毕业论文-基于PIC16F873酒精驾车检测仪设计00589.doc

xxxx大学毕业设计酒精驾车检测仪学生姓名学 号所 在 系专业名称班 级指导教师xxxxx大学二一年五月酒精驾车检测仪学生： 指导教师：摘要：本文介绍了酒精浓度检测仪的发展和应用，阐述了基于气敏传感器的酒精浓度检测电路的工作原理。用pic16f873单片机作为控制核心设计了酒精浓度检测电路，包含了酒精传感器电路，显示电路，蜂鸣器报警电路等重要的模块。论文给出了软件流程，并编写了软件。最后完成了酒精浓度检测电路的制作和调试，该系统通过led数码管显示所测气体中的酒精浓度值所对应的电压值，超过所设阀值后实现报警功能。本设计具有操作简单、成本低廉、可靠性高等优点。关键字：酒精传感器 单片机 报警driving alcohol testersummary: this article describes the development of alcohol detector and application, described alcohol-based gas sensor detection circuit works. pic16f873 microcontroller as the control with the design of the alcohol concentration detection circuit, including the alcohol sensor circuit, display circuit, buzzer alarm circuit, and other important modules paper gives the software process and the preparation of the software. finally completed the production of alcohol detection circuit and debug the system through the led digital display of the measured concentration of alcohol in the gas the voltage corresponding to the value exceeds the threshold set to achieve the alarm after the function. the design is simple, low cost and high reliability.keywords: alcohol sensor scm alarm目 录前言4（一）相关技术的发展情况4（二）论文的主要工作5一、 器件介绍6（一）气敏传感器61、气敏传感器的动态特性72、传感器的性能指标83、反映传感器静态特性的性能指标84、反映传感器动态特性的性能指标9（二）气敏电阻的工作原理及其特性9（三）pic16f83a的介绍101、 pic16f83a的特点102、 pic16f83a中寄存器的工作特性11三、系统硬件设计11（一）系统总体框图11（二）传感器采集电路121、mq-3传感器122、传感器应用电路133、 led显示电路设计134、报警电路设计145、a/d转换电路设计15四、系统软件设计16（一）总体流程图16（二） a/d转换程序17（三）声光报警程序18（四）控制算法19五、系统调试211、硬件调试212、软件调试223、软、硬联调234、调试故障及原因分析23六、结 论25致谢29附录30参考文献3134前言近年来，随着我国经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频频发生。酒后驾车引起的交通事故是由于司机的过量饮酒造成人体内酒精浓度过高，麻痹神经，造成大脑反应迟缓，肢体不受控制等症状。少量饮酒并不会有上述症状，即人体内酒精浓度比较低时，而人体内酒精超过某一个值时就会引起危险。为此，需要设计一智能仪器能够监测驾驶员体内酒精含量。目前全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者体内酒精含量的多少，以确保驾驶员的生命财产安全。此外，空气酒精浓度监测仪还能监测某一特定环境的酒精浓度如酒精生产车间可避免发生起火、爆炸及工业场地酒精中毒等恶性事故，确保环境安全。本课题研究的是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有声光报警功能及led显示功能的空气酒精浓度监测仪。其可监测出空气环境中酒精浓度值，并根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警来提示危害。从理论上说，要判断是否是酒后驾驶，最准确的方法应该是检查驾驶人员血液中的酒精含量。但是，在违章处理或者公路交通例行检查中，要在现场抽取血液往往是不现实的，而送到医院再抽取血液却会因为路上花去的时间使血液中的酒精浓度与在现场时有所不同。最简单可行的方法是现场检测驾驶人员呼气中的酒精含量。大量的统计研究结果表明，如果被测者深吸气后以中等力度呼气达三秒钟以上，这时呼出的气就是从肺部深处出来的气体，呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量就有如下关系： bac(in mg/l) = brac(in mg/l)2200 （公式1）上式中，bac是血液酒精浓度的英文缩写，brac则是呼气酒精浓度的缩写。也就是说，以每升多少毫克为单位的血液酒精浓度在数值上相当于以每升多少毫克为单位的呼气酒精浓度乘上系数2200（由于各国的情况不同，在美国此系数采用2000，而欧洲很多国家采用2100）。目前全世界几乎所有国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者是否是酒后驾驶。（一）相关技术的发展情况我国测试仪器的普遍水平比较低；大型和高档仪器设备几乎全部依赖进口；许多急需的专用仪器还是空白；中低档产品保证质量上还有许多难关需要攻克，科技创新及其产业化进展滞缓。随着微电子技术的不断发展，集成了cpu、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至a/d、d/a转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片，即单片机出现了。以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。与传统仪器仪表相比，智能仪器具有以下功能特点：操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，不仅使用户从繁重的数据处理中解放出来，也有效地提高了仪器的测量精度。具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。（二）论文的主要工作本设计采用mq3气敏传感器，pic16f873单片机实现空气酒精浓度实时测量，通过led显示器实时显示。可以通过键盘设定阈值，超过阈值具有声光报警功能。本文主要完成了以下的工作：1 根据原理做出总体的电路框图。2 分析每一步要实现的功能，并设计电路。3 连接每个功能模块并加入必要的接口电路。4 根据硬件连接图和要实现的功能编写软件。5 进行软硬件联合调试。6 分析调试中遇到的问题，提出改进的方案。一、 器件介绍（一）气敏传感器气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。所以对气敏传感器有下列要求：能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度，能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质所产生的影响小等。由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器来检测所有气体，所以气敏传感器的种类也有很多。近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展，实际使用最多的是半导体气敏传感器，这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便等优点。表1 半导体气敏元件分类名称检测原理、现象具有代表性的气敏元件及材料检测气体接触燃烧式燃烧热（电阻）pt丝+催化剂（pd、pt_al2o3 、cuo）可燃性气体电化学式恒电位电解电流气体透过膜+贵金属阴极+贵金属阳极co、no、so2、o2伽伐尼电池式气体透过膜+贵金属阴极+贱金属阳极o2、nh3其他类型红外吸收型、石英震荡型、光导纤维型、热传导型、异质结型、气体色谱法、声表面波气体传感器无机气体和有机气体半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。第一类，半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受，结果使半导体的电导率等物性发生变化，但内部化学组成不变；第二类，半导体与气体的反应，使半导体内部组成(晶格缺陷浓度)发生变化，而使电导率改变。按照半导体变化的物理特性，又可分电阻型和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件是利用其他参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体。sno2(氧化锡)是目前应用最多的一种气敏元件。1、气敏传感器的动态特性传感器的输入信号是随时间变化的动态信号，这时就要求传感器能时刻精确地跟踪输入信号，按照输入信号的变化规律输出信号。当传感器输入信号的变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信号的变化加快，传感器随动跟踪性能会逐渐下降。输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过程称为响应。动态特性就是指传感器对于随时间变化的输入信号的响应特性，通常要求传感器不仅能精确地显示被测量的大小，而且还能复现被测量随时间变化的规律，这也是传感器的重要特性之一。传感器的动态特性与其输入信号的变化形式密切相关，在研究传感器动态特性时，通常是根据不同输入信号的变化规律来考察传感器响应的。实际传感器输入信号随时间变化的形式可能是多种多样的，最常见、最典型的输入信号是阶跃信号和正弦信号。这两种信号在物理上较容易实现，而且也便于求解。对于阶跃输入信号，传感器的响应称为阶跃响应或瞬态响应，它是指传感器在瞬变的非周期信号作用下的响应特性。这对传感器来说是一种最严峻的状态，如传感器能复现这种信号，那么就能很容易地复现其他种类的输入信号，其动态性能指标也必定会令人满意。而对于正弦输入信号，则称为频率响应或稳态响应。它是指传感器在振幅稳定不变的正弦信号作用下的响应特性。稳态响应的重要性，在于工程上所遇到的各种非电信号的变化曲线都可以展开成傅里叶级数或进行傅里叶变换，即可以用一系列正弦曲线的叠加来表示原曲线。因此，当已知道传感器对正弦信号的响应特性后，也就可以判断它对各种复杂变化曲线的响应了。为便于分析传感器的动态特性，必须建立动态数学模型。建立动态数学模型的方法有多种，如微分方程、传递函数、频率响应函数、差分方程、状态方程、脉冲响应函数等。建立微分方程是对传感器动态特性进行数学描述的基本方法。在忽略了一些影响不大的非线性和随机变化的复杂因素后，可将传感器作为线性定常系统来考虑，因而其动态数学模型可用线性常系数微分方程来表示。能用一、二阶线性微分方程来描述的传感器分别称为一、二阶传感器，虽然传感器的种类和形式很多，但它们一般可以简化为一阶或二阶环节的传感器(高阶可以分解成若干个低阶环节)，因此一阶和二阶传感器是最基本的。2、传感器的性能指标在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。3、反映传感器静态特性的性能指标静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。(1) 线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。(2) 灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量y 与引起该增量的相应输入量增量x 之比。它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度s 值越大，表示传感器越灵敏.(3) 迟滞：传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。(4) 重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。(5) 漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等)。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为20)时的输出值的变化量与温度变化量之比(6) 测量范围(measuring range)传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。(7) 量程(span)传感器测量范围的上限值与下限值的代数差，称为量程。(8) 精度(accuracy)传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映，测量误差越小，传感器的精度越高。传感器的精度用其量程范围内的最大基本误差与满量程输出之比的百分数表示，其基本误差是传感器在规定的正常工作条件下所具有的测量误差，由系统误差和随机误差两部分组成工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差。如果传感器的工作条件偏离正常工作条件，还会带来附加误差，温度附加误差就是最主要的附加误差。(9) 分辨率和阈值(resolution and threshold)传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力。对于某些传感器，如电位器式传感器，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。对于数字式仪表，分辨力就是仪表指示值的最后一位数字所代表的值。当被测量的变化量小于分辨力时，数字式仪表的最后一位数不变，仍指示原值。当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。阈值是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”，则将死区的大小作为阈值；更多情况下，阈值主要取决于传感器噪声的大小，因而有的传感器只给出噪声电平。(10) 稳定性(stability)稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。理想的情况是不论什么时候，传感器的特性参数都不随时间变化。但实际上，随着时间的推移，大多数传感器的特性会发生改变。这是因为敏感元件或构成传感器的部件，其特性会随时间发生变化，从而影响了传感器的稳定性。 稳定性一般以室温条件下经过一规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，称为稳定性误差。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差来表示。4、 反映传感器动态特性的性能指标动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。（二）气敏电阻的工作原理及其特性气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如sno2、zno、fe2o3、mgo、nio、batio3等都具有气敏效应。常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300400的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；半导体气敏元件有n型和p型之分。n型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；p型阻值随气体浓度的增大而增大。象sno2金属氧化物半导体气敏材料，属于 n型半导体，在200300温度它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当遇到有能供给电子的可燃气体（如co等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃行气体以正离子状态吸附也要放出电子， 从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半 导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。目前国产的气敏元件有2种。一种是直热式，加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内；另一种是旁热式，这种气敏元件以陶瓷管为基底，管内穿加热丝，管外侧有两个测量极，测量极之间为金属氧化物气敏材料，经高温烧结而成。 以sno2气敏元件为例，它是由0.1-10um的晶体集合而成，这种晶体是作为n型半导体而工作的。在正常情况下，是处于氧离子缺位的状态。当遇到离解能较小且易于失去电子的可燃性气体分子时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流子浓度增加，因此电导率增加。而对于p型半导体来说，它的晶格是阳离子缺位状态，当遇到可燃性气体时其电导率则减小。此外，在气敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐类催化剂可以获得低温时的灵敏度，也可增强对气体种类的选择性。气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种，直热式消耗功率大，稳定性较差，故应用逐渐减少。旁热式性能稳定，消耗功率小，其结构上往往加有封压双层的不锈钢丝网防爆，因此安全可靠，其应用面较广。（三）pic16f83a的介绍pic16f873a价格经济，控制芯片成本只需要19元，便于控制成本，提高产品的市场竞争力。其次，pic16f873a功能强大。由于它内部已集成了a/d转换器，使得许多硬件的功能可以通过软件来实现，从而，使它的外围电路简单，产品的硬件设计更加简洁，系统的可靠性得以提高。第三，软件开发方便、快捷。pic应用程序的开发可采用硬件仿真和软件模拟两种办法，考虑到开发费用与开发进程两方面因素，我们采用软件模拟的办法，即借助于pc机利用pci模拟（仿真）调试工具来完成。它允许用户通过设置断点，单步执行等功能对目标程序进行调试，只是速度略显慢些，实时性能稍差。鉴于目前微机性能的大幅度提高与集成开发软件的不断完善，此法愈显示出其可贵之处。三、系统硬件设计（一）系统总体框图系统选用pic16877为控制核心如图1所示，系统由mq-3传感器电路、led显示部分、声光报警电路、内部ad转换部分和键盘控制显示五部分组成。 图1 系统总框图（二）传感器采集电路1、mq-3传感器本设计采用的气体传感器为mq-3，其实物外观如图2。 图2 mq-3实物图 图3 感器的结构与测试原理图 图4 mqn气敏电阻结构及测量电路 图5 传感器应用电路2、传感器应用电路传感器应用电路如图5所示。3、led显示电路设计在传统的设计方法中，若显示输出是对电压的量化值直接进行译码显示输出，其显示值为d/a变换的输入量，由于d/a变换与功率驱动电路引入的误差，使得显示值与电源实际输出值之间就可能出现较大的偏差。我们都知道显示部分有两种方案供选择使用：方案一、静态显示利用串行通信，把要显示的数据发送出来，放在临时寄存器里，然后显示数据值；只要我们的数据不改变，它是不变化的，而且它可以减轻控制器的负担。同时用户所看到的所显示的值是稳定的值，不会出现闪烁，这些都正符合我们的设计要求。方案二、动态显示其显示值是不断更新变化的，通过位选和列选来选中是哪一个数字显示，利用人眼的滞留效应，以很短的时间来一个一个的显示；用户所看到的是不稳定的数值，在视觉上效果不好，而且数值的不断循环显示，给控制器增加了不必要的负担。这是我们不愿意看到的。动态扫描显示是单片机中应用最为广泛的一种显示方式。其接口电路是把所有显示器的8个笔划段dadp同名端连在一起，而每一个显示器的公共极com各自独立地受i/o线控制。cpu向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于com端，而这一端是由i/o控制的，因此就可以自行决定何时显示哪一位了。所谓动态扫描就是采用分时的方法，轮流控制各个显示器的com端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的观觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。图6 数码管结构图图7 led数码管电路根据设计需要以及功能强弱，在本设计中显示模块采用方案二，如图7所示。4、报警电路设计系统控制输出端sp为低电平时，经过三极管放大有电流通过蜂鸣器，驱动蜂鸣器发出声音报警后作出相应的提示或警告。蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机io引脚输出的电流较小，单片机输出的ttl电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路，如图3-8所示。图8 蜂鸣器电路5、a/d转换电路设计a/d转换电路的作用是将传感器电路输出的模拟量信号转换为适合单片机处理的数字信号。本课题采用的是microchip公司的pic16f87x系列单片机中的pic16f873为控制芯片，自带10位ad转换，从而无需另外再去选择一块专用a/d转换芯片（如adc0809 a/d转换芯片），进而更加精简本设计的外围电路。pic16f873内部的a/d转换模块由5路模拟量输入多路开关、10位线性的逐次逼近型a/d转换器所构成，参考电压和模拟电路电源也通过相应引脚输入，本系统中，a/d转换模块的参考电压avref+和avref-分别选为模拟电源电压和模拟地，模拟信号输入量的范围为0+5v。四、系统软件设计软件所要实现的功能是将通过精密放大器的传感器信号进行a/d转换，并把转换后的数字量进行一定处理，转化为酒精浓度信号ppm或mg/l，最后送led显示器显示。在程序的编写过程中，考虑到可移植性和以后功能的升级，以及调试的方便性，采用模块化设计。也就是说，将程序的某一部分换掉以后，可以作为相应的测试程序使用。比如，将程序中酒精的ppm和mg/l浓度表换成电压与压力或电压与湿度的转换表，则可以实现压力测试或温度测试。另外，除显示子程序外，其他的浓度转换子程序、重复显示子程序、恢复显示子程序、开关声响子程序等可以任意拿掉而不影响整个程序的正常运行。本软件的开发平台为mplab ide。由于所运用到各种平台工具的局限性及自身的能力问题，把酒精浓度的检测范围只能广义的定位05v的电压变换之间，当酒精浓度超过所设阀值，系统控制输出端sp为低电平时，经过三极管放大有电流通过蜂鸣器，驱动蜂鸣器发出声音报警后作出相应的提示或警告。传感器的标准回路有两部分组成。其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻值的变化。传感器的表面电阻rs的变化，是通过与其串联的负载电阻rl上的有效电压信号vrl输出面获得的。二者之间的关系表述为： rs/rl=(vc-vrl)/vrl，其中vc为回路电压为10v。负载电阻rl可调为05200k。加热电压uh为5v。上述这些参数使得传感器输出电压为0-5v。（一）总体流程图开 始初始化ad转换相关寄存器等待转换adgo=1？存放转换结果结束yn开始初始化端口传感器采集送显示是否 超标？n声光报警y 本设计主体部分由硬件实现，软件部分的工作主要为开机初始化、传感器采集、显示控制和声光报警，主流程图如图9所示。图9 软件流程图（二）a/d转换程序 部分/ad转换程序片段如下：loop：bsf adcon0,go;启动a/d转换btfss pir1,adif;等待a/d转换结束goto $-1 ;没结束则返回继续等待movf adresh,w;将a/d转换数值的低8位存入w存储器movwf s1h ;w内容放到s1高8位地址bsf status,5;选择数据存储器体1movf adresl,w;将a/d转换数值的高2位存入数据存储器bcf status,5;选择数据存储器体0movwfs1l ;w内容放到s1低8位地址movlw71hmovwfs2lmovlw02hmovwfs2h ;将271h（即625）放到s2callmpxy ;调用乘法子程序clrfcounter把ra0通道输入的0-5v的模拟信号转换为对应的数字量ooh-ffh，然后存储到3fh单元。系数是酒精浓度的最大测量值5000/1023=4.89确定。系数调整是为了使十六进制与十进制转换方便，将转换系数4.89放大10倍取整后为49即31h作为转换系数。（三）声光报警程序报警子程序执行之前，键盘设定的报警阈值转换为压缩的bcd码并存放在两个存储单元中。传感器输入值a/d转换后，调用比较程序，经过数据处理后显示的测量值与阈值比较，小于阈值则继续执行显示程序。若大于阈值则将单片机的ra4、ra5两端口置位进行声光报警。40h、4lh、42h单元存放a/d转换后，并进行十进制转换后的结果。40h和50h分别存放的是处理后的测量值与阈值的千位的压缩bcd码，41h和51h分别存放的是处理后的测量值与阈值的百位、十位压缩的bcd码，42h和52h分别存放的是处理后的测量值与阈值的个位的压缩bcd码。程序首先对40h、50h中的值进行比较大小，如果40i-i中的值大于50h中的值，则进行报警。依此类推，比较41h和51h，42h和52h。当大于阀值时报警电路工作并报警。开始40h中bcd码大？42h中bcd码大？与阀值相等？41h中bcd码大？与阀值相等？返回报警nnyyy图10 报警子程序流程图（四）控制算法目前控制系统中的控制算法多为pid算法，但pid算法由于微分作用导致高频干扰大，易引起超调，参数调整也麻烦，同时考虑到水温控制系统本身有一个大滞后的特点，故本系统选用了目前国际上较流行的从能量控制的观点出发，引入模糊控制思想而提出的变参数控制算法控制. 控制系统在其特性或参数发生摄动时仍可使品质指标保持不变的性能。鲁棒性是英文robustness一词的音译，也可意译为稳健性。鲁棒性原是统计学中的一个专门术语,70年代初开始在控制理论的研究中流行起来,用以表征控制系统对特性或参数摄动的不敏感性。在实际问题中，系统特性或参数的摄动常常是不可避免的。产生摄动的原因主要有两个方面，一个是由于量测的不精确使特性或参数的实际值会偏离它的设计值（标称值），另一个是系统运行过程中受环境因素的影响而引起特性或参数的缓慢漂移。因此，鲁棒性已成为控制理论中的一个重要的研究课题，也是一切类型的控制系统的设计中所必需考虑的一个基本问题。对鲁棒性的研究主要限于线性定常控制系统，所涉及的领域包括稳定性、无静差性、适应控制等。鲁棒性问题与控制系统的相对稳定性和不变性原理有着密切的联系，内模原理的建立则对鲁棒性问题的研究起了重要的推动作用。模糊控制算法的基本原理可采用解析式描述为：u= k*e + (1-k)*c; （2）其中，e, c, k为经过量化和模糊化的控制变量，相应的论域分别为酒精电压(当前电压和目标电压的差值)、温差变化率及控制量(当前温度与上一个时刻温度的差值)；k为调整因子。 其基本思想是通过调整k的大小，可改变对差量和差量变化率的不同加权程度.在实际系统中，系统在不同的状态下，对控制规则中的差量e和差量变化率c有不同的要求.如差量较大时，控制系统的主要任务是减小温差，此时对差量加权应该大些；当差量较小时，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小超调，此时要求在控制规则中差量变化率加权大些。基于这个思想，提出了模糊酒精变化电压控制方法,在规定的时间内，根据不同的电压和目标温度来改变加热时间与休息时间的在控比，从而达到控制的目的。算法通过软件实现,此算法使系统能自行控制加热程度,使系统具有无超调和恒温精度高,具有稳定性好，控制参数对系统的依赖性弱等优点。五、系统调试对各个模块进行分块调试，确定各个模块正确后，逐次将各个模块组合进行调试！特别注意在综合模块时的代码的优化和调整！提高代码的可读性和可移植性。调试分析包括硬件调试分析和软件调试分析及软、硬件联调。由于硬件调试分析和软件调试分析是独立进行的，所以可以先调硬件再调软件。再调试中找出错误、缺陷，判断各种故障，并作出软硬件的修改。直至没有错误。（一）排除电源故障造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了;另一个是由于安装错误,造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后,用替换方法排除错误。在通电前,一定要检查电源电压的幅值和极性,否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位,一般先检查vcc与gnd之间电位,若在5v48v之间属正常。若有高压,联机仿真器调试时,将会损坏仿真器等,有时会使应用系统中的集成块发热损坏。用万能表检测无误后对电路进行通电，如图11所示。图11 系统通电显示1、硬件调试 硬件调试包括传感器电路、显示电路、键盘电路、单片机外围电路、声光报警电路等。下面主要介绍传感器电路、报警电路的调试。首先把mq3型气敏传感器按照说明书介绍，接上+5伏工作电源，进行预热5-10分钟。由于气敏传感器里已经集成了放大电路，而用万用表测量可证实其输出是一稳定的0-5v的电压信号，符合单片机的输入条件，因此此信号可以直接接人进行a/d转换而不需要放大、滤波等。其次对于声光报警电路的调试分为蜂鸣器和led的调试。经试验电路板的蜂鸣器和led只有在高电平工作，需要三极管对电流放大进行驱动，了解这一点，对程序的设计很重要。2、软件调试 软件调试为利用伟福软件进行模块化调试。调试过程中观察存储单元数据的变化，查找所写程序的错误，并改正。运行程序，并对其进行调试。mplab为方便使用，把常用的一些运行、调试命令及窗口选项以小图标的形式置于工具栏中。当用户鼠标移至小图标上时，背景窗体的左下角将会显示相应的说明。 以下对常用运行、调试命令及窗口选项进行简要的介绍。运行（run）：点击此项后芯片将全速运行片内程序，直至遇到断点或是接到了停止命令。图标： 停止（halt the processor）：点击此项后芯片将停止运行当前程序。图标： 单步（step）：点击此项后芯片将执行当前行的指令。图标： 连续单步（step over）：点击此项后芯片将由当前行开始，连续执行单步操作，直至遇到断点或是接到停止命令。图标：复位（reset processor）：点击此项后芯片将被复位。图标：程序存储器窗（program register window）：点击此项后将打开程序存储器窗口。图标：通用寄存器窗口（file register memory）：点击此项后将打开通用寄存器窗口。图标： 特殊功能寄存器窗口（special function register window）：点击此项后将打开特殊功能寄存器（sfr）窗口。图标：增加新变量窗口（create new watchwindow）：点击此项后将打开观察变量窗口，并允许用户添加新的观察变量。图标： 合理运用运行调试手段将有助于更快更好的调试用户程序。例如：使用变量观察窗可以集中观察用户关心的变量寄存器内的数据变化情况特殊寄存器窗口集中显示了特殊功能寄存器内的数据，用户根据其变化可以判断出各功能模块的运行状况。l 使用单步可以观察到执行该行指令后的效果。l 使用连续单步可以较为直观的观察到程序的运行路径，子程序的跳转情况。l 设置断点可以让程序在某一句上停下，因此可以用来判断某一子程序的入口条件是否准确，可以让程序迅速的停在要分析的程序段上各个运行调试手段的作用远不止上述的几点，这需要用户在实际运行调试中自己体会。3、软、硬联调 调入程序编译运行，并把传感器接人电路，看led显示器是否显示提示界面。显示提示界面后根据ied显示器上的提示按键进行下一步操作。看键盘是否能够设定阈值，并显示。设定阈值后，用浸有酒精的棉签靠近气敏传感器，并对着棉签缓缓吹气观察led显示的数值。观察蜂鸣器是否发声及led是否被点亮。若发声，当过了一两分钟后，led显示器上数值下降，当小于阈值时蜂鸣器停止发声，led也熄灭。上述这些功能能够实现则表明达到了课题要求。4、调试故障及原因分析报警电路出错，体现在软硬件联调时，程序刚一运行，声音报警电路就发出报警声音而led正常。经程序检查及对蜂鸣器及led灯的电路，发现该实验箱的蜂蜂鸣器及都是在低电平时工作。而主程序开始就把ra4口置位、ra5清零，ra4口接的是指示灯，这就使程序刚运行蜂鸣器就发出报警声音了。发现这个错误，把程序中不报警时的ra5口都置高电平，报警时置低电平。把传感器工作电路接好后急于接到单片机上，传感器输出电压不稳定。运行程序发现还未吹酒精气体进传感器而led显示的测量数值明显偏大。经看m03型气敏传感器的严原理和使用说明得知该传感器工作时需加热到300摄氏度左右，因此需预热5分钟，使传感器内部敏感元件恢复到初始状态。便于测量结果准确。找到错误原因，在测量前传感器先预热5分钟，接人后续电路，进行调试。分别配制20%、40%、60%、80%浓度的酒精溶液和纯水、纯酒精分别放在不同的容器内；将传感器放到含有酒精溶液的容器口边缘，向传感器方向轻轻吹气，用电压表记录out数值，对各种浓度的溶液重复几次实验，得到实验数据如表5-1所示。表2 调试数据酒精浓度/(%)020406080100out/(v)0.51.62.63.64.05.10.92.43.84.85.66.40.81.13.13.54.85.30.31.02.83.84.35.0平均值/(v)0.61.53.13.94.75.5led显示（v）00.9-1.51.1-1.962.1-3.02.5-3.93.8-4.6由于传感器对温度也很敏感，环境温度不稳定，测量结果会出现偏差，每次测量时都需要对电路进行调零，并采取多次测量求平均值的方法处理数据；同一浓度的酒精溶液因空气中气流流动场的影响使输出结果有较大偏差，因此必须多次测量并控制外界环境的变化。因为上述原因和调试时外界条件的影响，led显示的值为一组动态的数据，在一个范围内浮动。六、结 论通过这次设计，我对单片机编程有了更深刻的理解。在设计的过程中，遇到很多的问题，看似一个很小的问题，但对于程序运行却有很大关联。总结程序中出现的小问题时都是自己的马虎大意造成的，不够仔细地处理。但毕竟还是初次接触到应用程序的开发，而在以前学过的东西也没有能很好的掌握，所以这个设计也不是非常的理想，还存在着程序不够精简，功能不够完善，没有更好的实现系统功能。尽管，设计的程序能够接收、处理完整行数据，并能写入flash，也能启动用户程序，但在遇到最后一行数据是非完整行时，数据的接收和处理虽能够正常进行，但是 在其写入的过程中出现了不可预料的失误：不能完整写入数据。由于时间限制，我没有继续这部分的工作。希望对单片机有兴趣的同学能继续改进我的程序。在减小误差方面能设计出更好的办法，来解决这一问题。在本设计中，由于时间紧张未设计人机接口和通信接口。但是在现代仪器中它们是必不可少的。单片机的实践性很强，自己实际动手，实际体验开发的过程，这至关重要。既然如此，为同学们提供一种简易实用的实验手段，很有意义。我希望以后能有其他同学来完善此设计，让它更好的为同学服务。这次作品设计与制作不仅是对我们所学知识的一种检验，也是对自身能力的一种提高，通过这次作品设计使我们明白了自身掌握的知识非常欠缺，所要学习的东西还很多。在整个设计过程中使我们懂得了许多东西，也培养了独立思考和设计的能力，树立了对知识应用的信心，相信会对今后的学习工作和生活有非常大的帮助，并且提高了自己的动手实践操作能力， 使自己充分体会到了在设计过程中的成功喜悦。致谢本论文是在刘强老师的悉心指导下完成的。导师严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在这里再次感谢我的导师。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我打下了坚实的专业基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。最后感谢学校三年来对我的大力栽培，在这个世外桃源一样美丽的校园中，心才能不被世俗干扰。永远怀念这一切的一切！附录 电路原理图参考文献1 朱正涌 编著.半导体集成电路m.北京：清华大学出版社，2002.2 沙占友.新型单片开关电源的设计与应用m.北京：电子工业出版社，2001.3 方佩敏.新型电荷泵dc-dc变换器j.今日电子，2004.11：58594 赵胜华，陈建安. cmos集成电路中振荡器的设计及性能分析j.电子与封装，2004.11第4卷第6期.5 李国厚, 冯启高.电荷泵dc-dc转换器及其应用j.河南职技师院学报，2000.6 esdras juarez hernandez and alejandro diaz sanchez，positive feedback cmos charge-pump circuits for pll applications2001, ieee7 龚新林，陆阳.一种高效微功耗dc/dc隔离电源j.电子技术应用，1998（24）8 马艳喜，杨铁柱. 系统可编程器件cpld 的配置方法j. 现代电子技术，2001，(8)：4243.9 陈靖, 张承学. 高速数据采集系统中精确时标的cpld实现方法j. 继电器，2004， (10)：303310 樊秀云，欧宏武，杨文革. 超高速数据采集系统设计与实现j. 装备指挥技术学院学报，2002，(4)：7477.11 代芬，张承学，刘延华. cpld在高速数据采集系统中的应用j. 集成电路应用，2003，(2)：7577.12 谷郑春. 基于cpld和单片机的爆轰波数据采集系统设计d. 南京：南京理工大学，2004.13 程志明. 信号采集系统的设计与实现d. 北京：北京工业大学，2001.14 涂书敏. 基于pci总线的数据采集卡的设计d. 武汉：武汉理工大学，2005.15 张雷杰. 基于pei总线的高速