酒精測試儀項目設計報告

四川工程職業(yè)技術學院畢業(yè)綜合實踐

項目設計報告基于單片機的酒精濃度檢測儀專業(yè)：計算計應用技術（IT制造與售后服務）專業(yè)：計算計應用技術（IT制造與售后服務）姓名：周姣、龍俊江指導老師：何曉龍目錄TOC\o"1-3"\h\u5926一、前言 39351二、酒精測試儀總體方案設計 3166432.1酒精濃度檢測儀設計規(guī)定分析 3209622.2酒精濃度檢測儀設計方案 34032三、硬件設計 4231453.1傳感器的選擇 4114123.2A/D轉換電路 589103.2.1ADC0809的構造及轉換原理 6123833.2.2ADC0809連線圖 6214073.389C51單片機系統(tǒng) 7286653.3.1單片機片內(nèi)構造 727633.3.289C51芯片介紹 892543.3.2晶振電路和復位電路 9118573.4LCD1602液晶顯示電路 1146183.5鍵盤電路 1144493.6報警電路 12164593.6.1燈光提示電路 12264783.6.2聲音報警電路 1226188四、軟件設計 1374404.1主程序框圖 13114224.2數(shù)據(jù)采集子程序程序框圖 14酒精濃度檢測儀的設計一、前言本課題分為兩部分：硬件設計部分和軟件設計部分。硬件部分為運用MQ3氣敏傳感器測量空氣中酒精濃度，并轉換為電壓信號，經(jīng)A/D轉換器轉換成數(shù)字信號后傳給單片機系統(tǒng)，由單片機及其對應外圍電路進行信號的解決，顯示酒精濃度值以及超閾值聲光報警。程序采用模塊化設計思想，各個子程序的功效相對獨立，便于調(diào)試和修改。而硬件電路又大致可分為單片機小系統(tǒng)電路、A/D轉換電路、聲光報警電路、LCD液晶顯示電路，按鍵電路，各部分電路的設計及原理將會在硬件電路設計部分具體介紹。二、酒精測試儀總體方案設計2.1酒精濃度檢測儀設計規(guī)定分析設計的酒精濃度測試儀應含有以下特點：（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單片機為控制核心，外圍電路帶有LCD顯示以及鍵盤響應電路，無需要其它計算機，顧客就能夠與之進行交互工作，完畢數(shù)據(jù)的采集、存儲、計算、分析等過程。（2）系統(tǒng)含有低功耗、小型化、高性價比等特點。（3）從便攜式的角度出發(fā)，系統(tǒng)成功使用了數(shù)碼管顯示屏以及小鍵盤。由單片機系統(tǒng)控制鍵盤和LCD顯示來實現(xiàn)人機交互操作，界面和諧。（4）軟件設計簡樸易懂。2.2酒精濃度檢測儀設計方案設計時，考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉換為電量，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，能夠直接把傳感器輸出電壓值通過A/D轉換器轉換得到數(shù)據(jù)送入單片機進行解決。另外，還需接入液晶顯示，鍵盤設定，報警電路等。其總體框圖如圖2-1所示。被測被測環(huán)境氣敏傳感器A/D轉換電路單片機聲光報警電路液晶顯示鍵盤圖2-1基本工作原理圖三、硬件設計3.1傳感器的選擇本系統(tǒng)直接測量的是呼氣中的酒精濃度，再轉換為血液中的酒精含量濃度，故采用氣敏傳感器。考慮到周邊空氣中的氣體成分可能影響傳感器測量的精確性，因此傳感器只能對酒精氣體敏感，對其它氣體不敏感，故選用MQ3型氣敏傳感器。其有很高的敏捷度、良好的選擇性、長久的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。MQ3型氣敏傳感器由微型Al2O3，陶瓷管和SnO2敏感層、測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。傳感器的原則回路有兩部分構成。其一為加熱回路，其二為信號輸出回路，它能夠精確反映傳感器表面電阻值的變化。傳感器的表面電阻RS的變化，是通過與其串聯(lián)的負載電阻RL上的有效電壓信號VRL輸出面獲得的。負載電阻RL可調(diào)為0．5-200K。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型氣敏傳感器的構造和外形、原則回路、傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關系圖如圖3-3所示。為了使測量的精度達成最高，誤差最小，需要找到適宜的溫度，普通在測量前需將傳感器預熱5分鐘。圖3-1MQ3構造和外形圖3-2MQ3構造圖圖3-3傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關系3.2A/D轉換電路在單片機應用系統(tǒng)中，被測量對象的有關變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，須經(jīng)傳感器轉換成持續(xù)變化的模擬電信號（電壓或電流），這些模擬電信號必須轉換成數(shù)字量后才干在單片機中用軟件進行解決。實現(xiàn)模擬量轉換成數(shù)字量的器件稱為A/D轉換器（ADC）。A/D轉換器大致分有三類：一是雙積分A/D轉換器，優(yōu)點是精度高，抗干擾性好，價格便宜，但速度慢；二是逐次逼近型A/D轉換器，精度、速度、價格適中；三是∑-△A/D轉換器。該設計中選用的是ADC0809屬第二類，是8位A/D轉換器。0809含有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行A/D轉換。22腳為地址鎖存控制，當輸入為高電平時，對地址信號進行鎖存。6腳為測試控制，當輸入一種2μs的高電平脈沖時，就開始A/D轉換。7引腳為A/D轉換結束標志，當A/D轉換結束時，7腳輸出高電平。9腳為A/D轉換數(shù)據(jù)輸出允許端，當OE腳為高電平時，A/D轉換數(shù)據(jù)輸出。10腳為0809的時鐘輸入端。3.2.1ADC0809的構造及轉換原理ADC0809的構造框圖如圖3-6。ADC0809采用逐次比較的辦法完畢A/D轉換的，由單一的+5V電源供電。片內(nèi)有鎖存功效的8路選1的模擬開關，由C、B、A引腳的功效來決定所選的通道。0809完畢一次轉換需100μs左右，輸出含有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。通過適宜的外接電路，0809可對0-5V的模擬信號進行轉換。STARTCLKSTARTCLKOEVR(+)VR(－)VCCGNDEOCD0...D7三態(tài)輸出鎖存器8位A/D轉換器地址鎖存與密碼CBAALE8路模擬量開關IN7….IN0圖3-6ADC0809的構造框圖3.2.2ADC0809連線圖ADC0809與單片機的連線圖如圖3-7：圖3-7ADC0809的連線圖3.389C51單片機系統(tǒng)單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術把含有數(shù)據(jù)解決能力(如算術運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷解決)的微解決器(CPU)，隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還涉及定時計數(shù)器，串行通信口(SCI)，顯示驅動電路(LCD或LED驅動電路)，脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉換器及A/D轉換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構成一種雖小然而完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下精確、快速、高效地完畢程序設計者事先規(guī)定的任務。3.3.1單片機片內(nèi)構造51單片機的片內(nèi)構造如圖3-8所示。它把那些作為控制應用所必需的基本內(nèi)容都集成在一種尺寸有限的集成電路芯片上。按功效劃分，它有以下功效部件構成：⑴微解決器（CPU）。⑵數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。⑶程序存儲器（ROM/EPROM）。⑷4個8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）。⑸一種串行口。⑹2個16位定時器、計數(shù)器。⑹2個16位定時器、計數(shù)器。⑺中斷系統(tǒng)。⑻特殊功效寄存器（SFR）。PSENPSEN88EOCXTAL1CPU（運算器）（控制器）數(shù)據(jù)存儲器RAMP0P2程序存儲器ROM/EPROMP1串行口定時器/計數(shù)器中斷系統(tǒng)特殊功效寄存器（SFR）P3ALEEAIN7….I0XTAL288RESET圖3-851單片機片內(nèi)構造上述功效部件都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本構造仍舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)構造模式。但CPU對多個功效部件的控制是采用特殊功效寄存器的集中控制方式。從硬件角度來看，與MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列機，比在片外加EPROM才干相稱的8031單片機抗干擾性能強，與87C51單片機技能相稱，但功耗小。程序修改直接用+5V或+12V電源擦除，更顯方便、并且其工作電壓放寬至2.7V-6V，因而受電壓波動的影響更小，并且4K的程序存儲器完全能滿足單片機系統(tǒng)的軟件規(guī)定，故AT89C51單片機是構造本檢測系統(tǒng)的更抱負的選擇。3.3.289C51芯片介紹掌握MCS-51單片機，應首先理解MCS-51的引腳，熟悉并切記各引腳的功效，MCS-51系列中多個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單片機芯片管腳圖3.3.2晶振電路和復位電路最小系統(tǒng)涉及單片機及其所需的必要的電源、時鐘、復位等部件，能使單片機始終處在正常的運行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機能運行的必備條件，能夠將最小系統(tǒng)作為應用系統(tǒng)的核心部分，通過對其進行存儲器擴展、A/D擴展等，使單片機完畢較復雜的功效。89C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構成的最小系統(tǒng)簡樸﹑可靠。用89C51單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，構造如圖3-10所示，由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作某些小型的控制單元。時鐘電路時鐘電路復位電路STC89C51單片機I/O口圖3-10單片機最小系統(tǒng)原理框圖(1)時鐘電路89C51單片機的時鐘信號普通有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式如圖3-11所示。在89C51單片機內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機的XTAL1(18)和XTAL2(19)引腳外接石英晶體(簡稱晶振)，就構成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。圖中電容C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5~30pF，典型值為30pF。晶振CYS的振蕩頻率范疇在1.2~12MHz間選擇，典型值為12MHz和6MHz。圖3-1189C51內(nèi)部時鐘電路(2)復位電路當在89C51單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復位操作(若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處在循環(huán)復位狀態(tài))。最簡樸的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充放電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超出1ms,就能夠實現(xiàn)自動上電復位。除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST(9)端與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。圖3-1289C51復位電路（3）89C51中斷技術概述中斷技術重要用于實時監(jiān)測與控制，規(guī)定單片機能及時地響應中斷請求源提出的服務請求，并作出快速響應、及時解決。這是由片內(nèi)的中斷系統(tǒng)來實現(xiàn)的。當中斷請求源發(fā)出中斷請求時，如果中斷請求被允許，單片機臨時中斷現(xiàn)在正在執(zhí)行的主程序，轉到中斷服務解決程序解決中斷服務請求。中斷服務解決程序解決完中斷服務請求后，再回到原來被中斷的程序之處（斷點），繼續(xù)執(zhí)行被中斷的主程序。圖3-13為整個中斷響應和解決過程。 圖3-13中斷響應和解決過程3.4LCD1602液晶顯示電路LCD1602A是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行）。在日常生活中，我們對液晶顯示屏并不陌生。液晶顯示模塊已作為諸多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及諸多家用電子產(chǎn)品中都能夠看到，顯示的重要是數(shù)字、專用符號和圖形。在單片機的人機交流界面中，普通的輸出方式有下列幾個：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示屏。發(fā)光管和LED數(shù)碼管比較慣用，軟硬件都比較簡樸。在單片機系統(tǒng)中應用晶液顯示屏作為輸出器件有下列幾個優(yōu)點：由于液晶顯示屏每一種點在收到信號后就始終保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示屏（CRT）那樣需要不停刷新新亮點。因此，液晶顯示屏畫質高且不會閃爍。液晶顯示屏都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡樸可靠，操作更加方便。液晶顯示屏通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達成顯示的目的，在重量上比相似顯示面積的傳統(tǒng)顯示屏要輕得多。相對而言，液晶顯示屏的功耗重要消耗在其內(nèi)部的電極和驅動IC上，因而耗電量比其它顯示屏要少得多。本設計的灰度調(diào)節(jié)是采用10k電阻和1k電阻分壓的形式，灰度適中。液晶顯示電路以下圖3-15液晶顯示電路3.5鍵盤電路本設計采用按鍵接低的方式來讀取按鍵，單片機初始時，由于為高電平，當按鍵按下的時候，會給單片機一種低電平，單片機對信號進行解決單片機鍵盤有獨立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨立鍵盤每一種I/O口上只接一種按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（普通接地），這種接法程序比較簡樸且系統(tǒng)更加穩(wěn)定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復雜，但是占用的I/O少。根據(jù)本設計的需要這里選用了獨立式鍵盤接法。獨立式鍵盤的實現(xiàn)辦法是運用單片機I/O口讀取口的電平高低來判斷與否有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接一種I/O口，程序開始時將此I/O口置于高電平，平時無鍵按下時I/O口保護高電平。當有鍵按下時，此I/O口與地短路迫使I/O口為低電平。按鍵釋放后，單片機內(nèi)部的上拉電阻使I/O口仍然保持高電平。我們所要做的就是在程序中查尋此I/O口的電平狀態(tài)就能夠理解我們與否有按鍵動作了。硬件電路如圖3-15所示：圖3-16按鍵電路3.6報警電路3.6.1燈光提示電路圖3-17燈光提示電路3.6.2聲音報警電路四