单片机课程设计报告酒精浓度检测仪的设计.doc

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1、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、参考文献六、参考文献.17 附图

2、附图 整体电路图整体电路图.18 酒精浓度检测仪的设计酒精浓度检测仪的设计 一、前言一、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

3、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、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二、酒精测试仪总体方案设计 2.1 酒精浓度检测仪酒精浓度检测仪设计要求分析设计要求分析 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

4、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。 2.22.2 酒精浓度检测仪设计方案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

5、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 显示 键盘 图图2-12-1 基本工作原理图基本工作原理图 三、硬件设计三、硬件设计 3.1 传感器的选择传感器的选择 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，陶瓷管和 SnO2 敏感层、测量电极和加热器

6、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 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

7、感器预热 5 分钟。 图图3-13-1 MQ3MQ3 结构和外形结构和外形 图图3-23-2 MQ3MQ3 结构图结构图 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传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系 3.23.2 A/DA/D转换电路转换电路 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

8、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 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。

9、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 所示。 图图 3-43-4 ADC0809ADC0809 的引脚的引脚 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

10、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 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。 图图 3-53-5 通道选择表通道选择表 OE、START、CLK 为控制信号端，

11、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。 START CLK OEV

12、R(+) 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 图图 3-63-6 ADC0809ADC0809 的结构框图的结构框图 3.2.3 ADC0809 连线图 ADC0809 与单片机的连线图如图 3-7： 图图 3-73-7 ADC0809ADC0809 的连线图的连线图 3.33.3 89C5189C51 单片机系统单片机系统 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(CP

13、U)，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(R

14、AM)。 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） 。 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 图图 3-83-8 5151 单片机片内结构单片机

15、片内结构 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

16、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。 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST (TXD) P3.1 (INT0) P3.2 (INT1) P3.3 T0 P3.4 T1 P3.5 (WR) P3.6 (RD) P3.7 XTAL1 XTAL2 GND Vcc P0.0 (AD0) P0.1 (A

17、D1) P0.2 (AD2) P0.3 (AD3) P0.4 (AD4) P0.5 (AD5) P0.6 (AD6) P0.7 (AD7) EA/VPP PSEN P2.7 (A15) P2.6 (A14) P2.5 (A13) P2.4 (A12) P2.3 (A11) P2.2 (A10) P2.1 (A9) P2.0 (A8) PDIP (RXD) P3.0 ALE/PROG 图图 3-93-9 AT89C51AT89C51 芯片管脚图芯片管脚图 40 只引脚按其功能来分，可分为如下 3 类： 电源及时钟引脚：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。 电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc

18、 接+5V 电源，Vss 接地。 时钟引脚 XTAL1、XTAL2 外接晶体与片内的反相放大器构成了 1 个晶体振荡器，它 为单片机提供了时钟控制信号。2 个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。XTAL1 接外 部的一个引脚。该引脚内部是一个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内 振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚接地。XTAL2 接外部晶体的另一端，在该 引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接受时钟 振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 控制引脚：、ALE、RESET（RST）。此类引脚提供控制信号，有的还PSENEA 具有复用功能

19、。 RST/VPD引脚：RESET（RST）是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行 时，在此引脚加上持续时间大于 2 个机器周期（24 个振荡周期）的高电平时，就可以 完成复位操作。在单片机工作时，此引脚应为0.5V 低电平。VPD为本引脚的第二功能， 即备用电源的输入。当主电源发生故障，降低到某一规定值的低电平时，将+5V 电源自 动接入 RST 端，为内部 RAM 提供备用电源，以保证片内 RAM 的信息不丢失，从而使单 片机在复位后能正常进行。 ALE/ 引脚：ALE 引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作PROG 后 ALE 引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器

20、时，ALE 输出信号的负跳沿 用于单片机发出的低 8 位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部锁 存器，ALE 端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率的 1/6。 为该引脚PROG 的第二功能。在对片内 EPROM 型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。 引脚：程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此PSEN 引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的 OE（输出允许端）。 /VPP引脚：功能为片内程序存储器选择控制端。当引脚为高电平时，EAEAEA 单片机访问片内程序存储器，但在 PC 值超过 0FFFH 时，即超出

21、片内程序存储器的 4KB 地址范围时将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当引脚为低时，单片机只访EA 问外部程序存储器，不论是否有内部程序存储器。 I/O 口引脚：P0、P1、P2、P3，为四个 8 位 I/O 口的外部引脚。P0 口、P1 口、 P2 口、P3 口是 3 个 8 位准双向的 I/O 口，各口线在片内均有固定的上拉电阻。当这 3 个准双向 I/O 口作输入口使用时，要向该口先写 1，另外准双向口 I/O 口无高阻的“浮 空”状态。 由于单片机具有体积小、质量轻、价格便宜、耗电少等突出特点，所以本系统采 用 89C51 单片机，硬件设计电路图如图 1 所示。89C51 内部有

22、4KB 的 EPROM，128 字节 的 RAM，所以一般都要根据所需存储容量的大小来扩展 ROM 和 RAM。本电路接高电EA 平，没有扩展片外 ROM 和 RAM。 3.3.3 晶振电路和复位电路 电路图如下： 图图 3-103-10 晶振与复位电路晶振与复位电路 3.43.4 LEDLED 显示电路显示电路 LED 显示有静态显示和动态显示两种显示方式。本设计使用并行输入硬件译码静态 显示电路，静态显示电路中，各位可独立显示，只要在该位的段码线上保持段码电平， 该位就能保持相应的显示字符。电路中采用了锁存译码器 MC14495 将 P1 口低 4 位输出 的 BCD 码译成七段字型码，利

23、用 P1 口高四位做为各锁存译码器的所存信号，实现稳定 显示。LED 使用的是共阴极 7 段数码管。 数码管显示电路如下 图图 3-113-11 数码管显示电路数码管显示电路 3.53.5 键盘电路键盘电路 键盘有两种工作方式：编码式键盘和非编码式键盘。处理方式有扫描法和线反转 法。本设计采用的是非编码键盘，并利用扫描法处理按键，消抖由软件实现。 键盘扫描电路图 3-12： 图图 3-123-12 按键电路按键电路 3.63.6 报警电路报警电路 报警电路图 3-13： 图图 3-133-13 报警电路报警电路 四、四、软件设计软件设计 4.14.1 主程序框图主程序框图 主程序流程图如下图

24、4-1 所示。 图图 4-14-1 主程序框图主程序框图 初始化 LCD 显示子程序 数据处理子程序 键盘扫描子程序 序 A/D 转换子程序 序 大于阈值？ 声光报警 N 开始 Y 4.24.2 数据采集子程序程序框图数据采集子程序程序框图 A/D 转换子程序流程图如下图 3-2 所示。ADC0809 初始化后，把 0 通道输入的 0- 5V 的模拟信号转换为对应的数字量 OOH-FFH，然后将对应数值存储到内存单元。程序 框图如图 4-2 图图 4-24-2 数据采集子程序框图数据采集子程序框图 4.34.3 报警子程序程序框图报警子程序程序框图 系统设定阈值并保存在以 50H 开始的 3

25、个单元，为了便于比较和显示，阈值的千 位放入 50H 中，百位和十位放入 5lH，个位放人 52H 中。报警电路分为蜂鸣器报警电路 和 LED 发光报警电路组成。当输入端 P3.5 为低电平时，有电流通过蜂鸣器，蜂鸣器发 出声音报警。而当输入端为高电平时不报警。 报警子程序执行之前，将报警阈值转换为压缩的 BCD 码并存放在两个存储单元中。 传感器输入值 A/D 转换后，调用比较程序，经过数据处理后显示的测量值与阈值比较， 小于阈值则继续执行显示程序。若大于阈值则将单片机的 P3.5 口清零进行声光报警。 40H、4lH、42H 单元存放 A/D 转换后，并进行十进制转换后的结果。40H 和

26、50H 分别存 放的是处理后的测量值与阈值的千位的压缩 BCD 码，41H 和 51H 分别存放的是处理后的 测量值与阈值的百位、十位压缩的 BCD 码，42H 和 52H 分别存放的是处理后的测量值与 阈值的个位的压缩 BCD 码。程序首先对 40H、50H 中的值进行比较大小，如果 40H 中的 值大于 50H 中的值，则进行报警。依此类推，比较 41H 和 51H，42H 和 52H。程序框图 开始 启动 ADC0809 通道，并延时 100s 转换完？ 读出 A/D 转换结果 结果存入内存单元 返回 Y N 如图 4-3： 图图 4-34-3 报警子程序流程框图报警子程序流程框图 开始

27、 40H 中的 BCD 码大？ 与阈值相等？ 41H 中的 BCD 码大？ 42H 中的 BCD 码大？ 返回 Y Y Y 报警 N Y N N Y N Y N Y Y Y 与阈值相等？ 五、课程设计系的心得体会五、课程设计系的心得体会 经过一周的努力，终于完成了智能仪器的课程设计。这是我第一次基于单片机独 立设计一个东西，并且老师只给出了大致要求。这对于我来说是很有挑战性的。 首先这是一个基于单片机的课程设计，单片机是这学期学习的课程，虽然不陌生， 但是用起来还发现很多的问题。硬件方面还好解决，弄明白就可以了，但软件方面就 非常困难了，虽然以前还做过这方面的实验，但那都是是些简单应用。这次设

28、计真的 让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序 算法，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西 是很难理解的，更谈不上掌握。 其次，就是使用到的各种元器件。这次我使用的基本上都是已经学过的元件，但 真正用起来才发现自己还差的很多，所以我又重新对所用到的器件仔仔细细，认认真 真的研究了一遍从引脚，到时序，再到最后的电路整体构成，下了非常大的功夫才最 后弄出来。 回顾起此次单片机课程设计，我仍感慨颇多。通过这次课程设计使我懂得了理论 与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实 践相结合起来，从理论中得出

29、结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手 能力和独立思考的能力。这让我学到了很多课本上没有的东西，扩展了自己的视野， 增强了自己的动手能力，清醒的认识到自己的不足，培养了小心谨慎的作风，使自己 对课题设计了解进一步加深。总之，此次的课程设计使我收获颇丰，也是我上大学来 难忘的一次经历。 六、六、参考文献：参考文献： 1.程德福,王君.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社，2007 2.赵广林. protel99 电路设计与制版.北京：电子工业出版社，2005 3.王洪君.单片机原理及应用.济南：山东大学出版社.2009 4.王祁.智能仪器设计基础.北京：机械工业出版社.2009 附图（总图）附图（总图）