基于AVR單片機(jī)的便攜式醉酒駕駛儀器設(shè)計(jì)——包含原理圖和完整代碼.doc

基于AVR單片機(jī)的酒精傳感器的設(shè)計(jì)包含原理圖和完整代碼摘要該設(shè)計(jì)作品基于ATmega16單片機(jī)，利用酒精傳感器，實(shí)現(xiàn)空氣周圍環(huán)境中的酒精濃度實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示，一旦超過(guò)閾值即蜂鳴器報(bào)警，可用于車載監(jiān)控及倉(cāng)庫(kù)等有防火要求的地方。關(guān)鍵字ATmega16單片機(jī) 酒精傳感器 自動(dòng)報(bào)警AbstractThe design works based on single-chip microcomputer, using alcohol ATmega16 sensor, realize the alcohol concentration of air environment through real-time measuring, LED digital display, once more real-time tube threshold, which can be used for car buzzer alarm monitor and warehouse fire.目錄1 項(xiàng)目要求 42.項(xiàng)目的硬件原理和內(nèi)容 42.1 硬件設(shè)計(jì)思想和原理圖42.2 如何使用硬件單元42.3 硬件電路圖63.軟件設(shè)計(jì)思想和內(nèi)容 83.1端口初始化 83.2數(shù)據(jù)采集及處理流程83.3 LED顯示93.4蜂鳴器報(bào)警104.測(cè)試過(guò)程處理114.1硬件調(diào)試114.2仿真調(diào)試114.3綜合調(diào)試124.4測(cè)試過(guò)程問(wèn)題分析134.5測(cè)試結(jié)論145. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需資源 146. 項(xiàng)目分工 147. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié) 147.1團(tuán)隊(duì)總結(jié)147.2個(gè)人心得15參考文獻(xiàn) 18附錄A 酒精傳感器參數(shù) 18附錄B 系統(tǒng)總程序代碼 20附錄C 實(shí)物圖 23一、 項(xiàng)目要求：便攜式酒后駕車測(cè)試儀 酒后駕車易出事故，但判定駕駛員是否喝酒過(guò)量帶有較大的主觀因素。請(qǐng)你利用學(xué)過(guò)的知識(shí)，設(shè)計(jì)一臺(tái)便攜式、交通警使用的酒后駕車測(cè)試儀?？傮w思路是: 讓被懷疑酒后駕車的駕駛員對(duì)準(zhǔn)探頭(內(nèi)部裝有多種傳感器)呼三口氣，用一排發(fā)光二極管指示呼氣量的大小(呼氣量越大，點(diǎn)亮的LED越多)。當(dāng)呼氣量達(dá)到允許值之后，“呼氣氣確認(rèn)”LED亮，精酒蒸氣含量數(shù)碼管指示出三次呼氣的酒精蒸氣含量的平均百分比。如果呼氣量不夠，則提示重新呼氣，當(dāng)酒精含量超標(biāo)時(shí)，LED閃亮，蜂鳴器發(fā)出“嘀嘀”聲。二、 項(xiàng)目的硬件設(shè)計(jì)原理與內(nèi)容1、 硬件設(shè)計(jì)思想和原理圖：采用MQ303將酒精信號(hào)轉(zhuǎn)換成敏感體電阻的變化，外接電源和負(fù)載電阻，把電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，利用Mega16單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能采樣電壓變化，轉(zhuǎn)換成酒精濃度用七段數(shù)碼管顯示出來(lái)，當(dāng)達(dá)到預(yù)定報(bào)警濃度時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，并接通開(kāi)關(guān)時(shí)，Led燈不再顯示。硬件設(shè)計(jì)時(shí)，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送入單片機(jī)進(jìn)行處理。此外，還需接入LED數(shù)碼管顯示，聲光報(bào)警電路等。其總體框圖右圖所示：2、 如何使用硬件單元：將MQ303預(yù)留引腳接電源，預(yù)熱3秒以上。接通單片機(jī)電源，七段數(shù)碼管閃爍顯示周圍酒精濃度。一旦酒精濃度超過(guò)閾值，蜂鳴器報(bào)警。與門和非門以及開(kāi)關(guān)組成打火系統(tǒng)，蜂鳴器信號(hào)和開(kāi)關(guān)決定是否導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)模擬打火系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)，接通開(kāi)關(guān)時(shí)，Led燈亮表示打火成功，反之則表示打火系統(tǒng)被強(qiáng)行制止。單片機(jī)選擇：ATmega16單片機(jī)是一款功能十分強(qiáng)大，集成度非常高的數(shù)字處理系統(tǒng)。它集成了ADC與DAC的模塊，因而此作品設(shè)計(jì)中可以直接將MQ3型酒精氣敏傳感器的探測(cè)信號(hào)輸入單片機(jī)中，然后在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理。其引腳圖如下圖:下圖1為選擇4位一體共陽(yáng)極數(shù)碼管，型號(hào)為SR410561k。該數(shù)碼管具有工作穩(wěn)定，亮度高，反應(yīng)靈敏，質(zhì)量可靠等特點(diǎn)。圖表 1圖二為蜂鳴器報(bào)警部分:圖表 2圖三為傳感器回路圖:圖表 33、 硬件原理圖:PCB圖：三、 軟件設(shè)計(jì)思想和內(nèi)容軟件方案主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、聲光報(bào)警等子程序。儀器開(kāi)機(jī)后經(jīng)初預(yù)熱階段后測(cè)量結(jié)果。測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)采集程序把數(shù)據(jù)送入到AVRmega16單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由數(shù)據(jù)處理程序完成數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換和數(shù)制間轉(zhuǎn)換。當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)報(bào)警子程序啟動(dòng)，發(fā)出聲光報(bào)警。軟件主程序流程圖如右圖所示：1、端口初始化1、 PORTA用于傳感器信號(hào)輸入和蜂鳴器輸出； PORTB用于控制LED顯示； PORTC用于LED位選。2傳感器采集部分：采用ADC差分輸入，因?yàn)閭鞲衅鬏敵鲭妷嚎梢赃_(dá)到0-5v，單片機(jī)可以直接處理，故使用1倍增益。3 ADC轉(zhuǎn)換部分：使用7.3728M晶振，32分頻，T0比較匹配中斷，定時(shí)2ms，轉(zhuǎn)換結(jié)果右對(duì)齊。4 七段數(shù)碼管顯示部分 動(dòng)態(tài)掃描顯示，間隔2ms。 2、數(shù)據(jù)采集及處理子程序流程：圖表 4數(shù)據(jù)采集及處理函數(shù)關(guān)系圖如下：圖表 54、 LED顯示子程序：本作品顯示為L(zhǎng)ED顯示。顯示子程序分為預(yù)熱階段顯示程序，測(cè)量結(jié)果顯示程序。流程如圖6：圖表 65、蜂鳴器報(bào)警子程序：傳感器輸入值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，調(diào)用比較程序，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后顯示的測(cè)量值與程序中設(shè)定的報(bào)警閾值比較，小于等于閾值則繼續(xù)執(zhí)行顯示程序，大于閾值則將單片機(jī)PA5端口輸出高電平進(jìn)行報(bào)警。 蜂鳴器報(bào)警大于閾值 圖表 7四、 測(cè)試過(guò)程處理調(diào)試分析包括硬件調(diào)試分析和軟件調(diào)試分析及軟、硬件聯(lián)調(diào)。由于硬件調(diào)試分析和軟件調(diào)試分析是獨(dú)立進(jìn)行的，所以可以先調(diào)硬件再調(diào)軟件。在調(diào)試中找出錯(cuò)誤、缺陷，判斷各種故障，并做出軟硬件的修改，直至設(shè)計(jì)作品能夠正確體現(xiàn)其功能。1、硬件調(diào)試硬件調(diào)試包括傳感器電路、顯示電路、單片機(jī)外圍電路、報(bào)警電路等。下面主要介紹傳感器電路、報(bào)警電路的調(diào)試。首先把MQ303A酒精傳感器，接1.5v左右電壓上由于電壓預(yù)熱3秒以上，酒精傳感器里已經(jīng)集成了放大電路，而用萬(wàn)用表測(cè)量可證實(shí)傳感器輸入電路中輸出是一穩(wěn)定的0-5V的電壓信號(hào)，符合單片機(jī)的輸入條件，因此此信號(hào)可以直接接人單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換而不需要放大、濾波等。其次對(duì)于聲光報(bào)警電路的調(diào)試分為蜂鳴器和LED的調(diào)試。經(jīng)試驗(yàn)可知蜂鳴器在高電平時(shí)正常工作，LED為共陽(yáng)極。2、仿真調(diào)試軟件調(diào)試為利用ICCAVR，CVAVR，AVR Studio軟件進(jìn)行模塊化調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中觀察各個(gè)變量的變化，查找所寫程序的錯(cuò)誤，并改正。ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換結(jié)束后(ADIF 為高)，轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入ADC 結(jié)果寄存器(ADCL, ADCH)。單次轉(zhuǎn)換的結(jié)果如下：1024是2的10次方，因?yàn)檗D(zhuǎn)換結(jié)果是10位的仿真電路圖：報(bào)警時(shí)：不報(bào)警時(shí):3、綜合調(diào)試?yán)肁VR Studio軟件和硬件電路板進(jìn)行軟硬件聯(lián)合仿真，首先將軟件程序下載到AVR Studio中，然后運(yùn)行一下，確認(rèn)無(wú)誤后，再把程序?qū)懭胗布小?duì)調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤要仔細(xì)分析，然后不斷修正，直至達(dá)到理想效果為止。在軟硬件聯(lián)調(diào)時(shí)，根據(jù)在程序中設(shè)定的閾值，用酒精漸漸接近傳感器來(lái)模仿酒精濃度的增大，顯示結(jié)果良好，報(bào)警結(jié)果十分精確，在到達(dá)閾值時(shí)能夠準(zhǔn)確發(fā)出報(bào)警聲。4、測(cè)試過(guò)程問(wèn)題分析：1、 PCB板多處電路不通，只能在開(kāi)發(fā)板上調(diào)試2、 MQ-3傳感器的輸入和輸出非線性，因此計(jì)算它的濃度和輸出電壓的值的關(guān)系非常困難，我們只能測(cè)出數(shù)據(jù)，然后折合為幾條曲線，通過(guò)編程控制輸出，由于硬件參數(shù)存在的誤差，開(kāi)始我們的輸出數(shù)據(jù)不理想，通過(guò)多次調(diào)試，逐漸把它的輸入和輸出值接近真實(shí)值。3、 該開(kāi)發(fā)只能在100-1000這個(gè)值內(nèi)進(jìn)行工作，由于受加熱溫度的影響，加熱時(shí)間對(duì)輸出有比較大影響，所以超出這個(gè)范圍，我們都強(qiáng)制它等于0，這個(gè)范圍已經(jīng)可以夠我們進(jìn)行酒后駕車的測(cè)試了，避免了超出輸出范圍，很難進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理這個(gè)方面的設(shè)計(jì)。4、 酒精傳感器的電阻值隨時(shí)間，溫度和酒精濃度變化較大，這是我們不能進(jìn)行定量計(jì)算的難點(diǎn)。5、 用酒靠近傳感器進(jìn)行測(cè)量，有相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出，但撤去酒精的時(shí)候，數(shù)值只能緩慢地下降至低值，可能是因?yàn)榫凭珰埩舻木壒?。所以酒精傳感器不能進(jìn)行快速的多次測(cè)量。這是我們?cè)O(shè)計(jì)的問(wèn)題。5 測(cè)試結(jié)論:1、在距離一定距離內(nèi)對(duì)著傳感器吹濃度56%的白酒，成功報(bào)警。2、指標(biāo)參數(shù)的分析MQ303說(shuō)明書上說(shuō)在0.9-1.0v下預(yù)熱時(shí)間大于48小時(shí)，在2.20.2V下預(yù)熱510秒鐘，實(shí)測(cè)不需這么長(zhǎng)的時(shí)間，也不需2v以上的電壓，5號(hào)干電池提供1.5v左右電壓預(yù)熱3秒以上即可。五、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需資源：MQ303A酒精傳感器1個(gè)，AVR單片機(jī)芯片，ATmega16單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板1個(gè)，印刷電路板一塊，七段數(shù)碼管4個(gè)，Led燈一個(gè)，15mh電感一個(gè)，104電容一個(gè)，蜂鳴器一個(gè)，10k歐電阻兩個(gè)，360歐電阻8個(gè)，插線若干，與門和非門各一個(gè)等等。參考資料：【1】 康華光 電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社，2006 第五版【2】馬潮avr單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐清華出版社 2005 第一版附錄A、1、酒精傳感器參數(shù)：符號(hào)參數(shù)技術(shù)條件備注V H加熱電壓0.9V 0.1VAC or DCV C回路電壓 6 VDCR L負(fù)載電阻可調(diào)P S 10 mWR H加熱電阻4.5W 0.5 W室溫IH加熱電流12020mAPH加熱功率 140 mWPS元件功率10 mWB.環(huán)境條件符號(hào)參數(shù)技術(shù)條件備注Tao使用溫度-20 o C +50 o C推薦使用范圍20ppm-1000ppm乙醇Tas儲(chǔ)存溫度-20 o C +70 o CRH相對(duì)濕度 95% RH(O2)氧氣濃度21%1%(標(biāo)準(zhǔn)條件)不得小于 16%氧氣濃度會(huì)影響靈敏度C. 靈敏度特性型號(hào)MQ303A 符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Rs元件電阻(4kW to 400 kW)在 潔凈空氣中a電阻比(0.50 0.15)Rs (300 ppm酒精) / Rs (100 ppm酒精)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件： 溫度: 20 o C 2 o C V C : 3.0 V 0.1 V DC 濕度: 65% 5% V H : 0.9 V 0. 1 V DC R L : 可調(diào)預(yù)熱時(shí)間：大于48小時(shí)3、酒精含量的判斷標(biāo)準(zhǔn)：呼氣測(cè)試最簡(jiǎn)便。而血液中的酒精濃度與肺部呼出的氣體酒精濃度有一定的比例：大約2200毫升呼氣中酒精含量相當(dāng)于1毫升血液中酒精含量，測(cè)出后者就可知道前者。大量的統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果表明，如果被測(cè)者深吸氣后以中等力度呼氣達(dá)三秒鐘以上，這時(shí)呼出的氣就是從肺部深處出來(lái)的氣體。呼氣中的酒精含量與血液中的酒精含量有如下關(guān)系： BAC(in mg/L) = BrAC(in mg/L) x 2200 上式中，BAC是血液酒精濃度的英文縮寫，BrAC則是呼氣酒精濃度的縮寫，括號(hào)中的in mg/L表示以每升中多少毫克為單位。也就是說(shuō)，以毫克/升為單位的血液酒精濃度在數(shù)值上相當(dāng)于以毫克/升為單位的呼氣酒精濃度乘上系數(shù)2200（由于各國(guó)的情況不同，在美國(guó)此系數(shù)采用2000，而歐洲很多國(guó)家采用2100）。基于此，目前全世界絕大多數(shù)國(guó)家都采用呼氣酒精測(cè)試儀對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，以確定被測(cè)量者體內(nèi)酒精含量的多少。關(guān)于吹管 酒精測(cè)試儀用的吹管是一個(gè)容易被忽視的問(wèn)題。GA307-2001標(biāo)準(zhǔn)對(duì)吹管也作了規(guī)定。吹管雖小，但對(duì)保證檢測(cè)精度非常重要。被測(cè)者口含吹管呼氣，進(jìn)入吹管的氣體幾乎全部是被測(cè)者呼出的氣體。如果從一個(gè)喇叭口送入氣體，被測(cè)者不接觸喇叭口而對(duì)喇叭口吹氣，根據(jù)流體力學(xué)的原理，氣體流動(dòng)時(shí)壓力減小，這就把周圍的空氣一起帶進(jìn)儀器內(nèi)（噴霧器就是根據(jù)這個(gè)原理制成的），相當(dāng)于把呼氣中的酒精濃度稀釋了，檢測(cè)到的酒精濃度就會(huì)比被測(cè)者實(shí)際的呼氣酒精濃度低，這顯然是不能容許的。另一個(gè)必須注意的是吹管一定要是單向性的，在吹氣的時(shí)候才能進(jìn)行檢測(cè)，吸氣時(shí)不能進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)槲鼩鈺r(shí)吹管中的氣體不來(lái)自人體，檢測(cè)的結(jié)果自然不能反映人體內(nèi)的酒精含量。在選擇警用酒精測(cè)試儀時(shí)必須注意這個(gè)問(wèn)題。飲酒駕車和醉酒駕車，是按血液中不同酒精濃度區(qū)分。依標(biāo)準(zhǔn)，血液酒精濃度在0.20.8mg/ml(不含0.8)之間，屬于酒后駕車，處暫扣一個(gè)月以上三個(gè)月以下駕駛證，并處200元以上500元以下罰款。血液酒精濃度在0.8mg/ml(含)以上時(shí)，屬醉酒駕車。按照道路交通安全法，處十五日以下拘留和暫扣三個(gè)月以上六個(gè)月以下駕駛證，并處500元以上2000元以下罰款。附錄B、系統(tǒng)總程序代碼：/酒精傳感器C代碼，ICCAVR編譯環(huán)境/ICC-AVR application builder : 2010-4-16/ Target : M16/ Crystal: 7.3728Mhz#include #include flash unsigned char led710=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90;/數(shù)碼管字型09flash unsigned char position4=0x01,0x02,0x04,0x08;/用于選通四個(gè)數(shù)碼管顯示用unsigned char dis_buff4=0,0,0,0,posit;/對(duì)應(yīng)個(gè)位，十位，百位，千位的相應(yīng)的數(shù)值int time_2ms_ok;/中斷相應(yīng)用到的變量unsigned long int value;/AD轉(zhuǎn)換的寄存器ADCH存放的結(jié)果，轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制的值。 unsigned long int middle_1,middle_2,middle_3;unsigned long density;/轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果值，此值需要顯示出來(lái)void port_init(void)/端口初始化 PORTA = 0x00; DDRA = 0xF0; PORTB = 0x00; DDRB = 0xFF; PORTC = 0x00; DDRC = 0xFF; PORTD = 0x00; DDRD = 0xFF;void adc_init(void)/dac初始化 ADCSR = 0x00; /disable adc ADMUX = 0x61; /select adc avcc 外部電源參考，數(shù)據(jù)左對(duì)齊； ACSR = 0x80; SFIOR&=0x1F; SFIOR|=0x60; ADCSR = 0xAD; void density_dis_buff()/此函數(shù)用于將density的個(gè)位，十位，百位，千位分開(kāi)存放進(jìn)數(shù)組dis_buffiunsigned char i; for(i=0;i=3;i+) dis_buffi=density%10;density/=10; #pragma interrupt_handler adc_isr:iv_ADC void adc_isr(void)/ADC轉(zhuǎn)換 float a,b; value=ADCH; a=(float)value; b=a/256; if (b0.1) density=(-0.12)*b+0.561)*2000; else if (b0.15) density=(-0.16)*b+0.461)*2000; else if (b0.2) density=(-0.28)*b+0.321)*2000;/分段直線計(jì)算，計(jì)算值在2001000ml/L內(nèi)誤差相對(duì)減少（已經(jīng)轉(zhuǎn)換為血液中的值），已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)酒后駕駛和醉酒駕駛。 else if (b0.25) density=(-0.3)*b+0.2)*2000; else if (b0.3) density=(-0.3)*b+0.18)*2000; else if (b0.35) density=(-0.3)*b+0.15)*2000; else if (b1.8)density=(-0.3)*b+0.15)*2000;else density=(-0.3)*b+0.2)*2000; /density=