《毕业设计（论文）-基于单片机的酒精探测仪设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）-基于单片机的酒精探测仪设计.doc（33页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、I 摘 要 机动车驾驶人员“酒后驾车”极易发生道路交通事故，严重危害了道路交通安全 和人民生命财产安全。人饮酒后，酒精通过消化系统被人体吸收，经过血液循环，约 有 90%的酒精通过肺部呼气排出, 因此测量呼气中的酒精含量，就可判断其醉酒程度。 本探测仪采用酒精气体敏感元件作为探头，由一块集成电路对信号进行放大，并 驱动十个发光二极管按信号电压高低依次显示，同时由单片机控制对信号进行模数转 换用数码管输出。对刚饮过酒的人，只要向探头吹一口气，探测仪就能显示出酒精气 体的浓度高低。若把探头靠近酒瓶口， 它也能轻而易举地识别出瓶内盛的是白酒还是 黄酒，能区分出酒精含量的高低。 关键词：传感器；酒精探
2、测仪；单片机；模-数转换 II Abstract Driver drives very easy to happen traffic accident after drinking which endanger traffic safety and people safety of life and property seriously. After people drink, the alcohol is absorbed by the human body through the digestive system, through the blood circulation, nearly
3、 it have discharge exhaling lung alcohol of 90%. So measure the content of alcohol while exhaling , can judge its drunk degree. This detector adopts the alcohol gas sensitive element conduct to pop ones head , is amplified the signal by an integrated circuit, urge ten LED show sequentially according
4、 to signal voltage high or low prices, the Micro Controller Unit controls and changes and exports to the signal with the digital tube moduluses at the same time. To person that drink just, so long as to pop ones head one breath of blowing, detector can demonstrate density high or low prices , alcoho
5、l of gas. If pop ones head close to wine bottleneck, it can recognise whom the bottle hold white spirit or yellow rice or millet wine easy too, can distinguish out the level of the content of alcohol . Keywords: Sensor Alcohol detector Micro Controller Unit Analog to Digital Convert III 目 录 摘 要 .I A
6、BSTRACT II 第 1 章 绪论 .1 第 2 章 传感器基础知识 .3 2.1 传感器的定义.3 2.2 传感器的分类.3 2.3 传感器的特性.4 2.4 传感器的选择.5 2.5 传感器的发展方向.6 第 3 章 方案论证 .8 3.1 气体传感器的选择.8 3.1.1 MQ-3 基本介绍 8 3.1.2 MQ-3 的检测 9 3.2 编程语言的选择10 3.3 开发工具11 3.3.1 单片机选择11 3.3.2 开发环境13 3.3.3 仿真器13 3.4 系统框图14 第 4 章 系统实现 15 4.1 发光二极管显示15 4.1.1 LM3914 基本介绍 .15 4.1.
7、2 工作原理16 4.2 数码管显示16 4.2.1 ADC0809 主要特性 16 4.2.2 ADC0809 内部结构 17 4.2.3 ADC0809 外部特性 17 IV 4.2.4 工作原理19 4.2.5 A/D 转换 20 4.2.6 显示部分21 第 5 章 结论 22 5.1 结果分析22 5.2 有待改进的地方23 致 谢 24 参考文献 25 附录一：数码管显示程序 26 附录二：整体电路 29 1 第 1 章 绪论 传感器是人类探知自然界信息的触角。在人类文明的发展历史中，感受处理外 部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。在古代，传感技术由人的感官来实 现，人观天象
8、而仕农耕，察火色而冶铜铁。从 18 世纪产业革命以来，特别是在 20 世纪信息革命中，传感技术越来越多的由人造感官，即传感器来实现。目前，传感 器的应用如此广泛，可以说任何机械电气系统都离不开它。人们常常将传感器称之 为电五官，这是说如果将计算机比作人的大脑而称为电脑的话，那么传感器的地位 和功能就相当于人的眼，耳，鼻，舌，身五官。 由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居 住环境不可缺少的手段，气体传感器发挥着极其重要的作用。常用的主要有接触燃 烧式气体传感器、电化学气体传感器和半导体气体传感器等。接触燃烧式气体传感 器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等
9、稀有金属催化层） ，使用时对 铂丝通以电流，保持 300400的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体 就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通 过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。电化学气体传感器一 般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还 原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气体传感器具 有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛。 酒精是人类健康的大敌。一般白酒的酒精含量为 4565，果酒的酒精含量 为 1618，啤酒中酒精含量较少，占 35。酒精进入胃肠壁后，被迅
10、速 吸收溶解于血液中，一般在饮酒后 5 分钟便可以在血液中发现酒精，大约经过 2.5 小时，所饮酒中的酒精便被人体全部吸收，渗透到肌体各组织内部。有资料表明， 人体只要吸收 3080mgml 的酒精，就会出现健谈、行动笨拙、絮叨不休、感情 冲动、反应迟钝等状况；吸收 120mgml 以上的酒精，就已经是醉酒状态了，出现 疲劳嗜睡、大小便失去控制、昏迷；吸收 600mgml 的酒精，就将直接致人于死命 了。 酒后驾车发生事故的机率高达 27。随着摄入酒精量的增加，选择反应错误率 2 显著增加，当血液中酒精含量由 0.5增至 1，发生车祸的可能性便增加 5 倍， 如果增至 1.5，可能性再增加 6
11、 倍。 当然对付这些饮酒开车者，现在最便捷的就是使用酒精测试仪，可以当场直接 测试。司机只要将嘴对着传感器使劲吹气，仪器就会马上显示出酒精浓度的高低， 对照这个数字交警们就可以马上判断该司机是否喝酒了。 3 第 2 章 传感器基础知识 2.1 传感器的定义 国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一 定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感 器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规 律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、 显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测
12、和自动控制的首要环节。 2.2 传感器的分类 目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种： (1) 按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份 等传感器。 (2) 按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、 光栅热电偶等传感器。 (3) 按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和“0” 或 “开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码 的数字型传感器。 电阻式传感器 电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物 理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、
13、热电阻、热敏、 气敏、湿敏等电阻式传感器件。 电阻应变式传感器 传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变， 从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应 变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、 箔式的几十倍）、横向效应小等优点。 压阻式传感器 压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻 4 而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。 当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不 平衡输出。 用作压阻式传感器的基片（或称膜片
14、）材料主要为硅片和锗片，硅片 为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和 速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。 热电阻传感器 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温 度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较 为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳 定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量 -200C +500C 范围内的 温度。 2.3 传感器的特性 （1）传感器的静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具 有相互关系。因为这时输
15、入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传 感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其 对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数 有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。 （2）传感器的动态特性 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中， 传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标 准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意 输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标 准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器
16、的动态特性也常用阶跃响应和 频率响应来表示。 （3）传感器的线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中， 为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线 5 性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方 法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上 各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟 合直线。 （4）传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化y 对输入量变化x 的比值。 它是输出-输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显
17、线性关系，则灵 敏度 S 是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。 灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化 1mm 时，输出电压变化为 200mV，则其灵敏度应表示为 200mV/mm。当传感器的输出、 输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量 精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。 （5）传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输 入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不 会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变
18、化超 过分辨力时，其输出才会发生变化。 通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输 出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用 满量程的百分比表示，则称为分辨率。 （6）传感器的迟滞特性 迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程之间输 出-输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值MAX 与满量程 输出 FS 的百分比表示，迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。 2.4 传感器的选择 传感器千差万别，即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器， 因此，要根据需要选用最适宜的传感器。 （1）
19、 测量条件 6 如果误选传感器，就会降低系统的可靠性。为此，要从系统总体考虑，明确使 用的目的以及采用传感器的必要性，绝对不要采用不适宜的传感器与不必要的传感 器。测量条件列举如下，即测量目的，测量量的选定，测量的范围，输入信号的带 宽，要求的精度，测量所需要的时间，过输入发生的频繁程度。 （2） 传感器的性能 选用传感器时，要考虑传感器的下述性能，即精度，稳定性，响应速度，模拟 信号或者数字信号，输出量及其电平，被测对象特性的影响，校准周期，过输人保 护。 （3） 传感器的使用条件 传感器的使用条件即为设置的场所，环境(湿度、温度、振动等)，测量的时间， 与显示器之间的信号传输距离，与外设的
20、连接方式，供电电源容量。 2.5 传感器的发展方向 （1） 向高精度发展：随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在 不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型 传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产精度在万分之一以上的传感器的 厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求。 （2） 向高可靠性、宽温度范围发展：传感器的可靠性直接影响到电子设备的 抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温 度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在 -20C 70C，在军用系 统中要求工作温度在 -40C85C 范围，而汽车锅炉等场合要求传感器工
21、作在 - 20C 120C，在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高，因此发展新兴材 料（如陶瓷）的传感器将很有前途。 （3） 向微型化发展：各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积 能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料 及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感 器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等 各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。 （4） 向微功耗及无源化发展：传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时 7 离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是
22、用电池供电或用太阳能等供 电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源 又可以提高系统寿命。目前，低功耗损的芯片发展很快，如TI2702 运算放大器， 静态功耗只有 1.5mA，而工作电压只需 25V。 （5） 向智能化数字化发展：随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的 功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如 010mV） ，而是经过微电脑处理好 后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。 8 第 3 章 方案论证 3.1 气体传感器的选择 3.1.1 MQ-3 基本介绍 一个新型的气体检测系统应该包括： （1）基于一种或几种传感技术的气体传感
23、器。 （2）组合了气体传感器和采样调理电路的探头。 （3）配有人机接口软件的中心监测和控制系统。 （4）在一些应用中，与其它安全系统和仪器的接口。 本设计中的酒精气体传感器采用河南汉威电子有限公司的 MQ-3 型,它属于 MQ 系列气敏元件的一种。如图 3-1 所示： 图图 3-13-1 特点:检测范围为 10ppm2000ppm 灵敏度高，输出信号为伏特级； 响应速度快，小于 10 秒； 功耗0.75W， 尺寸：D17*H10 连续工作使用寿命大于三年，可靠性好。可根据用户要求调整外型参数提供应 用设计服务。 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
24、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。 MQ-3 的灵敏度特性曲线如 图 3-2 所示： 9 灵敏度特性曲线 图图 3-23-2 3.1.2 MQ-3 的检测 图图 3-33-3 如图 3-3 所示，当电源开关 S 断开时，传感器加热电流为零，实测 A，B 之间 电阻20M 欧。S 接通，则 f，f 之间电流由开始时 155mA 降至 153mA 而稳定。加 热开始几秒钟后 A，B 之间电阻迅速下降至 1M 欧以下，然后又逐渐上升至 20M 欧 以上后并保持着。此时如果将
25、内盛酒精棉花的小瓶瓶口靠近传感器，我们立即可以 10 看到数字万用表显示值马上由原来大于 20M 欧降至 1M 欧以下。移开小瓶过 15-40s 后，A，B 之间电阻恢复至大于 20M 欧。这种反应可以重复试验，但要注意使空气 恢复到洁净状态。 3.2 编程语言的选择 对于 8051 单片机，现有四种语言支持，即汇编、PLM、C 和 BASIC。 （1）BASIC 通常附在 PC 机上，是初学编程的第一种语言。一个新变量名定义后 可在程序中做变量使用，非常易学，根据解释的行可以找到错误而不是当程序执行 完才能出来。BASIC 由于逐行解释自然很慢，每一行必须在执行时转换成机器代码， 需要花费许
26、多时间，不能做到实时性。BASIC 为简化使用变量，所有变量都用浮点 值。22 这样简单的运算完全是浮点算术操作，因而程序复杂且执行时间长。即使 是编译 BASIC，也不能解决此浮点运算问题。8052 单片机片内固化有解释 BASIC 语 言，BASIC 适用于要求编程简单而对编程效率或运行速度要求不高的场合。 （2）PLM 是 lntel 从 8080 微处理器开始为其系列产品开发的编程语言。它很 像 PASCAL，是一种结构化语言，但它使用关键字去定义结构。PLM 编译器像好的 汇编器一样可产生紧凑代码。PLM 总的来说是高级汇编语言，可详细控制着代码 生成。但对 8051 系列，PLM
27、不支持复杂的算术运算、浮点变量，也无丰富的库函 数支持。学习 PLM 无异于学习一种新语言。 （3）C 是一种源于编写 UNIX 操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生紧 凑代码。C 结构是以括号 而不是字和特殊符号的语言。C 可以进行许多机器级函 数控制而不用汇编语言。与汇编相比，有如下优点： 对单片机指令系统不要求了解，仅要求对 8051 的存贮器结构有初步了解； 寄存器分配、不同存贮器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理； 程序有规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化； 具有将可变的选择与特殊操作组合在一起能力，改善了程序的可读性； 关键字及运算函数可用近似人的思维过程
28、方式使用； 编程及程序高度调试时间显著缩短，从而提高效率； 提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力； 已编好程序可容易地植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。 11 C 语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C 语言程序本身并不依赖 于机器硬件系统，基本上不作修改就可根据单片机的不同较快地移植过来。 （4）8051 汇编语言非常像其它汇编语言，指令系统比第一代微处理器要强一些。 8051 的不同存贮器区域使得其复杂一些。尽管懂汇编语言不是你的目的，但看懂一 些可帮助你了解影响任何语言效率的 8051 特殊限定。例如，懂得汇编语言指令就 可使用在片 RAM 做变量的优势，
29、因为片外变量需要几条指令才能设置累加器和数据 指针进行存取。要求使用浮点和启用函数时只有具备汇编程经验才能避免生成庞大 的、效率低的程序，这需要考虑简单的算术运算或先算好的查表法。最好的单片机 编程者应是由汇编转用 C 而不是原来用过标准 C 语言的人。 从实用性和语言的熟悉程度考虑，选用汇编语言编制主要程序，用 C 语言辅助 设计。 3.3 开发工具 3.3.1 单片机选择 单片机是把 CPU、内存及 IO 压缩在同一块芯片上，再外加一些电子元件便可 以构成一套简易的控制系统。如此一来可以降低硬件成本，由于单片机芯片设计及 制造技术的限制，在面积有限的芯片上无法设计出太大的内存空间，因此单片
30、机上 ROM 及 RAM 的容量都比较小，不过却也加入了位输入输出控制，计时计数器及外部 中断的控制功能，有些单片机还有串行传输的接口，甚至还提供有 AD (模拟至数 字转换)及 DA(数字至模拟转换)的接口，真可谓麻雀虽小五脏俱全。 8051 单片机是 INTEL 公司在 8048 的基础上，对其功能加以改进所开发出来的 8 位单片机，表 3-1 是 8048 与 8051 硬件功能的比较表。 从表中可以看出 8051 在功能上比 8048 强很多，程序代码(存于外部 ROM 中)的 设计空间如同传统 8 位的单片机，像 Z80、6502CPU 等，寻址至 64K 字节的范围， 更甚者，其随
31、机存储器(存于外部 RAM 中)可额外再寻址 64K 字节，这是 8051 特别 优异的一点，加上 IO 控制端口、中断功能、定时器及串行接口，使得在一块 8051 芯片上外加少许外接元件便可组成一个完整的单片机控制系统。 表 3-1 列出了 8051 系列的成员：其中 8751H 有可擦除可编程只读存储器 (EPROM)，可以存放程序代码，同时具有程序保密的特性，可以防止程序代码被任 12 意地拷贝，只是价格较贵。电路构成类型如为 CMOS 则耗电较低，而 8031 与 8051 的差别在于 8031 内部本身没有可存放程序代码的存储空间(没有内部 ROM 的型态)， 因此程序代码必须由外部
32、提供并外加 EPROM。 表表 3-13-1 80488048 和和 80518051 的功能比较的功能比较 比较项目 8048 8051 指令周期 2.5us 1us 内部 RAM 64 字节 128 字节 内部 ROM 1K 字节 4K 字节 外部 RAM 256 字节 64K 字节 外部 ROM 4K 字节 64K 字节 IO 引脚数 27 32 中断源 2 5 定时器 8 位 1 组 16 位 2 组 串行端口 无 一组 表表 3-23-2 80518051 系列内部系列内部 ROMROM 和内部和内部 RAMRAM 的内存容量的内存容量 编号 电路类型 ROM 存储容量（字节） RA
33、M 存储容量（字 节） 8051AH HMOS 4K ROM 128 8031AH HMOS 没有 128 8751H HMOS 4K EPROM 128 80C51 CMOS 4K ROM 128 80C31 CMOS 没有 128 8052 HMOS 8K ROM 256 8032 HMOS 没有 256 8051 主要功能列举如下： 为一般控制应用的 8 位单片机； 芯片内部有时钟振荡器(传统最高工作频率可达 12MHZ)； 13 内部只读存储器(ROM)为 4K 字节； 内部随机存储器(RAM)为 128 字节； 外部只读存储器可扩充至 64K 字节； 外部随机存储器可扩充至 64K
34、字节； 32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做 IO 的控制； 5 个中断向量源； 2 组独立的 16 位定时器； 1 个全双工串行通信端口： 8751 及 8752 单片机具有数据保密的功能； 单片机提供位逻辑运算指令。 本次设计选用的是低耗的 80C51 单片机。 3.3.2 开发环境 本设计选用的开发平台为 MedWin 单片机集成开发环境，只需在 PC 机上安装 MedWin 软件，即可配合仿真器进行模拟仿真，使用十分方便。 3.3.3 仿真器 目前，单片机因其诸多特点，在各行各业中得到了广泛的应用。单片机本身只 是一个电子器件，只有和其它器件、设备有机地组合在一起，并配置适当的工
35、作程 序(软件)后，才能构成一个单片机的应用系统。因此，单片机的开发包括硬件和软 件两个部分。单片机本身没有自开发功能，必须借助于开发工具。近年来，随着个 人计算机系统的不断普及，国内外推出了不少以PC机为基础的单片机开发系统；而 软件模拟仿真器是一种新型的开发方法。这种方法是在PC机上，用软件来实现仿真， 并配置一系列相关的服务程序，使用时，只要在PC机上运行该软件包，就可以对目 标码程序进行调试。对于那些只是用到单片机内部资源的设计来说，可以在软件仿 真器内完成仿真工作。 而单片机软件的设计总要和外部事件打交道，比如响应外部中断，检测某一引 脚上输入信号电平的高低，完成AD转换等；同时某些
36、情况下，还要根据外部信号 输出不同的控制信号。如果使用硬件仿真系统或在线调试器时，已有一个实实在在 的硬件环境，在调试时，可以利用目标系统提供给单片机各种信号的输入，以便测 14 试单片机的实际运行情况。如果使用软件仿真器，没有任何硬件环境可以给出这些 外部信号，所以外部信号的输入是面临的一个难题；此外单片机常常需要和其它常 用器件有机地组合在一起使用，如AD芯片、液晶显示板等，如何仿真这些常用器 件的功能，也是面临的一个难题。 本设计选用的仿真器是SE52P单片机仿真开发系统。 3.4 系统框图 图图 3-43-4 本系统如图 3-4 所示，气体传感器遇到酒精则将化学信号转换为电信号， LM
37、3914将此信号放大比较然后驱动相应的发光二极管使其点亮，从而显示酒精浓度 的高低。同时ADC0809将气体传感器转换的模拟电信号进行模数转换，并由单片机 控制，最后用数码管显示。 15 第 4 章 系统实现 4.1 发光二极管显示 4.1.1 LM3914 基本介绍 图图 4-14-1 发光二极管集成驱动器LM3914结构如图 4-1所示。其内部的缓冲放大器最大限 度的提高了该集成电路的输入电阻（5脚），电压输入信号经过缓冲器（增益为零） 同时送到10个电压比较器的异相（-）输入端。10个电压比较器的同相输入（+）端 分别接到10个等值电阻（1K欧）串联回路的10个分压端。因为与串联回路相接
38、的内 16 部参考电压为1.2V，所以相邻分压端之间的电压差为1.2V/10=0.12V。为了驱动 LED1发光，集成电路LM3914的1脚输出应该为低电平，因此要求电压比较器异相（- ）端的输入电压0.12V。同理，要使LED2发光，异相端输入电压应 0.12*2=0.24V；要使LED10发光，异相端输入电压应0.12*10=1.2V。 LM3914的9脚为点，条方式选择端，当9脚与11脚相接为点状显示；当9脚与3脚 相接，则为条状显示。本系统采用条状显示方式。 4.1.2 工作原理 图图 4-24-2 如图 4-2 所示，当检测到酒精气味时，气敏传感器的 A-B 间电阻变小，LM3914
39、 的 5 端电位升高，通过比较放大，驱动发光二极管依次发光，从而区分出酒精含量 的高低。 输入灵敏度可以通过电位器调节，即对“地”电阻调小时灵敏度下降；反之， 灵敏度增加。改变 7 脚与 8 脚之间电阻的阻值可以调节发光二极管的显示亮度，当 阻值增加亮度减弱，反之加强。 4.2 数码管显示 4.2.1 ADC0809 主要特性 (1) 8 路 8 位 AD 转换器，即分辨率 8 位。 (2) 具有转换起停控制端。 17 (3) 转换时间为 100s。 (4) 单个5V 电源供电 。 (5) 模拟输入电压范围 05V，不需零点和满刻度校准。 (6) 工作温度范围为-4085 摄氏度 。 (7)
40、低功耗，约 15mW。 4.2.2 ADC0809ADC0809 内部结构 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 AD 转换器，内部结构如图 4-3 所示，它 由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 DA 转换器、逐次逼 近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809 可处理 8 路模拟 量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出 与 TTL 兼容。 图图 4-34-3 4.2.3 ADC0809ADC0809 外部特性 ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 4-4 所示。下面说明 各引脚
41、功能。 18 图图 4-44-4 IN0IN7：8 路模拟量输入端。 ：8 位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。如表 4-1 所示： 表表 4-14-1 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START：AD 转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC：AD 转换结束信号，输出，当 AD 转换结束时，此端输出一个高电平 19 （转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 AD 转换结束时，此端输入 一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KH
42、Z。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。 ADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁 存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近 寄存器复位。下降沿启动 AD 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。 直到 AD 转换完成，EOC 变为高电平，指示 AD 转换结束，结果数据已存入锁存 器，这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果 的数字量输出到数据总线上。 4.2.4 工作原理 当检测到酒精气味时，气体传感器的 A-B 间
43、电阻变小，则 ADC0809 的模拟输入 端 IN0 的电压变大。采用查询方式对输入模拟信号进行 A/D 转换并且把转换结果存 到 30H 单元。然后将数据转换成三位十进制 BCD 码用数码管显示。程序流程图如图 4-5 所示： 图图 4-54-5 20 4.2.5 A/D 转换 ADC0809 与单片机 8051 的硬件接口方式有：查询方式，中断方式和等待延时方 式。采用中断方式不浪费 CPU 的等待时间，但如果 A/D 转换时间较短，也可以用程 序查询方式和等待延时方式。本系统采用查询方式。 ADC0809 芯片内部没有时钟脉冲源，可以用单片机 8051 提供的地址锁存控制输 入信号 AL
44、E 经 D 触发器二分频后，作为 ADC0809 的时钟输入。ALE 端信号的频率是 8051 单片机时钟频率的 1/6。如果单片机的时钟频率是 6MHz，则 ALE 端输出信号的 频率为 1MHz，再二分频后为 500kHz，符合 ADC0809 对时钟频率的要求。由于 ADC0809 具有三态输出数据琐存器，其 8 位数据输出端可以直接与数据总线相连。 地址选通端 ADDA，ADDB，ADDC 分别与 8051 地址总线的低三位 A0，A1，A2 相连， 用于选通 IN0-IN7 中的某一通道。由于 ALE 和 START 连在一起，ADC0809 在锁存通 道地址的同时启动 A/D 转换
45、。在读取 A/D 转换结果时，OE 产生的正脉冲信号用于打 开三态输出锁存器。ADC0809 的 EOC 信号与 8051 的 P2.3 相连，作为 A/D 转换是否 结束的状态信号供 8051 查询。 ADC0809 与 80C51 单片机的接口电路如图 4-6 所示 图图 4-64-6 21 4.2.6 显示部分 本系统采用三位数码管显示。 首先将转换完成存在 30H 单元的数据转换成三位十进制 BCD 码，百位存入 R2， 十存入 R3，个位存入 R4，然后将每位数字显示出来，并且显示约 1.2 S。 22 第 5 章 结论 5.1 结果分析 本系统中数码管显示的是模拟信号 A/D 转换
46、后的数值，通过数值的高低辨别酒 精浓度。结果照片如图 5-1 所示： 图图 5-15-1 1. 准备一个有盖小瓶，瓶内盛放一小块浸过酒精的药棉，平时盖紧瓶盖不让 酒精气体外逸，实验时打开瓶盖，逐渐靠近已经预热的 MQ-3 探头，发光二极管依 次点亮，同时数码管从小到大显示数值（0-256） ，从而分辨出酒精浓度的高低。 2. 取 5 只空瓶洗净，编号备用。取含量 97%的乙醇与空气按体积比为 0.1/100 0.2/100 0.3/100 0.4/100 0.5/100，分别与 5 只瓶中的空气充分混合，作为气 体样本。实验时将探测器预热后，将探头分别伸入 5 只瓶中，观察发光二极管是否 点亮
47、。 23 5.2 有待改进的地方 (1) 可以通过实验建立酒精浓度与显示数字之间的一一对应关系从而直接测出 酒精浓度。方法是配制不同浓度的酒精溶液，用制作的酒精探测仪测出相应的数值， 多次实验将得到的对应关系建立一个数表，显示的时候查表即可。 (2) 可以在本系统的基础上制作酒精检测钥匙。即在车钥匙上设计一个小吹管， 由一组讯号发射器连接至车上的电子控制组件，如果驾驶者在开门之前所做的酒精 吹气测试样本被发现超过法定允许的标准值，则系统将使引擎维持在静止状态无法 启动。当驾驶者按下遥控器上的“开门”按钮，酒精探测仪也随之启动，然后驾驶 者对着小管口吹气，酒精浓度会经由感应器上的小绿灯或小红灯显
48、示出来。当显示 绿灯时，钥匙将传送允许信号至车辆的电子控制系统，也就是通过检测，可以上路 了；但是如果测试结果为红灯，则车辆将维持在锁定状态，即使钥匙插入钥匙孔也 无法发动车子。 24 致 谢 在教学实验中心进行毕业设计的这近半年的时间里，我体验了一种不同于大学 前三年的全新的学习生活方式。实验中心良好宽松的实验环境给了我充分发挥的空 间，让我体验了个人努力和团队合作相结合的学习方式。在本次毕业设计的过程中， 首先要感谢的是张日欣老师，他渊博的知识、严谨的态度和诲人不倦的精神给我留 下了深刻的印象，使我受益匪浅。同时还要感谢李元斌老师，毕业设计过程中得到 了李老师的悉心指点给了我很大的帮助和启发，再次向两位老师表示我最诚挚的谢 意。 最后，向所有关心、帮助过我的老师、朋友和同学和表示衷心的谢意。是你们 让我顺利而又充实的完成了大学四年的学习生活，让我有了这段最美好的回忆，也 让我更有激情和信心迎接未来的挑战！ 25 参考文献 1司士辉.生物传感器.化学工业出版社,2003:3-9 2