單片機課程設(shè)計報告-酒精濃度檢測儀的設(shè)計

1、目錄一、前言4二、酒精測試儀總體方案設(shè)計42. 1酒精濃度檢測儀設(shè)計要求分析42. 2酒精濃度檢測儀設(shè)計方案4三、硬件設(shè)計53. 1傳感器的選擇53.2 a/d轉(zhuǎn)換電路63. 3 89c51單片機系統(tǒng)93.4 led顯示電路123.5鍵盤電路133.6報警電路13四、軟件設(shè)計144. 1主程序框圖144.2數(shù)據(jù)采集了程序程序框圖 154.3報警子程序程序框圖 15五、課程設(shè)計系的心得體會17六、參考文獻17附圖整體電路圖18酒精濃度檢測儀的設(shè)計一、前言近年來，我國越來越多的人有了口己的私家車，而酒后駕車造成的交通事故也頻 繁發(fā)生。為此，我國將酒駕列入刑法范圍內(nèi)，所以需要設(shè)計一智能儀器能夠檢測駕

2、駛員 體內(nèi)酒精含量。本課程設(shè)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 空氣環(huán)境中灑精濃度值，并可根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)定不同的閾值，對超過的閾值進行聲光 報警來提示危害。本課題分為兩部分：硬件設(shè)計部分和軟件設(shè)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(yīng)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(shè)計思想，各個子程序的功能相對獨立，便于調(diào)試和修改。而駛 件電路乂大體可分為單片機小系統(tǒng)

3、電路、a/d轉(zhuǎn)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(shè)計及原理將會在硬件電路設(shè)計部分詳細介紹。二. 酒精測試儀總體方案設(shè)計2.1酒精濃度檢測儀設(shè)計要求分析設(shè)計的酒精濃度測試儀應(yīng)具有如卜特點：（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l(wèi)ed顯示以及鍵盤響應(yīng)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(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(shè)計簡單易懂。2. 2酒精濃度檢測

4、儀設(shè)計方案設(shè)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，還需接人led顯示，4*4鍵盤，報警電路 等。其總體框圖如圖2-1所示。v鍵盤圖2-1基本工作原理圖三、硬件設(shè)計3.1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)換為血液小的酒精含量濃度，故采用 氣敏傳感器?？紤]到周i韋i空氣中的氣體成分可能影響傳感器測量的準(zhǔn)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、氏期的使

5、用壽命和可靠的穩(wěn)定性。mq3型氣敏傳感器由微型a1203, 陶瓷管和sno2敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件同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(biāo)準(zhǔn)回路有兩部分組成。 其一為加熱冋路，其二為信號輸出冋路，它可以準(zhǔn)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0. 5-200ko加熱電壓uh為5v。上述這些參數(shù)使得傳感 器輸出電壓為0-5vo mq3型氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)和外形、標(biāo)準(zhǔn)回路、傳感骼阻值變化率與 酒精濃度、外界溫度的關(guān)系圖如圖3-3所示。為

6、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(yù)熱5分鐘。圖3-1 mq3結(jié)構(gòu)和外形+5jticmj?1ab6l13ab4lmq3r2 s、200ki>、bt15vr111圖3-2 mq3結(jié)構(gòu)圖啊飢戲化華.2170ui1mm200 400乙斛敞動0員枕力圖33 傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關(guān)系3.2 a/d轉(zhuǎn)換電路在單片機應(yīng)用系統(tǒng)屮，被測量對象的有關(guān)變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非 電物理量，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

7、為a/d轉(zhuǎn)換器（adc） oa/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、價格適中；三是. a a/d轉(zhuǎn)換器。該設(shè)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(dāng)輸入為高電平時，對地址信號進行鎖存。6腳為測試控制，當(dāng)輸入一個2ps的髙電平脈沖時，就開始a/d轉(zhuǎn)換。7引腳為a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)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(dāng)0e腳為高電平時

8、，a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸 出。10腳為0809的時鐘輸入端。3.2. 1 adc0809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。) 60883 3456kr1u3ljkh 押 dmi i i to eclveg s a28 in227 ini261 no25l abda24l addb23l addc222t1 d7"201 d6191 d53s d432 do161 - vnef33 d2圖3-4adc0809的引腳adc0809是一種逐次比較式8路模擬輸

9、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：（1）1n0-1n7是8路模擬信號輸入端。（2）d0-d7是8位數(shù)字量輸入端。（3）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 和連，3位編碼對應(yīng)8個通道地址端口。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、13、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)杲通過三

10、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。cba被選擇的通道0 0 00 0 1鞏0 1 0in.0 1 1工叫1 0 01 0 11 1 0鞏1 1 1a圖3-5通道選擇表(4) oe、start. clk為控制信號端，0e為輸出允許端，start為啟動信號輸入端， clk為時鐘信號輸入端。(5) vr(+)和vr(-)為參考電壓輸入端。3. 2. 2 adc0809的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換原理adc0809的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-6o 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(guān)，由c、b、a引腳的功能來

11、 決定所選的通道。0809完成一次轉(zhuǎn)換需100 u s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(dāng)?shù)耐饨与娐罚?809可對0-5v的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。start clkin7 inocbaaleeocdod7vccgndvr(+) vr(-)oe3.2.3 adc0809 連線圖adc0809與單片機的連線圖如圖3-7：28272319378131417184 rj 4aqqqqqqqe卜esj寸卜q 2 3 h 怡巾 -e ixddd 以 dixdadcos09252423ot4 cj zo 7 厶 7. >5 4 ej 1a li 14 11

12、1a 14 1a 1a ix 令、令合 * a ? a p p p p p p p p p p p p p p p p p173814371536s35183419332039mt i i i i i i i i i i i i i i i i i i 11xix2ea-30600p30(rxd)p3.1(txd)p3-o) p3.4(t0) p3.5(t1) p3硒 p3麗)resetale?10103089c5131"4ls02a二人admadd£dodid2d3d4仍d6d7>clockstartaleoeeocgndadc0809§xouq<1

13、1543212827j2(5<3>圖3-7adc0809的連線圖3.3 89c51單片機系統(tǒng)單片機是-種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)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(gòu)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(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)。3.

14、3.1單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu)51單片機的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。它把那些作為控制應(yīng)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：(1) 微處理器(cpu)o(2) 數(shù)據(jù)存儲器(ram) o(3) 程序存儲器(r0m/epr0m)。(4) 4 個 8 位并行 i/o 口(p0 口、p1 口、p2 口、p3 口)。(5) 一個串行口。(6) 2個16位定時器、計數(shù)器。(6) 2個16位定時器、計數(shù)器。(7) 中斷系統(tǒng)。(8) 特殊功能寄存器(sfr)opsenreset圖3-8 51單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu)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(gòu)依舊是cpu

15、加上外圍芯 片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但cpu對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存辭的集屮控制方 式。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(dāng)?shù)?031單片機抗干擾性能強，與87c51單片機技能和當(dāng)，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at89c51單片機是構(gòu)造木檢測系統(tǒng)的更理想的選擇。3. 3.2 89c51芯片介紹掌握mcs-51單片機，應(yīng)首先了解mcs-51的引腳，熟悉并牢記各引腳的功能，

16、mcs-51 系列屮各種型號芯片的引腳是互相兼容的。制作工藝為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。p1.0匚vccp1.1ipo.o(ado)p1.2ezp0.1(ad1)p1.3lp0.2(ad2)p1.4匚p0.3(ad3)p1.5hp0.4(ad4)p1.6ljp0.5(ad5)p1.7廠p0.6(ad6)rstl5p0.7(ad7)(rxd)p3.0pea/vpp(txd)p3.1lale/prog(into)p3.2lpsen(int1)p3.3hp2.7(a15)top3.4匚p2.6(a14)t1p3.5hp2.5(a13)(wr)

17、p3.6rp2.4(a12)(rd)p3.7ip2.3(a11)xtal1lp2.2(a10)xtal2匚p2.1(a9)gndip2.0(as)pdip圖3-9 at89c51芯片管腳圖40只引腳按其功能來分，可分為如下3類：(1) 電源及時鐘引腳:vcc、vss、xtal1、xtal2o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)的反相放人器構(gòu)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(gòu)成了片內(nèi)振

18、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)部反相放人器的輸出端。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。(2) 控制引腳：psen> ale、ea> reset (rst)。此類引腳提供控制信號，有的還具有復(fù)用功能。 rst/vpd引腳:reset (rst)是復(fù)位信號輸入端,高電平有效。當(dāng)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)的高屯平時，就可以完成復(fù) 位操作。在單片機工作時，此引腳應(yīng)為w0.5v低電平。vpd為本引腳的第二功能，即備 用電源的

19、輸入。當(dāng)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(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(fù)位后能正常進行。 ale/ prog引腳:ale引腳輸出為地址鎖存允許信號，當(dāng)單片機上電正常工作后 ale引腳不斷輸出正脈沖信號。當(dāng)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岀，此頻率為時鐘振蕩器頻率的1/6。 礙為該引腳的笫二 功能。在對片內(nèi)eprom型單片機編程寫入時，此引腳作為編程脈沖輸入端。 丙麗引腳：程序存儲器允許輸出控

20、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0e(輸出允許端)。 ea/vpp引腳：甄功能為片內(nèi)程序存儲器選擇控制端。當(dāng)甄引腳為高電平時， 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£1動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當(dāng)臥引腳為低時，單片機只訪 問外部程序存儲器，不論是否有內(nèi)部程序存儲器。(3) i/o 口引腳：po、pl、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(zhǔn)雙向的i/o 口，各口線在片內(nèi)均有固

21、定的上拉電阻。當(dāng)這3 個準(zhǔn)雙向i/o 口作輸入口使用時，要向該口先寫1,另外準(zhǔn)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(shè)計電路圖如圖1所示o89c51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。本電路甄接高電平，沒有擴 展片夕卜rom和ram。3. 3. 3品振電路和復(fù)位電路電路圖如下：19ts3189c51y1inireset3012<smoocxn_1electro2r-c310kiiiiio.luf邕 at89c5tale1

22、ea、p psen3.4 led顯示電路led顯示有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。木設(shè)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(yīng)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 口高四位做為齊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。數(shù)碼管顯示電路如下圖3-11數(shù)碼管顯示電路3.5鍵盤電路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(zhuǎn)法。 本設(shè)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)。鍵盤

23、掃描電路圖3-12：36報警電路報警電路圖3-13：如下圖4-1所示。4. 2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3-2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(yīng)的數(shù)字量ooh-ffh,然后將對應(yīng)數(shù)值存儲到內(nèi)存單元。程序框圖 如圖4-2返冋43報警子程序程序框圖系統(tǒng)設(shè)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51h,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(dāng)輸入端p3. 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(dāng)輸入端為高電平時不報警。報警子程序

24、執(zhí)行z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屮。 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。若大于閾值則將單片機的p3. 5 口清零進行聲光報警。 40h、41ik 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屮的 值大于50h中的值,則

25、進行報警。依此類推，比較41h和51h, 42h和52h。程序框圖如 圖 4-3：圖4-3報警子程序流程框圖五.課程設(shè)計系的心得體會經(jīng)過一周的努力，終于完成了智能儀器的課程設(shè)計。這是我第一次基于單片機獨立 設(shè)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(shè)計，單片機是這學(xué)期學(xué)習(xí)的課程，雖然不陌生， 但是用起來述發(fā)現(xiàn)很多的問題。硬件方而還好解決，弄明白就可以了，但軟件方而就非 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(yīng)用。這次設(shè)計真的讓我 長進了很多，單片機課程設(shè)計重點就在于軟件算法的設(shè)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?，才能真正的掌握，只學(xué)習(xí)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。這次我使用的基木上都是已經(jīng)學(xué)過的元件，但真 正用起來才發(fā)現(xiàn)自己還差的很多，所以我乂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(gòu)成，下了非常大的功夫才最后弄出 來。冋顧起此次單片機課程設(shè)計，我仍感慨頗多。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與 實際和結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相 結(jié)合起來，從理論屮得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高£1己的實際動手能力和獨立思考