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1、测控电路课程设计 酒精浓度检测仪的设计 目目 录录 一 前言一 前言 4 二 酒精测试仪总体方案设计二 酒精测试仪总体方案设计 4 2 1 酒精浓度检测仪设计要求分析 4 2 2 酒精浓度检测仪设计方案 4 三 硬件设计三 硬件设计 5 3 1 传感器的选择 5 3 2 A D 转换电路 6 3 3 89C51 单片机系统 9 3 4 LED 显示电路 12 3 5 键盘电路 13 3 6 报警电路 13 四 软件设计四 软件设计 14 4 1 主程序框图 14 4 2 数据采集子程序程序框图 15 4 3 报警子程序程序框图 15 五 课程设计系的心得体会五 课程设计系的心得体会 17 六
2、参考文献六 参考文献 17 附图附图 整体电路图整体电路图 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围 所以需要设计一智能仪器能够检测驾驶员体 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
3、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 LED 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LED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
4、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LED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LED显示 4 4键盘 报警电 路等 其总体框图如图2 1所示 被测 环境 气敏 传感器 A D 转换 电路 单片机 声光报警电路 LED
5、显示 键盘 图2 1 基本工作原理图 三 硬件设计 3 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 Al2O3 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 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
6、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 RL 上的有效电压 信号 VRL 输出面获得的 负载电阻 RL 可调为 0 5 200K 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 MQ 3 型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物 二氧化锡 的 N 型半导体微晶烧 结层构成 当其表面吸附有被测气体酒精分子时 表面导电电子比
7、例就会发生变化 从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化 由于这种变化是可逆的 所以能 重复使用 图图3 13 1 MQ3 结构和外形 图3 2 MQ3 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 在系统电路调试正确以后 要作改进工作 使数码管上正确显示所测的酒精气体 浓度值 之前显示的是酒精浓度值与电压的对应关系 所以要显示酒精浓度值 需要 找到电压与浓度之间的关系 然后才能建立酒精浓度值与显示的映射关系 测量用的酒精溶液是用无水乙醇和纯净水按体积比来配制的 单位 mL mL 表示的 是 1mL 酒精溶液中含酒精的体积 准备多个不同浓度的酒精气体样品 最小为 100
8、ppm 依次增加 300ppm 再依次用气敏传感器检测 记录对应的电压值 记录样品 的浓度和电压值之间的关系 根据曲线图的走向可以看出传感器的酒精浓度检测大致 围 然后根据这个围选择 11 个合适的浓度值 多次测量电压值 再取平均值作为最后 电压值 把 10 个标准区间围定下来 如表 1 档位酒精浓度 C1C2C3C 0100ppm 1400ppm 2700ppm 31000ppm 41300ppm 51600ppm 61900ppm 72200ppm 82500ppm 92700ppm 表 1 根据表所对应的关系 修改数据处理程序部分 建立酒精浓度和电压之间的关系 使 最终显示的数据为酒精浓
9、度值 3 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 A 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
10、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 2 s 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 1 ADC0809 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 芯片采用的是 ADC0809 以下介绍 ADC0809 的引脚及功能 芯片如图 3 4
11、 所示 图 3 4 ADC0809 的引脚 ADC0809 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 ADC0809 共有 28 个引脚 采用双列直插式封装 主要引脚功能如下 IN0 IN7 是 8 路模拟信号输入端 D0 D7 是 8 位数字量输入端 A B C 与 ALE 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 需要注意的是 ADC0809 虽然有 8 路模拟通道可以同时输入 8 路模拟信号 但每个 瞬间只能换 1 路 共用一个 A D 转换器进行转换 各路之间的切换由软件改变
12、C A B 引脚上的代码来实现 地址锁存与译码电路完成对 A B C 3 个地址位进行 锁存和译码 其译码输出用于通道选择 其转换结果通过三态输出锁存器存放 输出 因此可以直接与系统数据总线相连 图 3 5 为通道选择表 图 3 5 通道选择表 OE START CLK 为控制信号端 OE 为输出允许端 START 为启动信号输入端 CLK 为时钟信号输入端 VR 和 VR 为参考电压输入端 3 2 2 ADC0809 的结构及转换原理 ADC0809 的结构框图如图 3 6 ADC0809 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 片有锁存功能的 8 路选 1 的模
13、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 100 s 左右 输出具有 TTL 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 图 3 6 ADC0809 的结构框图 3 2 3 ADC0809 连线图 ADC0809 与单片机的连线图如图 3 7 START CLK OEVR VR VCC GND EOC D0 D7 三态输 出锁存 器 8 位 A D 转换 器 地址锁 存与密 码 C B A ALE 8 路模 拟量开 关 IN7 IN0 图 3 7 ADC0809 的连线图 3
14、3 89C51 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 LCD 或 LED 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 单片机片结构 51 单片机的片结构如图 3 8 所示 它把那些作为控制应用所必
15、需的基本容都集成 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 微处理器 CPU 数据存储器 RAM 程序存储器 ROM EPROM 4 个 8 位并行 I O 口 P0 口 P1 口 P2 口 P3 口 一个串行口 2 个 16 位定时器 计数器 2 个 16 位定时器 计数器 中断系统 特殊功能寄存器 SFR 图 3 8 51 单片机片结构 上述功能部件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 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 AT89C
16、XX 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 3 3 2 89C51 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 PSEN 88 E O C X T A L 1 CPU 运算器 控制器 数据存储器 RAM P0P2程序存储器 ROM EPROM P1 串 行 口 定时 器 计 数器 中断 系 统 特殊功能 寄存器 SFR P3 ALEEA IN7 I 0 X T A L 2 8 8 RESET P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7
