工程測試技術實例：酒精檢測裝置——方案設計

1、工程測試技術實例：酒精檢測裝置方案設計1 氣體傳感器的選擇1.1 MQ-3基本介紹一個新型的氣體檢測系統(tǒng)應該包括：（1）基于一種或幾種傳感技術的氣體傳感器。（2）組合了氣體傳感器和采樣調(diào)理電路的探頭。（3）配有人機接口軟件的中心監(jiān)測和控制系統(tǒng)。（4）在一些應用中，與其它安全系統(tǒng)和儀器的接口。本設計中的酒精氣體傳感器采用河南漢威電子有限公司的MQ-3型,它屬于MQ系列氣敏元件的一種。如圖 3-1所示：圖 3-1特點:檢測范圍為10ppm2000ppm 靈敏度高，輸出信號為伏特級；響應速度快，小于10秒；功耗0.75W，尺寸：D17*H10連續(xù)工作使用壽命大于三年，可靠性好?？筛鶕?jù)用戶要求調(diào)整外型

2、參數(shù)提供應用設計服務。 MQ-3型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物（二氧化錫）的N型半導體微晶燒結層構成。當其表面吸附有被測氣體酒精分子時，表面導電電子比例就會發(fā)生變化，從而其表面電阻會隨著被測氣體濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復使用。MQ-3的靈敏度特性曲線如 圖3-2所示：靈敏度特性曲線 圖3-21.2 MQ-3的檢測 圖3-3如圖 3-3所示，當電源開關S斷開時，傳感器加熱電流為零，實測A，B之間電阻>20M歐。S接通，則f，f之間電流由開始時155mA降至153mA而穩(wěn)定。加熱開始幾秒鐘后A，B之間電阻迅速下降至1M歐以下，然后又逐漸上升至20M歐以上后并保持

3、著。此時如果將內(nèi)盛酒精棉花的小瓶瓶口靠近傳感器，我們立即可以看到數(shù)字萬用表顯示值馬上由原來大于20M歐降至1M歐以下。移開小瓶過15-40s后，A，B之間電阻恢復至大于20M歐。這種反應可以重復試驗，但要注意使空氣恢復到潔凈狀態(tài)。1.2 編程語言的選擇對于8051單片機，現(xiàn)有四種語言支持，即匯編、PLM、C和BASIC。（1）BASIC通常附在PC機上，是初學編程的第一種語言。一個新變量名定義后可在程序中做變量使用，非常易學，根據(jù)解釋的行可以找到錯誤而不是當程序執(zhí)行完才能出來。BASIC由于逐行解釋自然很慢，每一行必須在執(zhí)行時轉換成機器代碼，需要花費許多時間，不能做到實時性。BASIC為簡化使

4、用變量，所有變量都用浮點值。22這樣簡單的運算完全是浮點算術操作，因而程序復雜且執(zhí)行時間長。即使是編譯BASIC，也不能解決此浮點運算問題。8052單片機片內(nèi)固化有解釋BASIC語言，BASIC適用于要求編程簡單而對編程效率或運行速度要求不高的場合。（2）PLM是lntel從8080微處理器開始為其系列產(chǎn)品開發(fā)的編程語言。它很像PASCAL，是一種結構化語言，但它使用關鍵字去定義結構。PLM編譯器像好的匯編器一樣可產(chǎn)生緊湊代碼。PLM總的來說是高級匯編語言，可詳細控制著代碼生成。但對8051系列，PLM不支持復雜的算術運算、浮點變量，也無豐富的庫函數(shù)支持。學習PLM無異于學習一種新語言。（3）

5、C是一種源于編寫UNIX操作系統(tǒng)的語言，它是一種結構化語言，可產(chǎn)生緊湊代碼。C結構是以括號 而不是字和特殊符號的語言。C可以進行許多機器級函數(shù)控制而不用匯編語言。與匯編相比，有如下優(yōu)點：對單片機指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對8051的存貯器結構有初步了解；寄存器分配、不同存貯器的尋址及數(shù)據(jù)類型等細節(jié)可由編譯器管理；程序有規(guī)范的結構，可分為不同的函數(shù)，這種方式可使程序結構化；具有將可變的選擇與特殊操作組合在一起能力，改善了程序的可讀性；關鍵字及運算函數(shù)可用近似人的思維過程方式使用；編程及程序高度調(diào)試時間顯著縮短，從而提高效率；提供的庫包含許多標準子程序，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力；已編好程序可容易地植

6、入新程序，因為它具有方便的模塊化編程技術。C語言作為一種非常方便的語言而得到廣泛的支持，C語言程序本身并不依賴于機器硬件系統(tǒng)，基本上不作修改就可根據(jù)單片機的不同較快地移植過來。（4）8051匯編語言非常像其它匯編語言，指令系統(tǒng)比第一代微處理器要強一些。8051的不同存貯器區(qū)域使得其復雜一些。盡管懂匯編語言不是你的目的，但看懂一些可幫助你了解影響任何語言效率的8051特殊限定。例如，懂得匯編語言指令就可使用在片RAM做變量的優(yōu)勢，因為片外變量需要幾條指令才能設置累加器和數(shù)據(jù)指針進行存取。要求使用浮點和啟用函數(shù)時只有具備匯編程經(jīng)驗才能避免生成龐大的、效率低的程序，這需要考慮簡單的算術運算或先算好的

7、查表法。最好的單片機編程者應是由匯編轉用C而不是原來用過標準C語言的人。從實用性和語言的熟悉程度考慮，選用匯編語言編制主要程序，用C語言輔助設計。1.3 開發(fā)工具1.3.1 單片機選擇單片機是把CPU、內(nèi)存及IO壓縮在同一塊芯片上，再外加一些電子元件便可以構成一套簡易的控制系統(tǒng)。如此一來可以降低硬件成本，由于單片機芯片設計及制造技術的限制，在面積有限的芯片上無法設計出太大的內(nèi)存空間，因此單片機上ROM及RAM的容量都比較小，不過卻也加入了位輸入輸出控制，計時計數(shù)器及外部中斷的控制功能，有些單片機還有串行傳輸?shù)慕涌?，甚至還提供有AD (模擬至數(shù)字轉換)及DA(數(shù)字至模擬轉換)的接口，真可謂麻雀雖

8、小五臟俱全。8051單片機是INTEL公司在8048的基礎上，對其功能加以改進所開發(fā)出來的8位單片機，表 3-1是8048與8051硬件功能的比較表。從表中可以看出8051在功能上比8048強很多，程序代碼(存于外部ROM中)的設計空間如同傳統(tǒng)8位的單片機，像Z80、6502CPU等，尋址至64K字節(jié)的范圍，更甚者，其隨機存儲器(存于外部RAM中)可額外再尋址64K字節(jié)，這是8051特別優(yōu)異的一點，加上IO控制端口、中斷功能、定時器及串行接口，使得在一塊8051芯片上外加少許外接元件便可組成一個完整的單片機控制系統(tǒng)。表 1-1列出了8051系列的成員：其中8751H有可擦除可編程只讀存儲器(E

9、PROM)，可以存放程序代碼，同時具有程序保密的特性，可以防止程序代碼被任意地拷貝，只是價格較貴。電路構成類型如為CMOS則耗電較低，而8031與8051的差別在于8031內(nèi)部本身沒有可存放程序代碼的存儲空間(沒有內(nèi)部ROM的型態(tài))，因此程序代碼必須由外部提供并外加EPROM。表 1-1 8048和8051的功能比較比較項目 8048 8051指令周期 2.5us 1us內(nèi)部RAM 64字節(jié) 128字節(jié)內(nèi)部ROM 1K字節(jié) 4K字節(jié)外部RAM 256字節(jié) 64K字節(jié)外部ROM 4K字節(jié) 64K字節(jié)IO引腳數(shù) 27 32中斷源 2 5定時器 8位1組 16位2組串行端口 無 一組表 1-2 80

10、51系列內(nèi)部ROM和內(nèi)部RAM的內(nèi)存容量編號 電路類型 ROM存儲容量（字節(jié)） RAM存儲容量（字節(jié)）8051AH HMOS 4K ROM 1288031AH HMOS 沒有 1288751H HMOS 4K EPROM 12880C51 CMOS 4K ROM 12880C31 CMOS 沒有 1288052 HMOS 8K ROM 2568032 HMOS 沒有 256 8051主要功能列舉如下：為一般控制應用的8位單片機；芯片內(nèi)部有時鐘振蕩器(傳統(tǒng)最高工作頻率可達12MHZ)；內(nèi)部只讀存儲器(ROM)為4K字節(jié)；內(nèi)部隨機存儲器(RAM)為128字節(jié)；外部只讀存儲器可擴充至64K字節(jié)；外部

11、隨機存儲器可擴充至64K字節(jié)；32條雙向輸入輸出線，且每條均可以單獨做IO的控制；5個中斷向量源；2組獨立的16位定時器；1個全雙工串行通信端口：8751及8752單片機具有數(shù)據(jù)保密的功能；單片機提供位邏輯運算指令。本次設計選用的是低耗的80C51單片機。1.3.2 開發(fā)環(huán)境本設計選用的開發(fā)平臺為MedWin單片機集成開發(fā)環(huán)境，只需在PC機上安裝MedWin軟件，即可配合仿真器進行模擬仿真，使用十分方便。1.3.3 仿真器 目前，單片機因其諸多特點，在各行各業(yè)中得到了廣泛的應用。單片機本身只是一個電子器件，只有和其它器件、設備有機地組合在一起，并配置適當?shù)墓ぷ鞒绦?軟件)后，才能構成一個單片機

12、的應用系統(tǒng)。因此，單片機的開發(fā)包括硬件和軟件兩個部分。單片機本身沒有自開發(fā)功能，必須借助于開發(fā)工具。近年來，隨著個人計算機系統(tǒng)的不斷普及，國內(nèi)外推出了不少以PC機為基礎的單片機開發(fā)系統(tǒng)；而軟件模擬仿真器是一種新型的開發(fā)方法。這種方法是在PC機上，用軟件來實現(xiàn)仿真，并配置一系列相關的服務程序，使用時，只要在PC機上運行該軟件包，就可以對目標碼程序進行調(diào)試。對于那些只是用到單片機內(nèi)部資源的設計來說，可以在軟件仿真器內(nèi)完成仿真工作。而單片機軟件的設計總要和外部事件打交道，比如響應外部中斷，檢測某一引腳上輸入信號電平的高低，完成AD轉換等；同時某些情況下，還要根據(jù)外部信號輸出不同的控制信號。如果使用硬

13、件仿真系統(tǒng)或在線調(diào)試器時，已有一個實實在在的硬件環(huán)境，在調(diào)試時，可以利用目標系統(tǒng)提供給單片機各種信號的輸入，以便測試單片機的實際運行情況。如果使用軟件仿真器，沒有任何硬件環(huán)境可以給出這些外部信號，所以外部信號的輸入是面臨的一個難題；此外單片機常常需要和其它常用器件有機地組合在一起使用，如AD芯片、液晶顯示板等，如何仿真這些常用器件的功能，也是面臨的一個難題。 本設計選用的仿真器是SE52P單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)。1.4 系統(tǒng)框圖圖 1-41.5 發(fā)光二極管顯示 1.5.1 LM3914基本介紹圖 1-5發(fā)光二極管集成驅動器LM3914結構如圖 4-1所示。其內(nèi)部的緩沖放大器最大限度的提高了該集成電

14、路的輸入電阻（5腳），電壓輸入信號經(jīng)過緩沖器（增益為零）同時送到10個電壓比較器的異相（-）輸入端。10個電壓比較器的同相輸入（+）端分別接到10個等值電阻（1K歐）串聯(lián)回路的10個分壓端。因為與串聯(lián)回路相接的內(nèi)部參考電壓為1.2V，所以相鄰分壓端之間的電壓差為1.2V/10=0.12V。為了驅動LED1發(fā)光，集成電路LM3914的1腳輸出應該為低電平，因此要求電壓比較器異相（-）端的輸入電壓>0.12V。同理，要使LED2發(fā)光，異相端輸入電壓應>0.12*2=0.24V；要使LED10發(fā)光，異相端輸入電壓應>0.12*10=1.2V。LM3914的9腳為點，條方式選擇端，當9腳與11腳相接為點狀顯示；當9腳與3腳相接，則為條狀顯示。本系統(tǒng)采用條狀顯示方式。 1.5.2 工作原理圖 1-6如圖 1-6所示，當檢測到酒精氣味時，氣敏傳感器的A-B間電阻變小，LM3914的5端電位升高，通過比較放大，驅動發(fā)光二極管依