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1、学 海 无 涯,酒精浓度检测仪的设计,1,目录 一、前言 . 4 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 . .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 . 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 . 17 六、参考文献 . 1
2、7 附图 整体电路图 . 18,2,学 海 无 涯,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
3、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 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： 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，完成数据的采集、存
4、储、计算、分 析等过程。 系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。 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。 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。,学 海 无 涯 其总体框图如图2-1所示。,图2-1 基本工作原理图,三、硬件设计 3.1.1 传感器的选择
5、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， 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
6、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 05-200K。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。,气敏 传感器,A/D 转换 电路,单片机,声光报警电路,LED 显示,键盘,空气流量 传感器,被测 环境,3,学 海 无 涯,图3-1 MQ3 结构和外形,图3-2 MQ3 结构图,图3-3,4,传感器阻值变
7、化率与酒精浓度、外界温度之间的关系,5,学 海 无 涯 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adc0809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。,A/D转换电路 在单片机应用系统中，
8、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 脚）可决定那一路模拟信号进行 A/D
9、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 2s 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。 ADC0809 的引脚及功能,学 海 无 涯 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 所示。,图 3-4 ADC0809
10、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。 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
11、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 100s 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。,6,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：,学 海 无 涯 STARTCLK,OE,VR(+),VR
12、(),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,IN7 . IN0,7,学 海 无 涯,8,图 3-7 ADC0809 的连线图 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
13、 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。 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： 微处理器（CPU）。 数据存储器(RAM)。 程序存储器（ROM/EPROM）。,学 海 无 涯 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）。 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
