1、酒精氣體智能報警系統設計 (LCD)摘要：本設計的酒精濃度測試儀是一款實用性強、安全可靠的氣體酒精濃度檢測工具。本文設計一種可以檢測酒精濃度并在超過一定濃度閾值時進行聲光報警提示的酒精濃度測試儀。系統采用酒精濃度傳感器MQ3，把檢測到的酒精濃度轉換為電信號，經A/D轉換器轉換成數字信號在傳給單片機，最后單片機進行相應處理，LCD液晶可以顯示酒精濃度，當超過設定值時可以進行聲光報警。程序采用模塊化設計思想，各個子程序的功能相對獨立，便于調試和修改。本設計方案基于市場的需求，設計簡單，操作方便，成本低廉等特點。關鍵詞：單片機；酒精傳感器；A/D轉換；聲光報警0 前言隨著經濟高速發展，越來越多的人有

2、了自己的私家車，而酒后駕車造成的交通事故也頻繁發生。為此，需要設計一智能儀器能夠檢測駕駛員體內酒精含量。作為即將步入社會的大學畢業生，作為新世紀四有青年，作為社會主義事業的踐行者，我們應當積極將自己所學知識與實際問題實際挑戰相結合，解決實際問題，造福廣大人民。 酒駕正是造成交通事故的重要原因，2011年05月01日，備受關注的刑法修正案(八)和修改后的道路交通安全法正式施行，酒駕被正是列為刑事犯罪，最高可處以6個月的刑事拘留和2000元罰款本論文研究的是一種以氣敏傳感器和單片機為主，監測空氣酒精濃度，并具有聲光報警功能的空氣酒精濃度監測儀。其可監測出空氣環境中酒精濃度值，并可根據不同

3、的環境設定不同的閾值，對超過的閾值進行聲光報警來提示危害。 酒精氣體濃度探測儀在生產生活中也有重要的應用，比如，在一些環境要求嚴格的生產車間，用這種酒精濃度探測儀，可隨時檢測車間內的酒精氣體濃度，當酒精氣體濃度高于允許限定值時，發出警報，提醒人們及時通風換氣，做到安全生產。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，并轉換為電壓信號，經A/D轉換器轉換成數字信號后傳給單片機系統，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，便于調試和修改。而硬件電路又大體

4、可分為單片機小系統電路、A/D轉換電路、聲光報警電路、LCD液晶顯示電路，按鍵電路，各部分電路的設計及原理將會在硬件電路設計部分詳細介紹。1 總體方案設計針對本課題的設計任務，進行分析得到：本設計以單片機為核心外圍電路帶有LCD顯示以及鍵盤響應電路，無需要其他計算機，用戶就可以與之進行交互工作，完成數據的采集、存儲、計算、分析等過程。按照系統設計的要求，設計時，考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉換為電量，傳感器輸出的是0-5伏的電壓值且電壓值穩定，外部干擾小等。因此，可以直接把傳感器輸出電壓值經過A/D轉換器轉換得到數據送入單片機進行處理。此外，還需接入液晶顯示，鍵盤設定，報警電路等。其系統原理

5、框圖如圖1所示。MQ3氣敏傳感器 單片機A/D轉換電路鍵盤液晶顯示被測環境聲光報警電路圖1 系統原理框圖2 硬件電路設計2.1 單片機最小系統單片機最小系統：所謂最小系統就是指由單片機和一些基本的外圍電路所組成的一個可以工作的單片機系統。一般來說，它包括單片機，晶振電路和復位電路。STC89C52是一種8K字節閃爍可編程可檫除只讀存儲器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼

6、容。如圖2為STC89C52單片機最小系統連線圖：圖2 單片機最小系統2.1.1 時鐘電路時鐘電路是用于產生單片機正常工作時所需要的時鐘信號。STC89C52單片機內部包含有一個振蕩器，可以用于CPU的時鐘源，另外也可以采用外部振蕩器，由外部振蕩器產生的時鐘信號來供內部CPU運行使用。兩種時鐘方式如圖3所示：圖3 單片機的兩種時鐘方式(1)內部時鐘方式內部時鐘方式是采用單片機內部振蕩器來工作的方式。單片機內部包含有一個高增益的單級反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別為片內放大器的輸入端口和輸出端口,其工作頻率為033MHz。當單片機工作于內部時鐘模式的時候，只需在XTAL1引腳和XTAL

7、2引腳連接一個晶體振蕩器或陶瓷振蕩器，并聯兩個電容后接地即可，使用時對于電容的選擇有一定得要求，具體如下：A 當外接晶體振蕩器的時候，電容值一般選擇C1=C2=30±10pF；B 當外接陶瓷振蕩器的時候，電容值一般選擇C1=C2=40±10pF。在實際電路設計時，盡量保證外接的振蕩器和電容盡可能接近單片機的XTAL1和XTAL2引腳，這樣可以減少寄生電容的影響，使振蕩器能夠穩定可靠地為單片機CPU提供時鐘信號。(2)外部時鐘方式外部時鐘方式是采用外部振蕩器產生時鐘信號，直接提供給單片機使用。對于不同的結構的單片機，外部時鐘信號接入的方式有所不同。對于普通的8051單片機，外

8、部時鐘信號由XTAL2引腳接入后直接送到單片機內部的時鐘信號發生器，而引腳XTAL1則應直接接地。這里需要注意，由于XTAL2引腳的邏輯電平不是TTL信號，因此外接一個上拉電阻。對于CMOS型的80C51,80C52,AT89S52等單片機，和普通的8051不同的是其內部的時鐘信號取自于反相放大器的輸入端。因此外部的時鐘信號應該接到單片機的XTAL1引腳，而XTAL2引腳懸空即可。本次設計選擇內部時鐘電路，外接頻率11.0592MHz的晶體振蕩器，選擇兩個電容值為30pF的陶瓷電容。2.1.2 復位電路單片機復位有兩種：一種是上電復位，一種是手動復位。在程序開發過程中，經常需要手動復位。所以本

9、次設計選用如下手動復位電路。除了系統上電的時候可以給RST引腳一個短暫的高電平信號外，當按下復位開關FW的時候，VCC通過一個高電阻R7連接到RST引腳，給RST一個高電平，FW松開的時候，RST引腳恢復為低電平，復位完成。2.2 A/D轉換電路設計在單片機應用系統中，被測量對象的有關變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，須經傳感器轉換成連續變化的模擬電信號（電壓或電流），這些模擬電信號必須轉換成數字量后才能在單片機中用軟件進行處理。實現模擬量轉換成數字量的器件稱為A/D轉換器（ADC）。A/D轉換器大致分有三類：一是雙積分A/D轉換器，優點是精度高，抗干擾性好，價格便宜，但速度慢；二

10、是逐次逼近型A/D轉換器，精度、速度、價格適中；三是-A/D轉換器。該設計中選用的是ADC0809屬第二類，是8位A/D轉換器。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轉換。7引腳為A/D轉換結束標志，當A/D轉換結束時，7腳輸出高電平。9腳為A/D轉換數據輸出允許端，當OE腳為高電平時，A/D轉換數據輸出。10腳為0809的時鐘輸入端。ADC0809的結構框圖如圖4。ADC0809采用逐次比較的方法完成A/D轉換的，由單一的

11、+5V電源供電。片內有鎖存功能的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完成一次轉換需100s左右，輸出具有TTL三態鎖存緩沖器，可直接連接到單片機的數據總線上。通過適當的外接電路，0809可對0-5V的模擬信號進行轉換。START CLKOEVR(+) VR()VCCGNDEOCD0.D7三態輸出鎖存器8位A/D轉換器地址鎖存與密碼CBAALE8 路模擬量開 關IN7.IN0圖4 ADC0809的結構框圖 ADC0809與單片機的連線圖如圖5。圖5 ADC0809與單片機的連線圖2.3 LCD顯示系統2.3.1 1602字符型LCD簡介字符型液晶顯示模塊是一種專門

12、用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖6所示。圖6 1602LCD尺寸圖 1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表1所示.表1 LCD1602引腳說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1GND電源地6EN使能信號2VCC電源正極7D0D7數據3VL液晶顯示偏壓8BL+背光源正極4RS數據/命令選擇9BL-背光源負極5R/W讀寫選擇 表1引腳接口說明： 第1

13、腳：VSS為地電源。 第2腳：VDD接5V正電源。 第3腳：VL為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據。 第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。 第714腳：D0D7為8位雙向數據線

14、。 第15腳：背光源正極。 第16腳：背光源負極。2.3.2 LCD1602電路設計1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現的。LCD1602液晶顯示模塊表示能顯示2行，每行能顯示16個字符。其分為帶背光和不帶背光兩種，本設計中選擇的是帶背光的一種。D0-D7接單片機P0口，可以通過RV2調節背光亮度，RS,R/W,EN分別接單片機的P2.7，P2.6，P2.5口，電路連線圖如圖7所示。圖7 LCD1602電路連線圖2.4 鍵盤電路系統設計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

15、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更加穩定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復雜，但是占用的I/O少。根據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，單片機內部的上拉電阻使I/O口仍然保持高電平。我們所要做的就是在程序中查尋此I/O口的電平狀態就可以

16、了解我們是否有按鍵動作了。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產生的電平不穩定正常現象，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，等鍵盤穩定了再對其處理。所以這里選擇了軟件去抖動，實現法是先查尋按鍵當有低電平出現時立即延時10200毫秒以避開抖動（經典值為20毫秒），延時結束后再讀一次I/O 口的值，這一次的值

17、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，調用相應的處理程序。電路連線圖如圖8所示。圖8 獨立鍵盤電路連線圖2.5 報警電路系統設計2.5.1 燈光提示電路LED英文單詞的縮寫，主要含義：LED = Light Emitting Diode，發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光；它改變了白熾燈鎢絲發光與節能燈三基色粉發光的原理，而采用電場發光。據分析，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、可回收再利用等優點

18、，被稱為是21世紀最有發展前景的綠色照明光源。我國的LED產業起步于20世紀70年代，經過近40年的發展，產品廣泛應用于景觀照明和普通照明領域，我國已成為世界第一大照明電器生產國和第二大照明電器出口國。近幾年來，隨著人們對半導體發光材料研究的不斷深入，LED制造工藝的不斷進步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發和應用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展，其發光效率提高了近1000倍，色度方面已實現了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現，使LED應用領域跨越至高效率照明光源市場成為可能。曾經有人指出，高亮度LED將是人類繼愛迪生發明白熾燈泡后，最偉大的發明之一。 本

19、設計利用LED指示酒精是否超標。燈光提示電路連線圖如圖9所示。圖9 燈光提示電路連線圖2.5.2 聲音報警電路蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發聲器件。 ；蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標準用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。1壓電式蜂鳴器 壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構成。當接通電源后（1.515V直流

20、工作電壓）,多諧振蕩器起振,輸出1.52.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發聲。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。電磁式蜂鳴器 電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互纏繞蜂鳴器驅動電路一般都包含以下幾個部分：一個三極管、一個蜂鳴器、一個限流電阻。蜂鳴器為發聲元件，在其兩端施加直流電壓（有源蜂鳴器）或者方波（無源蜂鳴器）就可以發聲，其主要參數是外形尺寸、發聲方向、工作電壓、工

21、作頻率、工作電流、驅動方式（直流/方波）等。這些都可以根據需要來選擇。本設計采用有源蜂鳴器。三極管Q1起開關作用，其基極的低電平使三極管飽和導通，使蜂鳴器發聲；而基極高電平則使三極管關閉，蜂鳴器停止發聲。聲音報警電路連線圖如圖10所示。圖10 聲音報警電路連線圖3 軟件設計3.1 主程序設計主程序流程如圖11所示：初始化開始讀取AD轉換酒精值判斷按鍵是否按下執行相應的控制判斷當前酒精范圍NY結束設置相應參數顯示設置數值圖11 主程序流程圖3.2 數據采集子程序設計 A/D轉換子程序流程圖如圖12所示。ADC0809初始化后，把0通道輸入的0-5V的模擬信號轉換為對應的數字量，然后將對應數值存儲

22、到內存單元。開始啟動ADC0809通道，并延時100s轉換完？讀出A/D轉換結果結果存入內存單元返回YN圖12 A/D轉換子程序流程圖4 調試分析控制電路板的安裝與調試在整個電路的設計中占有重要位置，它是把理論付諸實踐的過程，也是把紙面設計轉變為實際產品的必經階段。4.1 上電前的調試在上電前，必須確保電路中不存在斷路或短路情況，這一工作是整個調試工作的第一步，也是非常重要的一個步驟。在這部分調試中主要使用的工具是萬用表，用來完成檢測電路中是否存在斷路或者短路情況等。通過萬用表的檢測,沒有發現短路和斷路的地方，電路基本正常。4.2 上電后的調試在確保硬件電路正常，無異常情況(斷路或短路)方可上

23、電調試，上電調試的目的是檢驗電路是否接錯，同時還要檢驗原理是否正確。經過幾次失敗后終于調試正常。4.3 酒精氣體智能報警系統軟件調試將程序在Proteus仿真，由于MQ-3傳感器在仿真中并沒有該器件，則用了滑動變阻器代替。經過實驗，基本能夠達到成果。5 結論及進一步設想此次設計中我完成了酒精氣體智能報警系統設計，經過焊接調試出來實物能夠實現用LCD實時顯示空氣中酒精氣體濃度的智能報警系統。這個設計很有實際意義的。根據實驗結果，本設計基本完成了設計要求，但是過程還是挺困難的。這次我使用的基本上都是已經學過的元件，但真正用起來才發現自己還差的很多，所以我又重新對所用到的器件仔仔細細，認認真真的研究

24、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。參考文獻1 劉復華.單片機及其應用系統.北京:清華大學出版社,19922 潘新民,王燕.微型計算機控制技術M.北京：電子工業出版社,2003.3 Protel 99 SE原理圖與PCB設計教程M.北京:電子工業出版社,2009.8.4 余永權,汪明慧.單片機在控制系統中的應用M.北京：電子工業出版社,2003.5 胡漢才.單片機原理及其接口技術M.北京：清華大學出版社,2004.6 張楊，魏瑩，劉新力.PIC、MSP430 單片機的比較與分析J.自動化技術與應用，2007，26（5）：122124. 7 高宇.單片機原

25、理及應用J.西南師范大學學報(自然科學版),2007,3(10):30-39.8 岳睿.警用呼氣式酒精傳感器的研究進展J.化學傳感器，2006（9）:78. 9 唐建東.基于C51的智能儀器性能測試儀J.微計算機信息,2010, (23):44-45.10 劉小春.單片機控制J.自動化技術與應用,2009，21(3):129-131. 課設體會為期三周的課程設計終于結束了，不到三周時間我完成了設計課題。回顧這三周的設計生活，可以說是對我所學單片機知識的一次系統性的總結和應用。設計不僅要求理論基礎，還需要很強的動手能力，善于發現問題，分析問題，解決問題的思維能力。通過設計對自身的技能水平和理論基

26、礎有一個全面的，客觀的評價。這次課程設計，盡管在實踐中困難重重，但我獲得了很多很多。從初期總體設計到最終的成品，從組裝到最后的總調成功，我學到的知識比課堂上學到的要多很多！由此說明了理論基礎的重要性，實踐的鞏固性，只有扎實的理論基礎才可以為實踐所服務，同時通過實踐才能更好的掌握好所學的理論知識。本設計完成結束，我提高了對STC89C52單片機的原理的認識，鍛煉了C語言編程的能力，深刻理解了MQ-3氣敏傳感器原理。同時我也深刻體會到了，學習和實踐是密不可分的，要用于動手積極實踐才能深刻理解學到的知識。在本設計中我學到了很實用的技術，為以后的工作積累寶貴經驗。當然，在整個設計的過程中我不可避免地碰

27、到了許多問題，為了能夠使問題得到及時的解決，我查閱資料，積極的詢問同學，請教老師。因此，在整個的設計過程中除了我自身的努力外，離不開同學的幫助，老師的關心和指導。在此，我要特別感謝本次課程設計的指導老師吳星剛老師，感謝他對我本次設計的悉心指導和大力支持！2016年1月 ?日完成附錄1 電路原理圖 附錄2 程序清單/程序頭函數#include <reg52.h>/顯示函數#include <display.h>/宏定義#define uint unsigned int #define uchar unsigned char#define Data_ADC0809 P1/管

28、腳聲明sbit LED_R= P22; /紅指示燈sbit LED_G= P20; /綠色指示燈sbit FENG = P25; /蜂鳴器/ADC0809sbit ST=P33;sbit EOC=P36;sbit OE=P32;/按鍵sbit Key1=P26;/設置按鍵sbit Key2=P27; /加sbit Key3=P37;/減bit bdata flag;/指示燈和蜂鳴器閃爍報警標志位uchar set; /設置標志位/函數聲明extern uchar ADC0809();extern void Key();/酒精含量變量uchar temp=0;uchar WARNING=25;

29、/ 初始報警值/初始化函數void init() TMOD=0x01; /定時器0方式1 TL0=0xb0; TH0=0x3c; /賦初值 EA=1;/開總中斷ET0=1;/允許定時器0中斷 TR0=1;/定時器0開 /主函數void main()Init1602();/1602初始化init(); /初始化函數while(1)/主循環temp=ADC0809();/讀取酒精值if(set=0) /如果沒有按下設置（默認set是0，就是正常顯示狀態）Display_1602(temp,WARNING); /顯示酒精值if(temp<WARNING&&set=0)/若實際的

30、酒精值小于報警值且在正常顯示狀態下flag=0; /執行下面flag=0的（主要就是綠燈閃，關蜂鳴器和繼電器）else if(temp>WARNING&&set=0) /若實際的酒精值大于報警值且在正常顯示狀態下flag=1;/執行下面flag=1的（主要就是紅燈閃，開蜂鳴器和繼電器）Key();/按鍵掃描/ADC0809讀取信息uchar ADC0809()uchar temp_=0x00;/初始化高阻太 OE=0;/轉化初始化ST=0;/開始轉換ST=1;ST=0;/外部中斷等待AD轉換結束while(EOC=0)/讀取轉換的AD值OE=1;temp_=Data_AD

31、C0809;OE=0;return temp_;/按鍵函數void Key()if(Key1=0)/如果設置按鍵按下while(Key1=0);/等待按鍵釋放FENG=0;/蜂鳴器響set+;/設置的變量加1flag=0;/綠燈閃TR0=0;/關定時器0if(set=1)/此時設置報警值 write_com(0x38);/屏幕初始化write_com(0x80+0x40+13);/位置 write_com(0x0f);/打開顯示 無光標 光標閃爍 write_com(0x06);/當讀或寫一個字符是指針后一一位FENG=1;/蜂鳴器關else if(set>=2)/又按了下設置set=0;/正常顯示狀態write_com(0x38);/屏幕初始化write_com(0x0c);/打開顯示 無光標 無光標閃爍FENG=1;/蜂鳴器關flag=1;