便攜式酒精檢測儀器的與仿真畢業(yè)論文.doc

畢業(yè)設計(論文)課 題 名 稱 便攜式酒精濃度監(jiān)測儀的設計與仿真 摘 要本文研究了一款基于單片機的便攜式酒精濃度監(jiān)測儀的設計過程。該產(chǎn)品可通過聲光報警信號來提示駕駛員是否飲酒過度，不適合開車，旨在減少交通事故的發(fā)生，具有一定的市場前景和實用價值。設計中選用AT89C51單片機作為系統(tǒng)主控芯片，采用MQ3氣敏傳感器進行酒精氣體濃度的檢測，利用ADC0809進行模數(shù)轉換后并通過12864液晶顯示器進行濃度顯示。同時，設計了鍵盤控制部分，用于針對不同人士輸入不同閾值，當濃度超過閾值時，給出聲光報警信號。軟件設計部分采用模塊化思想，運用匯編語言進行編程，該檢測器的特點在于簡潔的硬件結構、高效的軟件設計和較高的性價比。關鍵字：便攜式；酒精濃度；單片機ABSTRACTIn this paper,a microcontroller-based portable monitor alcohol concentration of the design process. The product can be sound and light alarm signals to prompt the driver whether the excessive drinking,not suitable for driving， aimed at reducing traffic accidents,with a certain degree of market prospects and practical value. AT89C51 single-chip design selected as the system control chip,the use of alcohol MQ3 gas sensors for the detection of gas concentrations using ADC0809 analog-to-digital conversion to and through the concentration of 12864 to show the liquid crystal display. At the same time,part of the design of the keyboard to control for different people for different input threshold,when the concentration exceeds the threshold value， to a silent alarm signal light. Part of modular software design thought,the use of assembly language programming,the characteristics of the detector hardware structure is simple and efficient software design and higher cost performance.Keywords: Portable; alcohol concentration; single-chip目 錄摘 要IABSTRACTII目 錄B前 言1第1章 方案設計與論證21.1總體方案設計21.1.1傳感器的選擇21.1.2單片機的選擇31.1.3總體方案框圖4第2章 硬件電路設計52.1 主控模塊設計52.2電源電路的設計72.3傳感器的篩選82.4 AD轉換電路的設計132.5鍵盤電路152.6顯示電路172.7聲光報警電路19第3章 軟件設計213. 1數(shù)據(jù)處理子程序設計233.2鍵盤掃描子程序243.3鍵盤閾值設定子程序243.4顯示子程序253.5報警子程序26第4章 系統(tǒng)仿真及調試284.1硬件調試284.2軟件調試284.3軟、硬件聯(lián)調284.4調試故障及原因分析284.5結論及進一步設想29第5章 PCB設計305.1 PCB板面規(guī)劃305.2 PCB網(wǎng)絡表導入305.3 儀器的PCB制作315.3.1 PCB元件布局315.3.2 pcb布線31參考文獻33致 謝34附錄1 程序清單35附錄2 系統(tǒng)仿真電路圖52附錄3 原理圖53附錄4 PCB54附錄5 元器件清單55前 言 資料顯示，我國近幾年發(fā)生的重大交通事故中，有將近三分之一是由酒后駕車引的因此，對駕駛員飲酒程度的檢測正越來越受到重視，酒精濃度檢測器逐漸得到了廣泛的應用。酒精濃度檢測器不僅可以作為交警快速準確地判斷駕駛員是否酒后駕車的取證工具，同時也可以用于駕駛員自測是否飲酒過量。此外，也可應用于食品加工、釀酒等需要監(jiān)控空氣中酒精濃度的場合。由此可見，酒精濃度檢測器具有巨大的潛在用戶群，市場前景十分廣闊。人民的生活水平迅速提高，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頻發(fā)生:酒后駕車引起的交通事故是由于司機的過量飲酒造成人體內(nèi)酒精濃度過高，麻痹神經(jīng)，造成大腦反應遲緩，肢體不受控制等癥狀。少量飲酒并不會有上述癥狀，即人體內(nèi)酒精濃度比較低時，而人體內(nèi)酒精超過某一個值時就會引起危險。為此，需要設計一智能儀器能夠監(jiān)測駕駛員體內(nèi)酒精含量。目前全世界絕大多數(shù)國家都采用呼氣酒精測試儀對駕駛人員進行現(xiàn)場檢測，以確定被測量者體內(nèi)酒精含量的多少，以確保駕駛員的生命財產(chǎn)安全。此外，空氣酒精濃度監(jiān)測儀還能監(jiān)測某一特定環(huán)境的酒精濃度如酒精生產(chǎn)車間可避免發(fā)生起火、爆炸及工業(yè)場地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為主，監(jiān)測空氣酒精濃度，并具有聲光報警功能及LCD顯示功能的空氣酒精濃度監(jiān)測儀。其可監(jiān)測出空氣環(huán)境中酒精濃度值，并根據(jù)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。本課題采用MQ3氣敏傳感器，AT89C51單片機實現(xiàn)空氣酒精濃度實時測量，通過LCD顯示屏進行顯示?？梢酝ㄟ^鍵盤設定閾值，超過閾值具有聲光報警提示。論文的總體思路如下：第1章為系統(tǒng)總體方案的設計與論證，主要是對系統(tǒng)的可行性進行分析及元器件的選擇以便設計出最佳方案。第2章是則包含各個模塊進行了電路測試到最后設計出總體電路圖的整個設計過程。其中對電源電路的設計比較簡單，而對LCD液晶顯示模塊及鍵控模塊做了比較詳細的設計介紹。第3章主要針對系統(tǒng)的軟件設計及格子模塊的軟件分析并設計制作了各個模塊的的流程圖。第4章為系統(tǒng)的調試分析部分，經(jīng)過系統(tǒng)的調試分析用以確定整個系統(tǒng)是否可投入生產(chǎn)。綜上經(jīng)過各章節(jié)的有序銜接從而本設計得以實現(xiàn)。第1章 方案設計與論證1.1總體方案設計本課題研究的是一種以氣敏傳感器和單片機為主，監(jiān)測空氣酒精濃度，并具有聲光報警功能及LCD顯示功能的空氣酒精濃度監(jiān)測儀。其可監(jiān)測出空氣環(huán)境中酒精濃度值，并需要根據(jù)不同環(huán)境不同駕駛員的水平設置不同的閾值，對超過的閾值進行聲光報警，來提示危害。所以需要增設鍵盤控制模塊實現(xiàn)人機交互功能，超過閾值進入聲光報警功能。1.1.1傳感器的選擇可以對氣體中酒精含量進行檢測的設備有五種基本類型，分別是： 燃料電池型（電化學）、半導體型、紅外線型、氣體色譜分析型、比色型1。由于價格和使用是否方便等因素所決定，目前普遍使用的只有燃料電池型（電化學型）和半導體型二種。這二種能夠制造成便攜型呼氣酒精測試器，適合于現(xiàn)場使用。 燃料電池型呼氣酒精測試儀采用燃料電池酒精傳感器作為氣敏元件，它屬于電化學類型，因此又稱為電化學型。燃料電池是當前全世界都在廣泛研究的環(huán)保型能源，它可以直接把可燃氣體轉變成電能，而不產(chǎn)生污染。作為酒精傳感器只是燃料電池的一個分支。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)充滿了特種催化劑，它能使進入燃燒室內(nèi)的酒精充分燃燒轉變?yōu)殡娔?，也就是在二個電極上產(chǎn)生電壓，電能消耗在外接負載上。此電壓與進入燃燒室內(nèi)氣體的酒精濃度成正比，這就是燃料電池型呼氣酒精測試儀的基本工作原理半導體型采用氧化錫（等其他半導體氧化物）半導體作為傳感器，這類半導體器件具有氣敏特性，當接觸的氣體中其敏感的氣體濃度增加，它對外呈現(xiàn)的電阻值就降低，半導體型呼氣酒精測試儀就是利用這個原理做成的2。這種半導體在不同工作溫度時，對不同的氣體敏感程度是不同的，因此半導體型呼氣酒精測試儀中都采用加熱元件，把傳感器加熱到一定的溫度，在該溫度下，該傳感器對酒精具有最高的敏感度。本設計中經(jīng)過比較后采用MQ3型氣敏傳感器是由微型A12O3 陶瓷管和SNO2 敏感層、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(nèi)，而加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。1.1.2單片機的選擇縱觀現(xiàn)有的酒精檢測器，系統(tǒng)實現(xiàn)方案上大部分以傳統(tǒng)的單片機(如MICROCHIP公司的PIC系列)為基礎，并借助相應的外圍電路，將檢測結果通過LED、LCD等顯示方式告知使用者。考慮到技術先進性和人性化設計的需要，如果能在上述方案中加入語音提示、語音播報檢測結果等新功能，將是非常有益的。從技術的角度看，在現(xiàn)有方案中加入專用的語音處理芯片(如AC48105)，從而實現(xiàn)語音功能，并不是非常復雜，但是這樣會使原有的系統(tǒng)結構上變得不夠精簡，且導致性價比下降。如果選用的單片機本就方便地處理語音信號，那么實現(xiàn)語音功能就將變得相對簡單。但考慮到經(jīng)濟以及自己所學的AT89C51是一款八位單片機，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評。它是第三代單片機的代表。第三代單片機包括了INTEL公司發(fā)展MCS-51系列的新一代產(chǎn)品，如8C152、AT89C51FA/FBAT89C51GA/GB8C4518C452，還包括了PHILIPSSIEMENSADM、FUJUTSUOKIHARRIA-METRAATMEL等公司以AT89C51為核心推出的大量各具特色與AT89C51兼容的單片機。新一代的單片機的最主要的技術特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)MICROCOMPUTER完善的控制功能為己任，將一些外部接口功能單元如A/D、PWM、PCA(可編程計數(shù)器陣列)、WDT(監(jiān)視定時器)、高速I/O口、計數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機中，在總線方面最重要的進展是為單片機配置了芯片間的串行總線，為單片機應用系統(tǒng)設計提供了更加靈活的方式。PHILIPS公司還為這一代單片機AT89C51系列8C592單片機引入了具有較強功能的設備間網(wǎng)絡系統(tǒng)總線-CAN(CONTROLLER AREA NETWORK BUS3。新一代單片機為外部提供了相當完善的總線結構，為系統(tǒng)的擴展與配置打下了良好的基礎，本設計亦選擇AT89C51進行匯編語言的編寫。1.1.3總體方案框圖硬件設計時，考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉換為電量，而且傳感器輸出的是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(jīng)過ADC0809采集數(shù)據(jù)送人單片機進行處理。此外，還需接入LCD顯示，8279鍵盤/顯示器接口芯片，聲光報警電路等。其系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示。被測環(huán)境氣敏傳感器AD轉換電路單片機主控模塊LCD顯示聲光報警電路8279接口芯片鍵盤圖1.1 系統(tǒng)總體方案框圖第2章 硬件電路設計2.1 主控模塊設計AT89C51單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行I/O口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)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。一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如ROMRAMI/O口定時/記數(shù)器中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒O計相應的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤顯示器打印機A/DD/A轉換器等，要設計合適的接口電路。2.1.1 微處理器該單片機中有一個8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進行位變量的處理。2.1.2 數(shù)據(jù)存儲器AT89C51片內(nèi)為128個字節(jié)，片外最多可外擴至64K字節(jié)，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。2.1.3 程序存儲器由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至64K字節(jié)。2.1.4并行I/O口AT89C51共有4個并行8位I/O口（P0、P1、P2、P3），每個口都有1個鎖存器和1個驅動器組成。并行I/O口主要是用于實現(xiàn)與外部設備中數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出，有些I/O口還具有其他功能。2.1.5 特殊功能寄存器AT89C51共有21個，用于對片內(nèi)的各功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的RAM區(qū)。由上可見，AT89C51單片機的硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點。特別值得一提的是該單片機CPU中的位處理器，它實際上是一個完整的1位微計算機，這個一位微計算機有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位機在開關決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而8位機在數(shù)據(jù)采集，運算處理方面有明顯的長處。MCS-51單片機中8位機和1位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術上的突破，也是MCS-51單片機在設計的精美之處3。2. 1.6 時鐘電路AT89C51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。AT89C51單片機的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設計采用最常用的內(nèi)部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，C1、C2可在20PF到100PF之間取值，但在60PF到70PF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設計中，振蕩晶體選擇12MHZ，電容選擇65PF。在設計印刷電路板時，晶體和電容應盡可能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用NPO電容。2.1.7 復位電路AT89C51的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。復位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復位操作所需要的信號4。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要VCC的上升時間不超過1MS，就可以實現(xiàn)自動上電復位。時鐘頻率用6MHZ時C取22F，R取10K。除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經(jīng)電阻與電源VCC接通而實現(xiàn)的。按鍵手動復位電路見圖3.2。時鐘頻率選用6MHZ時，C取22F，R1取200，R2取10K。2.1.8 最小應用系統(tǒng)設計AT89C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構成的最小系統(tǒng)簡單可靠。用AT89C51單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，如圖2-1. AT89C51單片機最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元4。其應用特點：（1）有可供用戶使用的大量I/O口線。（2）內(nèi)部存儲器容量有限。（3）應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。圖2.1 AT89C51單片機最小系統(tǒng)2.2電源電路的設計7805集成穩(wěn)壓器典型應用電路圖如圖 所示：電容C1用于抵消輸入線較長時的電感效應，防止電路產(chǎn)生自激振蕩，容量取值一般小于1F；電容C0用于消除輸出電壓中的高頻噪聲，其容值可大于或小于1F。但若C0容值較大，一旦7805輸入端斷開，C0將從7805的輸出端向其放電，極易導致7805的損壞，為此在集成穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端之間跨接一個二極管，可起到正向導通，箔位電壓的保護作用。其中輸入電源可以用6-12V直流電源，滿足便攜的要求。圖2.2 5V電源電路圖2.3傳感器的篩選2.3.1氣敏傳感器的分類和性能氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測出來，并將其轉化為電信號的器件。通常根據(jù)氣敏特性來分類，主要分為：半導體氣敏傳感器、固體電解質氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器、電化學式氣敏傳感器、光學式氣敏傳感器、高分子氣敏傳感器、導熱式傳感器等，下面是幾種目前技術成熟、應用廣泛的氣敏傳感器5。(1)半導體氣敏傳感器半導體氣敏傳感器應用最為廣泛，它主要是以氧化物半導體作為基本材料，使氣體吸附在該半導體表面，利用由此而產(chǎn)生的電導率變化現(xiàn)象而制作的器件。然而，半導體電導率變化的機理，即氣敏機理是非常復雜的，事實上在某些方面尚無定論，一般認為下列六個因素會對其產(chǎn)生影響。氣敏材料不是單晶體。為了改善元件的選擇性和靈敏度，一般往金屬氧化物中添加催化劑，為提高元件強度還需要添加粘合劑。利用的是物質的表面。元件在較高的溫度下（一般100400）。被測氣體種類繁多，它們各有不同的特性。吸附過程本身比較復雜，既有物理型吸附，又有化學型吸附等。人們通過長期的基礎研究，將這些非常復雜的因素影響的氣敏現(xiàn)象，歸納成四種模式，即整體原子價控制理論、能級生成理論、表面電荷層理論、接觸粒界位壘理論，分別從不同角度來解釋不同類型半導體傳感器的工作原理。最常見的SNO2、ZNO半導體傳感器的氣敏機理就是用能級生成理論來解釋的。該元件由涂一層半導體的圓筒狀陶瓷骨構成，半導體有P型、N型之分，這取決于加入的金屬成分。由于還原性氣體時候容易給出電子，使得N型半導體中電子數(shù)目增大，載流子增加，電阻降低；當它遇到氧化性氣體（如O2）時，由于氧化性氣體容易奪取電子，使得N型半導體中電子數(shù)目減少，載流子減少，電阻增大【7】。P型半導體傳感器中多數(shù)載流子是空穴，遇到還原性氣體時，由于還原性氣體容易給出電子，中和了部分空穴，載流子減少，電阻增大；當它遇到氧化性氣體時，由于氧化性氣體容易奪取電子，使得空穴數(shù)目增加，載流子增加，電阻減少。(2)固體電解質氣體傳感器固體電解質氣體傳感器是一種以離子導體為電解質的化學電池。從70年代開始，由于固體電解質氣體傳感器導電率高，靈敏度和選擇性好，獲得了迅速的發(fā)展，現(xiàn)在幾乎在環(huán)保、節(jié)能、礦業(yè)、汽車工業(yè)等各個領域得到了廣泛的應用，其產(chǎn)量和應用僅次于金屬氧化物半導體氣敏傳感器。該種傳感器主要分為以下三類：一類：材料中吸附由待測氣體派生的離子與電解質中的移動離子相同的傳感器，例如氧傳感器等；二類：材料中吸附由待測氣體派生的離子與電解質中的移動離子不相同的傳感器，例如用于測量氧氣的由固體電解質SRF2H和PT電極組成的氣體傳感器；三類：材料中吸附由待測氣體派生的離子與電解質中的移動離子以及材料中的固定離子都不相同的傳感器。目前開發(fā)的高質量固體傳感器絕大多數(shù)屬于第三類。(3)接觸燃燒式氣敏傳感器接觸燃燒式氣敏傳感器的基本原理是在一根鉑絲上涂上高阻的燃燒催化劑，另一根鉑絲上以惰性氣體密封，組成阻值相等的一對元件，常稱為黑元件、白元件，有時也用其它金屬絲代替鉑絲。由這一對元件和外加的兩個固定電阻組成橋式檢測電路，在一定的橋流下，黑白元件保持在300500的高溫狀態(tài)，當可燃性氣體一旦與黑白元件接觸，就會發(fā)生無煙燃燒反應，使鉑絲上溫度升高，電阻增大，原來平衡的電橋失去平衡，輸出一個電信號，這一電信號與可燃性氣體的濃度成線性關系，可以很容易地求出對應的氣體濃度值，電路中白元件起環(huán)境溫度補償作用。這種元件成本低廉，性能穩(wěn)定，壽命長，便于推廣使用，但是它要消耗一定的被檢氣體。日本三菱株式會社生產(chǎn)的在線監(jiān)測儀就是用這種傳感器檢測可燃氣體的，北京電科院研制的變壓器油中溶解氫氣在線監(jiān)測儀也用了這種傳感器。(4)電化學式氣敏傳感器電化學式氣敏傳感器可以分為原電池式、定電位電解式、電量式、離子電極式四種類型。原電池式氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的濃度，市場上銷售的檢測缺氧的儀器幾乎都配有這種傳感器，今年來，又開發(fā)惡劣檢測酸性氣體和毒性氣體的原電池式傳感器。定電位式傳感器是通過測量電解時流過的電流來檢測氣體的濃度，和原電池式不同的是，它需要由外界施加特定的電壓，它除了能檢測CO、NO、NO2、O2、SO2等氣體以外，還能檢測血液中氧濃度。電量式氣體傳感器是通過被測氣體與電解質反應產(chǎn)生的電流來檢測氣體的濃度。離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)的較早，通過測量離子極化電流來檢測氣體的濃度。電化學式氣體傳感器主要的優(yōu)點是檢測氣體的靈敏度高，選擇性好。(5)光學式氣體傳感器光學式氣體傳感器主要是以紅外線吸收式氣體分析儀為主，由于不同氣體的紅外吸收峰不同，通過測量和分析紅外吸收峰來檢測氣體。目前的最新動向是研制開發(fā)流體切換式、流程直接測定式和傅立葉變換式在線紅外分析儀。該傳感器具有高抗振能力和抗污染能力，與計算機相結合，能連續(xù)測試分析氣體，具有自動校正、自動運行的功能。光學式氣體傳感器還包括化學發(fā)光式、光纖熒光式和光纖波導式傳感器，其主要優(yōu)點是靈敏度高，可靠性好。(6)高分子氣敏傳感器近年來，國外在高分子氣敏材料的研究和開發(fā)上有了很大的進展。高分子氣敏材料由于具有易于操作性，工藝簡單，常溫選擇性好，價格低廉，易于與微結構傳感器和聲表面波器件相結合，在毒性氣體和食品保鮮度等方面檢測具有重要作用。(7)導熱式傳感器導熱式傳感器的檢測電路與接觸燃燒式基本相同，將測量元件（鉑或其它金屬電阻線圈）和補償元件(以惰性氣體密封)接在橋式檢測電路中，基本工作原理是，將鉑電阻通電流加熱使之保持一定的溫度，當待測氣體流過傳感器時，由于向待測氣體傳送熱量會造成溫度降低，不同種類，不同濃度氣體的熱導系統(tǒng)不同，引起的溫度變化也不同；溫度變化引起電阻值的變化，使原來平衡的電橋失去平衡，輸出一個電信號，這一信號與被測氣體的濃度有很好的線性關系。熱導系數(shù)是氣體的固有物理特性，所以該傳感器不會消耗被測氣體，而且不容易被氧化物腐蝕而使氣敏性能變差，具有良好的穩(wěn)定性。測量范圍大，可以測高達100的濃度。這種傳感器的氣敏條件是待測氣體與環(huán)境氣體（空氣）的熱導系數(shù)有很大的差別，一些和空氣熱導系數(shù)相近的氣體（CO、N2、O2等）就無法測量。常規(guī)色譜儀中所用的熱導池監(jiān)測器（TCD）的氣敏原理與這種傳感器類似。2.3.2各種氣敏傳感器的性能比較表2.1和表2.2列出了上述各種氣敏傳感器的性能比較，是選擇傳感器的重要依據(jù)。表2.1 各種氣敏傳感器可檢測氣體的種類傳感器種類H2COCO2CH4C2H4,C2H2,C2H6半導體能能能能能接觸燃燒能不太好不能能能電化學能能能不能不能導熱能能能能能表2.2 各種氣敏傳感器性能比較半導體 接觸燃燒式 電化學式 導熱式靈敏度非常好好非常好差測量精度好非常好好好選擇性好不太好好差響應速度非常好好不太好好長期穩(wěn)定性好好差好維修性非常好好差好經(jīng)濟性非常好非常好好好本課題選用的是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A12 O3 陶瓷管和SNO2 敏感層、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(nèi)，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URL 輸出面獲得的 二者之間的關系表述為：RSRL=(UCURL)URL，其中UC為回路電壓為10V。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如圖2.3所示，標準回路如圖2.4所示，傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關系圖如圖2.5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6。圖2.3 氣敏傳感器的結構圖與符號圖 圖2.4傳感器工作電路原理圖圖2.5傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關系2.3.3半導體氣敏傳感器的結構和檢測原理氣敏傳感器結構如圖2.3所示，它是由塑料底座、電極引線、氣敏元件、加熱器、雙層不銹鋼網(wǎng)（防爆用）組成，一般情況下，它的引線是6個，其中兩個A及兩個B各自相連后成為氣敏元件的引線，H兩端為加熱器引線，其符號圖2.3所示，H接加熱電壓5V，A或者B接回路電壓5V，它們之間為氣敏電阻；特性曲線如圖2.3，圖中給出了不同氣體不同濃度時RS/R0值的變化規(guī)律。其中R0為元件在潔凈空氣中的電阻值，RS為元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。2.4 AD轉換電路的設計ADCO809芯片為八通道模數(shù)轉換器，可以將八個通道輸入的模擬電壓轉換為8位二進制數(shù)，該芯片采用28引腳雙列直插式封裝。ADC0809芯片引腳如圖5-2所示。IN-0IN-7為模擬量輸入通道。ADD-C、ADD-B、ADD-A為地址線，用于對模擬通道進行選擇，在與單片機的連接關系中，由最低位的3個地址線P0.2、P0.1、P0.0來提供7。CLOCK為時鐘信號，ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，在電路連接中，由單片機輸出的信號ALE經(jīng)過D觸發(fā)器74LS74構成的分頻器，送給ADC0809時鐘輸入端CLOCK。START為轉換啟動信號。START上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清0;START下跳沿時，開始進行A/D轉換。在A/D轉換期間，START應保持低電平。MSB2-LLSB2-8為數(shù)據(jù)輸出線，三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。EOC為轉換結束狀態(tài)信號。當EOC=0時，正在進行轉換;當EOC=1時，轉換結束。該狀態(tài)信號既可作為查詢的狀態(tài)標志，又可以作為中斷請求信號使用。OUTPUT ENABLE為輸出允許信號，用 圖2.6 ADC0809引腳圖于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。當OUTPUT ENABLE=0時，輸出數(shù)據(jù)線呈高電阻;當OUTPUT ENABLE=1時，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。八路模擬信號通道選擇C、B、A分別接到P0.2、P0.1、P0.0，再經(jīng)過74LS373鎖存器的輸出;P2.0一方面同寫控制信號WR一起，經(jīng)或非門后送給轉換啟動信號START和地址鎖存信號ALE，另一方面同讀控制信號RD一起，經(jīng)或非門后送給轉換結果輸出允許信號OUTPUT ENABLE，因此啟動A/D轉換需完成寫操作，轉化結束取轉換結果時需完成讀操作。其結構電路圖如圖2.7圖2.7 數(shù)據(jù)采集硬件連接2.5鍵盤電路8279對鍵盤部分提供一種掃描工作方式，能對64個按鍵鍵盤陣列不斷掃描，自動消抖，自動識別出閉合的鍵并得到鍵號，能對雙鍵或N鍵同時按下進行處理。顯示部分為顯示器提供了按掃描方式工作的顯示接口，可以顯示多達16位的字符或數(shù)字。傳感器輸出的信號經(jīng)ADCO809和單片機采集、處理后輸出的信號為BCD碼形式，它經(jīng)過8279及顯示電路處理后送人LCD顯示。此外，酒精濃度監(jiān)測儀的閾值濃度的設置是由鍵盤輸人的，因此需有一個鍵盤/顯示器接口電路。鍵盤有兩種工作方式:編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤。當鍵盤中某一個按鍵被按下時，鍵盤編碼器會自動產(chǎn)生相對應的按鍵代碼，并輸出一選通脈沖信號與CPU進行信息聯(lián)絡。編碼式鍵盤使用很方便，目前已有數(shù)種大規(guī)模集成電路鍵盤編碼器出售，例MM5740AA芯片就是一種專用于64鍵打字機的鍵盤編碼器，其輸出為ASC碼。非編碼鍵盤不含編碼器，當某鍵被按下時，鍵盤只能送出一個簡單的閉合信號，對應的按鍵代碼的確定必須借助于軟件來完成。顯然，非編碼鍵盤的軟件是比較復雜的，并且要占用較多的CPU時間，這是非編碼鍵盤的不足之處。但非編碼鍵盤可以任意組合、成本低、使用靈活，因而智能儀器大多采用非編碼式鍵盤。本課題選用非編碼鍵盤，鍵盤工作方式為編程掃描方式8。圖2.8為其連接電路圖：圖2.8 鍵控模塊硬件連接圖由上圖可知，8279的片選信號CS由89C51的P2.6口控制，低電平有效息的特征位A0由89C51的P2.0口控制，當A0為低電平時，輸入/輸出信號中斷請求信號IRQ經(jīng)非門與89C51外部中斷0（INT0）相連，當IRQ為高電89C51發(fā)出中斷請求信號；外時鐘輸入端CLK與89C51的地址允許鎖存信號連；讀、寫選通信號RD、WD分別與89C51的讀、寫選通信號相連，低電平的回送輸入線接鍵盤列線，由3-8譯碼器對SL0SL2譯出鍵掃描線和顯示器的位掃描線通過總線送到顯示器中。在系統(tǒng)設計中，鍵盤和顯示部分是一個非常重要的部分，它可以讓觀測對當前氣調庫中的各個參數(shù)和各個控制部分的狀態(tài)有一個清楚的了解，并可值進行修改。要酒精濃度，LCD顯示當前濃度，要設置閾值必須通過8279與AT89C51連接，并進行軟件編譯。2.6顯示電路128*64液晶顯示模塊是12864點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字(1616點陣)、128個字符(816點陣)及64256點陣顯示RAM(GDRAM)?？膳cCPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機:8位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能:光標顯示、畫面移位、睡眠模式等9。Y地址計數(shù)器具有循環(huán)記數(shù)功能，各顯示數(shù)據(jù)寫入后，Y地址自動加1，Y地址指針從0到63。本設計的LCD連接如下圖圖2.9 圖2.9 液晶顯示硬件連接圖由上圖可知，128*64模塊的8位數(shù)據(jù)口分別與單片機的P0口經(jīng)上拉電阻連接，片選信號CS1和CS2公用一個非門用以選擇左右半屏，控制信號E與P1.0口連接，復位和讀寫信號分別與P1口的其他口相連接。通過液晶模塊可以直觀的看出當前的濃度值以及前面通過8279設定的閾值，便于靈活糾錯，是整個設置更直觀更方便。2.7聲光報警電路報警電路分為蜂鳴器報警電路和LED發(fā)光報警電路組成。當輸人端P1.2為低電平時，有電流通過蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)出聲音報警，而當輸人端為高電平時不報警。當輸人端P1.4為低電平時，LED點亮報警，反之輸人端P1.4為高電平則不點亮。報警圖如下圖圖2.10。圖2.10 報警電路硬件連接圖第3章 軟件設計軟件設計包括分析系統(tǒng)對軟件功能要求，程序總流程設計和各模塊的子程序設計，畫出每一子程序的詳細流程圖，選擇合適語言編寫程序。最后，將各子程序模塊連接成一個完整的程序。本設計的主要思路是由AT89C51進行數(shù)據(jù)的處理，先對鍵盤進行掃描，看是否有鍵按下并查表進行相應的處理。在確定了操作后通過數(shù)據(jù)采集芯片對數(shù)據(jù)進行采集并與由鍵盤設定的閾值進行比較，而后由報警系統(tǒng)處理，最后得出結論。從而得出其主流程圖如下圖3.1所示。 圖3.1 主程序流程圖 3. 1數(shù)據(jù)處理子程序設計數(shù)據(jù)處理子程序主要是系數(shù)調整和數(shù)制轉換，將ADC0809采集的模擬電壓值轉換為8位二進制數(shù)。系數(shù)是酒精濃度的最大測量值1500/255=5.88確定。系數(shù)調整是為了使十六進制與十進制轉換方便，將轉換系數(shù)5.88放大10倍取整后為59即3BH作為轉換系數(shù)。然后把采集的結果存入3FH單元，最后調用3F單元中的內(nèi)容進而求得被測的酒精濃度值。圖3.3 數(shù)據(jù)采集子程序流程圖圖3.2 數(shù)據(jù)處理子程序流程根據(jù)以上流程的分析，可以得出數(shù)據(jù)采集及采集后數(shù)據(jù)處理的程序并為其后的顯示提供了資源。數(shù)據(jù)采集是整個后續(xù)程序能夠運行的前提，與后續(xù)軟件的設計息息相關。經(jīng)過設計得出數(shù)據(jù)采集子程序與數(shù)據(jù)處理字程序如下：數(shù)據(jù)采集子程序： ORG 0000HINDAC: CLR A MOV DPTR，#7FF8H ;P2.7=0，并指向通道0 MOVX DPTR，A ;啟動A/D轉換 MOV R6，#0CH ;軟件延時DLAY: NOP NOP NOP NOP DJNZ R6，DLAY MOVX A，DPTR ;讀取轉換結果 MOV 3FH，A ;存儲數(shù)據(jù) RET ; 返回ADC0809進行數(shù)據(jù)采集得到的是0-255之間的一個數(shù)值，而這個數(shù)值對應著酒精濃度0-1500ppt。故必須進行數(shù)據(jù)處理才能直觀的看出被測酒精的濃度，以便做出相應的處理。數(shù)據(jù)處理程序： ORG 1000HSJCL: MOV A , 3FH ;從A/D中取數(shù)據(jù) MOV B , #3BH ;將十進制數(shù)59送B MUL AB ;數(shù)據(jù)相乘 MOV R4, B MOV R5, A MOV R7, #0AH ;將10送R7D457: CLR C MOV A, R4 SUBB A, R7 ; JC DV50 ;不夠除轉移 SETB OV RETDV50：MOV R6,#8H ;求平均值（R4R5/R7R3) 3.2鍵盤掃描子程序鍵盤掃描子程序為通過掃描判斷是否有鍵按下，如有鍵按下則讀出各個按鍵值。并根據(jù)鍵值判斷是進人提示界面還是完成閾值設定的輸入，或返回。3.2.1提示界面鍵盤子程序本設計采用的是查詢等待方式進行軟件工作。鍵控模塊8279首先進行初始化，然后判斷是否有鍵按下，若按下的是”D”鍵，則進入閾值設定界面。如果不是則返回提示界面繼續(xù)等待，直到查詢到按下的為”D”才能進入閾值的設定界面。其運作流程圖如圖3.4所示。 圖3.4 提示界面鍵盤子程序流程框圖在此環(huán)節(jié)主要是判斷是否”D”鍵被按下，其關鍵是設計查”D”子程序，而本設計采用的是4*4鍵盤，其中設立0-F共16個鍵，可以轉化為對其ASC碼的查詢，并建立表格進行排查，一旦發(fā)現(xiàn)”D”閉合就會馬上進入閾值設定的提示畫面，由用戶選擇自己需要操作的數(shù)值，從而可以判斷出是否飲酒過量。其設計子程序如下所示。與8279有關的初始化程序：INIT0: CLR EA ;關中斷 SETB EX1 ;允許外部中斷1中斷 MOV DPTR，#0BFFFH ;指向命令/狀態(tài)口地址，A0=l MOV A，#0D1H ;清除命令 MOVX DPTR，A ;命令字送入WAIT: MOVX A，DPTR ;讀入狀態(tài)字 JB ACC.7，WAIT ;清除等待 MOV A, #34H ;程序時鐘分頻對ALE20分頻得100kHz MOVX DPTR，A ;命令送入 MOV A，#00H ;鍵盤/顯示器工作方式命令 MOVX DPTR，A ;命令送入 SETB EA ;開中斷 ORG 0000H ;程序入口地址 JMP MAIN ;跳轉到主程序 ORG 0003H ;外部中斷0入口地址 SETB EA ;開中斷 3.3鍵盤閾值設定子程序鍵盤閾值設定子程序首先判斷是否有鍵按下，若有鍵按下，判斷是”0-9”鍵，還是”F”鍵。如果是”0-9”這些數(shù)字鍵，則進行數(shù)字鍵處理，是”F”鍵則返回重新設定閾值。鍵盤輸人的數(shù)字鍵即為閾值，將其保存在50H開始的4個單元，為了便于比較和顯示，閾值的千位50H中，百位51，十位放人52H，個位放人53H中。下圖是閾值設定的之程序流程圖。圖3.5 鍵盤閾值設定子程序流程圖根據(jù)流程圖設計出鍵盤閾值設定的子程序的關鍵是查表，找出”F”鍵和”0-9”這些數(shù)字鍵并根據(jù)進行相應的處理，最后設定一個理想的閾值。其設計的閾值設定子程序如下所示。閾值設定子程序：ORG 1000LCALL TSJPSFSZK: INC DPTR MOV A, 60HMOV DPTR, #LIST MOVC A , A+DPTR ;查顯示段碼 MOV 50H, A ;判斷是否為數(shù)字鍵按下 CLR CSUBB A, #30H JC NOSHU0MOV A, 50H CLR CSUBB A, #3AHJNC NOSHU0 3.4顯示子程序本課題顯示為LCD顯示。顯示子程序分為開機界面顯示程序，提示界面顯示程序閾值設定界面顯示程序，測量界面結果顯示程序。圖3.6 顯示子程序流程圖其實LCD的功能就是顯示，使人們更直觀方便的弄清楚這個濃度到底有多少，從而減少了事故的發(fā)生概率；同時也是本設計的目的所在。下面為顯示子程序設計程序。顯示子程序：E BIT P1.0 ;使能信號線RW BIT P1.6 ;讀/寫信號線RS BIT P1.3 ;數(shù)據(jù)/指令信號線CS1 BIT P1.1 ;左半屏控制信號線1為左2為右;空間分配COM EQU 20H ;指令專用寄存器DAT EQU 21H ;數(shù)據(jù)專用寄存器CODES EQU 22H ;字在表格中的位置專用寄存器YE EQU 23H ;字所在的頁專用寄存器LIE EQU 24H ;字所在的列專用寄存器ALL_YE EQU 25H ;圖形的總頁數(shù)專用寄存器ALL_LIE EQU 26H ;圖形的總列數(shù)專用寄存器CS EQU 27H ;左右半屏控制專用寄存器,為0時在左半屏,為1時在右半屏HANG EQU 28H ; 所在行寄存器ORG 1000HLCALL INIT ;初始化LCALL CLEAR 3.5報警子程序報警子程序執(zhí)行之前，鍵盤設定的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(jīng)過數(shù)據(jù)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P1.2、P1