表 3.6 所示。 在 apr9600 芯片的內(nèi)部，錄音時(shí)外部音頻信號(hào)通過話筒輸入和線路輸入方式進(jìn) 入，話筒可采用普通的駐極體話筒，在芯片內(nèi)話筒放大器（pre-amp ）中自帶自動(dòng) 增益調(diào)節(jié)（agc），可由外接阻容件設(shè)定響應(yīng)速度和增益范圍。如果信號(hào)幅度在 100mv 左右即可直接進(jìn)入線路輸入端，音頻信號(hào)由內(nèi)部濾波器、采樣電路處理后以 模擬量方式存入專用快閃存儲(chǔ)器 flashram 中。由于 flashram 是非易失器件， 斷電等因素不會(huì)使存儲(chǔ)的語音丟失。 圖 3.15 apr9600 的管腳排列圖 音時(shí)芯片內(nèi)讀邏輯電路從 flashram 中取出信號(hào)，經(jīng)過一個(gè)低通濾波

52、器送到 功率放大器中，然后直接推動(dòng)外部的喇叭放音。廠家要求外接喇叭為 16 歐姆，實(shí)際 試驗(yàn)用 8-16 歐姆均可，一般音量下輸出功率 12.2mw(16 歐)。 apr9600 的錄放控制有多種操作模式，為普通用戶使用提供了極大的方便?？?的來說分為串行控制和并行控制兩種，由芯片 msel1（24 腳）、msel2（25 腳）、 /m8（9 腳）的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)，功能如表 3.7 所示。其中每種操作模式都有對(duì)應(yīng)的有效 鍵，而且同一個(gè)鍵在不同操作模式下可能有不同的功能。因此在芯片設(shè)計(jì)、使用前 用戶應(yīng)詳盡了解芯片的各種操作模式，選擇最合適自己的方式設(shè)計(jì)，電路也會(huì)變得 非常簡單。 1）并行控制模式 在

53、 isd 芯片中要實(shí)現(xiàn)某鍵對(duì)某段的多段并行控制是十分復(fù)雜的，apr9300 芯片 中卻十分簡單，每段都有對(duì)應(yīng)的鍵控制，按哪一鍵就錄、放哪一段，而且可以方便 地對(duì)任意一段重新錄音不影響其它段、對(duì)任意一段循環(huán)放音等。只是每段錄音的最 大時(shí)間是等分的，而且最多只能分八段。下面以需要分四段為例說明： 并行四段控制需要將芯片的 msel1 端置 1（高電平）、msel2 端置 0（低電平） 、/m8 端任意。模式置好后開始錄音，置 re 端為 0，壓住/m1 即聽到“嘀”一聲 busy 指示燈亮起即開始錄音第一段，松鍵時(shí)又聽到“嘀”一聲 busy 指示燈熄滅 即錄音停止。/m2、/m3、/m4 分別錄其

54、他三段。 表 3.6 apr9600 管腳功能說明 管腳功能管腳功能 1、/m1第一段控制或連續(xù)錄放控 制（低電平有效） 15、sp-外接喇叭負(fù)端 2、/m2第二段控制或快進(jìn)選段控 制（低電平有效） 16、vcca模擬電路正電源 3、/m3第三段控制（低電平有效）17、micin話筒輸入端 4、/m4第四段控制（低電平有效）18、micre f 話筒輸入基準(zhǔn)端 5、/m5第五段控制（低電平有效）19、agc自動(dòng)增益控制端 6、/m6第六段控制（低電平有效）20、ana-in線路輸入端 7、osc r 振蕩電阻21、ana- out 線路輸出端（話筒放 大器輸出端） 8、/m7第七段控制及片溢出

55、指示 （低電平有效） 22、strob e 工作期間閃爍指示燈 輸出端（低電平有效） 9、/m8第八段控制（低電平有效） 及操作模式選項(xiàng) 23、ce復(fù)位/停止鍵或啟動(dòng)/ 停止鍵 10、/bu sy 忙信號(hào)輸出（工作時(shí)出 0， 平時(shí)為 1） 24、msel1模式設(shè)置端 11、be鍵聲選擇（接 1 為有鍵聲， 0 則無） 25、msel2模式設(shè)置端 12、vss d 數(shù)字電路電源地26、extcl k 外接振蕩頻率端（用 內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)接地） 13、vss a 模擬電路電源地27、/re錄放選擇端（0 為錄 音、1 為放音） 14、sp+外接喇叭正端28、vccd數(shù)字電路正電源 表 3.7 apr96

56、00 操作模式表 apr9600 操作模式表操作模式表 msel1 (24 腳) msel2 （25 腳） /m8 （9 腳） 有效鍵/m1-8 為段控制 鍵，/ce 為停止復(fù)位鍵 功能 （以 60 秒計(jì)） 010/1/m1、/m2、ce并行控制，分二段，每段 最大 30 秒 100/1/m1、/m2、/m3、/m4 、ce 并行控制，分四段，每段 最大 15 秒 111/m1 /m8、ce并行控制，分八段，每段 最大 7.5 秒 110ce單鍵控制，單段 7，5 秒 循環(huán)。ce 為啟動(dòng)/停止鍵 001/m1、ce串行順序控制，可分一至 任意多段 000/m1、/m2、ce 串行段選控制，/m

57、2 系段 選快進(jìn)鍵。 注 1、re=0(置低電平)為錄音狀態(tài)；re=1（置高電平）為放音狀態(tài)。 注 2、/m1 /m8 鍵在有效段控放音時(shí)，按一下鍵即開始放音一段，放音期間再 按一下即停止；如按鍵不放及循環(huán)放音。 注 3、/m1 /m8 鍵在有效段控錄音時(shí)，按住不放為錄音，松鍵即停止。 錄音時(shí)可以不按順序，先錄任意一段均可，不滿意可重新錄音。每段的最大時(shí) 間為 15 秒（以全片 60 秒錄音計(jì)），錄滿時(shí)指示燈熄滅并響“嘀嘀”兩聲，當(dāng)然實(shí) 際每段錄音可以長短不一。置 re 端為 1 即是放音狀態(tài)，按一下/m1 即放音第一段， 放音期間再按一下/m1 即停止放音，如果壓住/m1 鍵不放即循環(huán)放音第

58、一段直到松 鍵。/m2、/m3、/m4 均分別控制第二、三、四段。/ce 鍵為停止鍵，放音期間按一 下它也能停止放音。其它并行二段、八段的控制使用方式相同。 2）串行控制模式 串行控制方式用到的鍵要少得多，它僅需要一、二個(gè)鍵來控制所有的語音段錄 放，而且段數(shù)可以足夠多，每段也沒有時(shí)間限制。只是在選段上沒有并行控制模式 方便。 置 msel1、msel2 均為 0，在錄音時(shí)/m8 置 1。置/re 端為 0 為錄音狀態(tài)，按 住/m1 即開始錄第一段，松鍵即停止。再按住/m1 錄第二段，如此一直分段錄音， 直到芯片溢出。 在放音時(shí)（/re=1）有兩種狀態(tài)，/m8 置 1 為串行順序控制方式，按一下

59、/m1 即 放音第一段，再按一下即放第二段，如此順序逐段放音，到最后一段結(jié)束時(shí)即停止 放音，必須按一下 ce 鍵復(fù)位，然后再按/m1 鍵就可以又從第一段放音。這種方式 下的段不可選擇只能按錄音的順序播放，適合走馬燈、流程控制等電路使用；/m8 置 0 為串行選段控制方式，按一下/m1 只能放音第一段，再按還是放音第一段。這 時(shí)的/m2 有效成為快進(jìn)選段鍵，每按一下/m2 即向后移動(dòng)一段，例如現(xiàn)在按了三下 /m2，再按/m1 就放音第四段。因此可以實(shí)現(xiàn)選段放音。按/ce 鍵復(fù)位為第一段。 apr9600 芯片還有其它幾種控制方式，用戶可根據(jù)需要自行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。 apr9600 的電性能參數(shù)：電源電

60、壓 4.5-6.5v，靜態(tài)電流 1ua ，工作電流 25ma。其 外接振蕩電阻與采樣率、語音頻帶、錄放時(shí)間的關(guān)系如表 3.8 所示，該電阻可以根 據(jù)用戶需要的時(shí)間和音質(zhì)效果無級(jí)調(diào)節(jié)。apr9600 的典型應(yīng)用電路如圖 2.5 所示。 表 3.8 外接振蕩電阻與采樣率、語音頻帶、錄放時(shí)間的關(guān)系 振蕩電阻（7 腳 oscr） 采樣頻率錄放音頻帶錄放音時(shí)間 44k4.2khz2.1khz60s 38k6.4khz3.2khz 40s 24k8.0khz4.0khz32s 3.2.2 語音播報(bào)電路 測(cè)試儀的語音播報(bào)電路如圖 3.16 所示。語音播報(bào)電路的核心元件是語音芯片 apr9600。為了錄放多段