四川工程職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)綜合實踐

項目設(shè)計報告基于單片機的酒精濃度檢測儀專業(yè)：計算計應(yīng)用技術(shù)（IT制造與售后服務(wù)）專業(yè)：計算計應(yīng)用技術(shù)（IT制造與售后服務(wù)）姓名：周姣、龍俊江指導(dǎo)老師：何曉龍目錄TOC\o"1-3"\h\u5926一、前言 39351二、酒精測試儀總體方案設(shè)計 3166432.1酒精濃度檢測儀設(shè)計規(guī)定分析 3209622.2酒精濃度檢測儀設(shè)計方案 34032三、硬件設(shè)計 4231453.1傳感器的選擇 4114123.2A/D轉(zhuǎn)換電路 589103.2.1ADC0809的構(gòu)造及轉(zhuǎn)換原理 6123833.2.2ADC0809連線圖 6214073.389C51單片機系統(tǒng) 7286653.3.1單片機片內(nèi)構(gòu)造 727633.3.289C51芯片介紹 892543.3.2晶振電路和復(fù)位電路 9118573.4LCD1602液晶顯示電路 1146183.5鍵盤電路 1144493.6報警電路 12164593.6.1燈光提示電路 12264783.6.2聲音報警電路 1226188四、軟件設(shè)計 1374404.1主程序框圖 13114224.2數(shù)據(jù)采集子程序程序框圖 14酒精濃度檢測儀的設(shè)計一、前言本課題分為兩部分：硬件設(shè)計部分和軟件設(shè)計部分。硬件部分為運用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)，由單片機及其對應(yīng)外圍電路進行信號的解決，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，各個子程序的功效相對獨立，便于調(diào)試和修改。而硬件電路又大致可分為單片機小系統(tǒng)電路、A/D轉(zhuǎn)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(shè)計及原理將會在硬件電路設(shè)計部分具體介紹。二、酒精測試儀總體方案設(shè)計2.1酒精濃度檢測儀設(shè)計規(guī)定分析設(shè)計的酒精濃度測試儀應(yīng)含有以下特點：（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LCD顯示以及鍵盤響應(yīng)電路，無需要其它計算機，顧客就能夠與之進行交互工作，完畢數(shù)據(jù)的采集、存儲、計算、分析等過程。（2）系統(tǒng)含有低功耗、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)碼管顯示屏以及小鍵盤。由單片機系統(tǒng)控制鍵盤和LCD顯示來實現(xiàn)人機交互操作，界面和諧。（4）軟件設(shè)計簡樸易懂。2.2酒精濃度檢測儀設(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，能夠直接把傳感器輸出電壓值通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)送入單片機進行解決。另外，還需接入液晶顯示，鍵盤設(shè)定，報警電路等。其總體框圖如圖2-1所示。被測被測環(huán)境氣敏傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路單片機聲光報警電路液晶顯示鍵盤圖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)換為血液中的酒精含量濃度，故采用氣敏傳感器。考慮到周邊空氣中的氣體成分可能影響傳感器測量的精確性，因此傳感器只能對酒精氣體敏感，對其它氣體不敏感，故選用MQ3型氣敏傳感器。其有很高的敏捷度、良好的選擇性、長久的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。MQ3型氣敏傳感器由微型Al2O3，陶瓷管和SnO2敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固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。傳感器的原則回路有兩部分構(gòu)成。其一為加熱回路，其二為信號輸出回路，它能夠精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0．5-200K。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型氣敏傳感器的構(gòu)造和外形、原則回路、傳感器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。為了使測量的精度達成最高，誤差最小，需要找到適宜的溫度，普通在測量前需將傳感器預(yù)熱5分鐘。圖3-1MQ3構(gòu)造和外形圖3-2MQ3構(gòu)造圖圖3-3傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關(guān)系3.2A/D轉(zhuǎn)換電路在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，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)換成持續(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)字量后才干在單片機中用軟件進行解決。實現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）。A/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/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含有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，當輸入一種2μs的高電平脈沖時，就開始A/D轉(zhuǎn)換。7引腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標志，當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OE腳為高電平時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。10腳為0809的時鐘輸入端。3.2.1ADC0809的構(gòu)造及轉(zhuǎn)換原理ADC0809的構(gòu)造框圖如圖3-6。ADC0809采用逐次比較的辦法完畢A/D轉(zhuǎn)換的，由單一的+5V電源供電。片內(nèi)有鎖存功效的8路選1的模擬開關(guān)，由C、B、A引腳的功效來決定所選的通道。0809完畢一次轉(zhuǎn)換需100μs左右，輸出含有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。通過適宜的外接電路，0809可對0-5V的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。STARTCLKSTARTCLKOEVR(+)VR(－)VCCGNDEOCD0...D7三態(tài)輸出鎖存器8位A/D轉(zhuǎn)換器地址鎖存與密碼CBAALE8路模擬量開關(guān)IN7….IN0圖3-6ADC0809的構(gòu)造框圖3.2.2ADC0809連線圖ADC0809與單片機的連線圖如圖3-7：圖3-7ADC0809的連線圖3.389C51單片機系統(tǒng)單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把含有數(shù)據(jù)解決能力(如算術(shù)運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷解決)的微解決器(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)，可能還涉及定時計數(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)成一種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精確、快速、高效地完畢程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)。3.3.1單片機片內(nèi)構(gòu)造51單片機的片內(nèi)構(gòu)造如圖3-8所示。它把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一種尺寸有限的集成電路芯片上。按功效劃分，它有以下功效部件構(gòu)成：⑴微解決器（CPU）。⑵數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。⑶程序存儲器（ROM/EPROM）。⑷4個8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）。⑸一種串行口。⑹2個16位定時器、計數(shù)器。⑹2個16位定時器、計數(shù)器。⑺中斷系統(tǒng)。⑻特殊功效寄存器（SFR）。PSENPSEN88EOCXTAL1CPU（運算器）（控制器）數(shù)據(jù)存儲器RAMP0P2程序存儲器ROM/EPROMP1串行口定時器/計數(shù)器中斷系統(tǒng)特殊功效寄存器（SFR）P3ALEEAIN7….I0XTAL288RESET圖3-851單片機片內(nèi)構(gòu)造上述功效部件都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本構(gòu)造仍舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)構(gòu)造模式。但CPU對多個功效部件的控制是采用特殊功效寄存器的集中控制方式。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才干相稱的8031單片機抗干擾性能強，與87C51單片機技能相稱，但功耗小。程序修改直接用+5V或+12V電源擦除，更顯方便、并且其工作電壓放寬至2.7V-6V，因而受電壓波動的影響更小，并且4K的程序存儲器完全能滿足單片機系統(tǒng)的軟件規(guī)定，故AT89C51單片機是構(gòu)造本檢測系統(tǒng)的更抱負的選擇。3.3.289C51芯片介紹掌握MCS-51單片機，應(yīng)首先理解MCS-51的引腳，熟悉并切記各引腳的功效，MCS-51系列中多個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。圖3-9單片機芯片管腳圖3.3.2晶振電路和復(fù)位電路最小系統(tǒng)涉及單片機及其所需的必要的電源、時鐘、復(fù)位等部件，能使單片機始終處在正常的運行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機能運行的必備條件，能夠?qū)⒆钚∠到y(tǒng)作為應(yīng)用系統(tǒng)的核心部分，通過對其進行存儲器擴展、A/D擴展等，使單片機完畢較復(fù)雜的功效。89C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡樸﹑可靠。用89C51單片機構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復(fù)位電路即可，構(gòu)造如圖3-10所示，由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作某些小型的控制單元。時鐘電路時鐘電路復(fù)位電路STC89C51單片機I/O口圖3-10單片機最小系統(tǒng)原理框圖(1)時鐘電路89C51單片機的時鐘信號普通有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式如圖3-11所示。在89C51單片機內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機的XTAL1(18)和XTAL2(19)引腳外接石英晶體(簡稱晶振)，就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。圖中電容C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5~30pF，典型值為30pF。晶振CYS的振蕩頻率范疇在1.2~12MHz間選擇，典型值為12MHz和6MHz。圖3-1189C51內(nèi)部時鐘電路(2)復(fù)位電路當在89C51單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作(若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處在循環(huán)復(fù)位狀態(tài))。最簡樸的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充放電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超出1ms,就能夠?qū)崿F(xiàn)自動上電復(fù)位。除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST(9)端與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。圖3-1289C51復(fù)位電路（3）89C51中斷技術(shù)概述中斷技術(shù)重要用于實時監(jiān)測與控制，規(guī)定單片機能及時地響應(yīng)中斷請求源提出的服務(wù)請求，并作出快速響應(yīng)、及時解決。這是由片內(nèi)的中斷系統(tǒng)來實現(xiàn)的。當中斷請求源發(fā)出中斷請求時，如果中斷請求被允許，單片機臨時中斷現(xiàn)在正在執(zhí)行的主程序，轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)解決程序解決中斷服務(wù)請求。中斷服務(wù)解決程序解決完中斷服務(wù)請求后，再回到原來被中斷的程序之處（斷點），繼續(xù)執(zhí)行被中斷的主程序。圖3-13為整個中斷響應(yīng)和解決過程。 圖3-13中斷響應(yīng)和解決過程3.4LCD1602液晶顯示電路LCD1602A是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行）。在日常生活中，我們對液晶顯示屏并不陌生。液晶顯示模塊已作為諸多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及諸多家用電子產(chǎn)品中都能夠看到，顯示的重要是數(shù)字、專用符號和圖形。在單片機的人機交流界面中，普通的輸出方式有下列幾個：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示屏。發(fā)光管和LED數(shù)碼管比較慣用，軟硬件都比較簡樸。在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示屏作為輸出器件有下列幾個優(yōu)點：由于液晶顯示屏每一種點在收到信號后就始終保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示屏（CRT）那樣需要不停刷新新亮點。因此，液晶顯示屏畫質(zhì)高且不會閃爍。液晶顯示屏都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡樸可靠，操作更加方便。液晶顯示屏通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達成顯示的目的，在重量上比相似顯示面積的傳統(tǒng)顯示屏要輕得多。相對而言，液晶顯示屏的功耗重要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示屏要少得多。本設(shè)計的灰度調(diào)節(jié)是采用10k電阻和1k電阻分壓的形式，灰度適中。液晶顯示電路以下圖3-15液晶顯示電路3.5鍵盤電路本設(shè)計采用按鍵接低的方式來讀取按鍵，單片機初始時，由于為高電平，當按鍵按下的時候，會給單片機一種低電平，單片機對信號進行解決單片機鍵盤有獨立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨立鍵盤每一種I/O口上只接一種按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（普通接地），這種接法程序比較簡樸且系統(tǒng)更加穩(wěn)定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復(fù)雜，但是占用的I/O少。根據(jù)本設(shè)計的需要這里選用了獨立式鍵盤接法。獨立式鍵盤的實現(xiàn)辦法是運用單片機I/O口讀取口的電平高低來判斷與否有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接一種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(nèi)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(tài)就能夠理解我們與否有按鍵動作了。硬件電路如圖3-15所示：圖3-16按鍵電路3.6報警電路3.6.1燈光提示電路圖3-17燈光提示電路3.6.2聲音報警電路四