基于單片機(jī)的酒精濃度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

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北京信息科技大學(xué) 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 基于單片機(jī)的酒精濃度檢測(cè)儀設(shè)計(jì) 所 在 學(xué) 院 專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng) 申請(qǐng)學(xué)士學(xué)位所屬學(xué)科 年 級(jí) 學(xué)生姓名、學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師姓名、職 完 成 日 期 摘要 摘 要 近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，越來(lái)越多的私家車(chē)進(jìn)入了人們的視野，而酒后駕車(chē)造成的交通事故也屢屢攀升。本文研究了一種用于公共場(chǎng)所具有檢測(cè)及超限報(bào)警功能的酒精濃度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案基于89C51單片機(jī)和MQ3酒精濃度傳感器，系統(tǒng)先將傳感器輸出的信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路處理后，再經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后由LCD顯示酒精濃度值，從而告知駕駛?cè)嗽诤侠戆踩那闆r下才能駕車(chē)行駛。 經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，基于單片的酒精濃度測(cè)試儀比傳統(tǒng)的機(jī)械檢測(cè)儀或酒精計(jì)靈敏，擴(kuò)展簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確方便，可靠性好，檢測(cè)精度高，控制功能強(qiáng)大，對(duì)超出閥值進(jìn)行聲光報(bào)警，直觀準(zhǔn)確。所以基于單片機(jī)的酒精濃度監(jiān)測(cè)儀的研究對(duì)社會(huì)公共安全的提高具有很大促進(jìn)作用。 關(guān)鍵詞：酒精濃度傳感器， 單片機(jī)， 數(shù)模轉(zhuǎn)換， 硬件設(shè)計(jì)， 報(bào)警 I ABSTRACT ABSTRACT In recent years, along with our country economy development, more and more private cars have come into the vision. While drunk driving traffic accidents caused by the repeated.This paper used for public inspection and overrun with the functions of alcohol concentration intelligent tester. Design scheme based on 89C51 and MQ3 alcohol concentration sensor, the system will be the first sensor output signal through the A/D converter circuit after treatment, then the MCU data processing, and finally by LCD display alcohol leel. Thus told people in the safety of reasonable driving can drive. Refined over a large number of experiments, using the alcohol concentration test instrument than traditional mechanical detector or alcohol gauge, extended simple, accurate and convenient, good reliability, high precision, strong control function, to go beyond threshold alarm, intuitive and accurate.So based on SCM alcohol concentration monitor research for social public security increase of great value. Keywords: Alcohol, concentration sensor, microcontroller analog-to-digital conversion , hardware design, alarm II 目錄 目 錄 1 引 言 1 1.1 酒精濃度檢測(cè)儀的背景 1 1.2 酒精濃度檢測(cè)儀現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 1.3 本課題實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 1 2 設(shè)計(jì)方案和元器件選擇 2 2.1 設(shè)計(jì)方案 2 2.2 單片機(jī)的選擇 2 2.3 傳感器 4 2.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 5 2.5 AT24C02存儲(chǔ)器 6 2.6 LCD顯示模塊 6 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 8 3.1 硬件設(shè)計(jì)原理 8 3.2 硬件設(shè)計(jì)外圍電路 9 3.2.1 晶振電路、復(fù)位電路設(shè)計(jì) 9 3.2.2 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 11 3.2.3 電源電路設(shè)計(jì) 11 3.2.4 信號(hào)調(diào)制電路設(shè)計(jì) 12 3.2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 13 3.2.6 外圍擴(kuò)充存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì) 14 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 15 4.1 主程序流程圖 15 4.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊程序流程圖 15 4.3 按鍵程序流程圖 16 4.4 液晶顯示程序流程圖 17 5 本設(shè)計(jì)總結(jié)與展望 18 6 結(jié)束語(yǔ) 18 參考文獻(xiàn) 20 致 謝 21 20 北京信息科技大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 引 言 1.1 酒精濃度檢測(cè)儀的背景 對(duì)氣體中酒精含量進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)備有五種基本類(lèi)型，即：燃料電池型(電化學(xué))、半導(dǎo)體型、氣體色譜分析型、紅外線(xiàn)型、比色型。但由于價(jià)格和使用方便的原因，常用的只有燃料電池型和半導(dǎo)體型兩種。 燃料電池作為一種發(fā)電裝置，它的原理是將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)前各國(guó)家都在廣泛研究環(huán)保型能源，因?yàn)樗苯涌梢园芽扇細(xì)怏w轉(zhuǎn)變成電能，并且不產(chǎn)生污染，酒精傳感器只是燃料電池的一方面應(yīng)用。與半導(dǎo)體型的相比，燃料電池型呼氣酒精檢測(cè)儀有很多優(yōu)勢(shì)，即穩(wěn)定性好，精度高，抗干擾性好。但是燃料電池酒精傳感器的結(jié)構(gòu)要求非常精密，制造難度相當(dāng)大，并且材料成本高，價(jià)格昂貴[3]。 1.2 酒精濃度檢測(cè)儀現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 如今的酒精濃度檢測(cè)儀都是采用可替代吹管，酒精儀從傳統(tǒng)的機(jī)械檢測(cè)或酒精計(jì)到現(xiàn)在的利用傳感器和單片機(jī)核心技術(shù)的酒精濃度檢測(cè)儀是在技術(shù)上是一大突破，提高了檢測(cè)酒精的精確度，社會(huì)公共安全系數(shù)也大大的提高。 但是現(xiàn)在大部分一般的酒精濃度檢測(cè)儀價(jià)格低的靈敏度低，準(zhǔn)確度高的售價(jià)也比較昂貴，并且大多只是對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)警、低報(bào)、高報(bào)三限報(bào)警點(diǎn)設(shè)置。為了得到準(zhǔn)確的濃度數(shù)值，在LED 顯示酒精濃度數(shù)值上應(yīng)實(shí)現(xiàn)普及。同時(shí)很多其他氣體會(huì)可能會(huì)對(duì)檢測(cè)的結(jié)果產(chǎn)生影響，從而影響準(zhǔn)確度，所以在傳感器的腐蝕性以及排除其他干擾的能力上也待提升。現(xiàn)在大多都是對(duì)氣體濃度或液體濃度的單一檢測(cè)，最好是能解決一個(gè)檢測(cè)儀能同時(shí)對(duì)酒精的氣體和液體兩種狀態(tài)下的檢測(cè)。 1.3 本課題實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 本課題進(jìn)行硬件部分和軟件部分設(shè)計(jì)，硬件部分是利用酒精氣敏傳感器檢測(cè) 空氣中的酒精濃度并轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器程序轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)系統(tǒng)，并經(jīng)單片機(jī)及其外圍電路信號(hào)處理，顯示酒精濃度值以及超閾值聲光報(bào)警。 硬件設(shè)計(jì)部分主要包括：MCU、A/D、LCD、外圍擴(kuò)展數(shù)據(jù) RAM 等芯片的選擇。 2 設(shè)計(jì)方案和元器件選擇 2.1 設(shè)計(jì)方案 因?yàn)樵O(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伏電壓值且電壓值穩(wěn)定，外部干擾小等，所以可以把傳感器輸出電壓值經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)交給單片機(jī)進(jìn)行處理。因此要求系統(tǒng)配備完善的模擬量和數(shù)字量輸入輸出通道和完善的中斷系統(tǒng)和處理功能。單片機(jī)采集酒精傳感器的響應(yīng)信號(hào)，并且進(jìn)行轉(zhuǎn)換。進(jìn)行氣體檢測(cè)的基本步驟是信號(hào)采集處理、聲光報(bào)警電路以及顯示、鍵盤(pán)、PC接口電路測(cè)試。模數(shù)轉(zhuǎn)換就是用于快速、高精度的對(duì)輸入信號(hào)采樣編碼，然后轉(zhuǎn)化成數(shù)字量?jī)?chǔ)存在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中，然后單片機(jī)通過(guò)特定的算法進(jìn)行氣體濃度的識(shí)別，同時(shí)和所設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，超出則報(bào)警同時(shí)顯示濃度數(shù)值，沒(méi)超出只顯示濃度數(shù)并且將結(jié)果輸出到LCD顯示屏幕上。 2.2 單片機(jī)的選擇 我們選擇單片機(jī)STC89C51為控制核心，主要基于考慮 STC89C51具有低價(jià)高速，高可靠強(qiáng)抗靜電，強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)。 STC89C51 有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，并且有2個(gè)外中斷口， 2個(gè)全雙工串行通信口，32個(gè)讀寫(xiě)口線(xiàn)，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。89C51 能夠按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也能夠在線(xiàn)編程。同時(shí)STC89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位，其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)本。STC 單片機(jī)有 PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 STC89C51 單片機(jī)單片機(jī)引腳功能，引腳如圖 2-2所示： (1)Vcc：電源電壓 (2)GND：地 圖2-2 89C51單片機(jī)引腳圖 STC89C51是低電壓，高性能的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和256Kbytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，器件采用高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn) MCS-51指令系統(tǒng)及 89C51 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8位中央處器和 FLASH 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大，STC89C51 單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。 主要性能參數(shù)： (1) 8K 字節(jié)可重擦寫(xiě) FLASH 閃存存儲(chǔ)器 (2) 1000次寫(xiě)/擦循環(huán) (3) 時(shí)鐘頻率：0Hz—24MHz (4) 三級(jí)加密存儲(chǔ)器 (5) 256字節(jié)內(nèi)部RAM (6) 32個(gè)可編程I/O口線(xiàn) (7) 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 (8) 5個(gè)中斷源 (9)可編程串行UART 通道 (10)低功耗的空閑和掉電模式 (11)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路[4] 2.3 傳感器 本系統(tǒng)直接測(cè)量的是呼氣中的酒精濃度，再轉(zhuǎn)換為血液酒精含量濃度。在選擇傳感器的時(shí)候，一定要考慮到穩(wěn)定性、靈敏度、選擇性和抗腐蝕性。本系統(tǒng)選擇MQ3型酒精傳感器，MQ3酒精傳感器是氣敏傳感器，其具有很高的靈敏度、良好的選擇性、長(zhǎng)久的使用時(shí)間和可靠的穩(wěn)定性的特點(diǎn)。 傳感器的標(biāo)準(zhǔn)回路有加熱回路和信號(hào)輸出回路兩部分。其中信號(hào)輸出回路能比較精準(zhǔn)的檢測(cè)出傳感器表面電阻值的變化。傳感器表面電阻 RS 的變化，是通過(guò)與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL 上的有效電壓信號(hào)VRL輸出面獲得的。 二者之間的關(guān)系表述為：RS/RL=(VC-VRL)/VRL，其中VC為回路電壓，10V負(fù)載電阻 RL可調(diào)為 0.5～200K，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(gòu)和外形如下圖2-3所示，標(biāo)準(zhǔn)回路如下圖2-4所示。為了使測(cè)量的精確度達(dá)到最高，誤差最小，需要找到適宜的溫度，一般在測(cè)量之前將傳感器預(yù)熱5分鐘。 圖2-3 MQ3結(jié)構(gòu)和外形 圖2-4 MQ3標(biāo)準(zhǔn)回路圖 2.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換的基本方法很多，有計(jì)數(shù)法、逐次逼近法、雙斜積分法和并行轉(zhuǎn)換法。由于逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換具有速度，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，而且采用這種方法的ADC芯片成本低，所以我們采用逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型 ADC 包括1個(gè)比較器、一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個(gè)逐次逼近寄存器(SAR)和1個(gè)邏輯控制單元。逐次逼近型是將采樣信號(hào)和已知電壓不斷進(jìn)行比較，一個(gè)時(shí)鐘周期完成1位轉(zhuǎn)換，依次類(lèi)推，轉(zhuǎn)換完成后，輸出二進(jìn)制數(shù)。這類(lèi)型ADC的分辨率和采樣速率是相互牽制的，優(yōu)點(diǎn)是分辨率低于12位時(shí)，價(jià)格較低，采樣速率也很好。 ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有8位分辨率、雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換、輸入輸出電平與 TTL/CMOS 相兼容、5V 電源供電時(shí)輸入電壓在 0～5V 之間、工作頻率為250KHZ、轉(zhuǎn)換時(shí)間為32微秒、一般功耗僅為15MW 等優(yōu)點(diǎn)，適合本系統(tǒng)的應(yīng)用，所以我們采用ADC0832為模數(shù)轉(zhuǎn)換器[5]。 ADC0832 具有以下特點(diǎn)： (1) 8 位分辨率 (2) 雙向通道 A/D 轉(zhuǎn)換 (3) 輸入電平與輸出電平與TTL/CMOS 相兼容 (4) 5V電源供電時(shí)輸入電壓在 0~5V 之間 (5) 工作頻率是250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間是32μS (6) 一般功耗僅為15mW (7) 8P、14P—DIP(雙列直插)、PICC多種封裝 商用級(jí)芯片溫寬為0度 to +70 度,工業(yè)級(jí)芯片溫寬為-40度to +85 度；芯片接口說(shuō)明： (8) CS_ 片選使能，低電平芯片使能 (9) CH0 模擬輸入通道0，或作為 IN+/-使用 (10) CH1 模擬輸入通道1，或作為 IN+/-使用 (11) GND 芯片參考0電位(地) (12) DI數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制 (13) DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出 (14) CLK 芯片時(shí)鐘輸入 (15) Vcc/REF電源輸入及參考電壓輸入(復(fù)用) 2.5 AT24C02存儲(chǔ)器 在本設(shè)計(jì)中使用的是24C02存儲(chǔ)芯片，是電可擦除的 PROM，8 個(gè)引腳功能及兩線(xiàn)串行接口，電壓允許范圍1.8V~5V。串行E2PROM是基于I2C-BUS 的存儲(chǔ)器件，遵循二線(xiàn)制協(xié)議，由于其具有接口方便，體積小，數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點(diǎn)，在儀器儀表及工業(yè)自動(dòng)化控制中得到大量的應(yīng)用。在一般單片機(jī)系統(tǒng)中，24C02 數(shù)據(jù)受到干擾的情況是很少的，基本的讀寫(xiě)功能外，還對(duì)地址功能以及WP引腳保護(hù)功能進(jìn)行了全面的檢測(cè)[6]。發(fā)現(xiàn)一種ATMEL(激光印字)以及 XICOR牌號(hào)的 24C02 具有全面的符合I2C總線(xiàn)協(xié)議的功能，而有些牌號(hào)24C02要么沒(méi)有WP引腳保護(hù)功能，要么沒(méi)有器件地址功能(即2片24C02不能共用一個(gè)I2C總線(xiàn))有些甚至兩種功能均無(wú)，所以說(shuō)一些同樣功能型號(hào)的電子器件在兼容性上往往會(huì)帶來(lái)意想不到的問(wèn)題，值得引起注意。 2.6 LCD顯示模塊 液晶顯示模塊與計(jì)算機(jī)的接口電路有兩種方式，它與單片機(jī)的接口方法分為直接訪(fǎng)問(wèn)方式和間接控制方式。直接訪(fǎng)問(wèn)方式是把液晶模塊當(dāng)作存儲(chǔ)器或 I/O 設(shè)備直接接在單片機(jī)的總線(xiàn)上，單片機(jī)以訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備的方式操作液晶顯示模塊的工作。間接控制方式只是利用它的 I/O口來(lái)實(shí)現(xiàn)與顯示模塊的聯(lián)系，而不使用單片機(jī)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。這種訪(fǎng)問(wèn)方式既不占用存儲(chǔ)器空間，接口電路又與時(shí)序 無(wú)關(guān)，其時(shí)序徹底地靠軟件編程實(shí)現(xiàn) [7]。 表2-1 LCD1602接口功能表 引腳號(hào) 引腳名 電平 輸入輸出 引腳說(shuō)明 1 VSS 電源地 2 VDD 電源正極（+5V） 3 VL 液晶顯示偏壓信號(hào) 4 RS 0/1 輸入 數(shù)據(jù)/命令選擇端，0：輸入指令，1：輸入數(shù)據(jù) 5 R/W 0/1 輸入 讀/寫(xiě)選擇端，0：想LCD寫(xiě)入指令或數(shù)據(jù)，1：從LCD讀取信息 6 E 1→0 輸入 使能信號(hào)，1時(shí)讀取信息，1→0（下降沿）執(zhí)行指令 7 D0 0/1 輸入/輸出 數(shù)據(jù)總線(xiàn)（最低位） 8 D1 0/1 輸入/輸出 數(shù)據(jù)總線(xiàn) 9 D2 0/1 輸入/輸出 數(shù)據(jù)總線(xiàn) 10 D3 0/1 輸入/輸出 數(shù)據(jù)總線(xiàn) 11 D4 0/1 輸入/輸出 數(shù)據(jù)總線(xiàn) 12 D5 0/1 輸入/輸出 數(shù)據(jù)總線(xiàn) 13 D6 0/1 輸入/輸出 數(shù)據(jù)總線(xiàn) 14 D7 0/1 輸入/輸出 數(shù)據(jù)總線(xiàn)（最高位） 15 BLA +VCC LCD背光電源正極 16 BLK 接地 LCD背光電源負(fù)極 LCD1602 字符型液晶顯示模塊是一種專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式 LCD，目前常用161，162，202和402行等的液晶顯示模塊，模塊組件內(nèi)部主要由LCD顯示屏、控制器、列驅(qū)動(dòng)器和偏壓產(chǎn)生電路構(gòu)成。 1602 液晶顯示屏采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中各接口的功能如上表2-1所示： 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)酒精濃度檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)部分，首先，我們必須了解它的硬件設(shè)計(jì)原理其次，需要弄清楚它的總體構(gòu)成及具體的外圍電路最后，根據(jù)其原理框圖和具體的外圍電路得到完整的硬件總電路圖。 3.1 硬件設(shè)計(jì)原理 由酒精傳感器對(duì)待測(cè)氣體(液體)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)換成輸出電壓信號(hào)，以單片機(jī)為核心的控制、信號(hào)采集處理、聲光報(bào)警電路以及顯示、鍵盤(pán)、PC接口電路。測(cè)試儀進(jìn)行氣體檢測(cè)的基本步驟是單片機(jī)先采集酒精傳感器的響應(yīng)信號(hào)，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中，最后單片機(jī)通過(guò)特定的算法進(jìn)行氣體濃度的識(shí)別，同時(shí)將分析的值與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)超出設(shè)定值進(jìn)行報(bào)警，并且將結(jié)果輸出到LED顯示屏幕上[8]。 本系統(tǒng)由酒精傳感器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)，鍵盤(pán)，聲音報(bào)警以及LCD顯示等部分組成，在這次的整體設(shè)計(jì)中詳細(xì)涉及下面幾個(gè)方面，其原理框圖如圖 3-1所示： 圖3-1系統(tǒng)總體流程圖 3.2 硬件設(shè)計(jì)外圍電路 3.2.1 晶振電路、復(fù)位電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)工作的過(guò)程中各指令的微操作在時(shí)間上有嚴(yán)格的次序，這種微操作的時(shí)間次序稱(chēng)作時(shí)序。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)為單片機(jī)芯片內(nèi)部各種微操作提供時(shí)間基準(zhǔn)。89C51 的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，一種是外部時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式即在單片機(jī)的外部接一個(gè)晶振電路與單片機(jī)里面的振蕩器組合作用產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。外部時(shí)鐘方式是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入到單片機(jī)內(nèi)，此方式常用于多片89C51 單片機(jī)同時(shí)工作，以便于各單片機(jī)的同步，一般要求外部信號(hào)高電平的持續(xù)時(shí)間大于20ns，且為頻率低于12MHz 的方波[9]。對(duì)于CHMOS工藝的單片機(jī)，外部時(shí)鐘要由XTAL1端引入，而XTAL2端應(yīng)懸空。本系統(tǒng)中為了盡量降低功耗的原則，采用了內(nèi)部時(shí)鐘方式。晶振電路和復(fù)位電路如下圖3-2所示： 圖3-2晶振電路與復(fù)位電路 單片機(jī)開(kāi)始工作的時(shí)候，必須處于一種確定的狀態(tài)，否則，不知哪是第一條程序和如何開(kāi)始運(yùn)行程序。端口線(xiàn)電平和輸入輸出狀態(tài)不確定可能使外圍設(shè)備操作失誤，導(dǎo)致嚴(yán)重事故的發(fā)生，內(nèi)部一些控制寄存器(專(zhuān)用寄存器)內(nèi)容不確定可能導(dǎo)致定時(shí)器溢出、程序尚未開(kāi)始就要中斷及串口亂傳向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，任何單片機(jī)在開(kāi)始工作前，都必須進(jìn)行一次復(fù)位過(guò)程，使單片機(jī)處于一種確定的狀態(tài)。 當(dāng)在 89C51單片機(jī)的RST引腳引入高電平并保持2個(gè)機(jī)器周期時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作(若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài))。實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)位操作有兩種基本形式：一種是上電復(fù)位，另一種是上電與按鍵均有效的復(fù)位。上電復(fù)位，要求接通電源后，單片機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作常用的上電復(fù)位，上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容C1的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降[10]。 本設(shè)計(jì)中復(fù)位電路采用的是開(kāi)關(guān)復(fù)位電路，開(kāi)關(guān)S9未按下是上電復(fù)位電路，上電復(fù)位電路在上電的瞬間，由于電容上的電壓不能突變，電容處于充電(導(dǎo)通)狀態(tài)，故RST腳的電壓與VCC相同。隨著電容的充電，RST 腳上的電壓才慢慢下降。選擇合理的充電常數(shù)，就能保證在開(kāi)關(guān)按下時(shí)是 RST 端有兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平從而使STC89C51內(nèi)部復(fù)位。開(kāi)關(guān)按下時(shí)是按鍵手動(dòng)復(fù)位電路，RST端通過(guò)電阻與VCC電源接通，通過(guò)電阻的分壓就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位。如圖3-3所示： 圖3-3復(fù)位電路 RST引腳的高電平只要能保持足夠的時(shí)間（2個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就可以復(fù)位操作。該電路典型的電阻和電容參數(shù)為：晶振為12MHz時(shí)，C1為10Uf，R4為8.2K。 3.2.2 報(bào)警設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，一般的工作狀態(tài)可以通過(guò)指示燈或數(shù)碼顯示來(lái)指示，供操作人員借鑒。但針對(duì)某些特定狀態(tài)，例如系統(tǒng)檢測(cè)到的錯(cuò)誤狀態(tài)等，為了使操作人員不小心忽視，及時(shí)采取措施，必須還需要有某種更能引人注意，提起警覺(jué)的報(bào)警信號(hào)。這種報(bào)警信號(hào)一般有閃光報(bào)警、鳴音報(bào)警和語(yǔ)音報(bào)警三種類(lèi)型。其中，前兩種報(bào)警裝置因硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件編程方便，往往在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用。但語(yǔ)音報(bào)警雖然警報(bào)信息較直接，并且硬件成本高，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，軟件量也增加[1]。閃光報(bào)警實(shí)現(xiàn)單頻音報(bào)警的接口電路比較簡(jiǎn)單，只要當(dāng)值高于警報(bào)值的時(shí)候給一個(gè)低電頻就能驅(qū)動(dòng)二極管發(fā)光，簡(jiǎn)單易懂。報(bào)警電路如下圖3-4所示： 圖3-4報(bào)警電路圖 3.2.3 電源電路設(shè)計(jì) 在本次設(shè)計(jì)中，需要一個(gè)比較大的電壓源和一個(gè)5V的單片機(jī)供電源，為了實(shí)現(xiàn)便攜式，設(shè)用一個(gè)9V的電壓源，一般6節(jié)電池和一個(gè)9V的電池都可以提供，因而需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換把9V轉(zhuǎn)換成5V。工作原理如圖 3-5 低壓層直流穩(wěn)壓電源電路原理圖。該電路是由電流放大、電壓放大和基準(zhǔn)電壓等3個(gè)環(huán)節(jié)組成。其中，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生，按圖中電路連接，當(dāng)通過(guò) R0 的電流在 0.5~10 mA 時(shí)可獲得穩(wěn)定的 2.5 V 基準(zhǔn)輸出。 圖3-5 低壓層電路原理圖 輸出電壓的具體數(shù)值由運(yùn)算放大器U確定，采用同相放大器的優(yōu)勢(shì)在于其輸入阻抗極大，更能很好地將TL431輸出的2.5 V電壓與后級(jí)電路隔離，使其免受負(fù)載變化的影響；運(yùn)放與電阻R3和R2組成比例放大環(huán)節(jié)，可對(duì)基準(zhǔn)電壓按要求進(jìn)行比例放大輸出，但輸出電壓最大不能超過(guò)運(yùn)放的電源電壓。 3.2.4 信號(hào)調(diào)制電路設(shè)計(jì) 圖3-6信號(hào)調(diào)制圖 上圖為酒精傳感器電極信號(hào)調(diào)理電路，采集到的信號(hào)都會(huì)很弱，首先將信號(hào)經(jīng)過(guò)二階有源濾波電路以后，經(jīng)過(guò)3級(jí)放大電路，同相和反相放大電路構(gòu)成一級(jí)和二級(jí)，互相抵消了零度漂移和失調(diào)，后面的差動(dòng)放大電路構(gòu)成第三極，將差分出入轉(zhuǎn)換為單端輸出。 3.2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 正常情況下ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線(xiàn)，分別是 CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線(xiàn)上使用。當(dāng) ADC0832 未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和 DO/DI的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第1個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第2、3個(gè)脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。如圖 3-7所示： 圖3-7數(shù)模轉(zhuǎn)換圖 本系統(tǒng)應(yīng)用有人機(jī)對(duì)話(huà)功能，該功能既能隨時(shí)發(fā)出各種控制命令和數(shù)據(jù)輸入以及和LCD連接顯示運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行結(jié)果。鍵盤(pán)分為：獨(dú)立式和矩陣式兩類(lèi)，每一類(lèi)按其編碼方法又可以分為編碼和非編碼兩種。由于本系統(tǒng)只有+、-、設(shè)置、確認(rèn)4個(gè)控制命令，所需按鍵較少，所以本系統(tǒng)選擇獨(dú)立式按鍵。電路圖見(jiàn)圖3-8所示： 圖3-8按鍵電路圖 獨(dú)立式按鍵是直接用I/O口線(xiàn)構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵占有一根I/O口線(xiàn)。各根I/O口線(xiàn)之間不會(huì)相互影響鍵盤(pán)抖動(dòng)的消除：抖動(dòng)的消除大致可以分為硬件削抖和軟件削抖。 (1)硬件削抖是采用硬件電路的方法對(duì)鍵盤(pán)的按下抖動(dòng)及釋放抖動(dòng)進(jìn)行削抖，經(jīng)過(guò)削抖電路使按鍵的點(diǎn)評(píng)信號(hào)只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。 (2)軟件削抖的基本原理是當(dāng)檢測(cè)出鍵盤(pán)閉合時(shí)，先執(zhí)行一個(gè)延時(shí)子程序產(chǎn)生數(shù)毫秒的延時(shí)，待接通時(shí)的前沿抖動(dòng)消失后在判別是否有按鍵下。當(dāng)按鍵釋放時(shí)，也要經(jīng)過(guò)數(shù)毫秒延時(shí)，呆后沿抖動(dòng)消失后在判別是否釋放。 (3)由于應(yīng)用硬件削抖還需要外加器件，成本相對(duì)較高，所以本系統(tǒng)選擇軟件延時(shí)削抖的方法[2]。 3.2.6 外圍擴(kuò)充存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì) 圖3-9外圍擴(kuò)充存儲(chǔ)器電路 基于STC89C51單片機(jī)具有4KB的程序存儲(chǔ)器(ROM)，256B 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，由于考慮到本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)所需的容量，現(xiàn)在需要擴(kuò)充存儲(chǔ)器的容量。在應(yīng)用中要保存一些參數(shù)和狀態(tài)，據(jù)了解基于EEPROM的存儲(chǔ)芯片是一種很好的選擇。我們選定了AT24C02存儲(chǔ)器。電路圖見(jiàn)上圖3-9所示： 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 主程序流程圖 主程序?qū)崿F(xiàn)的功能：與硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)便攜式酒精濃度檢測(cè)儀的各個(gè)功能主要是檢測(cè)與顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能子函數(shù)的調(diào)用。流程圖圖 4-1所示： 首先開(kāi)啟啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)單片機(jī)和顯示器，同時(shí)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行初始化，緊接著初始化顯示屏，初始化完畢后顯示開(kāi)機(jī)畫(huà)面顯示主菜單,然后對(duì)鍵盤(pán)的讀入。 圖 4-1主程序流程圖 4.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊程序流程圖 (1)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的主要功能就是將經(jīng)放大器放大的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為 MCU能夠處理的數(shù)字信號(hào)，并傳送給MCU.芯片的數(shù)據(jù)CS口，A/D連接51單片機(jī)的P3.1口，接 P3.2，CLKD1 和 D0 接 P3.3。工作時(shí)序如下所示：ADC0832有8只引腳， CH0和CH1為模擬輸入端，CS為片選引腳，只有CS置低才能對(duì) ADC0832進(jìn)行配置和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。CLK為ADC0832的時(shí)鐘輸入端。CS在整CLK CS 個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中都必須為低，當(dāng)CS為低時(shí)，在數(shù)據(jù)輸入端DI(數(shù)據(jù)輸入端)加一個(gè)高電平，接著在CLK上加一個(gè)時(shí)鐘，DI上的邏輯1就會(huì)使ADC0832的DI脫離高阻態(tài)，然后通道配置數(shù)據(jù)伴隨著時(shí)鐘通過(guò)DI端移入多路器。當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)移入多路器時(shí)，DI 變?yōu)楦咦钁B(tài)，在這以前DO(數(shù)據(jù)輸出端)都為高阻態(tài)。在經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘，DO 脫離高阻態(tài)，從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，接著從處理器接收時(shí)鐘信號(hào)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)就會(huì)從高位到低位依次從DO移出，經(jīng)過(guò)8個(gè)時(shí)鐘后，數(shù)據(jù)又以從低位到高位的形式從DO移出(也是每個(gè)時(shí)鐘移一位)。當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)移出時(shí)轉(zhuǎn)換完成當(dāng) CS 從低變?yōu)楦邥r(shí)，ADC0832 內(nèi)部所有寄存器清零。如想進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換，CS必須做一個(gè)從高到低的跳變，后跟著的此配置數(shù)據(jù)重復(fù)上面的過(guò)程。 (2)ADC0832的轉(zhuǎn)換流程圖見(jiàn)下圖4-2所示： 圖4-2數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖 4.3 按鍵程序流程圖 (1)按鍵時(shí)顯現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)的一個(gè)控制按鈕，通過(guò)按鍵的操作，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)送操作指令，后經(jīng)與 MCU 串行通信，然后在液晶上顯示。 (2)按鍵查詢(xún)式的流程圖見(jiàn)下4-3： 按鍵的四個(gè)鍵分別接 P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，由于 P1 口具有上拉電阻，所以不需要加上拉電阻進(jìn)行電壓的放大。 圖4-3按鍵查詢(xún)流程圖 4.4 液晶顯示程序流程圖 LCD模塊在本系統(tǒng)中主要起著開(kāi)界面漢字顯示，以及個(gè)控制效果的顯示。采用直接訪(fǎng)問(wèn)方式。液晶顯示的操作流程圖見(jiàn)下圖4-4所示： 圖4-4液晶顯示流程圖 在LCD1602液晶上顯示相應(yīng)的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。在液晶上顯示的格式如表4-1所示： 表4-1液晶顯示表 C 0 2 A D D R E S S : 0 X 0 1 W R : 0 1 0 R E A D : 0 1 0 5 本設(shè)計(jì)總結(jié)與展望 傳統(tǒng)的機(jī)械檢測(cè)儀或酒精計(jì)一般靈敏度和準(zhǔn)確度也比較低或者檢測(cè)方法難，由此檢測(cè)儀向更迅速、更快捷、方便攜帶等要求發(fā)展。工廠(chǎng)，企業(yè)到居民家庭，酒精泄露的檢測(cè)，食品加工，釀酒等需要監(jiān)控空氣中酒精濃度的場(chǎng)合以及對(duì)酒后駕車(chē)的檢測(cè)，對(duì)居民的人身和財(cái)產(chǎn)安全都十分重要且必不可少的?，F(xiàn)如今，由于人們安全意識(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活適性要求提高。人們對(duì)檢測(cè)的精度高，準(zhǔn)確度高，攜帶方便等等要求，再加上氣體傳感器向低功耗、多功能、集成化方向的發(fā)展，單片機(jī)具有受集成限制，片內(nèi)儲(chǔ)存量較小，可靠性好，擴(kuò)展簡(jiǎn)單，控制功能強(qiáng)等特點(diǎn)，所以，基于單片機(jī)的酒精濃度檢測(cè)儀的研究和開(kāi)發(fā)生產(chǎn)具有十分廣泛的現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)和潛在的市場(chǎng)需求。針對(duì)目前的現(xiàn)狀，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循體積小，質(zhì)量輕，性?xún)r(jià)比高的原則。 軟件是C語(yǔ)言編寫(xiě)的，具有很好的可控性、模塊化和移植性。本系統(tǒng)的主要模塊為傳感檢測(cè)、A/D轉(zhuǎn)換、液晶顯示和時(shí)鐘設(shè)置。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我加深了很多在大學(xué)課本上學(xué)到的知識(shí)，并且用于實(shí)踐，相信在以后的工作中，這次設(shè)計(jì)是我寶貴的財(cái)富。 6 結(jié)束語(yǔ) 目前，隨著人們生活水平的提高，私家車(chē)的數(shù)量也越來(lái)越多，從而引發(fā)的交通事故也越來(lái)越多，其中大部分是由于酒后駕車(chē)。所以設(shè)計(jì)具有民用價(jià)值的便攜式酒精濃度檢測(cè)儀的研制受到了人們的高度重視。該設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足生活需要，體積小，質(zhì)量輕，性?xún)r(jià)比高，攜帶方便。便攜式酒精濃度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)前對(duì)該系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)功能的要求，綜合考慮我們采用 STC89C51 單片機(jī)為控制核心。 首先要了解系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能；其次根據(jù)功能去選擇相應(yīng)的硬件資源；再次將一個(gè)大的系統(tǒng)進(jìn)行模塊化劃分，然后逐一去攻破。最后把所有模塊進(jìn)行優(yōu)化整合，便得到了一個(gè)完整的系統(tǒng)?；谶@樣的思路,完成了便攜式酒精濃度檢測(cè)儀的基本設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) [1] 何立民.單片機(jī)高級(jí)教程應(yīng)用與設(shè)計(jì)[M] .北京:北京航空航天大學(xué)出版，2007：65-70. 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