駕駛座酒精濃度測試儀設計

本科畢業(yè)論文（設計）本科畢業(yè)論文（設計） (2011(2011 屆屆) ) 駕駛座酒精濃度測試儀 學學 院院 電子信息工程學院電子信息工程學院 專專 業(yè)業(yè) 電氣工程自動化電氣工程自動化 學科門類學科門類 理工科理工科 學學 號號 11084410081108441008 姓姓 名名 指導教師指導教師 2015 年 5 月 學號： I 摘 要 從工廠企業(yè)到居民家庭，酒精泄露的檢測、監(jiān)控以及對酒后駕車的監(jiān)測對居民的人 身和財產(chǎn)安全都是十分重要且必不可少的。同時，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，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，酒后駕車是導致交通事故的一個主 要因素，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起 的。由于人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求的提高,為了防止機動車輛 駕駛?cè)藛T酒后駕車，現(xiàn)場實時對人體呼氣中酒精含量的檢測已日益受到重視，酒精濃度 測試儀逐漸得到廣泛應用。此外，酒精測試儀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。如今，氣體傳感器向低功耗、多功能、集成化方向的發(fā)展，因此， 酒精濃度檢測儀具有十分廣闊的現(xiàn)實市場和潛在的市場要求。 綜觀現(xiàn)有的酒精檢測器, 系統(tǒng)實現(xiàn)方案上大部分以單片機為基礎,并借助相應的外圍電路,將檢測結(jié)果通過 LED、LCD 等顯示方式告知使用者。本設計用的 MQK2 酒精傳感器就是一種對氣體敏感 的化學傳感器，它能隨著外部氣體的濃度或不同而改變敏感膜的電阻。系統(tǒng)選 AT89S52 單片機為控制核心，對檢測到的氣體狀況進行相應的處理分析、處理和顯示，并通過報 警進行提示。 關鍵詞：酒精傳感器 MQK2 AT89C51 單片機 II Abstract Enterprise from the factory to households, alcohol leak detection, monitoring and monitoring of drinking and driving for the personal and property safety of the residents is very important and necessary. At the same time, with the rapid development of Chinas economy, peoples living standards increasing quickly, more and more people have their own private cars, drunk driving is a main factor which causes accidents, the data shows, major traffic accident happened in recent years in our country, nearly a third is caused by drunken driving. Because people safety consciousness enhancement, improvement of living comfort and safety to the environment, in order to prevent drunk driving motor vehicle driving personnel, on-site detection of alcohol content in real-time to the human body expiratory has been increasingly valued, alcohol tester is gradually widely used. In addition, alcohol tester can also be used in food processing, brewing, etc need to monitor the alcohol concentration in the air. Today, the gas sensor to the development of low power consumption, multi-function, integration direction, therefore, alcohol concentration detector has a very broad market reality and potential market demands. Throughout the existing alcohol detector, the system implementation scheme on most based on single chip microcomputer, and with the aid of corresponding periphery circuit, will test results to inform the user by way of LED, LCD display. This design with MQK2 alcohol sensor is a kind of chemical sensor is sensitive to the gas, it can be changed by external gas concentration or different sensitive membrane resistance. System AT89S52 single chip microcomputer as the control core, to detect the corresponding processing, after analyzing the situation of gas, processing and display, and through the alarm prompt. Keywords:Alcohol sensor .MQK2.AT89C51 single chip microcomputer III 目 錄 摘摘 要要I I ABSTRACTABSTRACT.II 目目 錄錄III 一、前言一、前言1 二、酒精測試儀總體方案設計二、酒精測試儀總體方案設計1 2.1 酒精濃度檢測儀設計要求分析 1 2.2 酒精濃度檢測儀設計方案 1 三、硬件設計三、硬件設計3 3.1 傳感器的選擇 3 3.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路.4 3.2.1 ADC0809 的引腳及功能.5 3.2.2 ADC0809 的結(jié)構及轉(zhuǎn)換原理.7 3.3 89C52 單片機系統(tǒng).8 IV 3.3.1 單片機片內(nèi)結(jié)構 8 3.3.2 89C52 芯片介紹10 3.3.3 晶振電路和復位電路 .12 1) 時鐘電路 13 (2) 復位電路 .13 （3）89C52 中斷技術概述.14 3.4 LED 顯示電路14 3.5 鍵盤電路15 3.6 報警電路16 3.6.1 聲音報警電路17 四、軟件設計四、軟件設計17 4.1 主程序框圖 .17 4.2 數(shù)據(jù)采集子程序程序框圖18 4.3 鍵盤掃描子程序19 4.4 鍵盤閾值設定子程序 .19 4.5 顯示子程序 .19 4.6 報警子程序 .20 五、測試結(jié)果及結(jié)論五、測試結(jié)果及結(jié)論.21 5.1 硬件調(diào)試 .21 5.2 結(jié)論 .23 致謝致謝.24 參考文獻：參考文獻：.25 V 附原理圖附原理圖.26 附程序附程序.26 附圖附圖 PCBPCB .29 2 酒精濃度檢測儀的設計酒精濃度檢測儀的設計 一、前言一、前言 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 通事故也頻繁發(fā)生。因此，我國因酒駕應付刑事責任，所以需要設計一酒精 濃度測試儀器來檢測駕駛員體內(nèi)酒精含量是否超標。本課程設計研究的是一 種以氣敏傳感器和單片機 A/D 轉(zhuǎn)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。其可檢測出駕駛座空氣環(huán)境中 酒精濃度值，對超標的駕駛員進行聲光報警來提示危害。 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 氣敏傳感器測量空氣中酒精濃度，并轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn) 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(diào)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(zhuǎn)換電路、聲光報警電路、LED 顯示電路，按鍵電路。 二、酒精測試儀總體方案設計二、酒精測試儀總體方案設計 2.12.1 酒精濃度檢測儀酒精濃度檢測儀設計要求分析設計要求分析 設計的酒精濃度測試儀應具有如下特點： （1）數(shù)據(jù)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，用戶就可以與之進行交互工作，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、計算、 分析等過程。 （2）系統(tǒng)具有低功耗、小型化、高性價比等特點。 （3）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。 （4）軟件設計通俗易操作。 2.22.2 酒精濃度檢測儀設計方案酒精濃度檢測儀設計方案 設計時，考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉(zhuǎn)換為電量，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(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)送入單片機進行處理。此外，還需 接入LED數(shù)碼管顯示，鍵盤設定，報警電路等。 3 其總體框圖如圖2-1所示。 被測 環(huán)境 氣敏 傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換 電路 單片機 聲光報警電路 LED 顯示 鍵盤 圖圖2-12-1 基本工作原理圖基本工作原理圖 三、硬件設計三、硬件設計 3.13.1 傳感器的選擇傳感器的選擇 本系統(tǒng)直接測量的是呼氣中的酒精濃度，再轉(zhuǎn)換為血液中的酒精含量濃 度，故采用氣敏傳感器。因周圍環(huán)境的影響，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VRL輸出面獲得的。負載電阻RL 可調(diào)為05-200K。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(jié)構和外形、標準回路、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。 4 圖圖3-13-1 MQ3MQ3 結(jié)構和外形結(jié)構和外形 R A 1 2 20 R A 2 5 .1 IN 12 34 56 M Q -3 圖圖3-23-2 MQ3MQ3 結(jié)構圖結(jié)構圖 圖圖3-3 傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關系傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關系 3.23.2 A/DA/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 在單片機應用系統(tǒng)中，被測量對象的有關變化量，須經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)字量后 才能在單片機中用軟件進行處理。實現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為 A/D 轉(zhuǎn)換器（ADC）。 A/D 轉(zhuǎn)換器大致分有三類：一是雙積分 A/D 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，精度、速度、 5 價格適中；三是-A/D 轉(zhuǎn)換器。 該設計中選用的是 ADC0809 屬第二類，是 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。0809 具有 8 路模擬信號輸入端口，地址線（23-25 腳）可決定那一路模擬信號進行 A/D 轉(zhuǎn)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 2s 的高電平脈沖時，就開始 A/D 轉(zhuǎn)換。7 引腳 為 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束標志，當 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，7 腳輸出高電平。9 腳為 A/D 轉(zhuǎn) 換數(shù)據(jù)輸出允許端，當 OE 腳為高電平時，A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。10 腳為 0809 的時鐘輸入端。 .1 ADC0809ADC0809 的引腳及功能的引腳及功能 逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器在精度、速度、和價格上都適中，是最常用的 A/D 轉(zhuǎn)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。 圖圖 3-43-4 ADC0809ADC0809 的引腳的引腳 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(zhuǎn)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 能如下： IN0-IN7 是 8 路模擬信號輸入端。 D0-D7 是 8 位數(shù)字量輸入端。 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(jù)線相連，3 位編碼對應 8 個通道地址端口。 ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。下面說明 6 各引腳功能。 IN0IN7：8 路模擬量輸入端。 2-12-8：8 位數(shù)字量輸出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路 ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少 100ns 寬） 使其啟動（脈沖上升沿使 0809 復位，下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換）。 EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高 電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端 輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于 640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準電壓。 Vcc：電源，單一+5V。 GND：地。 首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng) 譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。START 上升沿將逐次逼近寄存器復位。 下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成，EOC 變?yōu)楦唠娖剑甘?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存 器，這個信號可用作中斷申請。當 OE 輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn) 換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應及時傳送給單片機進行處理。 數(shù)據(jù)傳送的關鍵問題是如何確認 A/D 轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認完成后，才 能進行傳送。為此可采用下述三種方式。 （1）定時傳送方式 對于一種 A/D 轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術指標是已知的和固定 的。例如 ADC0809 轉(zhuǎn)換時間為 128s，相當于 6MHz 的 MCS-51 單片機共 64 個機器周期。可據(jù)此設計一個延時子程序，A/D 轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序， 延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已 經(jīng)完成了，接著就可進行數(shù)據(jù)傳送。 （2）查詢方式 A/D 轉(zhuǎn)換芯片有表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如 ADC0809 的 EOC 端。因 此可以用查詢方式，測試 EOC 的狀態(tài)，即可確認轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進行 7 數(shù)據(jù)傳送。 （3）中斷方式 把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進 行數(shù)據(jù)傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進行數(shù) 據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時，OE 信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上 數(shù)據(jù)總線，供單片機接受。 需要注意的是：ADC0809 雖然有 8 路模擬通道可以同時輸入 8 路模擬信 號，但每個瞬間只能換 1 路，共用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，各路之間的切 換由軟件改變 C、A、B 引腳上的代碼來實現(xiàn)。地址鎖存與譯碼電路完成對 A、B、C 3 個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié) 果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，圖 3-5 為通道選擇表。 圖圖 3-53-5 通道選擇表通道選擇表 OE、START、CLK 為控制信號端，OE 為輸出允許端，START 為啟動信 號輸入端，CLK 為時鐘信號輸入端。 VR(+)和 VR(-)為參考電壓輸入端。 .2 ADC0809ADC0809 的結(jié)構及轉(zhuǎn)換原理的結(jié)構及轉(zhuǎn)換原理 ADC0809 的結(jié)構框圖如圖 3-6。ADC0809 采用逐次比較的方法完成 A/D 轉(zhuǎn) 換的，由單一的+5V 電源供電。片內(nèi)有鎖存功能的 8 路選 1 的模擬開關，由 C、B、A 引腳的功能來決定所選的通道。0809 完成一次轉(zhuǎn)換需 100s 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(jù)總線上。 通過適當?shù)耐饨与娐罚?809 可對 0-5V 的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。 8 START CLK OEVR(+) VR() VCC GND EOC D0 . . . D7 三態(tài)輸 出鎖存 器 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換 器 地址鎖 存與密 碼 C B A ALE 8 路模 擬量開 關 IN7 . IN0 圖圖 3-63-6 ADC0809ADC0809 的結(jié)構框圖的結(jié)構框圖 3.33.3 89C5289C52 單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng) 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(jù)處理能力 (如算術運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機存 取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O 口)，可能 還包括定時計數(shù)器，串行通信口(SCI)，顯示驅(qū)動電路(LCD 或 LED 驅(qū)動電路)， 脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換器及 A/D 轉(zhuǎn)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)。 .1 單片機片內(nèi)結(jié)構單片機片內(nèi)結(jié)構 9 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 R E ST 9 P3.0/R XD 1 0 P3.1/T XD 1 1 P3.2/IN T 0 1 2 P3.3/IN T 1 1 3 P3.4/T 0 1 4 P3.5/T 1 1 5 P3.6/W R 1 6 P3.7/R D 1 7 X T A L 2 1 8 X T A L 1 1 9 G N D 2 0 P2.0 2 1 P2.1 2 2 P2.2 2 3 P2.3 2 4 P2.4 2 5 P2.5 2 6 P2.7 2 8 S PE N 2 9 A L E 3 0 E A 3 1 P0.7 3 2 P0.6 3 3 P0.5 3 4 P0.4 3 5 P0.3 3 6 P0.2 3 7 P0.1 3 8 P0.0 3 9 V C C 4 0 P2.6 2 7 S TC 8 9 C5 2 U 1 S TC 8 9 C5 1 /5 2 +5 D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 52 單片機的片內(nèi)結(jié)構如圖 3-8 所示。它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。按功能劃分，它有如下功 能部件組成： 微處理器（CPU）。 數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。 程序存儲器（ROM/EPROM）。 4 個 8 位并行 I/O 口（P0 口、P1 口、P2 口、P3 口）。 一個串行口。 2 個 16 位定時器、計數(shù)器。 2 個 16 位定時器、計數(shù)器。 中斷系統(tǒng)。 特殊功能寄存器（SFR）。 10 PSEN 88 E O C X T A L 1 CPU （運算器） （控制器） 數(shù)據(jù)存儲器 RAM P0P2程序存儲器 ROM/EPROM P1 串 行 口 定時 器/計 數(shù)器 中斷 系 統(tǒng) 特殊功能 寄存器 （SFR） P3 ALEEA IN7 . I 0 X T A L 2 8 8 RESET 圖圖 3-83-8 5252 單片機片內(nèi)結(jié)構單片機片內(nèi)結(jié)構 上述功能部件都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)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。 從硬件角度來看，與 MCS-52 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)?8031 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，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 AT89C52 單片機是構造本檢測 系統(tǒng)的更理想的選擇。 .2 89C5289C52 芯片介紹芯片介紹 掌握 MCS-52 單片機，應首先了解 MCS-52 的引腳，熟悉并牢記各引腳的 功能，MCS-52 系列中各種型號芯片的引腳是互相兼容的。制作工藝為 HMOS 的 MCS-52 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。 11 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST (TXD) P3.1 (INT0) P3.2 (INT1) P3.3 T0 P3.4 T1 P3.5 (WR) P3.6 (RD) P3.7 XTAL1 XTAL2 GND Vcc P0.0 (AD0) P0.1 (AD1) P0.2 (AD2) P0.3 (AD3) P0.4 (AD4) P0.5 (AD5) P0.6 (AD6) P0.7 (AD7) EA/VPP PSEN P2.7 (A15) P2.6 (A14) P2.5 (A13) P2.4 (A12) P2.3 (A11) P2.2 (A10) P2.1 (A9) P2.0 (A8) PDIP (RXD) P3.0 ALE/PROG 圖圖 3-93-9 AT89C52AT89C52 芯片管腳圖芯片管腳圖 40 只引腳按其功能來分，可分為如下 3 類： 電源及時鐘引腳：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。 電源引腳接入單片機的工作電源。Vcc 接+5V 電源，Vss 接地。 時鐘引腳 XTAL1、XTAL2 外接晶體與片內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的 輸出端。若采用外部時鐘振蕩器時，該引腳接受時鐘振蕩器的信號，即把此 信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 控制引腳：、ALE、RESET（RST）。此類引腳提供控制信號， PSENEA 有的還具有復用功能。 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 12 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(nèi)部 RAM 提供 備用電源，以保證片內(nèi) RAM 的信息不丟失，從而使單片機在復位后能正常進 行。 ALE/ 引腳：ALE 引腳輸出為地址鎖存允許信號，當單片機上電 PROG 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 輸出信號的負跳沿用于單片機發(fā)出的低 8 位地址經(jīng)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(nèi) EPROM 型單 PROG 片機編程寫入時，此引腳作為編程脈沖輸入端。 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 PSEN 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）。 /VPP 引腳：功能為片內(nèi)程序存儲器選擇控制端。當引腳為高 EAEAEA 電平時，單片機訪問片內(nèi)程序存儲器，但在 PC 值超過 0FFFH 時，即超出片 內(nèi)程序存儲器的 4KB 地址范圍時將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)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(nèi)部程序存儲 EA 器。 I/O 口引腳：P0、P1、P2、P3，為四個 8 位 I/O 口的外部引腳。P0 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(nèi)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)。 由于單片機具有體積小、質(zhì)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(nèi)部有 4KB 的 EPROM，128 字節(jié)的 RAM，所以一般都要根據(jù)所需存儲容量的大小來擴展 ROM 和 RAM。本電路接高電平，沒有擴展片外 ROM 和 RAM。 EA .3 晶振電路和復位電路晶振電路和復位電路 最小系統(tǒng)包括單片機及其所需的必要的電源、時鐘、復位等部件，能使 單片機始終處于正常的運行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機能運行的必 備條件，通過對其進行存儲器擴展、A/D 擴展等，使單片機完成較復雜的功 能。 89C52 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) 13 簡單可靠。用 89C52 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，結(jié)構如圖 3-10 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。 時鐘電路 復位電路 STC89C5 單片機 I/ O 口 圖圖 3-103-10 單片機最小系統(tǒng)原理框圖單片機最小系統(tǒng)原理框圖 1)1) 時鐘電路時鐘電路 89C52 單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二 是外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式如圖 3-11 所示。在 89C52 單片機內(nèi)部有一 振蕩電路，只要在單片機的 XTAL1(18)和 XTAL2(19)引腳外接石英晶體(簡稱 晶振)，就構成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。圖中電容 C1 和 C2 的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在 530pF，典型值為 30pF。 晶振 CYS 的振蕩頻率范圍在 1.212MHz 間選擇，典型值為 12MHz 和 6MHz。 Y1 11.0592MHz C2 30pF C3 30pF 18 19 圖圖 3-113-11 89C5289C52 內(nèi)部時鐘電路內(nèi)部時鐘電路 (2)(2) 復位電路復位電路 當在 89C52 單片機的 RST 引腳引入高電平并保持 2 個機器周期時，單片 機內(nèi)部就執(zhí)行復位操作(若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處于循環(huán)復位 狀態(tài))。 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 充放電來實現(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。 14 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(9)端與 電源 Vcc 接通而實現(xiàn)的 R1 10k C1 10uF S4VCC 9 圖圖 3-123-12 89C5289C52 復位電路復位電路 （3 3）89C5289C52 中斷技術概述中斷技術概述 中斷技術主要用于實時監(jiān)測與控制，要求單片機能及時地響應中斷請求 源提出的服務請求，并作出快速響應、及時處理。這是由片內(nèi)的中斷系統(tǒng)來 實現(xiàn)的。當中斷請求源發(fā)出中斷請求時，如果中斷請求被允許，單片機暫時 中止當前正在執(zhí)行的主程序，轉(zhuǎn)到中斷服務處理程序處理中斷服務請求。中 斷服務處理程序處理完中斷服務請求后，再回到原來被中止的程序之處（斷 點），繼續(xù)執(zhí)行被中斷的主程序。 圖 3-13 為整個中斷響應和處理過程。 圖圖 3-133-13 中斷響應和處理過程中斷響應和處理過程 3.43.4 LEDLED 顯示電路顯示電路 LED 數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個發(fā)光二極管封裝在一起 組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃， 公共電極。數(shù)碼管分為動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示驅(qū)動兩種，靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū) 動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的 I/O 端口進行 驅(qū)動，或者使用如 BCD 碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點 是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用 I/O 端口多，實際應用時必須增加譯 碼驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬件電路的復雜性。數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片 機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯 示筆劃“a,b,c,d,e,f,g,dp“的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 15 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當單片機輸出 字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示 出字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯 示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會 亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯 示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為 12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位 數(shù)碼管并非同時點亮，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)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié) 省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 本設計利用三極管驅(qū)動數(shù)碼管，用 4.7k 電阻起到限流作用，使得數(shù)碼 管亮度適中。 數(shù)碼管顯示電路如下 a bf c g d e V CC1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS1 REDCA a bf c g d e V CC1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS2 REDCA a bf c g d e V CC1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS3 REDCA a bf c g d e V CC1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS4 REDCA D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Q1 PNP Q2 PNP Q3 PNP Q4 PNP +5 R1 4.7k R2 4.7k R3 4.7k R4 4.7k 圖圖 3-143-14 數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路 3.53.5 鍵盤電路鍵盤電路 本設計采用按鍵接低的方式來讀取按鍵，單片機初始時，因為為高電平， 當按鍵按下的時候，會給單片機一個低電平，單片機對信號進行處理 單片機鍵盤有獨立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨立鍵盤每一個 I/O 口上只 接一個按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地），這種接法程序比較 簡單且系統(tǒng)更加穩(wěn)定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復雜，但是占用的 I/O 16 少。根據(jù)本設計的需要這里選用了獨立式鍵盤接法。 獨立式鍵盤的實現(xiàn)方法是利用單片機 I/O 口讀取口的電平高低來判斷是 否有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接一個 I/O 口，程序開始時將 此 I/O 口置于高電平，平時無鍵按下時 I/O 口保護高電平。當有鍵按下時， 此 I/O 口與地短路迫使 I/O 口為低電平。按鍵釋放后，單片機內(nèi)部的上拉 電阻使 I/O 口仍然保持高電平。 在用單片機對鍵盤處理的時候涉及到了一個重要的過程，那就是鍵盤的 去抖動。這里說的抖動是機械的抖動，是當鍵盤在未按到按下的臨界區(qū)產(chǎn)生 的電平不穩(wěn)定正?，F(xiàn)象，并不是我們在按鍵時通過注意可以避免的。這種抖 動一般 10200 毫秒之間，這種不穩(wěn)定電平的抖動時間對于人來說太快了， 而對于時鐘是微秒的單片機而言則是慢長的。硬件去抖動就是用部分電路對 抖動部分加之處理，軟件去抖動不是去掉抖動，而是避抖動部分的時間，等 鍵盤穩(wěn)定了再對其處理。所以這里選擇了軟件去抖動，實現(xiàn)法是先查尋按鍵 當有低電平出現(xiàn)時立即延時 10200 毫秒以避開抖動（經(jīng)典值為 20 毫秒）， 延時結(jié)束后再讀一次 I/O 口的值，這一次的值如果為 1 表示低電平的時間 不到 10200 毫秒，視為干擾信號。當讀出的值是 0 時則表示有按鍵按下， 調(diào)用相應的處理程序。硬件電路如圖 3-15 所示： S 1 S W S PST S 2 S W S PST S 3 S W S PST k 1k 2k 3 圖圖 3-153-15 按鍵電路按鍵電路 3.63.6 報警電路報警電路 3.6.1 燈光提示電路 17 GND D2 LED D1 LED RL1 2.2K RL2 2.2K 圖圖 3-163-16 燈光提示電路燈光提示電路 LED 發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導體器件， 它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。據(jù)分析，LED 的特點非常明顯，壽命長、光效高、 輻射低與功耗低。作為目前全球最受矚目的新一代光源，LED 因其高亮度、 低熱量、長壽命、無毒、可回收再利用等優(yōu)點。本設計利用 LED 指示煙霧報 警。 .1 聲音報警電路聲音報警電路 Q1 8550 器器器 VCC R4 1k P34 圖圖 3-173-17 聲音報警電路聲音報警電路 四、軟件設計四、軟件設計 18 4.14.1 主程序框圖主程序框圖 19 圖圖 4-14-1 主程序框圖主程序框圖 4.24.2 數(shù)據(jù)采集子程序程序框圖數(shù)據(jù)采集子程序程序框圖 A/D 轉(zhuǎn)換子程序流程圖如下圖 4-4 所示。ADC0809 初始化后，把 0 通道 輸入的 0-5V 的模擬信號轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字量，然后將對應數(shù)值存儲到內(nèi)存單元。 開始 初始化 讀取 AD 轉(zhuǎn)換酒精 值 判斷當前 酒精范圍 判斷按鍵 是否按下 執(zhí)行相應 的指示控制 設置相應參數(shù) 顯示設置數(shù)值 結(jié)束 N Y 20 開始 啟動 ADC0809 通道，并延時 100s 轉(zhuǎn)換完？ 讀出 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果 結(jié)果存入內(nèi)存單元 返回 Y N 圖圖 4-24-2 數(shù)據(jù)采集子程序框圖數(shù)據(jù)采集子程序框圖 回重新設定閾值。鍵盤輸入的數(shù)字鍵即為閾值，將其保存在 50H 開始的 3 個 單元，為了便于比較和顯示，閾值的千位 50H 中，百位和十位放入 5lH，個 位放人 52H 中。 4.34.3 鍵盤掃描子程序鍵盤掃描子程序 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。 4.44.4 鍵盤閾值設定子程序鍵盤閾值設定子程序 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。鍵盤輸入的數(shù)字鍵即為閾值， 將其保存在 50H 開始的 3 個單元，為了便于比較和顯示，閾值的千位 50H 中， 百位和十位放入 5lH，個位放人 52H 中。 21 4.54.5 顯示子程序顯示子程序 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(jié)果顯示程序。 顯示部分用 4 個數(shù)碼管顯示當前數(shù)據(jù)，數(shù)碼管分別用 2 個 74HC573 鎖存器控制段選和位 選，鎖存器與單片機 I/O 口連接，位鎖存器輸出端分別與數(shù)碼管片選連接， 段鎖存器輸出端接數(shù)碼管段輸入端連接。鎖存器片選輸入端為高電平時， I/O 口數(shù)據(jù)輸入鎖存器，當輸入為低電平時，鎖存器關閉并將數(shù)據(jù)保持住。 4.64.6 報警子程序報警子程序 系統(tǒng)設定閾值并存在以 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 LCD 發(fā)光報警電路組成。當輸入端 P1.0 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。 當輸人端 P1.1 為低電平時，LCD 點亮報警，反之輸入端 P1.1 為高電平則不 報警。報警子程序執(zhí)行之前，將報警閾值轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后，調(diào)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。若大于閾值則片機 的 P1.0、P1.1 兩端口清零進行聲光報警。40H、4lH、42H 單元存放 A/D 轉(zhuǎn)換 后，并進行十進制轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。40H 和 50H 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。 22 五、測試結(jié)果及結(jié)論五、測試結(jié)果及結(jié)論 5.15.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試 我們利用三個按鍵來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行，數(shù)碼顯示管會顯示報警的峰 值，大于峰值進行報警，運行顯示如圖 3.19 所示。 23 圖圖 3-183-18 正面圖正面圖 24 圖圖 3-193-19 運行圖運行圖 焊接的時候盡量走錫，不要走太多的飛線，不然很容易出現(xiàn)問題，而且 很難查找出來。 正面圖以原理圖為依據(jù)，然后是越美觀越好，可以根據(jù) PCB 的突來擺設 位置更加方便連線。如圖 3.18 所示。 5.25.2 結(jié)論結(jié)論 經(jīng)過一周的努力，終于完成了酒精濃度測試儀的課程設計。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。 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?nèi)ピ囍隽耍?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。 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(jīng)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。 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(jié)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(jié)合起來，從理論中得出結(jié)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力，清醒的認識到自 25 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(jīng)歷。 致謝致謝 這次畢業(yè)設計得到了很多人的幫助，其中申遠老師對我的關心和支持尤 為重要，每次遇到難題，我首先想到的就是向金老師尋求幫助。另外，他嚴 謹?shù)淖黠L使我的論文即使在謹小細微處也給予了糾正，讓我的論文無論是結(jié) 構還是內(nèi)容變得更加公整、緊湊，感謝申老師對我的悉心指導。 感謝校方給予我這樣一次機會，能夠獨立地完成這樣一個設計，作為檢 驗這些年來學習的成果,在這個過程當中，學校給予我們各種方便，使我們 在即將離校的最后一段時間里，能夠更多學習一些實踐應用知識，增強了我 們實踐操作和動手應用能力，提高了獨立思考的能力。再一次對我的母校表 示感謝。 26 參考文獻：參考文獻： 1陳權昌,李興富.單片機原理及應用M.廣州:華南理工大學出版社,2007.8 2李慶亮.C 語言程序設計實用教程M.北京:機械工業(yè)出版社,2005.3 3楊志忠.數(shù)字電子技術M.北京:高等教育出版社,2003.12. 4及力.Protel 99 SE 原理圖與 PCB 設計教程M.北京:電子工業(yè)出版社,2007.8. 5徐江海.單片機實用教程M.北京:機械工業(yè)出版社,2006.12 6胡宴如.模擬電子技術M.北京:高等教育出版社,2008.6 7 劉寧.單片機多功能時鐘的設計M.浙江:浙江海洋學院,2009. 8 汪文，陳林.單片機原理及應用M.湖北:華中科技大學出版社,2007. 9 康華光.電子技術基礎數(shù)字部分M.北京:高等教育出版社,2008. 27 附原理圖附原理圖 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 R E ST 9 P3.0/R XD 10 P3.1/T XD 11 P3.2/IN T 0 12 P3.3/IN T 1 13 P3.4/T 0 14 P3.5/T 1 15 P3.6/W R 16 P3.7/R D 17 X T A L 2 18 X T A L 1 19 G N D 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.7 28 S PE