基于单片机酒精浓度检测仪的设计毕业论文设计.docx

基于单片机酒精浓度检测仪的设计毕业论文设计酒精浓度检测仪的设计二、酒精测试仪总体方案设计42.1酒精浓度检测仪设计要求分析42.2酒精浓度检测仪设计方案4«、irI53.1 传感器的选择53.2 A/D转换电路63.3 89C51单片机系统93.4 1.ED显示电路123.5 键盘电路133.6 报警电路13四、软件设计.144.1主程序框图144.2 数据采集子程序程序框图154.3 报警子程序程序框图15五、课程设计系的心得体会17六、参考文献17附图整体电路图18酒精浓度检测仪的设计一、前言近年来，我国越来越多的人有了自己的私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频繁发生。为此，我国将酒驾列入刑法范围内，所以需要设计一智能仪器能够检测驾驶员体内酒精含量。本课程设计研究的是一种以气敏传感器和单片机A/D转换器为主，检测驾驶员呼出气体的酒精浓度，并具有声光报警功能的空气酒精浓度监测仪。其可检测出空气环境中酒精浓度值，并可根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警来提示危害。本课题分为两部分：硬件设计部分和软件设计部分。硬件部分为利用MQ3气敏传感器测量空气中酒精浓度，并转换为电压信号，经A/D转换器转换成数字信号后传给单片机系统，由单片机及其相应外围电路进行信号的处理，显示酒精浓度值以及超阈值声光报警。程序采用模块化设计思想，各个子程序的功能相对独立，便于调试和修改。而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、A/D转换电路、声光报警电路、1.ED显示电路,按键电路，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍。二、酒精测试仪总体方案设计2.1酒精浓度检测仪设计要求分析设计的酒精浓度测试仪应具有如下特点：（1）数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有1.ED显示以及键盘响应电路,无需要其他计算机，用户就可以与之进行交互工作，完成数据的采集、存储、计算、分析等过程。（2）系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。（3）从便携式的角度出发，系统成功使用了数码管显示器以及小键盘。由单片机系统控制键盘和1.ED显示来实现人机交互操作，界面友好。（4）软件设计简单易懂。2. 2酒精浓度检测仪设计方案设计时，考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量，传感器输出的是0-5伏的电压值且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出电压值经过A/D转换器转换得到数据送入单片机进行处理。此外，还需接人1.ED显示，4*4键盘，报警电路等。其总体框图如图2-1所示。1.ED显示三、硬件设计2.1 .1传感器的选择本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度，再转换为血液中的酒精含量浓度，故采用气敏传感器。考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性，所以传感器只能对酒精气体敏感，对其他气体不敏感，故选用MQ3型气敏传感器。其有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。MQ3型气敏传感器由微型A1203,陶瓷管和SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。传感器的标准回路有两部分组成。其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻值的变化。传感器的表面电阻RS的变化，是通过与其串联的负载电阻R1.上的有效电压信号VR1.输出面获得的。负载电阻R1.可调为O.5-200Ko加热电压Uh为5v。上述这些参数使得传感器输出电压为0-5V。MQ3型气敏传感器的结构和外形、标准回路、传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系图如图3-3所示。为了使测量的精度达到最高，误差最小，需要找到合适的温度，一般在测量前需将传感器预热5分钟。图3-1MQ3结构和外形图3-2MQ3结构图图3-3传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系本系统测量时还需要测量呼气量的大小，我们采用空气流量传感器空气流量传感器的热线电阻和温度补偿电阻分别连接在电桥电路上，当空气流经发热元件（热线电阻）时，热线的温度和电阻发生变化，空气带走的热量与流过发热元件的空气质量具有成正比的对应关系，使得电桥失去平衡，控制电路将改变供给发热云件的电流，使其温度保持在设定温度。当电桥电流改变时，取样电阻两端的电压也同时改变，从而将空气流量的变化转换为电压信号的变化。信号电压输入add）809中，输出接8个发光二极管，根据发光二极管亮的多少判断呼气量的大小。2.2 A/D转换电路在单片机应用系统中，被测量对象的有关变化量，如温度、压力、流量、速度等非电物理量，须经传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。实现模拟量转换成数字量的器件称为A/D转换器（ADC）oA/D转换器大致分有三类：一是双积分A/D转换器，优点是精度高，抗干扰性好，价格便宜，但速度慢；二是逐次逼近型A/D转换器，精度、速度、价格适中；三是A/D转换器。该设计中选用的是ADC0809属第二类，是8位A/D转换器。0809具有8路模拟信号输入端口，地址线（23-25脚）可决定那一路模拟信号进行A/D转换。22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2us的高电平脉冲时，就开始A/D转换。7引脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许端，当OE脚为高电平时，A/D转换数据输出。10脚为0809的时钟输入端。3. 2.1ADCO809的引脚及功能逐次比较型A/D转换器在精度、速度、和价格上都适中，是最常用的A/D转换器件。芯片米用的是ADC0809,以下介绍ADC0809的引脚及功能。芯片如图3-4所示。IN2INlINOADDQADDBADDCE/1.7G54OV2ADDDDD-D商27药商药酉酉H药酉三3Z三I51图3-4ADCo809的引脚ADeo809是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。由图可见,ADCo809共有28个引脚，采用双列直插式封装。主要引脚功能如下：INO-IN7是8路模拟信号输入端。D0-D7是8位数字量输入端。(3) A、B、C与A1.E控制8路模拟通道的切换，A、B、C分别与3根地址线或数据线相连，3位编码对应8个通道地址端口。(4) 0E.START.C1.K为控制信号端，OE为输出允许端，START为启动信号输入端，C1.K为时钟信号输入端。(5) Vr(+)和VK-)为参考电压输入端。3.2.2ADC0809的结构及转换原理ADC0809的结构框图如图3-6oADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V电源供电。片内有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A引脚的功能来决定所选的通道。0809完成一次转换需100HS左右，输出具有H1.三态锁存缓冲器，可直接连接到MCS-51的数据总线上。通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。STARTIN7cBAA1.EVr(+)P图3-6ADC0809的结构框图3.2.3ADCO809连线图ADC0809与单片机的连线图如图3-7：2562口Bu-Tr8qQ2Q3<HQ5Q63BZBsJQ卜1.EMD1D2D3D4册D6mUndammADADADD0D1D2D3D4D5D6D7POOPOlP02M3PMP05P06P07PIO(RXD)P3(TXD)P33面)P3.4(T0)P3.5O1)P3砸)P3.7(RD)RESETA1.E?酝Q1Qw461PpppPPPPXlX2瓦图3-7ADC0809的连线图3.389C51单片机系统单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算,逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU),随机存取数据存储器(RAM),只读程序存储器(RoM),输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(1.CD或1.ED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM),模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个虽小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。3.3.1单片机片内结构51单片机的片内结构如图3-8所示。它把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。按功能划分，它有如下功能部件组成：(1)微处理器(CPU)0数据存储器(RAM)。程序存储器(ROMEPROM)0(4) 4个8位并行I/O(Po口、PI口、P2口、P3口)。(5) 一个串行口。(6) 2个16位定时器、计数器。(7) 2个16位定时器、计数器。中断系统。(8)特殊功能寄存器(SFR)0上述功能部件都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但CPU对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。从硬件角度来看，与MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列机，比在片外加EPROM才能相当的8031单片机抗干扰性能强，与87C51单片机技能相当，但功耗小。程序修改直接用+5V或+12V电源擦除，更显方便、而且其工作电压放宽至2.7V-6V,因而受电压波动的影响更小，而且4K的程序存储器完全能满足单片机系统的软件要求，故AT89C51单片机是构造本检测系统的更理想的选择。(8) 3.289C51芯片介绍掌握MCS-51单片机，应首先了解MCS-51的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能，MCS-51系列中各种型号芯片的引脚是互相兼容的。制作工艺为HMOS的MCS-51的单片机都采用40只引脚的双列直插封装方式，如图3-9所示。P1.0匚OZlVccpi.iCP0.0(ADO)P1.2匚PO.1(AD1)P1.3匚P0.2(AD2)P1.4匚P0.3(AD3)P1.5匚P0.4(AD4)P1.6CP0.5(AD5)Pl.7匚P0.6(AD6)RSTP0.7(AD7)(RXD)P3.0UEA/VPP(TXD)P3.1匚JA1.E/PROG«(INTO)P3.21.JPSEN(INT1)P3.3UP2.7(A15)TOP3.4匚P2.6(A14)T1P3.5二P2.5(A13)(WR)P3.6匚P2.4(A12)(RD)P3.7匚P2.3(A11)XTA1.1匚P2.2(A10)XTA1.2匚P2.1(A9)GND1.P2.0(A8)PDIP图3-9AT89C51芯片管脚图40只引脚按其功能来分，可分为如下3类：(D电源及时钟引脚：Vcc、Vss.XTA1.l>XTA1.2o电源引脚接入单片机的工作电源。VCC接+5V电源，VSS接地。时钟引脚XTA1.1、XTA1.