畢業(yè)設計（論文）-實時酒精含量測試儀的設計.doc

泉 州 師 范 學 院畢業(yè)論文（設計）題 目 實時酒精含量測試儀的設計 物信 學 院 電子信息科學與技術 專 業(yè) 08級 2 班學生姓名 學 號 指導教師 職 稱 副教授 完成日期 2012年4月 教務處 制 33實時酒精含量測試儀的設計物理與信息工程學院 電子信息科學與技術專業(yè)指導老師 副教授【摘 要】本設計采用mq3酒精氣敏傳感器和單片機器件設計一款可編程的智能型實時酒精含量測試儀，可模擬實現(xiàn)對人體呼出氣體中酒精含量的測試,并且通過lcd液晶實時顯示測試數(shù)據(jù)。該裝置可設定濃度閾值,并具有超值報警功能。系統(tǒng)通過mq3傳感器采集的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后傳給單片機系統(tǒng),由單片機及其外圍電路進行信號的處理,實時顯示酒精濃度值，當超閾值時報警。用c語言進行編程,程序采用模塊化設計思想。 【關鍵詞】酒精含量，mq3傳感器，a/d549轉(zhuǎn)換，單片機，lcd1602目 錄摘要 1緒論 3第一章 酒精含量測試儀硬件電路設計3 1.1課題要求 3 1.2硬件總體設計思路 4 1.3硬件電路主要器件的選擇 5 1.4氣體傳感氣及放大電路 5 1.4.1 mq3氣體傳感器簡介 5 1.4.2 放大器lm358功能及管腳 6 1.4.3酒精傳感器mq3與放大器op07連接電路7 1.5模數(shù)轉(zhuǎn)換器tlc549及連接電路 7 1.5.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器tlc549功能及管腳簡介7 1.5.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器tlc549工作原理 8 1.6 ds1302時鐘模塊 9 1.7單片機at89s52最小系統(tǒng)連接電路 10 1.7.1單片機at89s52功能及管腳簡介 10 1.7.2本設計單片機最小系統(tǒng)連接電路 11 1.8lcd1602功能特性及管腳 11 1.9本設計1602lcd與單片機接口電路 12 1.10報警系統(tǒng)電路 13 1.11系統(tǒng)其他電路簡介13 1.11.1電源指示電路 13 1.11.2電源電路 13 1.11.3程序下載口電路 14 1.11.4按鍵控制電路 14 1.11.5穩(wěn)壓電路 15 1.12本章小結15第二章 酒精含量測試儀軟件設計 15 2.1主程序流程圖及設計15第三章酒精含量測試儀軟硬件調(diào)試及測試過程16 3.1軟硬件的合成調(diào)試 16 3.2 調(diào)試故障及分析 17 3.3 酒精濃度檢測的原理及依據(jù) 17 3.3.1檢測原理17 3.3.2檢測依據(jù)17 3.4傳感器濃度校準18 3.5 數(shù)據(jù)測試及分析 18 3.6實物圖展示 19第四章 結論20 致辭 20 參考文獻 21附錄1電路原理圖及pcb圖 23附錄2 系統(tǒng)程序 25緒 論隨著汽車制造業(yè)的發(fā)展，全球汽車擁有量的增加，據(jù)德國一家調(diào)研機構預測，全球汽車（包括個人用車和商用車）保有量最遲到 2010 年將突破10億量。隨著汽車保有量的增加，交通事故也在不斷的增加，全世界每年約有 120 萬人死于道路交通事故，受傷者多達 5000 萬人，同時全球道路交通事故每年造成的直接經(jīng)濟損失為 5180 億美元，可見道路交通安全問題已成為全球性的主題。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，公路建設也得到了前所未有的發(fā)展機遇。隨著公路運輸業(yè)的發(fā)展，公安部交管局透露，截至2011年8月底，全國機動車保有量達到2.19億輛。其中，汽車保有量首次突破1億輛，占機動車總量的45.88%，是機動車的主要構成部分。隨著汽車使用量的增加和道路交通事業(yè)的發(fā)展，也給社會帶來了負面影響。為了能夠有效的防止酒后駕駛造成的此類危害，研究一種酒精含量測試儀來測量駕駛員呼氣中酒精濃度是否超標是非常必要的，降低交通事故的發(fā)生率。駕駛員酒后駕車就像一顆顆流動的“炸彈”，隨時隨地都有可能爆炸，威脅著我們的安全。據(jù)調(diào)查研究中顯示，酒精對駕駛員有很大的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）酒精能麻醉人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使其功能失調(diào)，反應遲鈍，動作不協(xié)調(diào)，酒后駕駛人的判斷能力和操作能力明顯下降，因為低濃度血中酒精可導致認知和駕駛能降低，特別是對光、聲、圖像、畫面的反應時間延長，眼、手、腳之間的配合功能發(fā)生障礙，無法正確判斷車速和車距。（2）酒精使駕駛人的意識模糊，注意力減弱或分散。駕駛人在中樞神經(jīng)系統(tǒng)被麻醉情況下，無法集中注意力，視野范圍縮小，視像模糊，對處于視野邊緣的危險隱患難以發(fā)現(xiàn)。 （3）酒精涉入一定量后使人的危險感受性下降,在酒精的麻痹下，人的觸覺敏感度降低，危險感受性也會隨著酒精作用而降低，因而容易對自己的能力過高估計，對周圍人的勸告不予理睬，駕車行駛在路上也不會感覺有危險的存在，易于我行我素，橫沖直撞。1第一章 酒精含量測試儀硬件電路設計 1.1 課題要求設計一個便攜式駕駛員酒精含量測試儀，測試人體呼出氣體中酒精含量。它對酒精快速響應，預熱時間短，靈敏度高，測量直觀，功耗低。測試儀可以采用氣體傳感器作為敏感單元,把氣體中含有的乙醇氣態(tài)濃度轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)電子電路放大以及微處理器處理,由lcd直觀顯示被測氣體中的乙醇濃度。 設計要求：（1） 偵測濃度: 危險濃度為大于 0.4mg/l，安全濃度為小于0.25mg/l,介于兩者之間是警戒濃 度。（2） 顯示方式: 使用lcd顯示測量出來的酒精濃度值，并使用綠色led亮指示安全狀態(tài)，橙 色led亮指示警戒狀態(tài)，紅色led亮指示危險狀態(tài)。（3）使用環(huán)境: 0-40（4）使用電池: 3vdc(aaa電池2)（5）暖機時間: 20秒內(nèi)（6）測試時間：6秒1.2 硬件總體設計思路思路從設計的要求出發(fā)，要求是測試酒精氣體的濃度，必然要用到酒精傳感器。設計出來的儀器要對酒精快速響應，預熱時間短 ，這就對酒精傳感器的性能指標有一定的要求，首先這個酒精傳感器本身就很好的靈敏度，和檢測到的酒精氣體發(fā)生化學反應快。測量直觀要求儀器有一個顯示器，能直接從顯示器上讀取測試結果，這時選擇一個lcd液晶做顯示器。又考慮到酒精傳感器采集到的電信號是微弱模擬信號，而單片機所能處理的是數(shù)字信號，所以還要運用運放和一塊a/d轉(zhuǎn)換芯片，把酒精傳感器采集到的模擬電信號放大，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，再送到單片機進行信號處理，經(jīng)單片機運算處理的數(shù)字電信號最后送到lcd液晶進行顯示。以下是對本課題重點難點分析：設計重點: （1）掌握整個測試儀的工作過程、每個環(huán)節(jié)的原理。（2）單片機、酒精傳感器、時鐘模塊、運放等器件的選用。（3）測量標定。設計難點：（1）酒精傳感器、運放、a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機、lcd顯示的集成電路設計（2）采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、以及顯示數(shù)據(jù)的程序的編寫。（3）酒精氣體的采集過程。（4）測試數(shù)據(jù)時，精度達到要求。硬件設計總體框架1602顯示器89c51單片機mq3傳感器電壓信號放大器ad549轉(zhuǎn)換器酒精氣體 電信號 信號放大 數(shù)字信號 信號顯示圖1.1硬件設計總體框1.3 硬件電路主要器件的選擇在滿足上訴測試要求的前提下，選擇自己熟悉并且常用的器件，方便調(diào)試，而且容易買到，還要考慮到總體的成本，選擇比較經(jīng)濟的器件，價格控制在一定范圍內(nèi)。本設計選擇的主要器件有如下：（1）單片機：at89s52 （2）酒精傳感器：mq3（3）運算放大器：lm358（4）a/d：tlc549（5）lcd：1602 （7）時鐘：ds1302 1.4 氣體傳感氣及放大電路氣體傳感器是氣體檢測系統(tǒng)的核心，通常安裝在探測頭內(nèi)。從本質(zhì)上來講，氣體傳感器是一種將氣體體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成相對應的電信號的轉(zhuǎn)換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調(diào)理，一般情況下包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理以及樣品抽吸，甚至是對樣品進行化學處理，以便化學傳感器能夠進行較快速地測量。2這在選擇傳感器的時候，一定要考慮到穩(wěn)定性、靈敏度、選擇性和抗腐蝕性，因而選擇mq3型酒精傳感器。1.4.1 mq3氣體傳感器簡介mq3氣敏元件的結構和外形如圖1.2所示,電路連接圖如圖1.3 所示，由微型al2o3陶瓷管、sno2 敏感層,測量電極與加熱器構成的敏感元件固定在塑料或是不銹鋼制成的腔體里，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝較好的氣敏元件有只針狀管腳，其中個用于信號取出，個用于提供加熱電流。具有廣泛的探測范圍，適用于酒精檢測。對乙醇蒸氣有很高的靈敏度和良好的選擇性，快速的響應恢復特性，長期的壽命和可靠的穩(wěn)定性，簡單的驅(qū)動回路等特點。通常用于機動車駕駛人員是否酗酒及其它嚴禁酒后作業(yè)人員的現(xiàn)場檢測；也用于其它場所乙醇蒸氣的檢測.；也可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置。 圖1.2 mq3結構與外形 圖1.3 mq3電路連接 回路中有兩部分組成：其一為加熱回路；其二為信號輸出回路，它可以準確反映傳感器表面電阻的變化。傳感器表面電阻rs 的變化，是通過與其串聯(lián)的負載電阻rl 上的有效電壓信號vrl 輸出面獲得的。二者之間的關系表述為：rs/rl=(vccvrl)/vrl，其中vcc為回路電壓，負載電阻rl可調(diào)為0.5200k，vcc同時作為加熱電壓。3工作條件：使用溫度在-2055范圍；儲存溫度在-20-70范圍；相對濕度要求不大于95%rh；氧氣濃度在21%(標準條件)?；芈冯妷阂?5v（ac or dc），加熱電壓要求是5.0v0.2 v，測量電壓不大于24v。負載電阻要可調(diào)，加熱電阻是313；加熱功耗900mw，屬于小功率；探測空氣中酒精濃度范圍100ppm-2000ppm。為了使測量的精度達到最高，誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測量前需要將傳感器預熱5 分鐘。 mq3靈敏度特性曲線資料如圖1.4： 圖1.4 mq3靈敏度特性曲線本靈敏度曲線圖條件：溫度：20、相對濕度：65%、氧氣濃度：21% rl=5k rs：元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。r0: 元件在潔凈空氣中的電阻值。1.4.2放大器lm358功能及管腳lm358 內(nèi)部包含有兩個相互獨立的、增益高、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適于電源電壓范圍較寬的單電源使用，也適于雙電源的工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包含了傳感放大器、直流增益模塊與其他所有可用單電源供電使用運算放大器的場合。圖1.5 lm358管腳圖管腳介紹：1和7為偏置平衡，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源。 1.4.3酒精傳感器mq3與放大器op07連接電路圖1.6 mq3與放大器lm358連接電路 工作原理：圖1.6是酒精傳感器mq3與放大器lm358連接電路，mq3氣體傳感器接觸到酒精昧后，就會發(fā)生化學反應，a（1和3角連接在一起）、b（4和6角連接在一起）間的電阻值減少，b點的電位升高，酒味越濃，b點電位越高。此信號電壓經(jīng)靈敏度調(diào)節(jié)電位器rp滑動臂取出，加至放大器lm358的2、3腳，由lm358的1腳輸出被放大的模擬電信號，這個模擬電信號將被提供給tlc459進行a/d轉(zhuǎn)換。41.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換器tlc549及連接電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的功能是將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量，是架起模擬系統(tǒng)跟數(shù)字系統(tǒng)之間連接的橋梁。對于本系統(tǒng)而言，就是用于快速、高精度地對輸入的酒精濃度信號進行采樣編碼，將其轉(zhuǎn)換成單片機所能夠處理的數(shù)字量。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是本系統(tǒng)的關鍵部分，其性能的好壞直接影響整個系統(tǒng)的質(zhì)量1.5.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器tlc549功能及管腳簡介 tlc549 是ti公司生產(chǎn)的一種性價比非常高的8位a/d轉(zhuǎn)換器，它以8位開關電容逐次逼近的方法實現(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換速度小于17us，它能方便地采用三線串行接口方式與各種微處理器連接，構成各種廉價的測控應用系統(tǒng) . 主要特性 1、位分辨率a/d轉(zhuǎn)換器，總不可調(diào)整誤差0.5lsb 。 2、采用三線串行方式與微處理器接口。 3、片內(nèi)提供內(nèi)部系統(tǒng)時鐘,并與操作控制用的外部i/oclock相互獨立。 4、有片內(nèi)采樣保持電路，轉(zhuǎn)換時間17us，包括存取與轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換速率達40000次秒。 5、差分高阻抗基準電壓輸入，其范圍是:v差分基準電壓vcc0.2v。 6、寬電源范圍：3v6.5v，低功耗,當片選信號/cs為低，芯片選中處于工作狀態(tài)。 管腳介紹： 1腳為正向參考電壓； 2腳信號電壓輸入； 3腳為反向參考電壓，一般直接接地； 4腳接地； 5腳為片選信號，低電平有效； 6腳為信號輸出； 7腳為時鐘信號； 8腳接電源。 圖1.7tlc549管腳圖 1.5.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器tlc549工作原理圖1.8 tlc549連接電路圖工作原理：首先將信號電壓從2腳輸入，令片選cs和時鐘信號clk為低電平，則開始轉(zhuǎn)化！轉(zhuǎn)換結束后，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，通過6腳串行輸出，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字電信號傳遞給單片機進行數(shù)據(jù)處理。1.6 ds1302時鐘模塊 現(xiàn)在流行的串行時鐘電路很多，如ds1302、 ds1307、pcf8485等。這些電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛地采用。本設計的實時時鐘電路ds1302是dallas公司的一種具有涓細電流充電能力的電路，主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力，可為掉電保護，系統(tǒng)時鐘后備電源的供電下繼續(xù)工作。該電路晶振采用的是普通32.768khz晶振。 ds1302 是美國dallas公司推出的一種高性能、低功耗、帶ram的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5v5.5v。采用三線接口與cpu進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或ram數(shù)據(jù)。ds1302內(nèi)部有一個318的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的ram寄存器。 ds1302電路原理圖如圖1.9所示。圖1.9 ds1302時鐘原理圖ds1302的引腳排列,其中vcc1為后備電源，vcc2為主電源。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。ds1302由vcc1或vcc2兩者中的較大者供電。當vcc2大于vcc10.2v時，vcc2給ds1302供電。當vcc2小于vcc1時，ds1302由vcc1供電。x1和x2是振蕩源，外接32.768khz晶振。rst是復位/片選線，通過把rst輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。rst輸入有兩種功能：首先，rst接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，rst提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當rst為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對ds1302進行操作。如果在傳送過程中rst置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，i/o引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在vcc2.5v之前，rst必須保持低電平。只有在sclk為低電平時，才能將rst置為高電平。i/o為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細說明。sclk始終是輸入端。ds1302與單片機的連接，實際上，在調(diào)試程序時可以不加電容器，只加一個32.768khz 的晶振即可。1.7單片機at89s52最小系統(tǒng)連接電路單片機也被稱為微控制器，是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器cpu隨機存儲器ram、只讀存儲器rom、多種i/o口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能。本課題采用較常用且較經(jīng)濟的at89s52單片機，at89s52是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k 在系統(tǒng)可編程存儲器。1.7.1單片機at89s52功能及管腳簡介 標準功能：8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram，32 位i/o 口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，at89s52 可降至0hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，cpu停止工作，允許ram、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。5管腳介紹：p0 口：p0口是一個8位漏極開路的雙向i/o口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個ttl邏輯電平。對p0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，p0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，p0具有內(nèi)部上拉電阻。 p1 口：p1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動4個ttl 邏輯電平。對p1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。p2 口：p2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4個ttl 邏輯電平。對p2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。 p3 口：p3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p3輸出緩沖器能驅(qū)動4個。ttl 邏輯電平。對p3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。 rst：復位輸入。當振蕩器工作時，rst引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復位。ale/prog：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ale以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。psen：程序儲存允許（psen）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。 ea/vpp：外部訪問允許，欲使cpu訪問外部程序存儲器（地址為0000h-ffffh），ea端必須保持低電平（接地）。 晶振特性：at89s52單片機有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，xtal1和xtal2分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構成自激振蕩器。存儲器結構：mcs-51器件有單獨的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都可以64k尋址。程序存儲器：如果ea引腳接地，程序讀取只從外部存儲器開始。數(shù)據(jù)存儲器：at89s52有256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。高128字節(jié)與特殊功能寄存器重疊。1.7.2本設計單片機最小系統(tǒng)連接電路圖1.10 單片機最小系統(tǒng)連接電路工作原理：本單片機最小系統(tǒng)連接電路如圖1.10，6本系統(tǒng)包括單片機at89s52接口電路、晶振電路、復位電路、分頻電路。單片機at89s52接口電路中，p2.4、p2.6及p2.8口分別控制tlc549的7腳、5腳及6腳；p2.6口用于控制系統(tǒng)報警，當所測試的濃度超過閾值時，輸出一個低電平，紅色指示燈會發(fā)光，蜂鳴器會發(fā)出聲音。p1.0-p1.7作為數(shù)據(jù)線，在單片機和液晶lcd1602之間用于傳遞單片機處理過的被測電壓數(shù)字信號。p3.0和p3.1口連接下載口。p3.2口、p3.3口、p3.4口分別為int0、int1、t0，作為中斷；p3.5口、p3.6口、p3.7口分別為e、r/w、rs，用來控制液晶，對液晶寫入控制命令。單片機的18號、19號管腳用于連接晶振電路，使單片機工作。單片機31號管腳是ea/vpp，是訪問外部程序存儲器控制信號，當執(zhí)行內(nèi)部程序指令，ea應該接vcc；9號管腳是單片機復位；30號管腳是ale/prog，地址鎖存控制信號ale是訪問外部程序存儲器時，鎖存低 8位地址的輸出脈沖。復位電路包含了單片機上電復位和按鍵復位（高電平復位）。p0口加上一個排阻，作為上拉電阻，提高驅(qū)動能力。71.8 lcd1602功能特性及管腳 功能介紹：液晶顯示器在一個電路系統(tǒng)中用于顯示數(shù)據(jù)，本課題的硬件電路中采用1602lcd液晶作為顯示器。1602lcd具有 40通道點陣lcd 驅(qū)動；可選擇當作行驅(qū)動或列驅(qū)動；輸入/輸出信號：輸出,能產(chǎn)生202個lcd驅(qū)動波形；接受控制器送出的串行數(shù)據(jù)和控制信號；通過單片機控制將所測的頻率信號讀數(shù)顯示出來。lcd1602顯示容量為162個字符；芯片工作電壓為4.55.5v；工作電流為2.0ma（5.0v）；模塊最佳工作電壓為5.0v；字符尺寸為2.954.35（wh）mm。81.9本設計1602lcd與單片機接口電路圖1.11 1602lcd與單片機接口電路工作原理：圖1.11為1602lcd與單片機接口電路，其中d0d7八位雙向并行總線與單片機的p1口相連，用來傳送命令和數(shù)據(jù)。rs與單片機p3.7口相連，作為命令/數(shù)據(jù)選擇引腳；r/w與單片機p3.6口相連，作為讀寫選擇端；e與單片機p3.5口相連，用于控制信號讀取；vo是用來調(diào)節(jié)背光。1.10 報警系統(tǒng)電路介紹圖1.12 報警系統(tǒng)電路工作原理：報警系統(tǒng)電路如圖1.12，通過單片機程序控制,判斷是否報警。當濃度超過閾值時（如閾值為0.4mg/l），單片機p2.6管腳輸出一個低電平,使led1（紅色發(fā)光二極管）導通發(fā)光，同事使三極管9012導通，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音。1.11 系統(tǒng)其他電路簡介1.11.1電源指示電路介紹電路設計中采用1k電阻和一個led紅燈，電路設計圖見圖1.13。圖1.13 電源指示電路1.11.2電源電路介紹圖1.14為系統(tǒng)電源1，提供5v電壓圖1.14 系統(tǒng)電源 1.11.3程序下載口電路介紹方便電路調(diào)試和程序下載，本電路設計中設計了一個專門用來下來51單片機程序的下載口，下載程序時不用從電路上拔下單片機at89s52，直接就可以下載程序，做到方便調(diào)試。下載電路見圖1.15。圖1.15 下載口電路1.11.4按鍵控制電路介紹s2、s3、s4分別接單片機at89s52的p3.2p3.3、p3.4口，采用中斷控制實現(xiàn)相應地功能。按鍵控制電路設計如圖1.16：圖1.16 按鍵控制電路 按鍵s2按下顯示對應酒精濃度的建議；按鍵s3用來控制報警鈴聲開與關；按鍵3用來是鎖定當前濃度值。1.11.5穩(wěn)壓電路介紹采用tl431作為穩(wěn)壓器件，tl431是一個有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。選擇不同的r5 和r6的值可以得到從2.5v 到36v 范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當r5=r6 時，輸出電壓ref=5v。為adc0809提供5v的基準電壓。穩(wěn)壓電路如圖1.17。圖1.17 穩(wěn)壓電路1.12 本章小結本章在選擇便攜式酒精含量測試儀硬件設計的方案基礎上，對該系統(tǒng)進行了硬件設計，并詳細的介紹了便攜式酒精含量測試儀硬件設計中各個硬件模塊功能。本章主要結論：在詳細介紹酒精傳感器mq3、tlc549、及at89s52單片機結構特點、技術性能特點；詳細闡述了便攜式酒精含量測試儀的各個功能模塊的硬件電路功能，主要包括傳感器及信號放大電路、a/d轉(zhuǎn)換電路、單片機處理電路、液晶顯示電路、聲光報警電路等；設計了整個硬件電路的功能，達到了本研究的硬件要求標準。第二章 酒精含量測試儀軟件設計在設計了硬件電路的基礎上，本設計中的軟件主要采用keil編譯器進行編寫，采用各個子模塊組成整個程序。便攜式酒精含量測試儀的程序的主要任務是：對傳感器的輸出信號進行采集、轉(zhuǎn)換、計算處理，并能夠顯示該輸出信號，并能夠在該信號超過規(guī)定限值時，聲音和發(fā)光報警9。軟件總體設計主要包括主程序設計和各個子程序的設計。2.1 主程序流程圖及設計主程序流程圖如圖2.1所示。首先系統(tǒng)上電后要對系統(tǒng)各模塊進行初始化設置，對tlc549寫控制字，以及l(fā)cd顯示初始化；之后是數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、計算等過程；單片機對傳感器檢測的酒精氣體濃度輸出信號進行 a/d 轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過計算處理后，將呼出氣體酒精濃度值與報警限設定值進行比較，判斷是否發(fā)出聲音和發(fā)光報警。同時送入lcd1602液晶顯示模塊顯示酒精氣體的濃度值。開 始系統(tǒng)各模塊初始化a/d轉(zhuǎn)換器溫度及酒精溶度計算是否超過報警閥值報警溫度及酒精溶度顯示n 圖2.1 主程序流程圖第三章 酒精含量測試儀軟硬件調(diào)試及測試過程在系統(tǒng)硬件和軟件設計的基礎上，通過對軟硬件的結合調(diào)試，便攜式酒精含量測試儀的方案設計得到了肯定，通過實驗得知，能夠檢測到酒精氣體濃度，讀回電壓值，經(jīng)過換算處理，較為直觀的顯示出酒精濃度值。當檢測到氣體酒精含量超標時，能夠驅(qū)動聲光報警。3.1軟硬件的合成調(diào)試首先把硬件電路設計好，寫好軟件后，需要通過硬件看看能否得到所需要實現(xiàn)課題要求的功能，所以需要二者結合調(diào)試。本次設計主要進行的調(diào)試工作是：數(shù)據(jù)采集調(diào)試及信號放大調(diào)試、驅(qū)動聲光報警等方面的調(diào)試。 在調(diào)試的實際過程中，首先將編寫好的程序下載到目標板上進行分塊調(diào)試；然后組成整個應用程序，進行整體調(diào)試從而完成整個設計的程序調(diào)試工作。調(diào)試前的準備工作：（1）pc 機；（2）數(shù)字萬用表；（3）5v電源（可調(diào)）；（4）不同濃度的酒精溶液等。 本次硬件設計選用potel99se，軟件設計選用keil.平臺。用自己所編制的程序來調(diào)試和檢驗目標板上的電路（硬件調(diào)試）；利用usb數(shù)據(jù)線將自己設計的目標程序下載到目標板上的單片機at89s52。單片機中（程序固化）。3.2 調(diào)試故障及分析在調(diào)試過程中，出現(xiàn)以下故障：（1）單片機不能下載程序；可能是檢查晶振不工作或單片機線路故障；經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)是晶振有一腳虛焊，重新焊上解決了這個問題。（2）用萬用表測傳感器輸出電壓，變化范圍不大。原因可能是滑動變阻器阻值不夠大，導致傳感器電路靈敏度。經(jīng)調(diào)試，換一個適當?shù)?、更大的滑動變阻器，再去測輸出電壓，電壓變化范圍就變大了，達到了測試要求。（3）adtlc549沒工作，經(jīng)排查，穩(wěn)壓器件tl431的1腳和3腳接反了。重新接上即可。（4）傳感器輸出電壓不穩(wěn)定，在同濃度酒精情況下測試電壓，測試值也不同?？赡苁莻鞲衅鳑]有預熱充分以及測試儀電源不穩(wěn)定導致。檢查調(diào)節(jié)電源電壓，保證供電電壓穩(wěn)定，同時使傳感器預熱5分鐘，等傳感器充分預熱以及系統(tǒng)功能穩(wěn)定后，在進行電壓測試。（5）液晶lcd無顯示，可能是程序不對或者是lcd硬件電路問題。經(jīng)檢查，有一根數(shù)據(jù)線插錯了了，重新連接即可。3.3 酒精濃度檢測的原理及依據(jù)3.3.1檢測原理利用便攜式酒精含量測試儀來判斷人體內(nèi)血液酒精濃度的依據(jù)為：人飲酒后，酒精通過消化系統(tǒng)被人體吸收，經(jīng)過血液循環(huán)，約有90%的酒精通過肺部呼氣排出，因此測量呼氣中的酒精含量，可以判斷人的醉酒程度。另外更重要的依據(jù)是人體呼氣中的酒精含量與血液中的酒精含量有如下關系：bac( in mg/l)=br ac(in mg/l)2200，上式中，bac是血液酒精濃度的英文縮寫，brac則是呼氣酒精濃度的縮寫，括號中的in mg/l表示以每升中多少毫克為單位。即以mg/l為單位的血液酒精濃度在數(shù)值上相當于以mg/l為單位的呼氣酒精濃度乘以系數(shù)2200（由于各國的情況不同，在美國此系數(shù)采用2000，而歐洲很多國家采用2100）10。基于這種關系，根據(jù)駕駛員呼出氣體中的酒精含量來確定被測量者體內(nèi)酒精含量的多少，研究表明，當駕駛員呼氣中酒精濃度超過0.25mg/l時，駕駛員就會在復雜技巧上出現(xiàn)障礙、駕駛能力變壞，肇事率是無酒精狀態(tài)的2倍，駕駛員駕車容易肇事，以此標準來衡量司機是否能夠安全駕駛，當駕駛員呼氣中酒精濃度超過0.40mg/l時，駕駛員出現(xiàn)多話、感覺障礙，肇事率是無酒精狀態(tài)的6倍11。這時駕車就比較危險了，需進行報警。呼出氣體中酒精含量檢測的方法為：被測者對準傳感器進行吹氣7秒即可。 3.3.2檢測依據(jù)到底身體中的酒精濃度要達到多少才需要禁止其駕駛車輛？由于人種的不同，對酒精的代謝速率也不一樣，再加上各國的社會風俗習慣不同，因此訂定的標準也不完全一樣。表1是體內(nèi)酒精濃度與肇事率的關系。表1：體內(nèi)酒精濃度與肇事率的關系呼氣中酒精濃度（血液中酒精濃度）行為表現(xiàn)或狀態(tài)肇事率0.25mg/l (0.05%；50mg/dl)復雜技巧障礙、駕駛能力變壞2倍0.40mg/l (0.08%；80mg/dl)多話、感覺障礙6倍0.50mg/l (0.10%；100mg/dl)說話含糊、腳步不穩(wěn)7倍0.55mg/l (0.11%；110mg/dl)平衡感與判斷力障礙度升高10倍0.75mg/l (0.15%；150mg/dl)明顯酒醉、步履蹣跚25倍0.85mg/l (0.17%；170mg/dl)惡心、步履蹣跚50倍1.50mg/l (0.30%；300mg/dl)呆滯木僵、可能昏迷、迷醉無法開車2.00mg/l (0.40%；400mg/dl)呼吸中樞痲痹、漸近死亡無法開車2.50mg/l (0.50%；500mg/dl)致死3.4傳感器濃度校準根據(jù)上兩個表又在網(wǎng)上和圖書館查閱資料，了解到一種校準方法：密閉容器中，一定溫度下，酒精溶液揮發(fā)到容器空氣中后，酒精水溶液濃度與空氣中酒精濃度是有一定關系的。利用這個關系進行計算，配置出標準的酒精溶液，就能對測試儀進行校準。當要是用來校準空氣中0.25mg/l和0.40mg/l兩個點時，根據(jù)資料中的數(shù)據(jù)，計算出要分別配置0.64g/l和1.02g/l的酒精水溶液，由于條件限制，這個是比較難達到精度要求的，而且還要在一定溫度下密閉容器里進行校準，操作比較困難。資料中的數(shù)據(jù)時通過實驗得到的，而且在于國家計量檢定規(guī)程誤差范圍內(nèi)的，以下為資料數(shù)據(jù)：表2 酒精水溶液濃度與空氣中酒精濃度的關系酒精水溶液/gl-1空氣中的酒精含量/mgl-10.370.1430.610.2380.930.3563.5 數(shù)據(jù)測試及分析測試方案及測試數(shù)據(jù)： 測試方案：配制幾種濃度的溶液，在每個濃度下測試5次。酒精溶液a是用5%濃度的酒精溶液加一定量的水稀釋而成，濃度大約是2.5%；酒精溶液b是用75%濃度的酒精溶液加一定量水稀釋而成，濃度大約是15%；酒精溶液c是用95%濃度的酒精溶液加一定量水稀釋而成，濃度大約是40%；酒精溶液c是用95%濃度的酒精溶液加一定量水稀釋而成，濃度大約是85%。然后進行數(shù)據(jù)測試：3.6實物圖展示圖3.1 整體實物圖 圖3.2初始狀態(tài)下的led 圖3.3 處于安全轉(zhuǎn)臺的led 圖3.4 處于警告狀態(tài)下的led 圖3.5 處于非法狀態(tài)下的led第四章 結論本課題針對目前酒后駕車造成交通事故頻繁的現(xiàn)象，從燃燒型氣體傳感器的工作機制出發(fā)，設計并制作出一種便攜式酒精含量測試儀，能夠比較方便的測出被測者呼氣中的酒精濃度。在此基礎上了設計了基于單片機at89s52的便攜式酒精含量測試儀，并對該測試儀的構成、工作原理及硬件電路和軟件系統(tǒng)進行了闡述，最后通過實驗證該測試儀達。（1）從便于攜帶、實用、經(jīng)濟等方面出發(fā)，設計酒精含量測試儀的方案，并對方案進行了優(yōu)化設計；依據(jù)方案設計思想，設計了基于at89s52單片機的硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了聲光音報警、液晶顯示酒精濃度和環(huán)境溫度等功能。聲光報警模塊功能為當檢測到酒精濃度超過設定的閾值時，紅色led發(fā)光，并且蜂鳴器發(fā)出聲音報警。（2）在keil軟件開發(fā)平臺上編寫了整個軟件系統(tǒng)，主要包括主程序、a/d轉(zhuǎn)換子程序、液晶顯示子程序、酒精濃度計算子程序等； （3）通過測試儀軟硬件的結合調(diào)試，通過實驗，在酒精濃度與測試儀輸出電壓關系曲線的基礎上，對測試儀進行校準、測試出數(shù)據(jù)。致 謝 在此次畢業(yè)設計過程中，衷心感謝我的指導教師柯躍前老師的指導及支持，在我的畢業(yè)設計過程中提出了寶貴意見并提供實驗場所及調(diào)試器材。畢業(yè)論文也給予了悉心的指導，使我的畢業(yè)設計得以完成。同時，還要感謝我周圍的同學在這次畢業(yè)中給與我的幫助，沒有你們的幫助，我不會這么順利的完成任務。最后，衷心的祝愿老師工作順利，身體健康；祝同學們前程似錦，鵬程萬里！參考文獻1 中華人民共和國公安部安全行業(yè)標準 ga307-2001 呼出氣體酒精含量探測器s. 2 張紅潤傳感器應用設計300例下m北京：北京航空航天大學，20083 何希才常用傳感器應用電路的設計與實踐m北京：科學出版社，20074 何希才使用傳感器接口電路實例m北京：中國電力出版社，2007 5 何立民mcs-51系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術m北京：北航出版社，1990 6 江思敏，姚鵬翼，胡燁. protel 2004電路原理圖及pcb設計m北京：機械工業(yè)出版社，2006.8 7 段晨東. 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the police. in the c programming language, the idea of modular design program.key words alcohol content，mq3sensor，a/d549 conversion，scm，lcd1602附 錄 1本附錄含便攜式酒精含量測試儀硬件電路原理圖、pcb圖，以及軟件的程序。1 電路原理圖：2 pcb圖：附 錄2程序：/酒精 程序 最終版/*/多字符lcd顯示/p1接lcd1口，p3.7接rs 4腳，p3.6接rw 5腳，p3.5接e 6腳/按鍵 顯示建議/現(xiàn)象：lcd顯示屏顯示“酒精濃度及狀態(tài)”/*#include reg52.h#include string.htypedef unsigned char uchar;typedef unsigned int uint;typedef unsigned long ulong;sbit lcdrs=p37;sbit lcdrw=p36;sbit lcde=p35