目 录
一、前言............................................................................................................................. 4
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..................................................................................................................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..................................................................................................................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......................................................................................17
六、参考文献..................................................................................................................17
附图 整体电路图...........................................................................................................18
酒精浓度检测仪的设计
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
2.1 酒精浓度检测仪设计要求分析
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。
2.2 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,报警电路
等。
其总体框图如图2-1所示。
2
声光报警电路
被测
环境
气敏
传感器
A/D 转换
电路
单片机
LED 显示
键盘
图2-1 基本工作原理图
三、硬件设计
3.1 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 0.5-200K。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感器预热 5 分钟。
图3-1
MQ3 结构和外形
3
图3-2
MQ3 结构图
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
3.2 A/D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 2μs
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
4
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。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 3-4
ADC0809 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:
⑴ IN0-IN7 是 8 路模拟信号输入端。
⑵ D0-D7 是 8 位数字量输入端。
⑶ A、B、C 与 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 3-5 通道选择表
5
⑷ OE、START、CLK 为控制信号端,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。
⑸ 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 100μs 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
IN7
….
IN0
C
B
A
ALE
8 路 模
拟 量 开
关
地 址 锁
存 与 密
码
8 位
A/D
转 换
器
三 态 输
出 锁 存
器
VR(+) VR(-)
OE
图 3-6
ADC0809 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:
EOC
D0
.
.
.
D7
VCC
GND
6
图 3-7
ADC0809 的连线图
3.3 89C51 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(CPU),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:
⑴ 微处理器(CPU)。
⑵ 数据存储器(RAM)。
⑶ 程序存储器(ROM/EPROM)。
7
⑷ 4 个 8 位并行 I/O 口(P0 口、P1 口、P2 口、P3 口)。
⑸ 一个串行口。
⑹ 2 个 16 位定时器、计数器。
⑹ 2 个 16 位定时器、计数器。
⑺ 中断系统。
⑻ 特殊功能寄存器(SFR)。
程序存储器
ROM/EPROM
特 殊 功 能
寄存器
(SFR)
8
E
P0
8
P2
数据存储器
RAM
串
行
口
定 时
器 / 计
数器
中 断
系 统
P3
8
P1
8
CPU
(运算器)
(控制器)
X
T
A
L
1
X
T
A
L
2
ALE
EA
IN7
PSEN
RESET
图 3-8
51 单片机片内结构
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。
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