基于51單片機的酒精檢測儀課程設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一、前言4</b></p><p>　　二、酒精測試儀總體方案設計4</p><p>　　2.1 酒精濃度檢測儀設計要求分析4</p><p>　　2.2 酒精濃度檢測儀設計方案4</p><p

2、>　　三、硬件設計..5</p><p>　　3.1 傳感器的選擇.. 5</p><p>　　3.2 A/D轉換電路6</p><p>　　3.3 89C51單片機系統(tǒng)9</p><p>　　3.4 LED顯示電路12</p><p>　　3.5 鍵盤電路13</p><p>

3、;　　3.6 報警電路13</p><p><b>　　四、軟件設計14</b></p><p>　　4.1 主程序框圖14</p><p>　　4.2 數(shù)據采集子程序程序框圖15</p><p>　　4.3 報警子程序程序框圖15</p><p>　　五、課程設計系的心得體會17&l

4、t;/p><p><b>　　六、參考文獻17</b></p><p>　　附圖 整體電路圖18</p><p>　　酒精濃度檢測儀的設計</p><p><b>　　一、前言</b></p><p>　　近年來，我國越來越多的人有了自己的私家車，而酒后駕車造成的交通事故也頻

5、繁發(fā)生。為此，我國將酒駕列入刑法范圍內，所以需要設計一智能儀器能夠檢測駕駛員體內酒精含量。本課程設計研究的是一種以氣敏傳感器和單片機A/D轉換器為主，檢測駕駛員呼出氣體的酒精濃度，并具有聲光報警功能的空氣酒精濃度監(jiān)測儀。其可檢測出空氣環(huán)境中酒精濃度值，并可根據不同的環(huán)境設定不同的閾值，對超過的閾值進行聲光報警來提示危害。</p><p>　　本課題分為兩部分：硬件設計部分和軟件設計部分。硬件部分為利用MQ3氣敏傳

6、感器測量空氣中酒精濃度，并轉換為電壓信號，經A/D轉換器轉換成數(shù)字信號后傳給單片機系統(tǒng)，由單片機及其相應外圍電路進行信號的處理，顯示酒精濃度值以及超閾值聲光報警。程序采用模塊化設計思想，各個子程序的功能相對獨立，便于調試和修改。而硬件電路又大體可分為單片機小系統(tǒng)電路、A/D轉換電路、聲光報警電路、LED顯示電路，按鍵電路，各部分電路的設計及原理將會在硬件電路設計部分詳細介紹。</p><p>　　二、酒精測試儀總

7、體方案設計</p><p>　　2.1 酒精濃度檢測儀設計要求分析</p><p>　　設計的酒精濃度測試儀應具有如下特點：</p><p>　　（1）數(shù)據采集系統(tǒng)以單片機為控制核心，外圍電路帶有LED顯示以及鍵盤響應電路，無需要其他計算機，用戶就可以與之進行交互工作，完成數(shù)據的采集、存儲、計算、分析等過程。</p><p>　　（2）系統(tǒng)具

8、有低功耗、小型化、高性價比等特點。</p><p>　?。?）從便攜式的角度出發(fā)，系統(tǒng)成功使用了數(shù)碼管顯示器以及小鍵盤。由單片機系統(tǒng)控制鍵盤和LED顯示來實現(xiàn)人機交互操作，界面友好。</p><p>　?。?）軟件設計簡單易懂。</p><p>　　2.2 酒精濃度檢測儀設計方案</p><p>　　設計時，考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉換

9、為電量，傳感器輸出的是0-5伏的電壓值且電壓值穩(wěn)定，外部干擾小等。因此，可以直接把傳感器輸出電壓值經過A/D轉換器轉換得到數(shù)據送入單片機進行處理。此外，還需接人LED顯示，4*4鍵盤，報警電路等。</p><p>　　其總體框圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 基本工作原理圖</p><p><b>　　三、硬件設計</b>&l

10、t;/p><p>　　3.1.1 傳感器的選擇</p><p>　　本系統(tǒng)直接測量的是呼氣中的酒精濃度，再轉換為血液中的酒精含量濃度，故采用氣敏傳感器?？紤]到周圍空氣中的氣體成分可能影響傳感器測量的準確性，所以傳感器只能對酒精氣體敏感，對其他氣體不敏感，故選用MQ3型氣敏傳感器。其有很高的靈敏度、良好的選擇性、長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。MQ3型氣敏傳感器由微型Al2O3，陶瓷管和SnO2敏

11、感層、測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。傳感器的標準回路有兩部分組成。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值的變化。傳感器的表面電阻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。負載電阻RL可調為0．5-200K。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。MQ3型氣敏傳感器的結構和外形、標準回

12、路、傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關系圖如圖3-3所示。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，一般在測量前需將傳感器預熱5分鐘。</p><p>　　圖3-1 MQ3 結構和外形</p><p>　　圖3-2 MQ3 結構圖</p><p>　　圖3-3 傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關系</p>

13、<p>　　本系統(tǒng)測量時還需要測量呼氣量的大小，我們采用空氣流量傳感器</p><p>　　空氣流量傳感器的熱線電阻和溫度補償電阻分別連接在電橋電路上，當空氣流經發(fā)熱元件（熱線電阻）時，熱線的溫度和電阻發(fā)生變化，空氣帶走的熱量與流過發(fā)熱元件的空氣質量具有成正比的對應關系，使得電橋失去平衡，控制電路將改變供給發(fā)熱云件的電流，使其溫度保持在設定溫度。當電橋電流改變時，取樣電阻兩端的電壓也同時改變，從而將空氣

14、流量的變化轉換為電壓信號的變化。信號電壓輸入adc0809中，輸出接8個發(fā)光二極管，根據發(fā)光二極管亮的多少判斷呼氣量的大小。</p><p>　　3.2 A/D轉換電路</p><p>　　在單片機應用系統(tǒng)中，被測量對象的有關變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，須經傳感器轉換成連續(xù)變化的模擬電信號（電壓或電流），這些模擬電信號必須轉換成數(shù)字量后才能在單片機中用軟件進行處理。實現(xiàn)模

15、擬量轉換成數(shù)字量的器件稱為A/D轉換器（ADC）。</p><p>　　A/D轉換器大致分有三類：一是雙積分A/D轉換器，優(yōu)點是精度高，抗干擾性好，價格便宜，但速度慢；二是逐次逼近型A/D轉換器，精度、速度、價格適中；三是∑-△A/D轉換器。</p><p>　　該設計中選用的是ADC0809屬第二類，是8位A/D轉換器。0809具有8路模擬信號輸入端口，地址線（23-25腳）可決定那一路

16、模擬信號進行A/D轉換。22腳為地址鎖存控制，當輸入為高電平時，對地址信號進行鎖存。6腳為測試控制，當輸入一個2μs的高電平脈沖時，就開始A/D轉換。7引腳為A/D轉換結束標志，當A/D轉換結束時，7腳輸出高電平。9腳為A/D轉換數(shù)據輸出允許端，當OE腳為高電平時，A/D轉換數(shù)據輸出。10腳為0809的時鐘輸入端。</p><p>　　3.2.1 ADC0809的引腳及功能</p><p>

17、;　　逐次比較型A/D轉換器在精度、速度、和價格上都適中，是最常用的A/D轉換器件。芯片采用的是ADC0809，以下介紹ADC0809的引腳及功能。芯片如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 ADC0809的引腳</p><p>　　ADC0809是一種逐次比較式8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉換器。由圖可見，ADC0809共有28個引腳，采用雙列直插式封裝。主要引腳功能

18、如下：</p><p>　?、?IN0-IN7是8路模擬信號輸入端。</p><p>　　⑵ D0-D7是8位數(shù)字量輸入端。</p><p>　?、?A、B、C與ALE控制8路模擬通道的切換，A、B、C分別與3根地址線或數(shù)據線相連，3位編碼對應8個通道地址端口。</p><p>　?、?OE、START、CLK為控制信號端，OE為輸出允許端，

19、START為啟動信號輸入端，CLK為時鐘信號輸入端。</p><p>　?、?VR(+)和VR(-)為參考電壓輸入端。</p><p>　　3.2.2 ADC0809的結構及轉換原理</p><p>　　ADC0809的結構框圖如圖3-6。ADC0809采用逐次比較的方法完成A/D轉換的，由單一的+5V電源供電。片內有鎖存功能的8路選1的模擬開關，由C、B、A引腳的

20、功能來決定所選的通道。0809完成一次轉換需100μs左右，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到MCS-51的數(shù)據總線上。</p><p>　　通過適當?shù)耐饨与娐罚?809可對0-5V的模擬信號進行轉換。</p><p>　　圖3-6 ADC0809的結構框圖</p><p>　　3.2.3 ADC0809連線圖</p><p>　

21、　ADC0809與單片機的連線圖如圖3-7：</p><p>　　圖3-7 ADC0809的連線圖</p><p>　　3.3 89C51單片機系統(tǒng)</p><p>　　單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術把具有數(shù)據處理能力(如算術運算，邏輯運算、數(shù)據傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機存取數(shù)據存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路

22、(I/O口)，可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口(SCI)，顯示驅動電路(LCD或LED驅動電路)，脈寬調制電路(PWM)，模擬多路轉換器及A/D轉換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構成一個雖小然而完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規(guī)定的任務。</p><p>　　3.3.1 單片機片內結構</p><p>　　51單片機的片內結構如圖3-8所示。它

23、把那些作為控制應用所必需的基本內容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。按功能劃分，它有如下功能部件組成：</p><p>　?、?微處理器（CPU）。</p><p>　?、?數(shù)據存儲器(RAM)。 </p><p>　　⑶ 程序存儲器（ROM/EPROM）。</p><p>　?、?4個8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）。

24、</p><p><b>　?、?一個串行口。</b></p><p>　?、?2個16位定時器、計數(shù)器。</p><p>　?、?2個16位定時器、計數(shù)器。</p><p><b>　?、?中斷系統(tǒng)。</b></p><p>　?、?特殊功能寄存器（SFR）。</p&

25、gt;<p>　　上述功能部件都是通過片內單一總線連接而成，其基本結構依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結構模式。但CPU對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。</p><p>　　從硬件角度來看，與MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列機，比在片外加EPROM才能相當?shù)?031單片機抗干擾性能強，與87C51單片機技能相當，但功耗小。程序修改直接用+5V或+12V電源擦除

26、，更顯方便、而且其工作電壓放寬至2.7V-6V，因而受電壓波動的影響更小，而且4K的程序存儲器完全能滿足單片機系統(tǒng)的軟件要求，故AT89C51單片機是構造本檢測系統(tǒng)的更理想的選擇。</p><p>　　3.3.2 89C51芯片介紹</p><p>　　掌握MCS-51單片機，應首先了解MCS-51的引腳，熟悉并牢記各引腳的功能，MCS-51系列中各種型號芯片的引腳是互相兼容的。制作工藝為

27、HMOS的MCS-51的單片機都采用40只引腳的雙列直插封裝方式，如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 AT89C51芯片管腳圖</p><p>　　40只引腳按其功能來分，可分為如下3類：</p><p>　?、?電源及時鐘引腳：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。</p><p>　　電源引腳接入單片機的工作電源。Vcc接

28、+5V電源，Vss接地。</p><p>　　時鐘引腳XTAL1、XTAL2外接晶體與片內的反相放大器構成了1個晶體振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號。2個時鐘引腳也可外接獨立的晶體振蕩器。XTAL1接外部的一個引腳。該引腳內部是一個反相放大器的輸入端。這個反相放大器構成了片內振蕩器。如果采用外接晶體振蕩器時，此引腳接地。XTAL2接外部晶體的另一端，在該引腳內部接至內部反相放大器的輸出端。若采用外部時鐘振蕩器

29、時，該引腳接受時鐘振蕩器的信號，即把此信號直接接到內部時鐘發(fā)生器的輸入端。</p><p>　?、?控制引腳：、ALE、、RESET（RST）。此類引腳提供控制信號，有的還具有復用功能。</p><p>　　① RST/VPD引腳：RESET（RST）是復位信號輸入端，高電平有效。當單片機運行時，在此引腳加上持續(xù)時間大于2個機器周期（24個振蕩周期）的高電平時，就可以完成復位操作。在單片機

30、工作時，此引腳應為≤0.5V低電平。VPD為本引腳的第二功能，即備用電源的輸入。當主電源發(fā)生故障，降低到某一規(guī)定值的低電平時，將+5V電源自動接入RST端，為內部RAM提供備用電源，以保證片內RAM的信息不丟失，從而使單片機在復位后能正常進行。</p><p>　?、?ALE/ 引腳：ALE引腳輸出為地址鎖存允許信號，當單片機上電正常工作后ALE引腳不斷輸出正脈沖信號。當單片機訪問外部存儲器時，ALE輸出信號的負

31、跳沿用于單片機發(fā)出的低8位地址經外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號。即使不訪問外部鎖存器，ALE端仍有正脈沖信號輸出，此頻率為時鐘振蕩器頻率的1/6。 為該引腳的第二功能。在對片內EPROM型單片機編程寫入時，此引腳作為編程脈沖輸入端。</p><p>　　③ 引腳：程序存儲器允許輸出控制端。在單片機訪問外部程序存儲器時，此引腳輸出脈沖負跳沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。此引腳接外部程序存儲器的OE（輸出允許端）。

32、 </p><p>　　④ /VPP引腳：功能為片內程序存儲器選擇控制端。當引腳為高電平時，單片機訪問片內程序存儲器，但在PC值超過0FFFH時，即超出片內程序存儲器的4KB地址范圍時將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序。當引腳為低時，單片機只訪問外部程序存儲器，不論是否有內部程序存儲器。</p><p>　　⑶ I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，為四個8位I/O口的外部引腳。P0

33、口、P1口、P2口、P3口是3個8位準雙向的I/O口，各口線在片內均有固定的上拉電阻。當這3個準雙向I/O口作輸入口使用時，要向該口先寫1，另外準雙向口I/O口無高阻的“浮空”狀態(tài)。</p><p>　　由于單片機具有體積小、質量輕、價格便宜、耗電少等突出特點，所以本系統(tǒng)采用89C51單片機，硬件設計電路圖如圖1所示。89C51內部有4KB的EPROM，128字節(jié)的RAM，所以一般都要根據所需存儲容量的大小來擴展

34、ROM和RAM。本電路接高電平，沒有擴展片外ROM和RAM。 </p><p>　　3.3.3 晶振電路和復位電路</p><p><b>　　電路圖如下：</b></p><p>　　圖3-10 晶振與復位電路</p><p>　　3.4 LED顯示電路</p><p>　　LED顯示有靜態(tài)

35、顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。本設計使用并行輸入硬件譯碼靜態(tài)顯示電路，靜態(tài)顯示電路中，各位可獨立顯示，只要在該位的段碼線上保持段碼電平，該位就能保持相應的顯示字符。電路中采用了鎖存譯碼器MC14495將P1口低4位輸出的BCD碼譯成七段字型碼，利用P1口高四位做為各鎖存譯碼器的所存信號，實現(xiàn)穩(wěn)定顯示。LED使用的是共陰極7段數(shù)碼管。</p><p><b>　　數(shù)碼管顯示電路如下</b><

36、;/p><p>　　圖3-11 數(shù)碼管顯示電路</p><p><b>　　3.5鍵盤電路</b></p><p>　　鍵盤有兩種工作方式：編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤。處理方式有掃描法和線反轉法。本設計采用的是非編碼鍵盤，并利用掃描法處理按鍵，消抖由軟件實現(xiàn)。</p><p>　　鍵盤掃描電路圖3-12：</p>

37、;<p>　　圖3-12 按鍵電路</p><p><b>　　3.6報警電路</b></p><p>　　報警電路圖3-13：</p><p>　　圖3-13 報警電路</p><p><b>　　四、軟件設計</b></p><p><b&g

38、t;　　4.1 主程序框圖</b></p><p>　　主程序流程圖如下圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 主程序框圖</p><p>　　4.2 數(shù)據采集子程序程序框圖</p><p>　　A/D轉換子程序流程圖如下圖3-2所示。ADC0809初始化后，把0通道輸入的0-5V的模擬信號轉換為對應的數(shù)字量OOH-

39、FFH，然后將對應數(shù)值存儲到內存單元。程序框圖如圖4-2</p><p>　　圖4-2 數(shù)據采集子程序框圖</p><p>　　4.3報警子程序程序框圖</p><p>　　系統(tǒng)設定閾值并保存在以50H開始的3個單元，為了便于比較和顯示，閾值的千位放入50H中，百位和十位放入5lH，個位放人52H中。報警電路分為蜂鳴器報警電路和LED發(fā)光報警電路組成。當輸入端P

40、3.5為低電平時，有電流通過蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)出聲音報警。而當輸入端為高電平時不報警。</p><p>　　報警子程序執(zhí)行之前，將報警閾值轉換為壓縮的BCD碼并存放在兩個存儲單元中。傳感器輸入值A/D轉換后，調用比較程序，經過數(shù)據處理后顯示的測量值與閾值比較，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的P3.5口清零進行聲光報警。40H、4lH、42H單元存放A/D轉換后，并進行十進制轉換后的結果。40H和5

41、0H分別存放的是處理后的測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量值與閾值的個位的壓縮BCD碼。程序首先對40H、50H中的值進行比較大小，如果40H中的值大于50H中的值，則進行報警。依此類推，比較41H和51H，42H和52H。程序框圖如圖4-3：</p><p>　　圖4-3 報警子程序流程框圖<

42、/p><p>　　五、課程設計系的心得體會</p><p>　　經過一周的努力，終于完成了智能儀器的課程設計。這是我第一次基于單片機獨立設計一個東西，并且老師只給出了大致要求。這對于我來說是很有挑戰(zhàn)性的。</p><p>　　首先這是一個基于單片機的課程設計，單片機是這學期學習的課程，雖然不陌生，但是用起來還發(fā)現(xiàn)很多的問題。硬件方面還好解決，弄明白就可以了，但軟件方面就

43、非常困難了，雖然以前還做過這方面的實驗，但那都是是些簡單應用。這次設計真的讓我長進了很多，單片機課程設計重點就在于軟件算法的設計，需要有很巧妙的程序算法，有好多的東西，只有我們去試著做了，才能真正的掌握，只學習理論有些東西是很難理解的，更談不上掌握。</p><p>　　其次，就是使用到的各種元器件。這次我使用的基本上都是已經學過的元件，但真正用起來才發(fā)現(xiàn)自己還差的很多，所以我又重新對所用到的器件仔仔細細，認認真

44、真的研究了一遍從引腳，到時序，再到最后的電路整體構成，下了非常大的功夫才最后弄出來。</p><p>　　回顧起此次單片機課程設計，我仍感慨頗多。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。這讓我學到了很多課本上沒有的東西，擴展了自己的視野，增強了自己的動手能

45、力，清醒的認識到自己的不足，培養(yǎng)了小心謹慎的作風，使自己對課題設計了解進一步加深。總之，此次的課程設計使我收獲頗豐，也是我上大學來難忘的一次經歷。</p><p><b>　　六、參考文獻：</b></p><p>　　1.程德福,王君.傳感器原理及應用.北京：機械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　2.趙廣林. protel99電路設計