酒精濃度測試.doc

課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)題目 酒精溶度測試儀酒精溶度測試儀 智能酒精濃度檢測儀的設(shè)計(jì)智能酒精濃度檢測儀的設(shè)計(jì) 摘 要 隨著科技的進(jìn)步 智能產(chǎn)品在社會(huì)生產(chǎn)和人們生活等方面扮演著 越來越重要的角色 本文介紹的是一款智能酒精濃度檢測儀的設(shè)計(jì)方案 以 STC89C52 單片機(jī)和酒精傳感器為核心 具有聲光報(bào)警和 LCD 顯示功能 為了 滿足不同環(huán)境下的監(jiān)測 可根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)置不同的閥值 超過閥值即進(jìn)行 聲光報(bào)警 提示危害 該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是硬件電路設(shè)計(jì)簡單 軟件功能采用 C 語言進(jìn)行調(diào)試 方便靈活 而該儀器具有靈敏度高 工作性能好 低功耗 低成本 較高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn) 可用于交通檢測 酒廠和食品工廠發(fā)酵監(jiān)控等 場所 關(guān)鍵詞 智能 酒精濃度 檢測儀 智能 酒精濃度 檢測儀 STC89C52 單片機(jī) 閥值 單片機(jī) 閥值 C 語言 語言 交通檢測交通檢測 I Design for Intelligent Alcohol Concentration Detector Abstract With the progress of science intelligent products gradually play an important role in many aspects such as social produce people s daily life This paper introduces an intelligent alcohol concentration detector which is based on STC89C52 single chip microcomputer and alcohol sensor transducer It has several functions including detecting alcohol concentration in different environment giving an alarm with voice and glowing and LCD display except for this we can also set the valve number of alcohol concentration to meet different environment s detecting namely when the detecting num over the value the detector can suggest danger The excellences of this design precept easy hardware circuit software function adopt to C language to test which is convenient and flexible what s more the detector with high delicacy low energy consumption and spending It can be used in traffic detect wine factory food factory and so on Key words intelligent alcohol concentration detector STC89C52 single chip microcomputer value C language traffic detect II 目目 錄錄 第 1 章緒 論 1 1 1 選題的依據(jù)和課題的意義 1 1 2 國內(nèi)外研究概況 1 1 3 課題研究方法 2 1 4 設(shè)計(jì)構(gòu)成及研究內(nèi)容 2 第 2 章 系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu) 3 2 1 工作原理 3 2 2 結(jié)構(gòu)框圖 4 2 3 智能酒精濃度檢測儀的整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 4 第 3 章 檢測儀的硬件設(shè)計(jì) 4 3 1 單片機(jī)的選擇 4 3 2 酒精濃度檢測的設(shè)計(jì) 6 3 2 1 MQ 3 氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)和外形 7 3 2 2 MQ 3 靈敏度特性曲線 8 3 2 3 MQ 3 的標(biāo)準(zhǔn)工作條件和環(huán)境條件 8 3 2 4 酒精濃度信號(hào)的采集 9 III 3 3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 10 3 3 1 ADC0809 的特點(diǎn) 10 3 3 2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 10 3 4 按鍵設(shè)定閾值及閾值存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì) 11 3 5 液晶接口電路的設(shè)計(jì) 11 3 6 聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 12 3 7 單片機(jī)與 PC 機(jī)串口通訊 13 3 8 晶振電路的設(shè)計(jì) 13 3 9 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 14 3 10 附加功能電路的設(shè)計(jì) 14 第 4 章 檢測儀的整體原理圖和實(shí)物圖 15 第 5 章檢測儀的軟件實(shí)現(xiàn) 16 5 1 A D 轉(zhuǎn)換的軟件實(shí)現(xiàn) 16 5 2 閾值設(shè)定及顯示的軟件控制 17 5 3 整體軟件控制流程 18 第 6 章 檢測儀的軟件功能調(diào)試 20 6 1 按鍵修改酒精閾值程序 20 6 2 模數(shù)轉(zhuǎn)換測試 20 6 3 液晶顯示程序設(shè)計(jì) 21 6 4 聲光報(bào)警測試 24 6 5 整體功能調(diào)試程序 24 第 7 章 結(jié) 論 25 參考文獻(xiàn) 26 致謝 27 附錄 28 附錄 A 全局變量頭文件和延時(shí)模塊 28 附錄 B AD 轉(zhuǎn)化模塊 30 附錄 C 24c08 存儲(chǔ)模塊 31 IV 附錄 D LCD 顯示模塊 35 附錄 E 主函數(shù) 41 0 第 1 章 緒 論 1 1 選題的依據(jù)和課題的意義 根據(jù) WTO 數(shù)據(jù) 全球 2003 年得人均純酒精消費(fèi)量為 6 2L 其中歐洲地區(qū) 人均達(dá) 11 9L 美洲地區(qū)人均為 8 7L 俄羅斯及其周邊的東歐國家酒精消費(fèi)量 最高 其次為歐洲其他國家 在人均國民生產(chǎn)總值 GDP 低于 7000 美元的低 收入國家 酒精消費(fèi)量與人均 GDP 有關(guān) GDP 越高這個(gè)國家或者地區(qū)的酒精 消費(fèi)量也就越高 而隨著我國近年來高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)水平和居民生活水平 私 家車的占有率直線上升 各式各樣的汽車已經(jīng)成為人們的代步工具 同時(shí)伴隨 而來的是頻頻發(fā)生的交通事故 尤其是因?yàn)榫坪篑{車所引發(fā)的交通事故 給自 己和人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來威脅 同時(shí)也給國家和社會(huì)帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損 失 因此 對(duì)于每個(gè)駕駛?cè)藖碚f擁有一個(gè)酒精濃度檢測儀 在每次駕駛之前自 行檢測酒精濃度再?zèng)Q定是否安全駕駛 這是對(duì)自己 對(duì)家庭 對(duì)社會(huì)有責(zé)任感 的體現(xiàn) 此外 從工廠企業(yè)到居民家庭 酒精泄露的檢測 監(jiān)控對(duì)居民的人身 和財(cái)產(chǎn)安全都是十分重要和必不可少的 因此 酒精濃度檢測儀具有十分廣闊 的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和潛在的市場要求 1 2 國內(nèi)外研究概況 受 20 世紀(jì)信息技術(shù)快速發(fā)展的影響 傳感技術(shù)逐漸走向成熟 在生活生產(chǎn) 中得到了廣泛的應(yīng)用 由于傳感器在各個(gè)領(lǐng)域都有著舉足輕重的作用 因此 高精度 高可靠性 微型化 低功耗和智能數(shù)字化成了其發(fā)展方向 為了檢查 酒駕 警察常常使用一種便攜式的酒精呼吸檢測儀 通過檢測駕駛員呼出的氣 體判斷駕駛者是否飲酒 而目前使用的酒精呼吸檢測儀只能初步顯示駕駛員是 否飲酒 具體酒精濃度含量還得通過血檢才能測得 為了簡化其流程 英國內(nèi) 部已推出一種超級(jí)酒精呼吸檢測儀 能夠根據(jù)體溫 呼吸頻率等情況 當(dāng)場判 斷出駕駛員體內(nèi)的酒精含量 由此可見 高精度 高可靠性 微型化以及低功 1 耗是酒精濃度檢測儀今后發(fā)展的主流方向 迄今為止 對(duì)氣體中酒精含量進(jìn)行 檢測的設(shè)備有燃料電池型 半導(dǎo)體型 紅外線型 氣體色譜分析型和比色型五 種類型 但由于使用方便的原因 目前常用的有燃料電池型和半導(dǎo)體型兩種 燃料電池是當(dāng)前世界都在廣泛研究的環(huán)保型能源 它可以直接把可燃?xì)怏w 轉(zhuǎn)變成電能 而不產(chǎn)生污染 酒精傳感器只是燃料電池的一個(gè)分支 燃料電池 酒精傳感器采用貴金屬白金作為電極 在燃燒室內(nèi)充滿特種催化劑 是進(jìn)入燃 燒室內(nèi)的酒精充分燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?也就是在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電壓 電能消耗 在外接負(fù)載上 此電壓與進(jìn)入燃燒室內(nèi)氣體的酒精濃度成正比 與半導(dǎo)體型相 比 燃料電池型呼氣酒精測試儀具有穩(wěn)定性好 精度高 抗干擾性好的優(yōu)點(diǎn) 但是由于燃料電池酒精傳感器的結(jié)構(gòu)要求非常精密 制造難度相當(dāng)大 目前僅 有美國 英國 德國等少數(shù)幾個(gè)國家能夠生產(chǎn) 加上材料成本高 因此價(jià)格相 當(dāng)昂貴 通常是半導(dǎo)體傳感器的幾十倍 1 3 課題研究方法 1 文獻(xiàn)索引法 利用學(xué)校圖書館資料和文獻(xiàn)及通過網(wǎng)絡(luò)查詢相關(guān)資料對(duì) 本課題有足夠深的了解 為本設(shè)計(jì)的具體模塊電路做好理論準(zhǔn)備 2 調(diào)查法 與身邊的同學(xué)和朋友進(jìn)行交流 充分考慮本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能 盡可能完善該設(shè)計(jì)的功能 3 對(duì)比分析法 與目前市場上相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行比較 發(fā)現(xiàn)該酒精檢測儀存 在的不足以及可以優(yōu)化的部分 加以改進(jìn) 1 4 設(shè)計(jì)構(gòu)成及研究內(nèi)容 本文設(shè)計(jì)的智能酒精濃度檢測儀采用的是氣敏傳感器 屬于半導(dǎo)體型 該傳 感器實(shí)質(zhì)是個(gè)可變電阻 在它兩端加以固定的電壓 隨著所處環(huán)境酒精濃度的 升高阻值將進(jìn)行線性變化 從而將酒精濃度的含量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?該酒精 檢測儀以 C51 單片機(jī)和氣敏酒精傳感器為核心 具有聲光報(bào)警和 LCD 顯示功 能 為了滿足不同環(huán)境下的監(jiān)測 可根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)置不同的閾值 超過閾 值即進(jìn)行聲光報(bào)警 提示危害 采用 C 語言來實(shí)現(xiàn)其軟件功能 本設(shè)計(jì)只要包 2 括以下內(nèi)容 1 主控芯片的選擇 在此設(shè)計(jì)中選擇了 C51 系列單片機(jī) 熟悉 C51 系列 芯片怎樣控制外圍硬件電路 2 酒精濃度檢測模塊的設(shè)計(jì) 酒精濃度常用酒精傳感器來檢測 了解該 傳感器的工作原理 制作數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)的采集 3 A D 轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì) A D 轉(zhuǎn)換器的選擇 將采集的酒精濃度模擬信 號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)存儲(chǔ) 處理 4 鍵盤模塊的設(shè)計(jì) 要通過鍵盤完成設(shè)定不同環(huán)境中酒精濃度的閾值 5 聲光報(bào)警模塊的設(shè)計(jì) 超過設(shè)定的閾值直觀地給予警示 6 液晶顯示模塊的設(shè)計(jì) 準(zhǔn)確顯示出檢測到的數(shù)據(jù) 7 各個(gè)硬件模塊電路銜接 8 PCB 的布板 元件焊接及功能調(diào)試 第 2 章 系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu) 2 1 工作原理 酒精濃度檢測儀是用來檢測所處環(huán)境中的酒精濃度的 并顯示出檢測的結(jié) 果數(shù)值 而本設(shè)計(jì)所做的智能酒精濃度酒精檢測儀除具有這個(gè)基本功能外 還 可通過手動(dòng)隨意設(shè)置酒精濃度的閥值 以劃定不同環(huán)境條件下酒精的安全界限 同時(shí)具有聲光報(bào)警功能 它主要由酒精傳感器 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 單片機(jī) LCD 顯 示 鍵盤模塊以及聲光報(bào)警部分組成 數(shù)據(jù)的采集由酒精傳感器完成 酒精傳感器將檢測的酒精濃度轉(zhuǎn)換為電信 號(hào) 然后將電信號(hào)傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換器 經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后 把轉(zhuǎn)換后得到 的數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī) 單片機(jī)對(duì)所輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理 最后將分 析處理的結(jié)果通過顯示器顯示出來 同時(shí)與根據(jù)鍵盤設(shè)定的酒精濃度閥值進(jìn)行 比對(duì) 如果檢測到所處環(huán)境中的酒精濃度超過設(shè)定的界線 那么單片機(jī)將會(huì)控 制蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警和發(fā)光 LED 不斷閃爍 以提示危害 3 2 2 結(jié)構(gòu)框圖 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖 2 1 所示 單片機(jī) LCD顯示 酒精傳感器 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 鍵盤 聲光報(bào)警 圖 2 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2 3 智能酒精濃度檢測儀的整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 本文設(shè)計(jì)的智能酒精濃度檢測儀具有如下特點(diǎn) 1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心 外圍電路帶有 LCD 顯示和鍵盤 響應(yīng)電路 無需其他計(jì)算機(jī) 用戶就可與之進(jìn)行交互工作 完成數(shù)據(jù)的采集 存儲(chǔ) 計(jì)算 分析等過程 2 系統(tǒng)具有低功耗 小型化 高性價(jià)比 靈敏度高等特點(diǎn) 3 從便攜式的角度出發(fā) 系統(tǒng)通過鍵盤設(shè)置酒精濃度的閥值 結(jié)合單片 機(jī)的控制 實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互操作 界面友好 4 軟件系統(tǒng)采用 C 語言進(jìn)行編寫 在兼顧實(shí)時(shí)性處理的同時(shí) 也方便了 對(duì)數(shù)據(jù)的處理 第 3 章 檢測儀的硬件設(shè)計(jì) 3 1 單片機(jī)的選擇 MCS 51 單片機(jī)是美國 Intel 公司于 1980 年推出的一款相當(dāng)成功的產(chǎn)品 該 4 系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品之一 該系列單片機(jī)主要包括 8031 8051 8751 和 89C51 等通用產(chǎn)品 本次設(shè)計(jì)選用的是 STC89C52 單片機(jī) STC89C52 是低功耗 高性能的 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器 使用宏晶高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造 與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指 令和引腳完全兼容 片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)上可編程 亦適于常規(guī) 編器 在單芯片上 擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash 使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活 超有效的解決方案 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 8 字節(jié)的 Flash 256 字節(jié)的 RAM 32 位的 I O 口線 看門狗定時(shí)器 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 1 個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu) 全雙工串行口 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路 除此 STC89C52 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(shí)器 計(jì)數(shù)器 串口 中斷繼續(xù)工作 掉電保護(hù)方式下 內(nèi) 容被保存 振蕩器被凍結(jié) STC89C52 單片機(jī)作為控制核心 為了提高 IO 口的利用率 通過擴(kuò)展一片 8255 芯片來實(shí)現(xiàn)液晶顯示的功能 單片機(jī)的 IO 口控制圖如下圖 3 1 1 所示 圖 3 1 1 STC89C52 的接口控制圖 P0 口用于接收模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出 P2 0 用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘控制 8255 的擴(kuò) 5 展通過 P2 1 P2 2 P2 5 口來控制 P2 3 用于作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的使能控制 P2 6 P2 7 口用于模擬 I2C 連接外部存儲(chǔ)芯片 AT24C08 P3 3 口為外部中斷控制口 由它來 控制酒精閾值的設(shè)定 液晶顯示模塊通過單片機(jī)控制 8255 來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能 8255 芯片的引腳控制圖如圖 3 1 2 所示 圖 3 1 2 8255 的引腳控制圖 8255 芯片是一種典型的可編程通用并行接口芯片 用來擴(kuò)展單片機(jī)的端口 它具有 3 個(gè) 8 位的并行口 有三位工作方式 可作為單片與各種外部設(shè)備連接 的接口電路 CS 片選信號(hào)線 當(dāng)該引腳為低電平時(shí) 8255 被選中 允許 8255 與 CPU 通訊 RESET 復(fù)位輸入線 當(dāng)該引腳為高電平時(shí) 內(nèi)部寄存器被清除 所有 I O 口均被置成輸入方式 A0 A1 地址輸入線 當(dāng) A0A1 00 時(shí) PA 口被選中 當(dāng) A0A1 01 時(shí) PB 口被選中 當(dāng) A0A1 10 時(shí) PC 口被選中 當(dāng) A0A1 11 時(shí) 控制寄存器被選中 3 2 酒精濃度檢測的設(shè)計(jì) 酒精濃度的準(zhǔn)確檢測是決定該設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵因素 而酒精的檢測依 6 靠酒精傳感器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集 在本設(shè)計(jì)中選用靈敏度高 穩(wěn)定性好的 MQ 3 氣敏傳感器 該傳感器對(duì)乙醇蒸汽有很高的靈敏度和良好的選擇性 快速的 響應(yīng)和恢復(fù)特性 長期的壽命和可靠的穩(wěn)定性 以及簡單的驅(qū)動(dòng)電路 它的工 作原理是在確定的環(huán)境條件下 環(huán)境中的酒精濃度變化將會(huì)引起電阻值的變化 且這兩種變化存在著線性關(guān)系 3 2 1 MQ 3 氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)和外形 MQ 3 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖 3 2 1 所示 圖 3 2 1 MQ3 氣敏元件結(jié)構(gòu)外形圖 在上圖中 由微型 AL2O3陶瓷管 SnO2敏感層 測量電極和加熱器構(gòu)成的 敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔管內(nèi) 加熱器為敏感元件提供必要的工 作條件 封裝好的氣敏元件有 6 只針狀管腳 其中 4 只用于信號(hào)提取 2 只用 于提供加熱電流 7 3 2 2 MQ 3 靈敏度特性曲線 圖 3 2 2 MQ 3 氣敏元件的靈敏度特性曲線 在圖 3 2 2 中給出了 MQ 3 氣敏元件的靈敏度曲線 其中 溫度 20 相對(duì)濕度 65 氧氣濃度 21 RL 200k Rs 氣敏元件在不同氣體 不同濃度時(shí)的電阻值 R0 氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值 3 2 3MQ 3 的標(biāo)準(zhǔn)工作條件和環(huán)境條件 圖 3 2 3 MQ 3 氣敏傳感器阻值變化率與酒精濃度 外界溫度的關(guān)系 為了更好地使用酒精傳感器 MQ 3 現(xiàn)將 MQ 3 的標(biāo)準(zhǔn)工作條件和環(huán)境條件 進(jìn)行介紹 分別如表 3 2 1 和表 3 2 2 所示 8 表表 3 2 1 工作條件工作條件 符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注 VC回路電壓 15V AC or DC VH加熱電壓 5 0V 0 2V AC or DC RL負(fù)載電阻可調(diào) RH加熱電阻 31 3 室溫 PH加熱功耗 900mW 表表 3 2 2 環(huán)境條件環(huán)境條件 符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注 Tao使用溫度 10 50 Tas儲(chǔ)存溫度 20 70 RH相對(duì)濕度 95 RH O2氧氣濃度21 標(biāo)準(zhǔn)條件 氧氣濃度會(huì)影響靈敏度特性最小值大于 2 3 2 4酒精濃度信號(hào)的采集 詳細(xì)的酒精濃度采集電路見下圖 3 2 4 所示 圖 3 2 4 酒精濃度采集電路 在上圖中傳感器將環(huán)境中的酒精濃度轉(zhuǎn)化電壓信號(hào) 在第 4 引腳直接輸出 電壓信號(hào)模擬量 該模擬量將送到模數(shù)轉(zhuǎn)換 通過單片機(jī)控制最終得出環(huán)境中 酒精的含量 同時(shí)可以通過對(duì)電位器 WR1 的調(diào)節(jié)來改變輸出的靈敏度 9 3 3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 由于本設(shè)計(jì)中所用的是單一電源 5V 故由酒精濃度轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)也將在 0 5V 范圍 并且考慮到轉(zhuǎn)換的速度應(yīng)該要快 在此我們選用典型的 8 位逐次逼 近型 A D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 3 3 1 ADC0809 的特點(diǎn) 該轉(zhuǎn)換器具有如下特點(diǎn) 1 分辨率為 8 位 2 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100us 3 很容易與微處理器連接 4 無須零位或者滿量程調(diào)整 5 帶有鎖存控制邏輯的 8 通道多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 便于選擇 8 路中的任一 路進(jìn)行轉(zhuǎn)換 6 帶鎖存器的三態(tài)數(shù)據(jù)輸出 3 3 2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 具體模數(shù)轉(zhuǎn)換電路見圖 3 2 1 所示 圖 3 2 1 模數(shù)轉(zhuǎn)換 在該檢測儀的設(shè)計(jì)中只用到兩路通道 即通道 IN0 和 IN1 分別為酒精濃度 的電壓模擬信號(hào)和電壓比較器 LM393 的基準(zhǔn)電壓信號(hào) D0 D7 為由酒精濃度 10 引起而產(chǎn)生的電壓數(shù)字量輸出 結(jié)果將送至單片機(jī)進(jìn)行分析和處理 3 4 按鍵設(shè)定閾值及閾值存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì) 為了適應(yīng)對(duì)不同環(huán)境中酒精濃度的檢測和監(jiān)控 必須調(diào)整該儀器的酒精濃 度閥值以符合既定的工作要求 同時(shí)為了節(jié)省硬件資源的消耗 于是在此通過 外部中斷的按鍵操作來改變酒精濃度的不同閥值 外部中斷電路見下圖 3 4 1 所示 圖 3 4 1 外部中斷按鍵電路 閾值存儲(chǔ)電路的添加 既可以明確地看出具體設(shè)定的酒精濃度值 又能以 備調(diào)出來與檢出的酒精濃度作比較 增強(qiáng)了直觀性 于此選用了 AT24C08 作為 存儲(chǔ)器件 用單片機(jī)的 P2 6 P2 7 口模擬 I2C 與之通信 從而完成數(shù)據(jù)的讀寫操 作 相應(yīng)的電路如圖 3 4 2 所示 圖 3 4 2 AT24C08 存儲(chǔ)電路 3 5 液晶接口電路的設(shè)計(jì) 酒精濃度的顯示采用 1602 液晶 LCD1602 可顯示兩行英文字符 且內(nèi)帶 ASCII 字符庫 LCD1602 模塊內(nèi)部可完成顯示掃描 單片機(jī)只要向 LCD1602 發(fā) 送命令和顯示內(nèi)容的 ASCII 碼 具體的接口電路見圖 3 5 所示 11 圖 3 5 液晶接口電路圖 控制信號(hào) RS R W 和 E 分別由單片機(jī)控制 8255 的 PA4 PA5 PA6 口實(shí)現(xiàn) 要顯示的信息通過調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序傳到 8255 的 PB 口 3 6 聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 當(dāng)酒精濃度超過所設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí) 通過控制單片機(jī)的 P3 3 口的電平來實(shí)現(xiàn)警 報(bào)功能 其電路見圖 3 6 所示 圖 3 6 聲光報(bào)警電路 如上圖所示 酒精濃度超過設(shè)定的閥值時(shí) 給單片機(jī)的 P3 3 口低電平 則 三極管導(dǎo)通 同時(shí)蜂鳴器工作 發(fā)光二極管也亮 否則 單片機(jī)的 P3 3 口維持 在高電平 三極管截止 蜂鳴器不工作 二極管也不發(fā)光 12 3 7 單片機(jī)與 PC 機(jī)串口通訊 串行通信 是系統(tǒng)之間用一根數(shù)據(jù)信號(hào)線 數(shù)據(jù)在這根數(shù)據(jù)線上一位一 位地進(jìn)行傳輸 每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長度 目前個(gè)人的 PC 機(jī)上 都有這種接口 COM1 COM2 即 RS 232 口 電腦的 RS 232 口共 9 根線 在簡單的應(yīng)用中 需要三根線即可完成通信 分別是第 2 腳 RXD 第 3 腳 TXD 第 5 腳 GND 串行通信與單片機(jī)之間的接口 由于串行通信的電平邏輯定義是 15V 高電平 1 15V 低電平 0 而單片 機(jī)中分別用 5V 0V 來表示高電平 1 低電平 0 它們之間必須通過電平轉(zhuǎn)換才 能完成通信 最常用的是 MAX32 電路 該連接圖見圖 3 7 所示 圖 3 7 串口通信電路 單片機(jī)串口通信原理 51 系列單片機(jī)內(nèi)部集成了兩個(gè)同名不同地址的串口 緩沖區(qū) SBUF 一個(gè)是發(fā)送緩沖區(qū) 一個(gè)是接收緩沖區(qū) 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) MCU 將數(shù) 據(jù)寫到發(fā)送 SBUF 接收到的數(shù)據(jù)自動(dòng)放到接收 SBUF 無需程序指定 串口發(fā) 送和接收事件發(fā)生時(shí) 由硬件標(biāo)志來通知處理器 RI 為接收事件發(fā)生標(biāo)志 TI 為發(fā)送完成標(biāo)志 1 為事件發(fā)生 在串口中斷打開的條件下 兩者任意一種 情況發(fā)生都會(huì)引起中斷 單片機(jī)程序可以根據(jù) RI 1 和 TI 1 進(jìn)行相應(yīng)的處理 本檢測儀需要用串口線將程序下載到單片機(jī)中 以對(duì)之進(jìn)行初始化過程 3 8 晶振電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用的是 12MHZ 的晶振 其電路圖如圖 3 8 所示 13 圖 3 8 晶振電路圖 XTAL1 振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端 XTAL2 振蕩器反相放大器的輸出端 3 9 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的復(fù)位電路如圖 3 9 示 圖 3 9 復(fù)位電路圖 RST 復(fù)位輸入 晶振工作時(shí) RST 腳持續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī) 復(fù)位 看門狗計(jì)時(shí)完成后 RST 腳輸出 96 個(gè)晶振周期的高電平 特殊寄存器 AUXR 上的 DISRT0 位可以使此功能無效 DISRT0 默認(rèn)狀態(tài)下 復(fù)位高電平有 效 3 10 附加功能電路的設(shè)計(jì) 由于酒精濃度的檢測在很大程度上受到溫度的影響 為了更直觀地測出不 同環(huán)境中酒精的含量 這里增加一個(gè)溫度傳感器 以對(duì)應(yīng)不同溫度下酒精傳感 器所對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系 DS18B02 數(shù)字溫度計(jì) DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線器件 具有線路簡單 體 積小的特點(diǎn) 實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何器件即可實(shí)現(xiàn)測溫 測量溫度范圍在 5 125 C 之間 數(shù)字溫度計(jì)的分辨率可以從 9 位到 12 位選擇 且內(nèi)部有上 下限告警設(shè)置 使用非常方便 數(shù)字溫度計(jì)接口的電路圖如 3 10 所示 14 圖 3 10 DS18B02 電路 P17 為數(shù)字信號(hào)輸入 輸出端 將程序下載至單片機(jī) 開機(jī)運(yùn)行 用手觸摸 DS18B02 溫度傳感器 液晶上將會(huì)顯示當(dāng)時(shí)所處環(huán)境的溫度值 第 4 章 檢測儀的整體原理圖和實(shí)物圖 智能酒精檢測儀的整體原理圖見 4 1 所示 圖 4 1 整體原理圖 15 酒精檢測模塊實(shí)物圖如圖 4 2 所示 圖 4 2 酒精檢測模塊實(shí)物圖 智能酒精檢測儀的實(shí)物圖見 4 3 所示 圖 4 3 酒精檢測儀的實(shí)物圖 第 5 章檢測儀的軟件實(shí)現(xiàn) 5 1 A D 轉(zhuǎn)換的軟件實(shí)現(xiàn) A D 轉(zhuǎn)換的軟件控制流程如圖 5 1 所示 16 開始 延時(shí) 轉(zhuǎn)換結(jié)束 數(shù)字量輸出 調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序 酒精濃度 結(jié)束 Y N 圖 5 1 AD 轉(zhuǎn)換流程控制 A D 轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)必須依靠下降沿觸發(fā) 在 START 置低后延時(shí)一段時(shí)間 約 10ms 轉(zhuǎn)換才正式開始 轉(zhuǎn)換過程中的所需輸入時(shí)鐘允許范圍為 10KHZ 1280KHZ 在本次設(shè)計(jì)中選用 500KHZ 通過定時(shí)器產(chǎn)生 轉(zhuǎn)換完成后得到 的數(shù)字量即為由酒精傳感器檢測到環(huán)境中的酒精含量而產(chǎn)生的電壓值 調(diào)用數(shù)據(jù) 處理程序從而可得到酒精濃度的真實(shí)值 5 2 閾值設(shè)定及顯示的軟件控制 酒精濃度的閾值設(shè)定及顯示的具體軟件控制流程如圖 5 2 所示 17 開始 外部中斷響 應(yīng) 重設(shè)酒精濃度閾值 I2C通信存儲(chǔ) LCD顯示 結(jié)束 Y N 圖 5 2 酒精濃度的閾值設(shè)定及 LCD 顯示的軟件控制流程 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行完初始化后 該檢測儀在將檢測到的酒精濃度進(jìn)行 A D 轉(zhuǎn)換的同 時(shí) 還在時(shí)刻檢測有無外部中斷的響應(yīng) 一旦有按鍵按下 將會(huì)根據(jù)按鍵按下的次 數(shù)選擇酒精濃度表中的酒精濃度值 而且這個(gè)值將會(huì)立刻被保存于外部存儲(chǔ)單元 AT24C08 以便與監(jiān)測到的環(huán)境中的酒精濃度進(jìn)行比較 完成接下來的聲光報(bào)警 功能 5 3 整體軟件控制流程 本酒精檢測儀的軟件流程圖見圖 5 3 所示 18 開始 系統(tǒng)初始化 LCD顯示 AD轉(zhuǎn)換 調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序 得出酒精濃度值 有無外部中斷 啟動(dòng)設(shè)定酒精閾值操作 大于設(shè)定的閾值 聲光報(bào)警 結(jié)束 Y N Y N 圖 5 3 軟件方案總體流程圖 該儀器軟件程序主要使用 C 語言編寫 采用了模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方法 包括主程序 中斷程序等 系統(tǒng)在開機(jī)或者復(fù)位后 首先進(jìn)行初始化 自檢 然后進(jìn)入中斷等待 A D 轉(zhuǎn)換 液晶顯示三個(gè)狀態(tài) 最終根據(jù)所得結(jié)果判斷是否執(zhí) 行聲光報(bào)警 中斷子程序包括預(yù)設(shè)閥值 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 信息顯示等操作 在進(jìn)行 閥值判斷時(shí)用到了 LM393 電壓比較器 程序的絕大部分時(shí)間處在數(shù)據(jù)處理上 而 STC89C52 單片機(jī)在一次處理數(shù)據(jù)的時(shí)間約為 6us 故總體的平均功耗低 19 第 6 章 檢測儀的軟件功能調(diào)試 本檢測儀的軟件功能通過方便靈活 移植性好的 C 語言編程來實(shí)現(xiàn) 采用 分模塊化程序設(shè)計(jì)思想 對(duì)不同模塊分別進(jìn)行調(diào)試后 最后再進(jìn)行整合調(diào)試 總體說來包括 6 個(gè)模塊 即 按鍵設(shè)置閥值模塊 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 液晶顯示模 塊 聲光報(bào)警模塊 存儲(chǔ)模塊 延時(shí)模塊 6 1 按鍵修改酒精閾值程序 下面這段程序是用來設(shè)置酒精濃度的閾值的 檢測儀只要處在工作狀態(tài)中 不停地掃描按鍵 一旦檢測有按鍵按下 通過檢測按下的次數(shù)調(diào)用酒精濃度值 數(shù)組就可知道酒精濃度設(shè)在哪個(gè)閾值 那么只要閾值在沒修改前 檢測儀實(shí)時(shí) 檢測的酒精濃度值就會(huì)跟該值進(jìn)行比對(duì) 超過界限蜂鳴器將會(huì)就會(huì)發(fā)出響聲 同時(shí)蜂鳴器旁邊的燈會(huì)亮 經(jīng)測試 雖然整個(gè)反應(yīng)過程慢了點(diǎn) 但是效果還是 符合預(yù)定的思路 程序 6 1 Static unsigned char set Value 6 void INTER0 void interrupt 0 set Value I2c Write Char DEV 24c08ID 0 x00 set Value if set Value 20 set Value 0 6 2 模數(shù)轉(zhuǎn)換測試 選擇第 0 通道作為酒精濃度模擬量輸入端 首先得對(duì) ADC0809 的初始化 初始化完后 進(jìn)行酒精濃度的監(jiān)測 分析 運(yùn)算和處理 最終結(jié)果通過單片機(jī) 控制 8255 輸至液晶上顯示出來 同時(shí)這個(gè)值還將與所設(shè)定的閾值進(jìn)行比對(duì)以判 20 斷是否超標(biāo) 下面是關(guān)于 A D 轉(zhuǎn)化的模塊化程序 程序 6 2 程序 6 2 uchar AD Convert void Start LOW delay 2 Start HIGH delay 2 Start LOW while EOC OE HIGH temp P0 return temp 6 3 液晶顯示程序設(shè)計(jì) 該儀器用到的是 LCD1602 液晶 即可顯示兩行字符 每行 16 個(gè)字符 以 下是對(duì)其的初始化程序 為了達(dá)到實(shí)時(shí)正確顯示所需要的信息 我們將對(duì)檢測 儀的液晶顯示模塊進(jìn)行單獨(dú)的測試 要想 1602 液晶正常顯示 得對(duì)其進(jìn)行寫命 令操作和寫數(shù)據(jù)操作 以下的程序可以在液晶的第一行顯示 My college 程序 6 3 include include include ABSACC H define a8255 PA XBYTE 0 xD1FF PA 口地址 define a8255 PB XBYTE 0 xD2FF PB 口地址 define a8255 PC XBYTE 0 xD5FF PC 口地址 define a8255 CON XBYTE 0 xD7FF 控制字地址 define uchar unsigned char 21 define uint unsigned int uchar code table My collge void delay int ms int i while ms for i 0 i 250 i nop nop nop nop 遇忙等待函數(shù) void WaitForEnable void nop nop while a8255 PA 1 忙 a8255 PA 0 xbf 10111111 寫命令 void write com uchar com a8255 CON 0 x80 WaitForEnable a8255 PA 0 x8f 10001111 a8255 PB com 22 delay 2 a8255 PA 0 xcf 11001111 delay 2 a8255 PA 0 x8f 10001111 寫數(shù)據(jù)函數(shù) void write data uchar dat a8255 CON 0 x80 WaitForEnable a8255 PA 0 x9f 10011111 a8255 PB dat delay 2 a8255 PA 0 xdf 11011111 delay 2 a8255 PA 0 x9f LCD1602 初始化 void lcdinit void a8255 PA 0 xff a8255 CON 0 x80 a8255 PA 0 x9f write com 0 x38 write com 0 x0f 00001111 開顯示 開光標(biāo) 不閃爍 write com 0 x06 00000111 指針加 1 write com 0 x01 清屏 write com 0 x80 write com 0 x80 23 void main int num lcdinit for num 0 num set Value Beep 0 delay ms 200 Beep 1 delay ms 20 6 5 整體功能調(diào)試程序 本設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 方便調(diào)試 易于查錯(cuò) 可移植性強(qiáng) 詳 細(xì)的模塊程序請(qǐng)查看相應(yīng)的附錄 該檢測儀的整體功能實(shí)現(xiàn)即由每個(gè)模塊的分 工協(xié)作來實(shí)現(xiàn) 將程序在 Keil 編譯器中編譯成功后 生成 HEX 文件 然后將 24 程序燒錄到單片機(jī)中 上電即可進(jìn)行工作了 上電后該酒精檢測儀將按照初始 化的程序進(jìn)行工作 酒精濃度閾值為當(dāng)初設(shè)定的 超過閾值則會(huì)產(chǎn)生報(bào)警 一 旦有設(shè)定酒精濃度閾值的按鍵按下 并且檢測按鍵按下的次數(shù) 則酒精濃度的 閾值即被重新設(shè)定 在沒被下一次設(shè)定前 實(shí)時(shí)檢測的酒精濃度將與它進(jìn)行比 較 超過該界限值即報(bào)警 同時(shí)酒精濃度值一直將會(huì)顯示出來 第 7 章 結(jié) 論 經(jīng)過近半年時(shí)間的不斷查找資料 設(shè)計(jì)原理圖 布板 焊接以及軟 硬件 調(diào)試 該檢測儀基本實(shí)現(xiàn)了既定的功能 可以進(jìn)行酒精濃度閾值設(shè)定 聲光報(bào) 警 以及酒精濃度的顯示 不過整個(gè)檢測儀的反應(yīng)速率相對(duì)較慢 經(jīng)分析可能 與單片機(jī)的處理的位數(shù) 環(huán)境的溫度有關(guān) 因?yàn)榄h(huán)境的溫度會(huì)對(duì)酒精傳感器的 靈敏度造成很大的影響 但酒精傳感器良好的穩(wěn)定性和選擇性使得檢測儀抗干 擾性很強(qiáng) 結(jié)構(gòu)簡單 體積小 攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)相信會(huì)使它具有很好的市場前 景 總之 雖然在這過程當(dāng)中遇到過很多阻礙 比如原理圖中有些元件設(shè)置不 對(duì)導(dǎo)致沒有導(dǎo)入 PCB 工程中 還有部分因?yàn)榉庋b問題導(dǎo)致生成的 PCB 出現(xiàn)錯(cuò) 誤 不過有了這些錯(cuò)誤同時(shí)讓自己對(duì)知識(shí)有了更深一層的了解 培養(yǎng)了自己獨(dú) 立思考問題 解決問題的能力 25 參考文獻(xiàn) 1 紀(jì)宗南 單片機(jī)外圍器件實(shí)用手冊(cè) 輸入通道器件分冊(cè) M 北京 北京航空航天大學(xué)出 版社 2005 225 230 2 趙家貴 新編傳感器電路設(shè)計(jì)手冊(cè) M 北京 中國計(jì)量學(xué)出版社 2002 23 26 3 張鑫 單片機(jī)原理及應(yīng)用 M 北京 電子工業(yè)出版社 2005 161 258 4 清源計(jì)算機(jī)工作室 Protel99SE 原理圖與 PCB 及仿真 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 10 345 5 Neamen D A 美 電子電路分析與設(shè)計(jì) M 北京 電子工業(yè)出版社 2003 86 104 6 李偉諟 EPSON 單片系列液晶顯示器 M 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 2001 142 150 7 黃智偉 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽電路設(shè)計(jì) M 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 2006 127 140 8 韓廣興 電子元器件與實(shí)用電路基礎(chǔ) 修訂版 M 北京 電子工業(yè)出版社 2005 340 356 9 沙占友 中外集成傳感器實(shí)用手冊(cè) M 北京 電子工業(yè)出版社 2005 200 210 10 Huddleston C 美 Intelligent Sensor Design Using the Microchip dsPIC 智能 傳感器設(shè)計(jì) M 北京 人民郵電出版社 2000 827 1124 11 喬林 Visual C 6 0 程序設(shè)計(jì) M 精通篇 北京 中國鐵道出版社 1999 20 64 12 先鋒工作室 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)例 M 北京 清華大學(xué)出版社 2002 46 50 13 張大明 單片機(jī)控制實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)及綜合應(yīng)用實(shí)例 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2007 668 710 14 康華光 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分 第五版 M 北京 高等教育出版社 2006 123 340 15 康華光 電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分 第五版 M 北京 高等教育出版社 2006 10 256 26 附錄 附錄 A 全局變量頭文件和延時(shí)模塊 globle h ifndef GLOBLE H define GLOBLE H include include ABSACC H define a8255 PA XBYTE 0 xD1FF PA 口地址 define a8255 PB XBYTE 0 xD2FF PB 口地址 define a8255 PC XBYTE 0 xD5FF PC 口地址 define a8255 CON XBYTE 0 xD7FF 控制字地址 typedef unsigned char uchar typedef unsigned int uint typedef bit BOOL define HIGH 1 define LOW 0 27 define I2C TIME 3 define DEV 24c08ID 0 xa0 24c08 的 i2c 地址 sbit Start P2 7 sbit EOC P3 4 sbit OE P2 3 sbit CLK P2 0 sbit Beep P3 3 sbit SCL P2 6 sbit SDA P2 7 endif 延時(shí)模塊 include include globle h void delay ms uchar ms uchar i while ms for i 0 i 250 i nop nop nop nop void delay uchar us 2us 28 uchar i while us for i 0 i 1 i nop 附錄 B AD 轉(zhuǎn)化模塊 AD h ifndef AD H define AD H uchar AD Convert void endif AD c include globle h extern void delay uchar ms uchar temp uchar AD Convert void Start LOW delay 2 Start HIGH delay 2 29 Start LOW while EOC OE HIGH temp P0 return temp 附錄 C 24c08 存儲(chǔ)模塊 i2c h ifndef i2c h define i2c h void i2c init void I2c Start void void I2c Stop void void respons void noACK void I2c Send uchar u8 data uchar I2c Read void void I2c Write Char uchar u8 deviceID uchar reg uchar u8 data uchar I2c Read Char uchar u8 deviceID uchar reg endif I2C c include globle h include i2c h extern void delay uchar us 30 void i2c init SCL 1 delay I2C TIME SDA 1 delay I2C TIME void I2c Start void SDA 1 delay I2C TIME SCL 1 delay I2C TIME SDA 0 delay I2C TIME SCL 0 delay I2C TIME void I2c Stop void SCL 0 delay I2C TIME SDA 0 delay I2C TIME SCL 1 delay I2C TIME SDA 1 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Display uchar i void Display1 uchar i void Display2 uchar i void Display3 uchar i endif Lcd c include globle h include Lcd h include extern void delay uchar ms uchar code Alcohol DataGroup 3 0 1 0 1 0 2 0 2 0 3 0 3 0 4 0 4 0 5 0 5 0 6 0 6 0 7 0 7 0 8 0 8 0 9 0 9 1 0 1 0 35 1 7 1 7 2 0 2 0 2 5 2 5 3 0 3 0 4 0 4 0 5 0 5 0 6 0 6 0 7 0 7 0 8 0 8 0 9 0 9 0 1 0 0 xa0 10 alcohol concerntration data uchar unit group 0 x6d 0 x67 0 x2f 0 x4c mg L uchar unit group m g L 遇忙等待函數(shù) void WaitForEnable void nop nop while a8255 PA 1 忙 a8255 PA 0 xbf 10111111 寫命令 void write com uchar com a8255 CON 0 x80 36 WaitForEnable a8255 PA 0 x8f 10001111 a8255 PB com delay 2 a8255 PA 0 xcf 11001111 delay 2 a8255 PA 0 x8f 10001111 寫數(shù)據(jù)函數(shù) void write data uchar dat a8255 CON 0 x80 WaitForEnable a8255 PA 0 x9f 10011111 a8255 PB dat delay 2 a8255 PA 0 xdf 11011111 delay 2 a8255 PA 0 x9f LCD1602 初始化 void lcdinit void a8255 PA 0 xff a8255 CON 0 x80 a8255 PA 0 x9f write com 0 x38 write com 0 x0f 00001111 開顯示 開光標(biāo) 不閃爍 write com 0 x06 00000111 指針加 1 37 write com 0 x01 清屏 write com 0 x80 write com 0 x80 void Display uchar i displaying the alcohol concentration detected uchar j uchar p uchar t lcdinit write