工程測(cè)試技術(shù)實(shí)例：酒精檢測(cè)裝置——方案設(shè)計(jì)

1、工程測(cè)試技術(shù)實(shí)例：酒精檢測(cè)裝置方案設(shè)計(jì)1 氣體傳感器的選擇1.1 MQ-3基本介紹一個(gè)新型的氣體檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該包括：（1）基于一種或幾種傳感技術(shù)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(jī)接口軟件的中心監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。（4）在一些應(yīng)用中，與其它安全系統(tǒng)和儀器的接口。本設(shè)計(jì)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(diǎn):檢測(cè)范圍為10ppm2000ppm 靈敏度高，輸出信號(hào)為伏特級(jí)；響應(yīng)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(yīng)用設(shè)計(jì)服務(wù)。 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(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。當(dāng)其表面吸附有被測(cè)氣體酒精分子時(shí)，表面導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而其表面電阻會(huì)隨著被測(cè)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(fù)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(cè) 圖3-3如圖 3-3所示，當(dāng)電源開關(guān)S斷開時(shí)，傳感器加熱電流為零，實(shí)測(cè)A，B之間電阻>20M歐。S接通，則f，f之間電流由開始時(shí)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(shí)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(wàn)用表顯示值馬上由原來(lái)大于20M歐降至1M歐以下。移開小瓶過(guò)15-40s后，A，B之間電阻恢復(fù)至大于20M歐。這種反應(yīng)可以重復(fù)試驗(yàn)，但要注意使空氣恢復(fù)到潔凈狀態(tài)。1.2 編程語(yǔ)言的選擇對(duì)于8051單片機(jī)，現(xiàn)有四種語(yǔ)言支持，即匯編、PLM、C和BASIC。（1）BASIC通常附在PC機(jī)上，是初學(xué)編程的第一種語(yǔ)言。一個(gè)新變量名定義后可在程序中做變量使用，非常易學(xué)，根據(jù)解釋的行可以找到錯(cuò)誤而不是當(dāng)程序執(zhí)行完才能出來(lái)。BASIC由于逐行解釋自然很慢，每一行必須在執(zhí)行時(shí)轉(zhuǎn)換成機(jī)器代碼，需要花費(fèi)許多時(shí)間，不能做到實(shí)時(shí)性。BASIC為簡(jiǎn)化使

4、用變量，所有變量都用浮點(diǎn)值。22這樣簡(jiǎn)單的運(yùn)算完全是浮點(diǎn)算術(shù)操作，因而程序復(fù)雜且執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)。即使是編譯BASIC，也不能解決此浮點(diǎn)運(yùn)算問(wèn)題。8052單片機(jī)片內(nèi)固化有解釋BASIC語(yǔ)言，BASIC適用于要求編程簡(jiǎn)單而對(duì)編程效率或運(yùn)行速度要求不高的場(chǎng)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(yǔ)言。它很像PASCAL，是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，但它使用關(guān)鍵字去定義結(jié)構(gòu)。PLM編譯器像好的匯編器一樣可產(chǎn)生緊湊代碼。PLM總的來(lái)說(shuō)是高級(jí)匯編語(yǔ)言，可詳細(xì)控制著代碼生成。但對(duì)8051系列，PLM不支持復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)變量，也無(wú)豐富的庫(kù)函數(shù)支持。學(xué)習(xí)PLM無(wú)異于學(xué)習(xí)一種新語(yǔ)言。（3）

5、C是一種源于編寫UNIX操作系統(tǒng)的語(yǔ)言，它是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，可產(chǎn)生緊湊代碼。C結(jié)構(gòu)是以括號(hào) 而不是字和特殊符號(hào)的語(yǔ)言。C可以進(jìn)行許多機(jī)器級(jí)函數(shù)控制而不用匯編語(yǔ)言。與匯編相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)單片機(jī)指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對(duì)8051的存貯器結(jié)構(gòu)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(xì)節(jié)可由編譯器管理；程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu)，可分為不同的函數(shù)，這種方式可使程序結(jié)構(gòu)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(guān)鍵字及運(yùn)算函數(shù)可用近似人的思維過(guò)程方式使用；編程及程序高度調(diào)試時(shí)間顯著縮短，從而提高效率；提供的庫(kù)包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有較強(qiáng)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?yàn)樗哂蟹奖愕哪K化編程技術(shù)。C語(yǔ)言作為一種非常方便的語(yǔ)言而得到廣泛的支持，C語(yǔ)言程序本身并不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，基本上不作修改就可根據(jù)單片機(jī)的不同較快地移植過(guò)來(lái)。（4）8051匯編語(yǔ)言非常像其它匯編語(yǔ)言，指令系統(tǒng)比第一代微處理器要強(qiáng)一些。8051的不同存貯器區(qū)域使得其復(fù)雜一些。盡管懂匯編語(yǔ)言不是你的目的，但看懂一些可幫助你了解影響任何語(yǔ)言效率的8051特殊限定。例如，懂得匯編語(yǔ)言指令就可使用在片RAM做變量的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠庾兞啃枰獛讞l指令才能設(shè)置累加器和數(shù)據(jù)指針進(jìn)行存取。要求使用浮點(diǎn)和啟用函數(shù)時(shí)只有具備匯編程經(jīng)驗(yàn)才能避免生成龐大的、效率低的程序，這需要考慮簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算或先算好的

7、查表法。最好的單片機(jī)編程者應(yīng)是由匯編轉(zhuǎn)用C而不是原來(lái)用過(guò)標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言的人。從實(shí)用性和語(yǔ)言的熟悉程度考慮，選用匯編語(yǔ)言編制主要程序，用C語(yǔ)言輔助設(shè)計(jì)。1.3 開發(fā)工具1.3.1 單片機(jī)選擇單片機(jī)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(gòu)成一套簡(jiǎn)易的控制系統(tǒng)。如此一來(lái)可以降低硬件成本，由于單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的限制，在面積有限的芯片上無(wú)法設(shè)計(jì)出太大的內(nèi)存空間，因此單片機(jī)上ROM及RAM的容量都比較小，不過(guò)卻也加入了位輸入輸出控制，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器及外部中斷的控制功能，有些單片機(jī)還有串行傳輸?shù)慕涌?，甚至還提供有AD (模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換)及DA(數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換)的接口，真可謂麻雀雖

8、小五臟俱全。8051單片機(jī)是INTEL公司在8048的基礎(chǔ)上，對(duì)其功能加以改進(jìn)所開發(fā)出來(lái)的8位單片機(jī)，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(qiáng)很多，程序代碼(存于外部ROM中)的設(shè)計(jì)空間如同傳統(tǒng)8位的單片機(jī)，像Z80、6502CPU等，尋址至64K字節(jié)的范圍，更甚者，其隨機(jī)存儲(chǔ)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(diǎn)，加上IO控制端口、中斷功能、定時(shí)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(gè)完整的單片機(jī)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(chǔ)器(E

9、PROM)，可以存放程序代碼，同時(shí)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(jià)格較貴。電路構(gòu)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(chǔ)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(xiàng)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(shí)器 8位1組 16位2組串行端口 無(wú) 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(hào) 電路類型 ROM存儲(chǔ)容量（字節(jié)） RAM存儲(chǔ)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(yīng)用的8位單片機(jī)；芯片內(nèi)部有時(shí)鐘振蕩器(傳統(tǒng)最高工作頻率可達(dá)12MHZ)；內(nèi)部只讀存儲(chǔ)器(ROM)為4K字節(jié)；內(nèi)部隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)為128字節(jié)；外部只讀存儲(chǔ)器可擴(kuò)充至64K字節(jié)；外部

11、隨機(jī)存儲(chǔ)器可擴(kuò)充至64K字節(jié)；32條雙向輸入輸出線，且每條均可以單獨(dú)做IO的控制；5個(gè)中斷向量源；2組獨(dú)立的16位定時(shí)器；1個(gè)全雙工串行通信端口：8751及8752單片機(jī)具有數(shù)據(jù)保密的功能；單片機(jī)提供位邏輯運(yùn)算指令。本次設(shè)計(jì)選用的是低耗的80C51單片機(jī)。1.3.2 開發(fā)環(huán)境本設(shè)計(jì)選用的開發(fā)平臺(tái)為MedWin單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境，只需在PC機(jī)上安裝MedWin軟件，即可配合仿真器進(jìn)行模擬仿真，使用十分方便。1.3.3 仿真器 目前，單片機(jī)因其諸多特點(diǎn)，在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)本身只是一個(gè)電子器件，只有和其它器件、設(shè)備有機(jī)地組合在一起，并配置適當(dāng)?shù)墓ぷ鞒绦?軟件)后，才能構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)

12、的應(yīng)用系統(tǒng)。因此，單片機(jī)的開發(fā)包括硬件和軟件兩個(gè)部分。單片機(jī)本身沒有自開發(fā)功能，必須借助于開發(fā)工具。近年來(lái)，隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷普及，國(guó)內(nèi)外推出了不少以PC機(jī)為基礎(chǔ)的單片機(jī)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(jī)上，用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真，并配置一系列相關(guān)的服務(wù)程序，使用時(shí)，只要在PC機(jī)上運(yùn)行該軟件包，就可以對(duì)目標(biāo)碼程序進(jìn)行調(diào)試。對(duì)于那些只是用到單片機(jī)內(nèi)部資源的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，可以在軟件仿真器內(nèi)完成仿真工作。而單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)總要和外部事件打交道，比如響應(yīng)外部中斷，檢測(cè)某一引腳上輸入信號(hào)電平的高低，完成AD轉(zhuǎn)換等；同時(shí)某些情況下，還要根據(jù)外部信號(hào)輸出不同的控制信號(hào)。如果使用硬

13、件仿真系統(tǒng)或在線調(diào)試器時(shí)，已有一個(gè)實(shí)實(shí)在在的硬件環(huán)境，在調(diào)試時(shí)，可以利用目標(biāo)系統(tǒng)提供給單片機(jī)各種信號(hào)的輸入，以便測(cè)試單片機(jī)的實(shí)際運(yùn)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(hào)，所以外部信號(hào)的輸入是面臨的一個(gè)難題；此外單片機(jī)常常需要和其它常用器件有機(jī)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(gè)難題。 本設(shè)計(jì)選用的仿真器是SE52P單片機(jī)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(qū)動(dòng)器LM3914結(jié)構(gòu)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(hào)經(jīng)過(guò)緩沖器（增益為零）同時(shí)送到10個(gè)電壓比較器的異相（-）輸入端。10個(gè)電壓比較器的同相輸入（+）端分別接到10個(gè)等值電阻（1K歐）串聯(lián)回路的10個(gè)分壓端。因?yàn)榕c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(qū)動(dòng)LED1發(fā)光，集成電路LM3914的1腳輸出應(yīng)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(yīng)>0.12*2=0.24V；要使LED10發(fā)光，異相端輸入電壓應(yīng)>0.12*10=1.2V。LM3914的9腳為點(diǎn)，條方式選擇端，當(dāng)9腳與11腳相接為點(diǎn)狀顯示；當(dāng)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(dāng)檢測(cè)到酒精氣味時(shí)，氣敏傳感器的A-B間電阻變小，LM3914的5端電位升高，通過(guò)比較放大，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管依