基于51單片機(jī)酒精濃度檢測儀的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、-PAGE . z . I . . r . .酒精濃度檢測儀的設(shè)計(jì)目 錄一、前言4二、酒精測試儀總體方案設(shè)計(jì)42.1 酒精濃度檢測儀設(shè)計(jì)要求分析42.2 酒精濃度檢測儀設(shè)計(jì)方案4三、硬件設(shè)計(jì).53.1 傳感器的選擇. 53.2 A/D轉(zhuǎn)換電路63.3 89C51單片機(jī)系統(tǒng)93.4 LED顯示電路123.5 鍵盤電路133.6 報(bào)警電路13四、軟件設(shè)計(jì)144.1 主程序框圖144.2 數(shù)據(jù)采集子程序程序框圖154.3 報(bào)警子程序程序框圖15五、課程設(shè)計(jì)系的心得體會17六、參考文獻(xiàn)17附圖 整體電路圖18酒精濃度檢測儀的設(shè)計(jì)一、前言近年來，我國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

2、也頻繁發(fā)生。為此，我國將酒駕列入刑法圍，所以需要設(shè)計(jì)一智能儀器能夠檢測駕駛員體酒精含量。本課程設(shè)計(jì)研究的是一種以氣敏傳感器和單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器為主，檢測駕駛員呼出氣體的酒精濃度，并具有聲光報(bào)警功能的空氣酒精濃度監(jiān)測儀。其可檢測出空氣環(huán)境中酒精濃度值，并可根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)定不同的閾值，對超過的閾值進(jìn)展聲光報(bào)警來提示危害。本課題分為兩局部：硬件設(shè)計(jì)局部和軟件設(shè)計(jì)局部。硬件局部為利用MQ3氣敏傳感器測量空氣中酒精濃度，并轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳給單片機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)及其相應(yīng)外圍電路進(jìn)展信號的處理，顯示酒精濃度值以及超閾值聲光報(bào)警。程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想，各個子程序的功能相對獨(dú)

3、立，便于調(diào)試和修改。而硬件電路又大體可分為單片機(jī)小系統(tǒng)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、聲光報(bào)警電路、LED顯示電路，按鍵電路，各局部電路的設(shè)計(jì)及原理將會在硬件電路設(shè)計(jì)局部詳細(xì)介紹。二、酒精測試儀總體方案設(shè)計(jì)2.1 酒精濃度檢測儀設(shè)計(jì)要求分析設(shè)計(jì)的酒精濃度測試儀應(yīng)具有如下特點(diǎn)：1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，外圍電路帶有LED顯示以及鍵盤響應(yīng)電路，無需要其他計(jì)算機(jī)，用戶就可以與之進(jìn)展交互工作，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、計(jì)算、分析等過程。2系統(tǒng)具有低功耗、小型化、高性價(jià)比等特點(diǎn)。3從便攜式的角度出發(fā)，系統(tǒng)成功使用了數(shù)碼管顯示器以及小鍵盤。由單片機(jī)系統(tǒng)控制鍵盤和LED顯示來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，界面友好。4軟件設(shè)計(jì)

4、簡單易懂。2.2 酒精濃度檢測儀設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)時(shí)，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經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)展處理。此外，還需接人LED顯示，4*4鍵盤，報(bào)警電路等。其總體框圖如圖2-1所示。氣敏傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)聲光報(bào)警電路LED顯示鍵盤空氣流量傳感器被測環(huán)境圖2-1 根本工作原理圖三、硬件設(shè)計(jì)3.1.1傳感器的選擇本系統(tǒng)直接測量的是呼氣中的酒精濃度，再轉(zhuǎn)換為血液中的酒精含量濃度，故采用氣敏傳感器?？紤]到周圍空氣中的氣體成分可能影響傳感器測量的準(zhǔn)確性，所以傳感器只能對酒精氣

5、體敏感，對其他氣體不敏感，應(yīng)選用MQ3型氣敏傳感器。其有很高的靈敏度、良好的選擇性、長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。MQ3型氣敏傳感器由微型Al2O3，瓷管和SnO2敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。傳感器的標(biāo)準(zhǔn)回路有兩局部組成。其一為加熱回路，其二為信號輸出回路，它可以準(zhǔn)確反映傳感器外表電阻值的變化。傳感器的外表電阻RS的變化，是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號VRL輸出面獲得的。負(fù)載電阻RL可調(diào)為05-200K。加熱電壓Uh為5v。上述這些參數(shù)使得傳感器輸出電壓為0-5V。MQ3型氣敏傳感器的構(gòu)造和外形、標(biāo)準(zhǔn)

6、回路、傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關(guān)系圖如圖3-3所示。為了使測量的精度到達(dá)最高，誤差最小，需要找到適宜的溫度，一般在測量前需將傳感器預(yù)熱5分鐘。圖3-1 MQ3 構(gòu)造和外形圖3-2 MQ3 構(gòu)造圖圖3-3 傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關(guān)系 本系統(tǒng)測量時(shí)還需要測量呼氣量的大小，我們采用空氣流量傳感器空氣流量傳感器的熱線電阻和溫度補(bǔ)償電阻分別連接在電橋電路上，當(dāng)空氣流經(jīng)發(fā)熱元件熱線電阻時(shí)，熱線的溫度和電阻發(fā)生變化，空氣帶走的熱量與流過發(fā)熱元件的空氣質(zhì)量具有成正比的對應(yīng)關(guān)系，使得電橋失去平衡，控制電路將改變供應(yīng)發(fā)熱云件的電流，使其溫度保持在設(shè)定溫度。當(dāng)電橋電流改變時(shí)，取樣電

7、阻兩端的電壓也同時(shí)改變，從而將空氣流量的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號的變化。信號電壓輸入adc0809中，輸出接8個發(fā)光二極管，根據(jù)發(fā)光二極管亮的多少判斷呼氣量的大小。3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，被測量對象的有關(guān)變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，須經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬電信號電壓或電流，這些模擬電信號必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能在單片機(jī)中用軟件進(jìn)展處理。實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為A/D轉(zhuǎn)換器ADC。A/D轉(zhuǎn)換器大致分有三類：一是雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點(diǎn)是精度高，抗干擾性好，價(jià)格廉價(jià)，但速度慢；二是逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，精度、速度、價(jià)格適中；三是-A/D轉(zhuǎn)換器。該設(shè)計(jì)中選

8、用的是ADC0809屬第二類，是8位A/D轉(zhuǎn)換器。0809具有8路模擬信號輸入端口，地址線23-25腳可決定那一路模擬信號進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換。22腳為地址鎖存控制，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，對地址信號進(jìn)展鎖存。6腳為測試控制，當(dāng)輸入一個2s的高電平脈沖時(shí)，就開場A/D轉(zhuǎn)換。7引腳為A/D轉(zhuǎn)換完畢標(biāo)志，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢時(shí)，7腳輸出高電平。9腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許端，當(dāng)OE腳為高電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。10腳為0809的時(shí)鐘輸入端。3.2.1 ADC0809的引腳及功能逐次比擬型A/D轉(zhuǎn)換器在精度、速度、和價(jià)格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。芯片采用的是ADC0809，以下介紹ADC0809的引腳

9、及功能。芯片如圖3-4所示。圖3-4 ADC0809的引腳ADC0809是一種逐次比擬式8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。由圖可見，ADC0809共有28個引腳，采用雙列直插式封裝。主要引腳功能如下： IN0-IN7是8路模擬信號輸入端。 D0-D7是8位數(shù)字量輸入端。 A、B、C與ALE控制8路模擬通道的切換，A、B、C分別與3根地址線或數(shù)據(jù)線相連，3位編碼對應(yīng)8個通道地址端口。 OE、START、CLK為控制信號端，OE為輸出允許端，START為啟動信號輸入端，CLK為時(shí)鐘信號輸入端。 VR(+)和VR(-)為參考電壓輸入端。3.2.2 ADC0809的構(gòu)造及轉(zhuǎn)換原理ADC080

10、9的構(gòu)造框圖如圖3-6。ADC0809采用逐次比擬的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的，由單一的+5V電源供電。片有鎖存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由C、B、A引腳的功能來決定所選的通道。0809完成一次轉(zhuǎn)換需100s左右，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到MCS-51的數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚?809可對0-5V的模擬信號進(jìn)展轉(zhuǎn)換。START CLKOEVR(+) VR()VCCGNDEOCD0.D7三態(tài)輸出鎖存器8位A/D轉(zhuǎn)換器地址鎖存與密碼CBAALE8 路模擬量開 關(guān)IN7.IN0圖3-6 ADC0809的構(gòu)造框圖3.2.3 ADC0809連線圖ADC0809與單片機(jī)的連線圖如圖3-7

11、：圖3-7 ADC0809的連線圖3.3 89C51單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還包括定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口(SCI)，顯示驅(qū)動電路(LCD或LED驅(qū)動電路)，脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構(gòu)成一個雖小然而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。3.3.1 單片機(jī)片構(gòu)造51單片機(jī)的片構(gòu)造如圖3-8所示。它

12、把那些作為控制應(yīng)用所必需的根本容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。按功能劃分，它有如下功能部件組成： 微處理器CPU。 數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。 程序存儲器ROM/EPROM。 4個8位并行I/O口P0口、P1口、P2口、P3口。 一個串行口。 2個16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器。 2個16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器。 中斷系統(tǒng)。 特殊功能存放器SFR。上述功能部件都是通過片單一總線連接而成，其根本構(gòu)造依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)構(gòu)造模式。但CPU對各種功能部件的控制是采用特殊功能存放器的集中控制方式。從硬件角度來看，與MCS-51指令完全兼容的新一代AT89C*系列機(jī)，比在片外加EPROM才能相當(dāng)?shù)?031

13、單片機(jī)抗干擾性能強(qiáng)，與87C51單片機(jī)技能相當(dāng)，但功耗小。程序修改直接用+5V或+12V電源擦除，更顯方便、而且其工作電壓放寬至2.7V-6V，因而受電壓波動的影響更小，而且4K的程序存儲器完全能滿足單片機(jī)系統(tǒng)的軟件要求，故AT89C51單片機(jī)是構(gòu)造本檢測系統(tǒng)的更理想的選擇。3.3.2 89C51芯片介紹掌握MCS-51單片機(jī)，應(yīng)首先了解MCS-51的引腳，熟悉并牢記各引腳的功能，MCS-51系列中各種型號芯片的引腳是互相兼容的。制作工藝為HMOS的MCS-51的單片機(jī)都采用40只引腳的雙列直插封裝方式，如圖3-9所示。圖3-9 AT89C51芯片管腳圖40只引腳按其功能來分，可分為如下3類：

14、 電源及時(shí)鐘引腳：Vcc、Vss、*TAL1、*TAL2。電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。Vcc接+5V電源，Vss接地。時(shí)鐘引腳*TAL1、*TAL2外接晶體與片的反相放大器構(gòu)成了1個晶體振蕩器，它為單片機(jī)提供了時(shí)鐘控制信號。2個時(shí)鐘引腳也可外接獨(dú)立的晶體振蕩器。*TAL1接外部的一個引腳。該引腳部是一個反相放大器的輸入端。這個反相放大器構(gòu)成了片振蕩器。如果采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳接地。*TAL2接外部晶體的另一端，在該引腳部接至部反相放大器的輸出端。假設(shè)采用外部時(shí)鐘振蕩器時(shí)，該引腳承受時(shí)鐘振蕩器的信號，即把此信號直接接到部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 控制引腳：、ALE、RESETRST。此類引

15、腳提供控制信號，有的還具有復(fù)用功能。 RST/VPD引腳：RESETRST是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上持續(xù)時(shí)間大于2個機(jī)器周期24個振蕩周期的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位操作。在單片機(jī)工作時(shí)，此引腳應(yīng)為0.5V低電平。VPD為本引腳的第二功能，即備用電源的輸入。當(dāng)主電源發(fā)生故障，降低到*一規(guī)定值的低電平時(shí)，將+5V電源自動接入RST端，為部RAM提供備用電源，以保證片RAM的信息不喪失，從而使單片機(jī)在復(fù)位后能正常進(jìn)展。 ALE/引腳：ALE引腳輸出為地址鎖存允許信號，當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后ALE引腳不斷輸出正脈沖信號。當(dāng)單片機(jī)外部存儲器時(shí)，ALE輸出信號的負(fù)跳沿用于單

16、片機(jī)發(fā)出的低8位地址經(jīng)外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號。即使不外部鎖存器，ALE端仍有正脈沖信號輸出，此頻率為時(shí)鐘振蕩器頻率的1/6。為該引腳的第二功能。在對片EPROM型單片機(jī)編程寫入時(shí)，此引腳作為編程脈沖輸入端。引腳：程序存儲器允許輸出控制端。在單片機(jī)外部程序存儲器時(shí)，此引腳輸出脈沖負(fù)跳沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。此引腳接外部程序存儲器的OE輸出允許端。 /VPP引腳：功能為片程序存儲器選擇控制端。當(dāng)引腳為高電平時(shí)，單片機(jī)片程序存儲器，但在PC值超過0FFFH時(shí)，即超出片程序存儲器的4KB地址圍時(shí)將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器的程序。當(dāng)引腳為低時(shí)，單片機(jī)只外部程序存儲器，不管是否有部程序存

17、儲器。 I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，為四個8位I/O口的外部引腳。P0口、P1口、P2口、P3口是3個8位準(zhǔn)雙向的I/O口，各口線在片均有固定的上拉電阻。當(dāng)這3個準(zhǔn)雙向I/O口作輸入口使用時(shí)，要向該口先寫1，另外準(zhǔn)雙向口I/O口無高阻的浮空狀態(tài)。由于單片機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格廉價(jià)、耗電少等突出特點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)，硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖1所示。89C51部有4KB的EPROM，128字節(jié)的RAM，所以一般都要根據(jù)所需存儲容量的大小來擴(kuò)展ROM和RAM。本電路接高電平，沒有擴(kuò)展片外ROM和RAM。3.3.3 晶振電路和復(fù)位電路電路圖如下：圖3-10 晶振與復(fù)位電路3.4

18、 LED顯示電路LED顯示有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。本設(shè)計(jì)使用并行輸入硬件譯碼靜態(tài)顯示電路，靜態(tài)顯示電路中，各位可獨(dú)立顯示，只要在該位的段碼線上保持段碼電平，該位就能保持相應(yīng)的顯示字符。電路中采用了鎖存譯碼器MC14495將P1口低4位輸出的BCD碼譯成七段字型碼，利用P1口高四位做為各鎖存譯碼器的所存信號，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定顯示。LED使用的是共陰極7段數(shù)碼管。數(shù)碼管顯示電路如下圖3-11 數(shù)碼管顯示電路3.5鍵盤電路鍵盤有兩種工作方式：編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤。處理方式有掃描法和線反轉(zhuǎn)法。本設(shè)計(jì)采用的是非編碼鍵盤，并利用掃描法處理按鍵，消抖由軟件實(shí)現(xiàn)。鍵盤掃描電路圖3-12：圖3-12 按鍵

19、電路3.6報(bào)警電路報(bào)警電路圖3-13：圖3-13 報(bào)警電路四、軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序框圖主程序流程圖如下列圖4-1所示。初始化LCD顯示子程序數(shù)據(jù)處理子程序鍵盤掃描子程序序A/D轉(zhuǎn)換子程序序大于閾值？聲光報(bào)警N開場Y圖4-1 主程序框圖4.2 數(shù)據(jù)采集子程序程序框圖A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖如下列圖3-2所示。ADC0809初始化后，把0通道輸入的0-5V的模擬信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量OOH-FFH，然后將對應(yīng)數(shù)值存儲到存單元。程序框圖如圖4-2開場啟動ADC0809通道，并延時(shí)100s轉(zhuǎn)換完？讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果結(jié)果存入內(nèi)存單元返回YN圖4-2 數(shù)據(jù)采集子程序框圖4.3報(bào)警子程序程序框圖系統(tǒng)設(shè)定閾值

20、并保存在以50H開場的3個單元，為了便于比擬和顯示，閾值的千位放入50H中，百位和十位放入5lH，個位放人52H中。報(bào)警電路分為蜂鳴器報(bào)警電路和LED發(fā)光報(bào)警電路組成。當(dāng)輸入端P3.5為低電平時(shí)，有電流通過蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警。而當(dāng)輸入端為高電平時(shí)不報(bào)警。報(bào)警子程序執(zhí)行之前，將報(bào)警閾值轉(zhuǎn)換為壓縮的BCD碼并存放在兩個存儲單元中。傳感器輸入值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換后，調(diào)用比擬程序，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示的測量值與閾值比擬，小于閾值則繼續(xù)執(zhí)行顯示程序。假設(shè)大于閾值則將單片機(jī)的P3.5口清零進(jìn)展聲光報(bào)警。40H、4lH、42H單元存放A/D轉(zhuǎn)換后，并進(jìn)展十進(jìn)制轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。40H和50H分別存放的是處理后的測量值與閾值的千位的壓縮BCD碼，41H和51H分別存放的是處理后的測量值與閾值的百位、十位壓縮的BCD碼，42H和52H分別存放的是處理后的測量值與閾值的個位的壓縮BCD碼。程序首先對40H、50H中的值進(jìn)展比擬大小，如果40H中的值大于50H中的值，則進(jìn)展報(bào)警。依此類推，比擬41H和51H，42H和52H。程序框圖如圖4-3：開場40H中的BCD碼大？與閾值相等？41H中的BCD碼大？42H中的BCD碼大？返回YYY報(bào)警NNNNNYY與閾值相等？圖4-3 報(bào)警子程序流程框圖五、課程設(shè)計(jì)系的心得體會經(jīng)過一周的努力，終于完成了智能儀器的課程設(shè)計(jì)。這是我第一次基