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1、. . .便携式酒精浓度监测仪的设计与仿真毕业论文目 录摘 要IABSTRACTII目 录B前 言1第1章 方案设计与论证21.1总体方案设计21.1.1传感器的选择21.1.2单片机的选择31.1.3总体方案框图4第2章 硬件电路设计52.1 主控模块设计52.2电源电路的设计72.3传感器的筛选82.4 AD转换电路的设计132.5键盘电路152.6显示电路172.7声光报警电路19第3章 软件设计213. 1数据处理子程序设计233.2键盘扫描子程序243.3键盘阈值设定子程序243.4显示子程序253.5报警子程序26第4章 系统仿真及调试284.1硬件调试284.2软件调试284.3
2、软、硬件联调284.4调试故障及原因分析284.5结论及进一步设想29第5章 PCB设计305.1 PCB板面规划305.2 PCB网络表导入305.3 仪器的PCB制作315.3.1 PCB元件布局315.3.2 pcb布线31参考文献33致 谢34附录1 程序清单35附录2 系统仿真电路图52附录3 原理图53附录4 PCB54附录5 元器件清单55.参考资料.前 言 资料显示，我国近几年发生的重大交通事故中，有将近三分之一是由酒后驾车引的因此，对驾驶员饮酒程度的检测正越来越受到重视，酒精浓度检测器逐渐得到了广泛的应用。酒精浓度检测器不仅可以作为交警快速准确地判断驾驶员是否酒后驾车的取证工
3、具，同时也可以用于驾驶员自测是否饮酒过量。此外，也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度的场合。由此可见，酒精浓度检测器具有巨大的潜在用户群，市场前景十分广阔。人民的生活水平迅速提高，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频发生:酒后驾车引起的交通事故是由于司机的过量饮酒造成人体酒精浓度过高，麻痹神经，造成大脑反应迟缓，肢体不受控制等症状。少量饮酒并不会有上述症状，即人体酒精浓度比较低时，而人体酒精超过某一个值时就会引起危险。为此，需要设计一智能仪器能够监测驾驶员体酒精含量。目前全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者体酒精含量的
4、多少，以确保驾驶员的生命财产安全。此外，空气酒精浓度监测仪还能监测某一特定环境的酒精浓度如酒精生产车间可避免发生起火、爆炸及工业场地酒精中毒等恶性事故，确保环境安全。本课题研究的是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有声光报警功能及LCD显示功能的空气酒精浓度监测仪。其可监测出空气环境中酒精浓度值，并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。本课题采用MQ3气敏传感器，AT89C51单片机实现空气酒精浓度实时测量，通过LCD显示屏进行显示。可以通过键盘设定阈值，超过阈值具有声光报警提示。论文的总体思路如下：第1章为系统总体方案的设计与论证，主要是对系统
5、的可行性进行分析及元器件的选择以便设计出最佳方案。第2章是则包含各个模块进行了电路测试到最后设计出总体电路图的整个设计过程。其中对电源电路的设计比较简单，而对LCD液晶显示模块及键控模块做了比较详细的设计介绍。第3章主要针对系统的软件设计及格子模块的软件分析并设计制作了各个模块的的流程图。第4章为系统的调试分析部分，经过系统的调试分析用以确定整个系统是否可投入生产。综上经过各章节的有序衔接从而本设计得以实现。第1章 方案设计与论证1.1总体方案设计本课题研究的是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有声光报警功能及LCD显示功能的空气酒精浓度监测仪。其可监测出空气环境中酒精浓度值
6、，并需要根据不同环境不同驾驶员的水平设置不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警，来提示危害。所以需要增设键盘控制模块实现人机交互功能，超过阈值进入声光报警功能。1.1.1传感器的选择可以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型，分别是： 燃料电池型（电化学）、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型1。由于价格和使用是否方便等因素所决定，目前普遍使用的只有燃料电池型（电化学型）和半导体型二种。这二种能够制造成便携型呼气酒精测试器，适合于现场使用。 燃料电池型呼气酒精测试仪采用燃料电池酒精传感器作为气敏元件，它属于电化学类型，因此又称为电化学型。燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源，
7、它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染。作为酒精传感器只是燃料电池的一个分支。燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室充满了特种催化剂，它能使进入燃烧室的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在二个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上。此电压与进入燃烧室气体的酒精浓度成正比，这就是燃料电池型呼气酒精测试仪的基本工作原理半导体型采用氧化锡（等其他半导体氧化物）半导体作为传感器，这类半导体器件具有气敏特性，当接触的气体中其敏感的气体浓度增加，它对外呈现的电阻值就降低，半导体型呼气酒精测试仪就是利用这个原理做成的2。这种半导体在不同工作温度时，对不同的气体敏感程度是不同的，因此半导体型呼气酒
8、精测试仪中都采用加热元件，把传感器加热到一定的温度，在该温度下，该传感器对酒精具有最高的敏感度。本设计中经过比较后采用MQ3型气敏传感器是由微型A12O3 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，而加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。1.1.2单片机的选择纵观现有的酒精检测器，系统实现方案上大部分以传统的单片机(如MICROCHIP公司的PIC系列)为基础，并借助相应的外围电路，将检测结果通过LED、LCD等显示方式告知使用者。考虑到技术先进性和人性化设计的需要，如果能在上述方案中加入语音提示、语音播报检测结果等新功能，将是非常有益的。从技术的
9、角度看，在现有方案中加入专用的语音处理芯片(如AC48105)，从而实现语音功能，并不是非常复杂，但是这样会使原有的系统结构上变得不够精简，且导致性价比下降。如果选用的单片机本就方便地处理语音信号，那么实现语音功能就将变得相对简单。但考虑到经济以及自己所学的AT89C51是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第三代单片机的代表。第三代单片机包括了INTEL公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8C152、AT89C51FA/FBAT89C51GA/GB8C4518C452，还包括了PHILIPSSIEMENSADM、FUJUTSUOKIHARRIA-METRAAT
10、MEL等公司以AT89C51为核心推出的大量各具特色与AT89C51兼容的单片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现MICROCOMPUTER完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/D、PWM、PCA(可编程计数器阵列)、WDT(监视定时器)、高速I/O口、计数器的捕获/比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。PHILIPS公司还为这一代单片机AT89C51系列8C592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线-CAN(CONTROLLER AREA NETWORK B
11、US3。新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础，本设计亦选择AT89C51进行汇编语言的编写。1.1.3总体方案框图硬件设计时，考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量，而且传感器输出的是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ADC0809采集数据送人单片机进行处理。此外，还需接入LCD显示，8279键盘/显示器接口芯片，声光报警电路等。其系统总体方案框图如图1所示。被测环境气敏传感器AD转换电路单片机主控模块LCD显示声光报警电路8279接口芯片键盘图1.1 系统总体方案框图第2章 硬件电路设计2.1 主控模块
12、设计AT89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片单一总线连接而成，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。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分容：一是系统扩展，即单片机部的功能单元，如ROMRAMI/O口定时/记数器中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既
13、按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器打印机A/DD/A转换器等，要设计合适的接口电路。2.1.1 微处理器该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。2.1.2 数据存储器AT89C51片为128个字节，片外最多可外扩至64K字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。2.1.3 程序存储器由于受集成度限制，片只读存储器一般容量较小，如果片的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64K字
14、节。2.1.4并行I/O口AT89C51共有4个并行8位I/O口（P0、P1、P2、P3），每个口都有1个锁存器和1个驱动器组成。并行I/O口主要是用于实现与外部设备中数据的并行输入/输出，有些I/O口还具有其他功能。2.1.5 特殊功能寄存器AT89C51共有21个，用于对片的各功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。由上可见，AT89C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在
15、开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的突破，也是MCS-51单片机在设计的精美之处3。2. 1.6 时钟电路AT89C51虽然有部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。AT89C51单片机的时钟产生方法有两种。部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用部时钟方式，利用芯片部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，C1、C2可在20PF到100PF之间取值，但在60PF到70PF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择12MHZ，电容选择65PF。在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳
