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1、xxxx大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)酒精駕車(chē)檢測(cè)儀學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)所 在 系專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)班 級(jí)指導(dǎo)教師xxxxx大學(xué)二一年五月酒精駕車(chē)檢測(cè)儀學(xué)生: 指導(dǎo)教師:摘要:本文介紹了酒精濃度檢測(cè)儀的發(fā)展和應(yīng)用,闡述了基于氣敏傳感器的酒精濃度檢測(cè)電路的工作原理。用pic16f873單片機(jī)作為控制核心設(shè)計(jì)了酒精濃度檢測(cè)電路,包含了酒精傳感器電路,顯示電路,蜂鳴器報(bào)警電路等重要的模塊。論文給出了軟件流程,并編寫(xiě)了軟件。最后完成了酒精濃度檢測(cè)電路的制作和調(diào)試,該系統(tǒng)通過(guò)led數(shù)碼管顯示所測(cè)氣體中的酒精濃度值所對(duì)應(yīng)的電壓值,超過(guò)所設(shè)閥值后實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。本設(shè)計(jì)具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵字:酒精傳感器 單片機(jī) 報(bào)警dr

2、iving alcohol testersummary: this article describes the development of alcohol detector and application, described alcohol-based gas sensor detection circuit works. pic16f873 microcontroller as the control with the design of the alcohol concentration detection circuit, including the alcohol sensor c

3、ircuit, display circuit, buzzer alarm circuit, and other important modules paper gives the software process and the preparation of the software. finally completed the production of alcohol detection circuit and debug the system through the led digital display of the measured concentration of alcohol

4、 in the gas the voltage corresponding to the value exceeds the threshold set to achieve the alarm after the function. the design is simple, low cost and high reliability.keywords: alcohol sensor scm alarm目 錄前言4(一)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況4(二)論文的主要工作5一、 器件介紹6(一)氣敏傳感器61、氣敏傳感器的動(dòng)態(tài)特性72、傳感器的性能指標(biāo)83、反映傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)84、反映傳感器動(dòng)

5、態(tài)特性的性能指標(biāo)9(二)氣敏電阻的工作原理及其特性9(三)pic16f83a的介紹101、 pic16f83a的特點(diǎn)102、 pic16f83a中寄存器的工作特性11三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)11(一)系統(tǒng)總體框圖11(二)傳感器采集電路121、mq-3傳感器122、傳感器應(yīng)用電路133、 led顯示電路設(shè)計(jì)134、報(bào)警電路設(shè)計(jì)145、a/d轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)15四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)16(一)總體流程圖16(二) a/d轉(zhuǎn)換程序17(三)聲光報(bào)警程序18(四)控制算法19五、系統(tǒng)調(diào)試211、硬件調(diào)試212、軟件調(diào)試223、軟、硬聯(lián)調(diào)234、調(diào)試故障及原因分析23六、結(jié) 論25致謝29附錄30參考文獻(xiàn)31前言近年來(lái)

6、,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,人民的生活水平迅速提高,越來(lái)越多的人有了自己的私家車(chē),而酒后駕車(chē)造成的交通事故也頻頻發(fā)生。酒后駕車(chē)引起的交通事故是由于司機(jī)的過(guò)量飲酒造成人體內(nèi)酒精濃度過(guò)高,麻痹神經(jīng),造成大腦反應(yīng)遲緩,肢體不受控制等癥狀。少量飲酒并不會(huì)有上述癥狀,即人體內(nèi)酒精濃度比較低時(shí),而人體內(nèi)酒精超過(guò)某一個(gè)值時(shí)就會(huì)引起危險(xiǎn)。為此,需要設(shè)計(jì)一智能儀器能夠監(jiān)測(cè)駕駛員體內(nèi)酒精含量。目前全世界絕大多數(shù)國(guó)家都采用呼氣酒精測(cè)試儀對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),以確定被測(cè)量者體內(nèi)酒精含量的多少,以確保駕駛員的生命財(cái)產(chǎn)安全。此外,空氣酒精濃度監(jiān)測(cè)儀還能監(jiān)測(cè)某一特定環(huán)境的酒精濃度如酒精生產(chǎn)車(chē)間可避免發(fā)生起火、爆炸及工業(yè)場(chǎng)地

7、酒精中毒等惡性事故,確保環(huán)境安全。本課題研究的是一種以氣敏傳感器和單片機(jī)為主,監(jiān)測(cè)空氣酒精濃度,并具有聲光報(bào)警功能及l(fā)ed顯示功能的空氣酒精濃度監(jiān)測(cè)儀。其可監(jiān)測(cè)出空氣環(huán)境中酒精濃度值,并根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)定不同的閾值,對(duì)超過(guò)的閾值進(jìn)行聲光報(bào)警來(lái)提示危害。從理論上說(shuō),要判斷是否是酒后駕駛,最準(zhǔn)確的方法應(yīng)該是檢查駕駛?cè)藛T血液中的酒精含量。但是,在違章處理或者公路交通例行檢查中,要在現(xiàn)場(chǎng)抽取血液往往是不現(xiàn)實(shí)的,而送到醫(yī)院再抽取血液卻會(huì)因?yàn)槁飞匣ㄈサ臅r(shí)間使血液中的酒精濃度與在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)有所不同。最簡(jiǎn)單可行的方法是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)駕駛?cè)藛T呼氣中的酒精含量。大量的統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果表明,如果被測(cè)者深吸氣后以中等力度呼氣達(dá)三秒

8、鐘以上,這時(shí)呼出的氣就是從肺部深處出來(lái)的氣體,呼氣中的酒精含量與血液中的酒精含量就有如下關(guān)系: bac(in mg/l) = brac(in mg/l)2200 (公式1)上式中,bac是血液酒精濃度的英文縮寫(xiě),brac則是呼氣酒精濃度的縮寫(xiě)。也就是說(shuō),以每升多少毫克為單位的血液酒精濃度在數(shù)值上相當(dāng)于以每升多少毫克為單位的呼氣酒精濃度乘上系數(shù)2200(由于各國(guó)的情況不同,在美國(guó)此系數(shù)采用2000,而歐洲很多國(guó)家采用2100)。目前全世界幾乎所有國(guó)家都采用呼氣酒精測(cè)試儀對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),以確定被測(cè)量者是否是酒后駕駛。(一)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況我國(guó)測(cè)試儀器的普遍水平比較低;大型和高檔儀器設(shè)備幾

9、乎全部依賴(lài)進(jìn)口;許多急需的專(zhuān)用儀器還是空白;中低檔產(chǎn)品保證質(zhì)量上還有許多難關(guān)需要攻克,科技創(chuàng)新及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展滯緩。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,集成了cpu、存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、并行和串行接口、看門(mén)狗、前置放大器甚至a/d、d/a轉(zhuǎn)換器等電路在一塊芯片上的超大規(guī)模集成電路芯片,即單片機(jī)出現(xiàn)了。以單片機(jī)為主體,將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起,又組成了所謂的“智能化測(cè)量控制系統(tǒng)”,也就是智能儀器。與傳統(tǒng)儀器儀表相比,智能儀器具有以下功能特點(diǎn):操作自動(dòng)化。儀器的整個(gè)測(cè)量過(guò)程如鍵盤(pán)掃描、量程選擇、開(kāi)關(guān)啟動(dòng)閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機(jī)或微控制器來(lái)控制操作,實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的全部

10、自動(dòng)化。具有自測(cè)功能,包括自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)故障與狀態(tài)檢驗(yàn)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自診斷及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等。智能儀表能自動(dòng)檢測(cè)出故障的部位甚至故障的原因。這種自測(cè)可以在儀器啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行,同時(shí)也可在儀器工作中運(yùn)行,極大地方便了儀器的維護(hù)。具有數(shù)據(jù)處理功能,這是智能儀器的主要優(yōu)點(diǎn)之一。智能儀器由于采用了單片機(jī)或微控制器,使得許多原來(lái)用硬件邏輯難以解決或根本無(wú)法解決的問(wèn)題,現(xiàn)在可以用軟件非常靈活地加以解決。例如,傳統(tǒng)的數(shù)字萬(wàn)用表只能測(cè)量電阻、交直流電壓、電流等,而智能型的數(shù)字萬(wàn)用表不僅能進(jìn)行上述測(cè)量,而且還具有對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行諸如零點(diǎn)平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計(jì)分析等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能,不僅使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出

11、來(lái),也有效地提高了儀器的測(cè)量精度。具有友好的人機(jī)對(duì)話能力。智能儀器使用鍵盤(pán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開(kāi)關(guān),操作人員只需通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令,就能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量功能。與此同時(shí),智能儀器還通過(guò)顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)告訴操作人員,使儀器的操作更加方便直觀。(二)論文的主要工作本設(shè)計(jì)采用mq3氣敏傳感器,pic16f873單片機(jī)實(shí)現(xiàn)空氣酒精濃度實(shí)時(shí)測(cè)量,通過(guò)led顯示器實(shí)時(shí)顯示??梢酝ㄟ^(guò)鍵盤(pán)設(shè)定閾值,超過(guò)閾值具有聲光報(bào)警功能。本文主要完成了以下的工作:1 根據(jù)原理做出總體的電路框圖。2 分析每一步要實(shí)現(xiàn)的功能,并設(shè)計(jì)電路。3 連接每個(gè)功能模塊并加入必要的接口電路。4 根據(jù)硬件

12、連接圖和要實(shí)現(xiàn)的功能編寫(xiě)軟件。5 進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試。6 分析調(diào)試中遇到的問(wèn)題,提出改進(jìn)的方案。一、 器件介紹(一)氣敏傳感器氣敏傳感器是用來(lái)檢測(cè)氣體濃度和成分的傳感器,它對(duì)于環(huán)境保護(hù)和安全監(jiān)督方面起著極重要的作用。氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣體中使用的,由于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度的變化很大,又存在大量粉塵和油霧等,所以其工作條件較惡劣,而且氣體對(duì)傳感元件的材料會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)物,附著在元件表面,往往會(huì)使其性能變差。所以對(duì)氣敏傳感器有下列要求:能夠檢測(cè)報(bào)警氣體的允許濃度和其他標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的氣體濃度,能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作,重復(fù)性好,響應(yīng)速度快,共存物質(zhì)所產(chǎn)生的影響小等。由于被測(cè)氣體的種類(lèi)繁多,性質(zhì)各不相同,不

13、可能用一種傳感器來(lái)檢測(cè)所有氣體,所以氣敏傳感器的種類(lèi)也有很多。近年來(lái)隨著半導(dǎo)體材料和加工技術(shù)的迅速發(fā)展,實(shí)際使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器,這類(lèi)傳感器一般多用于氣體的粗略鑒別和定性分析,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。表1 半導(dǎo)體氣敏元件分類(lèi)名稱(chēng)檢測(cè)原理、現(xiàn)象具有代表性的氣敏元件及材料檢測(cè)氣體接觸燃燒式燃燒熱(電阻)pt絲+催化劑(pd、pt_al2o3 、cuo)可燃性氣體電化學(xué)式恒電位電解電流氣體透過(guò)膜+貴金屬陰極+貴金屬陽(yáng)極co、no、so2、o2伽伐尼電池式氣體透過(guò)膜+貴金屬陰極+賤金屬陽(yáng)極o2、nh3其他類(lèi)型紅外吸收型、石英震蕩型、光導(dǎo)纖維型、熱傳導(dǎo)型、異質(zhì)結(jié)型、氣體色譜法、聲表面波氣體

14、傳感器無(wú)機(jī)氣體和有機(jī)氣體半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體(主要是金屬氧化物)表面接觸時(shí),產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物性變化來(lái)檢測(cè)氣體。按照半導(dǎo)體與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生的變化只限于半導(dǎo)體表面或深入到半導(dǎo)體內(nèi)部,可分為表面控制型和體控制型。第一類(lèi),半導(dǎo)體表面吸附的氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子授受,結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物性發(fā)生變化,但內(nèi)部化學(xué)組成不變;第二類(lèi),半導(dǎo)體與氣體的反應(yīng),使半導(dǎo)體內(nèi)部組成(晶格缺陷濃度)發(fā)生變化,而使電導(dǎo)率改變。按照半導(dǎo)體變化的物理特性,又可分電阻型和非電阻型兩類(lèi)。電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時(shí),其阻值變化來(lái)檢測(cè)氣體的成分或濃度;非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用其他參數(shù),如二極

15、管伏安特性和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化來(lái)檢測(cè)被測(cè)氣體。sno2(氧化錫)是目前應(yīng)用最多的一種氣敏元件。1、氣敏傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的輸入信號(hào)是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào),這時(shí)就要求傳感器能時(shí)刻精確地跟蹤輸入信號(hào),按照輸入信號(hào)的變化規(guī)律輸出信號(hào)。當(dāng)傳感器輸入信號(hào)的變化緩慢時(shí),是容易跟蹤的,但隨著輸入信號(hào)的變化加快,傳感器隨動(dòng)跟蹤性能會(huì)逐漸下降。輸入信號(hào)變化時(shí),引起輸出信號(hào)也隨時(shí)間變化,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為響應(yīng)。動(dòng)態(tài)特性就是指?jìng)鞲衅鲗?duì)于隨時(shí)間變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)特性,通常要求傳感器不僅能精確地顯示被測(cè)量的大小,而且還能復(fù)現(xiàn)被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律,這也是傳感器的重要特性之一。傳感器的動(dòng)態(tài)特性與其輸入信號(hào)的變化形

16、式密切相關(guān),在研究傳感器動(dòng)態(tài)特性時(shí),通常是根據(jù)不同輸入信號(hào)的變化規(guī)律來(lái)考察傳感器響應(yīng)的。實(shí)際傳感器輸入信號(hào)隨時(shí)間變化的形式可能是多種多樣的,最常見(jiàn)、最典型的輸入信號(hào)是階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。這兩種信號(hào)在物理上較容易實(shí)現(xiàn),而且也便于求解。對(duì)于階躍輸入信號(hào),傳感器的響應(yīng)稱(chēng)為階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng),它是指?jìng)鞲衅髟谒沧兊姆侵芷谛盘?hào)作用下的響應(yīng)特性。這對(duì)傳感器來(lái)說(shuō)是一種最嚴(yán)峻的狀態(tài),如傳感器能復(fù)現(xiàn)這種信號(hào),那么就能很容易地復(fù)現(xiàn)其他種類(lèi)的輸入信號(hào),其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)也必定會(huì)令人滿意。而對(duì)于正弦輸入信號(hào),則稱(chēng)為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。它是指?jìng)鞲衅髟谡穹€(wěn)定不變的正弦信號(hào)作用下的響應(yīng)特性。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的重要性,在于工程上所遇到的

17、各種非電信號(hào)的變化曲線都可以展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)或進(jìn)行傅里葉變換,即可以用一系列正弦曲線的疊加來(lái)表示原曲線。因此,當(dāng)已知道傳感器對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)特性后,也就可以判斷它對(duì)各種復(fù)雜變化曲線的響應(yīng)了。為便于分析傳感器的動(dòng)態(tài)特性,必須建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的方法有多種,如微分方程、傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)、差分方程、狀態(tài)方程、脈沖響應(yīng)函數(shù)等。建立微分方程是對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行數(shù)學(xué)描述的基本方法。在忽略了一些影響不大的非線性和隨機(jī)變化的復(fù)雜因素后,可將傳感器作為線性定常系統(tǒng)來(lái)考慮,因而其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型可用線性常系數(shù)微分方程來(lái)表示。能用一、二階線性微分方程來(lái)描述的傳感器分別稱(chēng)為一、二階傳感器,雖然傳感

18、器的種類(lèi)和形式很多,但它們一般可以簡(jiǎn)化為一階或二階環(huán)節(jié)的傳感器(高階可以分解成若干個(gè)低階環(huán)節(jié)),因此一階和二階傳感器是最基本的。2、傳感器的性能指標(biāo)在檢測(cè)控制系統(tǒng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中,需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制,而要達(dá)到比較優(yōu)良的控制性能,則必須要求傳感器能夠感測(cè)被測(cè)量的變化并且不失真地將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量,這種要求主要取決于傳感器的基本特性。傳感器的基本特性主要分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。3、反映傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)靜態(tài)特性是指檢測(cè)系統(tǒng)的輸入為不隨時(shí)間變化的恒定信號(hào)時(shí),系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系。主要包括線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。(1) 線性度:指?jìng)鞲衅鬏敵隽颗c輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線

19、偏離擬合直線的程度。(2) 靈敏度:靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義為輸出量的增量y 與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量x 之比。它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化,顯然,靈敏度s 值越大,表示傳感器越靈敏.(3) 遲滯:傳感器在輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱(chēng)為遲滯。也就是說(shuō),對(duì)于同一大小的輸入信號(hào),傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等,這個(gè)差值稱(chēng)為遲滯差值。(4) 重復(fù)性:重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí),所得特性曲線不一致的程度。(5) 漂移:傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下,傳感器輸出

20、量隨著時(shí)間變化,此現(xiàn)象稱(chēng)為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面:一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù);二是周?chē)h(huán)境(如溫度、濕度等)。最常見(jiàn)的漂移是溫度漂移,即周?chē)h(huán)境溫度變化而引起輸出量的變化,溫度漂移主要表現(xiàn)為溫度零點(diǎn)漂移和溫度靈敏度漂移。溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度(一般為20)時(shí)的輸出值的變化量與溫度變化量之比(6) 測(cè)量范圍(measuring range)傳感器所能測(cè)量到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍稱(chēng)為傳感器的測(cè)量范圍。(7) 量程(span)傳感器測(cè)量范圍的上限值與下限值的代數(shù)差,稱(chēng)為量程。(8) 精度(accuracy)傳感器的精度是指測(cè)量結(jié)果的可靠程度,是測(cè)量中各類(lèi)誤差

21、的綜合反映,測(cè)量誤差越小,傳感器的精度越高。傳感器的精度用其量程范圍內(nèi)的最大基本誤差與滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示,其基本誤差是傳感器在規(guī)定的正常工作條件下所具有的測(cè)量誤差,由系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩部分組成工程技術(shù)中為簡(jiǎn)化傳感器精度的表示方法,引用了精度等級(jí)的概念。精度等級(jí)以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)值分檔表示,代表傳感器測(cè)量的最大允許誤差。如果傳感器的工作條件偏離正常工作條件,還會(huì)帶來(lái)附加誤差,溫度附加誤差就是最主要的附加誤差。(9) 分辨率和閾值(resolution and threshold)傳感器能檢測(cè)到輸入量最小變化量的能力稱(chēng)為分辨力。對(duì)于某些傳感器,如電位器式傳感器,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí),輸出

22、量只做階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯”所代表的輸入量的大小。對(duì)于數(shù)字式儀表,分辨力就是儀表指示值的最后一位數(shù)字所代表的值。當(dāng)被測(cè)量的變化量小于分辨力時(shí),數(shù)字式儀表的最后一位數(shù)不變,仍指示原值。當(dāng)分辨力以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)則稱(chēng)為分辨率。閾值是指能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值,即零點(diǎn)附近的分辨力。有的傳感器在零位附近有嚴(yán)重的非線性,形成所謂“死區(qū)”,則將死區(qū)的大小作為閾值;更多情況下,閾值主要取決于傳感器噪聲的大小,因而有的傳感器只給出噪聲電平。(10) 穩(wěn)定性(stability)穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。理想的情況是不論什么時(shí)候

23、,傳感器的特性參數(shù)都不隨時(shí)間變化。但實(shí)際上,隨著時(shí)間的推移,大多數(shù)傳感器的特性會(huì)發(fā)生改變。這是因?yàn)槊舾性驑?gòu)成傳感器的部件,其特性會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化,從而影響了傳感器的穩(wěn)定性。 穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過(guò)一規(guī)定時(shí)間間隔后,傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異來(lái)表示,稱(chēng)為穩(wěn)定性誤差。穩(wěn)定性誤差可用相對(duì)誤差表示,也可用絕對(duì)誤差來(lái)表示。4、 反映傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)特性是指檢測(cè)系統(tǒng)的輸入為隨時(shí)間變化的信號(hào)時(shí),系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系。主要?jiǎng)討B(tài)特性的性能指標(biāo)有時(shí)域單位階躍響應(yīng)性能指標(biāo)和頻域頻率特性性能指標(biāo)。(二)氣敏電阻的工作原理及其特性氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件,它是利用氣體的吸附而

24、使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機(jī)理來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如sno2、zno、fe2o3、mgo、nio、batio3等都具有氣敏效應(yīng)。常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器等。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層),使用時(shí)對(duì)鉑絲通以電流,保持300400的高溫,此時(shí)若與可燃性氣體接觸,可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒,因此,鉑絲的溫度會(huì)上升,鉑絲的電阻值也上升;通過(guò)測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小,就知道可燃性氣體的濃度。電化學(xué)氣敏傳感器一般利用液體(或固體、有機(jī)凝膠等)電解質(zhì),其輸出形式可以是氣體 直

25、接氧化或還原產(chǎn)生的電流,也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn),應(yīng)用極其廣泛;半導(dǎo)體氣敏元件有n型和p型之分。n型在檢測(cè)時(shí)阻值隨氣體濃度的增大而減??;p型阻值隨氣體濃度的增大而增大。象sno2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料,屬于 n型半導(dǎo)體,在200300溫度它吸附空氣中的氧,形成氧的負(fù)離子吸附,使半導(dǎo)體中的電子密度減少,從而使其電阻值增加。當(dāng)遇到有能供給電子的可燃?xì)怏w(如co等)時(shí),原來(lái)吸附的氧脫附,而由可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面;氧脫附放出電子,可燃行氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子, 從而使氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子

26、密度增加,電阻值下降??扇夹詺怏w不存在了,金屬氧化物半導(dǎo)體又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附,使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半 導(dǎo)體氣敏元件檢測(cè)可燃?xì)怏w的基本原理。目前國(guó)產(chǎn)的氣敏元件有2種。一種是直熱式,加熱絲和測(cè)量電極一同燒結(jié)在金屬氧化物半導(dǎo)體管芯內(nèi);另一種是旁熱式,這種氣敏元件以陶瓷管為基底,管內(nèi)穿加熱絲,管外側(cè)有兩個(gè)測(cè)量極,測(cè)量極之間為金屬氧化物氣敏材料,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。 以sno2氣敏元件為例,它是由0.1-10um的晶體集合而成,這種晶體是作為n型半導(dǎo)體而工作的。在正常情況下,是處于氧離子缺位的狀態(tài)。當(dāng)遇到離解能較小且易于失去電子的可燃性氣體分子時(shí),電子從氣體分子向半導(dǎo)體遷移,半導(dǎo)體的載流子

27、濃度增加,因此電導(dǎo)率增加。而對(duì)于p型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō),它的晶格是陽(yáng)離子缺位狀態(tài),當(dāng)遇到可燃性氣體時(shí)其電導(dǎo)率則減小。此外,在氣敏元件的材料中加入微量的鉛、鉑、金、銀等元素以及一些金屬鹽類(lèi)催化劑可以獲得低溫時(shí)的靈敏度,也可增強(qiáng)對(duì)氣體種類(lèi)的選擇性。氣敏電阻根據(jù)加熱的方式可分為直熱式和旁熱式兩種,直熱式消耗功率大,穩(wěn)定性較差,故應(yīng)用逐漸減少。旁熱式性能穩(wěn)定,消耗功率小,其結(jié)構(gòu)上往往加有封壓雙層的不銹鋼絲網(wǎng)防爆,因此安全可靠,其應(yīng)用面較廣。(三)pic16f83a的介紹pic16f873a價(jià)格經(jīng)濟(jì),控制芯片成本只需要19元,便于控制成本,提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。其次,pic16f873a功能強(qiáng)大。由于它內(nèi)部已集

28、成了a/d轉(zhuǎn)換器,使得許多硬件的功能可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),從而,使它的外圍電路簡(jiǎn)單,產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔,系統(tǒng)的可靠性得以提高。第三,軟件開(kāi)發(fā)方便、快捷。pic應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)可采用硬件仿真和軟件模擬兩種辦法,考慮到開(kāi)發(fā)費(fèi)用與開(kāi)發(fā)進(jìn)程兩方面因素,我們采用軟件模擬的辦法,即借助于pc機(jī)利用pci模擬(仿真)調(diào)試工具來(lái)完成。它允許用戶通過(guò)設(shè)置斷點(diǎn),單步執(zhí)行等功能對(duì)目標(biāo)程序進(jìn)行調(diào)試,只是速度略顯慢些,實(shí)時(shí)性能稍差。鑒于目前微機(jī)性能的大幅度提高與集成開(kāi)發(fā)軟件的不斷完善,此法愈顯示出其可貴之處。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)(一)系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)選用pic16877為控制核心如圖1所示,系統(tǒng)由mq-3傳感器電路、led

29、顯示部分、聲光報(bào)警電路、內(nèi)部ad轉(zhuǎn)換部分和鍵盤(pán)控制顯示五部分組成。 圖1 系統(tǒng)總框圖(二)傳感器采集電路1、mq-3傳感器本設(shè)計(jì)采用的氣體傳感器為mq-3,其實(shí)物外觀如圖2。 圖2 mq-3實(shí)物圖 圖3 感器的結(jié)構(gòu)與測(cè)試原理圖 圖4 mqn氣敏電阻結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路 圖5 傳感器應(yīng)用電路2、傳感器應(yīng)用電路傳感器應(yīng)用電路如圖5所示。3、led顯示電路設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中,若顯示輸出是對(duì)電壓的量化值直接進(jìn)行譯碼顯示輸出,其顯示值為d/a變換的輸入量,由于d/a變換與功率驅(qū)動(dòng)電路引入的誤差,使得顯示值與電源實(shí)際輸出值之間就可能出現(xiàn)較大的偏差。我們都知道顯示部分有兩種方案供選擇使用:方案一、靜態(tài)顯示利用

30、串行通信,把要顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送出來(lái),放在臨時(shí)寄存器里,然后顯示數(shù)據(jù)值;只要我們的數(shù)據(jù)不改變,它是不變化的,而且它可以減輕控制器的負(fù)擔(dān)。同時(shí)用戶所看到的所顯示的值是穩(wěn)定的值,不會(huì)出現(xiàn)閃爍,這些都正符合我們的設(shè)計(jì)要求。方案二、動(dòng)態(tài)顯示其顯示值是不斷更新變化的,通過(guò)位選和列選來(lái)選中是哪一個(gè)數(shù)字顯示,利用人眼的滯留效應(yīng),以很短的時(shí)間來(lái)一個(gè)一個(gè)的顯示;用戶所看到的是不穩(wěn)定的數(shù)值,在視覺(jué)上效果不好,而且數(shù)值的不斷循環(huán)顯示,給控制器增加了不必要的負(fù)擔(dān)。這是我們不愿意看到的。動(dòng)態(tài)掃描顯示是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式。其接口電路是把所有顯示器的8個(gè)筆劃段dadp同名端連在一起,而每一個(gè)顯示器的公共極com

31、各自獨(dú)立地受i/o線控制。cpu向字段輸出口送出字形碼時(shí),所有顯示器接收到相同的字形碼,但究竟是哪個(gè)顯示器亮,則取決于com端,而這一端是由i/o控制的,因此就可以自行決定何時(shí)顯示哪一位了。所謂動(dòng)態(tài)掃描就是采用分時(shí)的方法,輪流控制各個(gè)顯示器的com端,使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中,每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的(約1ms),但由于人的觀覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng),盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮,但只要掃描的速度足夠快,給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù),不會(huì)有閃爍感。圖6 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖圖7 led數(shù)碼管電路根據(jù)設(shè)計(jì)需要以及功能強(qiáng)弱,在本設(shè)計(jì)中顯示模塊采用方案二,如圖7所示

32、。4、報(bào)警電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制輸出端sp為低電平時(shí),經(jīng)過(guò)三極管放大有電流通過(guò)蜂鳴器,驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警后作出相應(yīng)的提示或警告。蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過(guò)電磁線圈,使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜發(fā)聲的,因此需要一定的電流才能驅(qū)動(dòng)它,單片機(jī)io引腳輸出的電流較小,單片機(jī)輸出的ttl電平基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器,因此需要增加一個(gè)電流放大的電路,如圖3-8所示。圖8 蜂鳴器電路5、a/d轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)a/d轉(zhuǎn)換電路的作用是將傳感器電路輸出的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。本課題采用的是microchip公司的pic16f87x系列單片機(jī)中的pic16f873為控制芯片,自帶10位ad轉(zhuǎn)換,從而無(wú)需另

33、外再去選擇一塊專(zhuān)用a/d轉(zhuǎn)換芯片(如adc0809 a/d轉(zhuǎn)換芯片),進(jìn)而更加精簡(jiǎn)本設(shè)計(jì)的外圍電路。pic16f873內(nèi)部的a/d轉(zhuǎn)換模塊由5路模擬量輸入多路開(kāi)關(guān)、10位線性的逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器所構(gòu)成,參考電壓和模擬電路電源也通過(guò)相應(yīng)引腳輸入,本系統(tǒng)中,a/d轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓avref+和avref-分別選為模擬電源電壓和模擬地,模擬信號(hào)輸入量的范圍為0+5v。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件所要實(shí)現(xiàn)的功能是將通過(guò)精密放大器的傳感器信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換,并把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行一定處理,轉(zhuǎn)化為酒精濃度信號(hào)ppm或mg/l,最后送led顯示器顯示。在程序的編寫(xiě)過(guò)程中,考慮到可移植性和以后功能的升級(jí),以及調(diào)

34、試的方便性,采用模塊化設(shè)計(jì)。也就是說(shuō),將程序的某一部分換掉以后,可以作為相應(yīng)的測(cè)試程序使用。比如,將程序中酒精的ppm和mg/l濃度表?yè)Q成電壓與壓力或電壓與濕度的轉(zhuǎn)換表,則可以實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)試或溫度測(cè)試。另外,除顯示子程序外,其他的濃度轉(zhuǎn)換子程序、重復(fù)顯示子程序、恢復(fù)顯示子程序、開(kāi)關(guān)聲響子程序等可以任意拿掉而不影響整個(gè)程序的正常運(yùn)行。本軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為mplab ide。由于所運(yùn)用到各種平臺(tái)工具的局限性及自身的能力問(wèn)題,把酒精濃度的檢測(cè)范圍只能廣義的定位05v的電壓變換之間,當(dāng)酒精濃度超過(guò)所設(shè)閥值,系統(tǒng)控制輸出端sp為低電平時(shí),經(jīng)過(guò)三極管放大有電流通過(guò)蜂鳴器,驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警后作出相應(yīng)的提示

35、或警告。傳感器的標(biāo)準(zhǔn)回路有兩部分組成。其一為加熱回路,其二為信號(hào)輸出回路,它可以準(zhǔn)確反映傳感器表面電阻值的變化。傳感器的表面電阻rs的變化,是通過(guò)與其串聯(lián)的負(fù)載電阻rl上的有效電壓信號(hào)vrl輸出面獲得的。二者之間的關(guān)系表述為: rs/rl=(vc-vrl)/vrl,其中vc為回路電壓為10v。負(fù)載電阻rl可調(diào)為05200k。加熱電壓uh為5v。上述這些參數(shù)使得傳感器輸出電壓為0-5v。(一)總體流程圖開(kāi) 始初始化ad轉(zhuǎn)換相關(guān)寄存器等待轉(zhuǎn)換adgo=1?存放轉(zhuǎn)換結(jié)果結(jié)束yn開(kāi)始初始化端口傳感器采集送顯示是否 超標(biāo)?n聲光報(bào)警y 本設(shè)計(jì)主體部分由硬件實(shí)現(xiàn),軟件部分的工作主要為開(kāi)機(jī)初始化、傳感器采集

36、、顯示控制和聲光報(bào)警,主流程圖如圖9所示。圖9 軟件流程圖(二)a/d轉(zhuǎn)換程序 部分/ad轉(zhuǎn)換程序片段如下:loop:bsf adcon0,go;啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換btfss pir1,adif;等待a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束goto $-1 ;沒(méi)結(jié)束則返回繼續(xù)等待movf adresh,w;將a/d轉(zhuǎn)換數(shù)值的低8位存入w存儲(chǔ)器movwf s1h ;w內(nèi)容放到s1高8位地址bsf status,5;選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器體1movf adresl,w;將a/d轉(zhuǎn)換數(shù)值的高2位存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器bcf status,5;選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器體0movwfs1l ;w內(nèi)容放到s1低8位地址movlw71hmovwfs2lmovlw

37、02hmovwfs2h ;將271h(即625)放到s2callmpxy ;調(diào)用乘法子程序clrfcounter把ra0通道輸入的0-5v的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量ooh-ffh,然后存儲(chǔ)到3fh單元。系數(shù)是酒精濃度的最大測(cè)量值5000/1023=4.89確定。系數(shù)調(diào)整是為了使十六進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換方便,將轉(zhuǎn)換系數(shù)4.89放大10倍取整后為49即31h作為轉(zhuǎn)換系數(shù)。(三)聲光報(bào)警程序報(bào)警子程序執(zhí)行之前,鍵盤(pán)設(shè)定的報(bào)警閾值轉(zhuǎn)換為壓縮的bcd碼并存放在兩個(gè)存儲(chǔ)單元中。傳感器輸入值a/d轉(zhuǎn)換后,調(diào)用比較程序,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后顯示的測(cè)量值與閾值比較,小于閾值則繼續(xù)執(zhí)行顯示程序。若大于閾值則將單片機(jī)的ra

38、4、ra5兩端口置位進(jìn)行聲光報(bào)警。40h、4lh、42h單元存放a/d轉(zhuǎn)換后,并進(jìn)行十進(jìn)制轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。40h和50h分別存放的是處理后的測(cè)量值與閾值的千位的壓縮bcd碼,41h和51h分別存放的是處理后的測(cè)量值與閾值的百位、十位壓縮的bcd碼,42h和52h分別存放的是處理后的測(cè)量值與閾值的個(gè)位的壓縮bcd碼。程序首先對(duì)40h、50h中的值進(jìn)行比較大小,如果40i-i中的值大于50h中的值,則進(jìn)行報(bào)警。依此類(lèi)推,比較41h和51h,42h和52h。當(dāng)大于閥值時(shí)報(bào)警電路工作并報(bào)警。開(kāi)始40h中bcd碼大?42h中bcd碼大?與閥值相等?41h中bcd碼大?與閥值相等?返回報(bào)警nnyyy圖10

39、報(bào)警子程序流程圖(四)控制算法目前控制系統(tǒng)中的控制算法多為pid算法,但pid算法由于微分作用導(dǎo)致高頻干擾大,易引起超調(diào),參數(shù)調(diào)整也麻煩,同時(shí)考慮到水溫控制系統(tǒng)本身有一個(gè)大滯后的特點(diǎn),故本系統(tǒng)選用了目前國(guó)際上較流行的從能量控制的觀點(diǎn)出發(fā),引入模糊控制思想而提出的變參數(shù)控制算法控制. 控制系統(tǒng)在其特性或參數(shù)發(fā)生攝動(dòng)時(shí)仍可使品質(zhì)指標(biāo)保持不變的性能。魯棒性是英文robustness一詞的音譯,也可意譯為穩(wěn)健性。魯棒性原是統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一個(gè)專(zhuān)門(mén)術(shù)語(yǔ),70年代初開(kāi)始在控制理論的研究中流行起來(lái),用以表征控制系統(tǒng)對(duì)特性或參數(shù)攝動(dòng)的不敏感性。在實(shí)際問(wèn)題中,系統(tǒng)特性或參數(shù)的攝動(dòng)常常是不可避免的。產(chǎn)生攝動(dòng)的原因主要有

40、兩個(gè)方面,一個(gè)是由于量測(cè)的不精確使特性或參數(shù)的實(shí)際值會(huì)偏離它的設(shè)計(jì)值(標(biāo)稱(chēng)值),另一個(gè)是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中受環(huán)境因素的影響而引起特性或參數(shù)的緩慢漂移。因此,魯棒性已成為控制理論中的一個(gè)重要的研究課題,也是一切類(lèi)型的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中所必需考慮的一個(gè)基本問(wèn)題。對(duì)魯棒性的研究主要限于線性定??刂葡到y(tǒng),所涉及的領(lǐng)域包括穩(wěn)定性、無(wú)靜差性、適應(yīng)控制等。魯棒性問(wèn)題與控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性和不變性原理有著密切的聯(lián)系,內(nèi)模原理的建立則對(duì)魯棒性問(wèn)題的研究起了重要的推動(dòng)作用。模糊控制算法的基本原理可采用解析式描述為:u= k*e + (1-k)*c; (2)其中,e, c, k為經(jīng)過(guò)量化和模糊化的控制變量,相應(yīng)的論域分別

41、為酒精電壓(當(dāng)前電壓和目標(biāo)電壓的差值)、溫差變化率及控制量(當(dāng)前溫度與上一個(gè)時(shí)刻溫度的差值);k為調(diào)整因子。 其基本思想是通過(guò)調(diào)整k的大小,可改變對(duì)差量和差量變化率的不同加權(quán)程度.在實(shí)際系統(tǒng)中,系統(tǒng)在不同的狀態(tài)下,對(duì)控制規(guī)則中的差量e和差量變化率c有不同的要求.如差量較大時(shí),控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是減小溫差,此時(shí)對(duì)差量加權(quán)應(yīng)該大些;當(dāng)差量較小時(shí),控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定,減小超調(diào),此時(shí)要求在控制規(guī)則中差量變化率加權(quán)大些?;谶@個(gè)思想,提出了模糊酒精變化電壓控制方法,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),根據(jù)不同的電壓和目標(biāo)溫度來(lái)改變加熱時(shí)間與休息時(shí)間的在控比,從而達(dá)到控制的目的。算法通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn),此算法使系統(tǒng)

42、能自行控制加熱程度,使系統(tǒng)具有無(wú)超調(diào)和恒溫精度高,具有穩(wěn)定性好,控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的依賴(lài)性弱等優(yōu)點(diǎn)。五、系統(tǒng)調(diào)試對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行分塊調(diào)試,確定各個(gè)模塊正確后,逐次將各個(gè)模塊組合進(jìn)行調(diào)試!特別注意在綜合模塊時(shí)的代碼的優(yōu)化和調(diào)整!提高代碼的可讀性和可移植性。調(diào)試分析包括硬件調(diào)試分析和軟件調(diào)試分析及軟、硬件聯(lián)調(diào)。由于硬件調(diào)試分析和軟件調(diào)試分析是獨(dú)立進(jìn)行的,所以可以先調(diào)硬件再調(diào)軟件。再調(diào)試中找出錯(cuò)誤、缺陷,判斷各種故障,并作出軟硬件的修改。直至沒(méi)有錯(cuò)誤。(一)排除電源故障造成這類(lèi)錯(cuò)誤的原因有兩個(gè):一個(gè)是元器件買(mǎi)來(lái)時(shí)就已壞了;另一個(gè)是由于安裝錯(cuò)誤,造成器件燒壞??梢圆扇z查元器件與設(shè)計(jì)要求的型號(hào)、規(guī)格和安裝是

43、否一致。在保證安裝無(wú)誤后,用替換方法排除錯(cuò)誤。在通電前,一定要檢查電源電壓的幅值和極性,否則很容易造成集成塊損壞。加電后檢查各插件上引腳的電位,一般先檢查vcc與gnd之間電位,若在5v48v之間屬正常。若有高壓,聯(lián)機(jī)仿真器調(diào)試時(shí),將會(huì)損壞仿真器等,有時(shí)會(huì)使應(yīng)用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。用萬(wàn)能表檢測(cè)無(wú)誤后對(duì)電路進(jìn)行通電,如圖11所示。圖11 系統(tǒng)通電顯示1、硬件調(diào)試 硬件調(diào)試包括傳感器電路、顯示電路、鍵盤(pán)電路、單片機(jī)外圍電路、聲光報(bào)警電路等。下面主要介紹傳感器電路、報(bào)警電路的調(diào)試。首先把mq3型氣敏傳感器按照說(shuō)明書(shū)介紹,接上+5伏工作電源,進(jìn)行預(yù)熱5-10分鐘。由于氣敏傳感器里已經(jīng)集成了放大電路

44、,而用萬(wàn)用表測(cè)量可證實(shí)其輸出是一穩(wěn)定的0-5v的電壓信號(hào),符合單片機(jī)的輸入條件,因此此信號(hào)可以直接接人進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換而不需要放大、濾波等。其次對(duì)于聲光報(bào)警電路的調(diào)試分為蜂鳴器和led的調(diào)試。經(jīng)試驗(yàn)電路板的蜂鳴器和led只有在高電平工作,需要三極管對(duì)電流放大進(jìn)行驅(qū)動(dòng),了解這一點(diǎn),對(duì)程序的設(shè)計(jì)很重要。2、軟件調(diào)試 軟件調(diào)試為利用偉福軟件進(jìn)行模塊化調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中觀察存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)的變化,查找所寫(xiě)程序的錯(cuò)誤,并改正。運(yùn)行程序,并對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。mplab為方便使用,把常用的一些運(yùn)行、調(diào)試命令及窗口選項(xiàng)以小圖標(biāo)的形式置于工具欄中。當(dāng)用戶鼠標(biāo)移至小圖標(biāo)上時(shí),背景窗體的左下角將會(huì)顯示相應(yīng)的說(shuō)明。 以下對(duì)常用運(yùn)

45、行、調(diào)試命令及窗口選項(xiàng)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。運(yùn)行(run):點(diǎn)擊此項(xiàng)后芯片將全速運(yùn)行片內(nèi)程序,直至遇到斷點(diǎn)或是接到了停止命令。圖標(biāo): 停止(halt the processor):點(diǎn)擊此項(xiàng)后芯片將停止運(yùn)行當(dāng)前程序。圖標(biāo): 單步(step):點(diǎn)擊此項(xiàng)后芯片將執(zhí)行當(dāng)前行的指令。圖標(biāo): 連續(xù)單步(step over):點(diǎn)擊此項(xiàng)后芯片將由當(dāng)前行開(kāi)始,連續(xù)執(zhí)行單步操作,直至遇到斷點(diǎn)或是接到停止命令。圖標(biāo):復(fù)位(reset processor):點(diǎn)擊此項(xiàng)后芯片將被復(fù)位。圖標(biāo):程序存儲(chǔ)器窗(program register window):點(diǎn)擊此項(xiàng)后將打開(kāi)程序存儲(chǔ)器窗口。圖標(biāo):通用寄存器窗口(file regis

46、ter memory):點(diǎn)擊此項(xiàng)后將打開(kāi)通用寄存器窗口。圖標(biāo): 特殊功能寄存器窗口(special function register window):點(diǎn)擊此項(xiàng)后將打開(kāi)特殊功能寄存器(sfr)窗口。圖標(biāo):增加新變量窗口(create new watchwindow):點(diǎn)擊此項(xiàng)后將打開(kāi)觀察變量窗口,并允許用戶添加新的觀察變量。圖標(biāo): 合理運(yùn)用運(yùn)行調(diào)試手段將有助于更快更好的調(diào)試用戶程序。例如:使用變量觀察窗可以集中觀察用戶關(guān)心的變量寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)變化情況特殊寄存器窗口集中顯示了特殊功能寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù),用戶根據(jù)其變化可以判斷出各功能模塊的運(yùn)行狀況。l 使用單步可以觀察到執(zhí)行該行指令后的效果。l 使用

47、連續(xù)單步可以較為直觀的觀察到程序的運(yùn)行路徑,子程序的跳轉(zhuǎn)情況。l 設(shè)置斷點(diǎn)可以讓程序在某一句上停下,因此可以用來(lái)判斷某一子程序的入口條件是否準(zhǔn)確,可以讓程序迅速的停在要分析的程序段上各個(gè)運(yùn)行調(diào)試手段的作用遠(yuǎn)不止上述的幾點(diǎn),這需要用戶在實(shí)際運(yùn)行調(diào)試中自己體會(huì)。3、軟、硬聯(lián)調(diào) 調(diào)入程序編譯運(yùn)行,并把傳感器接人電路,看led顯示器是否顯示提示界面。顯示提示界面后根據(jù)ied顯示器上的提示按鍵進(jìn)行下一步操作??存I盤(pán)是否能夠設(shè)定閾值,并顯示。設(shè)定閾值后,用浸有酒精的棉簽靠近氣敏傳感器,并對(duì)著棉簽緩緩吹氣觀察led顯示的數(shù)值。觀察蜂鳴器是否發(fā)聲及l(fā)ed是否被點(diǎn)亮。若發(fā)聲,當(dāng)過(guò)了一兩分鐘后,led顯示器上數(shù)值

48、下降,當(dāng)小于閾值時(shí)蜂鳴器停止發(fā)聲,led也熄滅。上述這些功能能夠?qū)崿F(xiàn)則表明達(dá)到了課題要求。4、調(diào)試故障及原因分析報(bào)警電路出錯(cuò),體現(xiàn)在軟硬件聯(lián)調(diào)時(shí),程序剛一運(yùn)行,聲音報(bào)警電路就發(fā)出報(bào)警聲音而led正常。經(jīng)程序檢查及對(duì)蜂鳴器及l(fā)ed燈的電路,發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)箱的蜂蜂鳴器及都是在低電平時(shí)工作。而主程序開(kāi)始就把ra4口置位、ra5清零,ra4口接的是指示燈,這就使程序剛運(yùn)行蜂鳴器就發(fā)出報(bào)警聲音了。發(fā)現(xiàn)這個(gè)錯(cuò)誤,把程序中不報(bào)警時(shí)的ra5口都置高電平,報(bào)警時(shí)置低電平。把傳感器工作電路接好后急于接到單片機(jī)上,傳感器輸出電壓不穩(wěn)定。運(yùn)行程序發(fā)現(xiàn)還未吹酒精氣體進(jìn)傳感器而led顯示的測(cè)量數(shù)值明顯偏大。經(jīng)看m03型氣敏傳

49、感器的嚴(yán)原理和使用說(shuō)明得知該傳感器工作時(shí)需加熱到300攝氏度左右,因此需預(yù)熱5分鐘,使傳感器內(nèi)部敏感元件恢復(fù)到初始狀態(tài)。便于測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。找到錯(cuò)誤原因,在測(cè)量前傳感器先預(yù)熱5分鐘,接人后續(xù)電路,進(jìn)行調(diào)試。分別配制20%、40%、60%、80%濃度的酒精溶液和純水、純酒精分別放在不同的容器內(nèi);將傳感器放到含有酒精溶液的容器口邊緣,向傳感器方向輕輕吹氣,用電壓表記錄out數(shù)值,對(duì)各種濃度的溶液重復(fù)幾次實(shí)驗(yàn),得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5-1所示。表2 調(diào)試數(shù)據(jù)酒精濃度/(%)020406080100out/(v)0.51.62.63.64.05.10.92.43.84.85.66.40.81.13.13.54

50、.85.30.31.02.83.84.35.0平均值/(v)0.61.53.13.94.75.5led顯示(v)00.9-1.51.1-1.962.1-3.02.5-3.93.8-4.6由于傳感器對(duì)溫度也很敏感,環(huán)境溫度不穩(wěn)定,測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏差,每次測(cè)量時(shí)都需要對(duì)電路進(jìn)行調(diào)零,并采取多次測(cè)量求平均值的方法處理數(shù)據(jù);同一濃度的酒精溶液因空氣中氣流流動(dòng)場(chǎng)的影響使輸出結(jié)果有較大偏差,因此必須多次測(cè)量并控制外界環(huán)境的變化。因?yàn)樯鲜鲈蚝驼{(diào)試時(shí)外界條件的影響,led顯示的值為一組動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù),在一個(gè)范圍內(nèi)浮動(dòng)。六、結(jié) 論通過(guò)這次設(shè)計(jì),我對(duì)單片機(jī)編程有了更深刻的理解。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中,遇到很多的問(wèn)題,看似一

51、個(gè)很小的問(wèn)題,但對(duì)于程序運(yùn)行卻有很大關(guān)聯(lián)??偨Y(jié)程序中出現(xiàn)的小問(wèn)題時(shí)都是自己的馬虎大意造成的,不夠仔細(xì)地處理。但畢竟還是初次接觸到應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā),而在以前學(xué)過(guò)的東西也沒(méi)有能很好的掌握,所以這個(gè)設(shè)計(jì)也不是非常的理想,還存在著程序不夠精簡(jiǎn),功能不夠完善,沒(méi)有更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。盡管,設(shè)計(jì)的程序能夠接收、處理完整行數(shù)據(jù),并能寫(xiě)入flash,也能啟動(dòng)用戶程序,但在遇到最后一行數(shù)據(jù)是非完整行時(shí),數(shù)據(jù)的接收和處理雖能夠正常進(jìn)行,但是 在其寫(xiě)入的過(guò)程中出現(xiàn)了不可預(yù)料的失誤:不能完整寫(xiě)入數(shù)據(jù)。由于時(shí)間限制,我沒(méi)有繼續(xù)這部分的工作。希望對(duì)單片機(jī)有興趣的同學(xué)能繼續(xù)改進(jìn)我的程序。在減小誤差方面能設(shè)計(jì)出更好的辦法,來(lái)解

52、決這一問(wèn)題。在本設(shè)計(jì)中,由于時(shí)間緊張未設(shè)計(jì)人機(jī)接口和通信接口。但是在現(xiàn)代儀器中它們是必不可少的。單片機(jī)的實(shí)踐性很強(qiáng),自己實(shí)際動(dòng)手,實(shí)際體驗(yàn)開(kāi)發(fā)的過(guò)程,這至關(guān)重要。既然如此,為同學(xué)們提供一種簡(jiǎn)易實(shí)用的實(shí)驗(yàn)手段,很有意義。我希望以后能有其他同學(xué)來(lái)完善此設(shè)計(jì),讓它更好的為同學(xué)服務(wù)。這次作品設(shè)計(jì)與制作不僅是對(duì)我們所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn),也是對(duì)自身能力的一種提高,通過(guò)這次作品設(shè)計(jì)使我們明白了自身掌握的知識(shí)非常欠缺,所要學(xué)習(xí)的東西還很多。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中使我們懂得了許多東西,也培養(yǎng)了獨(dú)立思考和設(shè)計(jì)的能力,樹(shù)立了對(duì)知識(shí)應(yīng)用的信心,相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作和生活有非常大的幫助,并且提高了自己的動(dòng)手實(shí)踐操作能力, 使

53、自己充分體會(huì)到了在設(shè)計(jì)過(guò)程中的成功喜悅。致謝本論文是在劉強(qiáng)老師的悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度,精益求精的工作作風(fēng),誨人不倦的高尚師德,嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范,樸實(shí)無(wú)華、平易近人的人格魅力對(duì)我影響深遠(yuǎn)。不僅使我掌握了基本的研究方法,還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。本論文從選題到完成,每一步都是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的,傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此,謹(jǐn)向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x!在這里再次感謝我的導(dǎo)師。他平日里工作繁多,但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段,從查閱資料,設(shè)計(jì)草案的確定和修改,中期檢查,后期詳細(xì)設(shè)計(jì)等整個(gè)過(guò)程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。然后還要感謝大學(xué)四年來(lái)所有的老師,為我

54、打下了堅(jiān)實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ);同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們,正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì),此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。最后感謝學(xué)校三年來(lái)對(duì)我的大力栽培,在這個(gè)世外桃源一樣美麗的校園中,心才能不被世俗干擾。永遠(yuǎn)懷念這一切的一切!附錄 電路原理圖參考文獻(xiàn)1 朱正涌 編著.半導(dǎo)體集成電路m.北京:清華大學(xué)出版社,2002.2 沙占友.新型單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用m.北京:電子工業(yè)出版社,2001.3 方佩敏.新型電荷泵dc-dc變換器j.今日電子,2004.11:58594 趙勝華,陳建安. cmos集成電路中振蕩器的設(shè)計(jì)及性能分析j.電子與封裝,2004.11第4卷第6期.5 李國(guó)厚, 馮啟高.電荷泵dc-dc

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