基于单片机的分诊叫号系统—云勃.doc

分类号 单位代码 11395 密 级 学 号 0705230126 学生毕业设计 论文 题 目酒精浓度测试仪设计 作 者龙佩 院 系 能源工程学院 专 业电气工程及其自动化 指导教师荆红莉 答辩日期年 月 日 榆 林 学 院 毕业设计 论文 诚信责任书 本人郑重声明 所呈交的毕业设计 论文 本人郑重声明 所呈交的毕业设计 论文 是本人在导师的指导 是本人在导师的指导 下独立进行研究所取得的成果 毕业设计 论文 中凡引用他人已经发下独立进行研究所取得的成果 毕业设计 论文 中凡引用他人已经发 表或未发表的成果 数据 观点等 均已明确注明出处 尽我所知 除表或未发表的成果 数据 观点等 均已明确注明出处 尽我所知 除 文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经公文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经公 开发表或开发表或撰撰写写过过的的研研究究成成果果 对本文的研究做出重要贡献的个人和 对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体 均已在文中以明确方式标明 集体 均已在文中以明确方式标明 本人毕业设计 论文 与资料若有不实 愿意承担一切相关的法律本人毕业设计 论文 与资料若有不实 愿意承担一切相关的法律 责任 责任 论论文文作作者者签签名名 年年 月月 日日 榆林学院本科毕业设计 论文 I 摘 要 随着现在经济高速发展 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 故也频繁发生 为此 设计一种智能仪器能够检测驾驶员体内酒精含量是很有必要的 本 设计研究的是一种以气敏传感器和AT89S51单片机为主 检测空气酒精浓度 并具有声 光报警功能的酒精浓度测试仪 它也可以应用在生活的各个方面 为人民更安全 更有保 障的生活提供条件 本课题分为两部分 硬件设计部分和软件设计部分 硬件部分为利用 MQ3 气敏传感器 测量空气中酒精浓度 并转换为电压信号经 A D 转换后传给单片机系统 由单片机及其外 围电路进行信号的处理 显示浓度值以及超阈值声光报警 软件部分用 C 语言进行编程 程序采用模块化设计思想 各个子程序的功能相对独立 便于调试和修改 而硬件电路又 大体可分为单片机小系统电路 A D 转换电路 声光报警电路 LED 显示电路 各部分电路 的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍 程序的设计使用 C 语言编程 关键词关键词 酒精浓度测试仪 AT89S51 MQ3 气敏传感器 酒精浓度测试仪设计 II ABSTRACT With the sustained and rapid development of social economy and the growing service sector queuing has become the practical problems faced by people The traditional queuing model has been unable to resolve this contradiction Triage calling system is to improve the services industry efficiency of the window it has become a useful tool to settle the problem of queuing The triage calling system can basically simulate the artificial line in full so it can automatically realize the machine to replace the artificial line This paper takes the United States Atmel Corporation AT89S52 microcontroller as the master chip combined with the external liquid crystal display and speech calling and other hardware circuits is to form a Triage calling system It has a LCD display button calls and speech calling and other functions At the same time it is high reliability perfect function convenient operation and expandability etc so it has strong applicability and promotional value The system is widely used in hospitals banks and other service industries Key words Triage calling system AT89S52 LCD 榆林学院本科毕业设计 论文 III 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 酒精浓度测试仪设计的介绍 1 1 2 本设计所要实现的目标 1 1 3 本文的设计方案 采用以单片机为核心的控制方案 1 2 主要元器件介绍 2 2 1 89S51 单片机系统 2 2 1 1 单片机片内结构 2 2 1 2 AT89S51 芯片介绍 16 2 2 传感器的选择 16 2 3 A D 转换电路 5 2 3 1 ADC0809 的引脚及功能 7 2 3 2 ADC0809 的结构及原理 8 2 4 LED 显示电路 10 2 4 1 LED 显示电路的结构 10 2 4 2 LED 显示器的工作原理 11 3 系统硬件构成 12 3 1 单片机的开发流程 12 3 2 硬件系统框图 13 3 3 信号采集电路 13 3 4 信号转换电路 13 3 5 发光二级管显示报警电路 14 3 6 数码管显示电路 15 3 7 系统整体电路图 15 4 系统软件设计 16 4 1 初始化程序 16 4 2 A D 转换子程序 16 4 3 显示子程序 16 16 18 5 结论 22 参考文献 23 致 谢 24 附 录 A 25 附 录 B 26 酒精浓度测试仪设计 4 1 绪论 1 酒精浓度测试仪设计的介绍 酒精浓度测试仪是一种以气敏传感器和单片机为主 测试空气中酒精浓度 并具有声光报警功能 的仪器 其可测试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 此外 酒精浓度测试仪还能检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 1 2 本设计所要实现的目标 本课题主要通过主控芯片为单片机来设计一种酒精测试仪 主要包括硬件电路设计 和软件程序的编写两部分 我们可以利用酒精浓度测试仪来测试人体内酒精含量的多少 以控制酒后驾车的行为 除此外它也可以应用在一些环境要求严格的生产车间 用这种 酒精浓度测试仪 可随时检测车间内的酒精气体浓度 当酒精气体浓度高于允许限定值 时要及时通风换气 来防止不必要的隐患 所以从工厂企业到居民家庭 酒精泄漏的检 测 监控以及对酒后驾车的监测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必不可少的 1 3 本文的设计方案 采用以单片机为核心的控制方案 选用单片机 AT89S51 作为核心元件 硬件电路部分主要利用 MQ 3 型气敏传感器测量 空气中的酒精浓度 并转换成电压信号经 A D 转换器转换后传给单片机系统 再通过单 片机和外围电路进行信号的处理 显示酒精浓度值 超过允许范围就会声光报警 榆林学院本科毕业设计 论文 5 2 主要元器件介绍 2 1 89S51 单片机系统 单片机是一种集成电路芯片 采用超大规模技术把具有数据处理能力 如算术运算 逻辑运算 数 据传送 中断处理 的微处理器 CPU 随机存取数据存储器 RAM 只读程序存储器 ROM 输入输出 电路 I O 口 可能还包括定时计数器 串行通信口 SCI 显示驱动电路 LCD 或 LED 驱动电路 脉 宽调制电路 PWM 模拟多路转换器及 A D 转换器等电路集成到一块单块芯片上 构成一个虽小然而完 善的计算机系统 这些电路能在软件的控制下准确 迅速 高效地完成程序设计者事先规定的任务 2 1 12 1 1 单片机片内结构单片机片内结构 51 单片机的片内结构如图 2 2 所示 它把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸 有限的集成电路芯片上 按功能划分 它有如下功能部件组成 微处理器 CPU 数据存储器 RAM 程序存储器 ROM EPROM 4 个 8 位并行 I O 口 P0 口 P1 口 P2 口 P3 口 一个串行口 2 个 16 位定时器 计数器 2 个 16 位定时器 计数器 酒精浓度测试仪设计 6 PSEN 88 E O C X T A L 1 CPU 运算器 控制器 数据存储器 RAM P0P2程序存储器 ROM EPROM P1 串 行 口 定时 器 计 数器 中断 系 统 特殊功能 寄存器 SFR P3 ALEEA IN7 I 0 X T A L 2 8 8 RESET 图 2 2 51 单片机片内结构 中断系统 特殊功能寄存器 SER 上述功能部件都是通过片内单一总线连接而成 其基本结构依旧是 CPU 加上外围芯片的传统结构 模式 但 CPU 对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式 下面对框图 2 1 中各功 能部件作一简单介绍 1 中央处理器 CPU CPU 是单片机的核心部件 它通常由运算器 控制器和中断电路等器件组成 CPU 进行算术运算和 逻辑操作的字长有 4 位 8 位 16 位和 32 位之分 字长越长运算速度越快 数据处理能力也越强 2 存储器 在单片机内部 ROM 和 RAM 存储器是分开制造的 通常 ROM 存储器容量较大 RAM 存储器的容量 较小 这是单片机用于控制的一大特点 1 ROM 存储器 ROM 存储器一般为 1 64K 字节 用于存放应用程序 故又称为程序存储器 2 RAM 存储器 通常 单片机片内 RAM 存储器容量为 64 256 字节 最多可达 48K 字节 RAM 存储器主要用来存放 实时数据或作为通用寄存器 数据堆栈和数据缓冲器之用 榆林学院本科毕业设计 论文 7 3 中断系统 具有 5 个中断源 2 级中断优先权 4 定时器 计数器 片内有 2 个 16 位的定时器 计数器 具有 4 种工作方式 在应用中 往往需要精确的定时 或对外 部事件进行计数 因而需在单片机内部设置定时器 计数器部件 5 I O 接口和特殊功能部件 I O 接口电路有串行和并行两种 串行 I O 用于串行通信 它可以把单片机内部的并行 8 位数据 8 位机 变成串行数据向外传送 也可以串行接收外部送来的数据并把它们变成并行数据送给 CPU 处 理 并行 I O 口电路可以使单片机和存储器或外设之间并行地传送 8 位数据 8 位机 通常 特殊功 能部件包括 定时器 计数器 A D D A DMA 通道和系统时钟等电路 定时器 计数器用于产生 定时脉冲 以实现单片机的定时控制 A D 和 D A 转换器用于模拟量和数字量之间的相互转换 以完 成实时数据的采集和控制 DMA 通道可以使单片机和外设之间实现数据的快速传送 总之 某一单片 机内部究竟包括哪些特殊功能部件以及特殊功能部件的数量是和它的型号有关的 单片机是整个系统的核心 对系统起监督 管理 控制作用 并进行复杂的信号处理 产生测试 信号及控制整个检测过程 所以在选择单片机时 参考了以下标准 1 运行速度 单片机运行速度一般和系统匹配即可 2 存储空间 单片机内部存储器容量 外部可以扩展的存储器 包括 I 0 Fl 空间 3 单片机内部资源 单片机内部存储资源越多 系统外接的部件就越少 这可提高系统的许多 技术指标 4 可用性 指单片机是否能很容易地开发和利用 具体包括是否有合适的开发工具 是否适合 于大批量生产 性能价格比 是否有充足的资源 是否有现成的技术资源等 5 特殊功能 一般指可靠性 功耗 掉电保护 故障监视等 从硬件角度来看 与 MCS 51 指令完全兼容的新一代 AT89CXX 系列机 比在片外加 EPROM 才能相当 的 8031 单片机抗干扰性能强 与 87C51 单片机技能相当 但功耗小 程序修改直接用 5V 或 12V 电源 擦除 更显方便 而且其工作电压放宽至 2 7V 6V 因而受电压波动的影响更小 而且 4K 的程序存储 器完全能满足单片机系统的软件要求 故 AT89C51 单片机是构造本检测系统的更理想的选择 2 1 22 1 2 89C5189C51 芯片介绍芯片介绍 掌握 MCS 51 单片机 应首先了解 MCS 51 的引脚 熟悉并牢记各引脚的功能 MCS 51 系列中各种 型号芯片的引脚是互相兼容的 制作工艺为 HMOS 的 MCS 51 的单片机都采用 40 只引脚的双列直插封装 方式 如图 2 3 所示 酒精浓度测试仪设计 8 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 RST TXD P3 1 INT0 P3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 WR P3 6 RD P3 7 XTAL1 XTAL2 GND Vcc P0 0 AD0 P0 1 AD1 P0 2 AD2 P0 3 AD3 P0 4 AD4 P0 5 AD5 P0 6 AD6 P0 7 AD7 EA VPP PSEN P2 7 A15 P2 6 A14 P2 5 A13 P2 4 A12 P2 3 A11 P2 2 A10 P2 1 A9 P2 0 A8 PDIP RXD P3 0 ALE PROG 图 2 3 AT89C51 芯片管脚图 40 只引脚按其功能来分 可分为如下 3 类 电源及时钟引脚 Vcc Vss XTAL1 XTAL2 电源引脚接入单片机的工作电源 Vcc 接 5V 电源 Vss 接地 时钟引脚 XTAL1 XTAL2 外接晶体与片内的反相放大器构成了 1 个晶体振荡器 它为单片机提供了 时钟控制信号 2 个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器 XTAL1 接外部的一个引脚 该引脚内部是一 个反相放大器的输入端 这个反相放大器构成了片内振荡器 如果采用外接晶体振荡器时 此引脚接 地 XTAL2 接外部晶体的另一端 在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端 若采用外部时钟振荡 器时 该引脚接受时钟振荡器的信号 即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端 控制引脚 ALE RESET RST 此类引脚提供控制信号 有的还具有复用功能 PSENEA RST VPD引脚 RESET RST 是复位信号输入端 高电平有效 当单片机运行时 在此引脚加 上持续时间大于 2 个机器周期 24 个振荡周期 的高电平时 就可以完成复位操作 在单片机工作时 此引脚应为 0 5V 低电平 VPD为本引脚的第二功能 即备用电源的输入 当主电源发生故障 降低 榆林学院本科毕业设计 论文 9 到某一规定值的低电平时 将 5V 电源自动接入 RST 端 为内部 RAM 提供备用电源 以保证片内 RAM 的信息不丢失 从而使单片机在复位后能正常进行 ALE 引脚 ALE 引脚输出为地址锁存允许信号 当单片机上电正常工作后 ALE 引脚不断PROG 输出正脉冲信号 当单片机访问外部存储器时 ALE 输出信号的负跳沿用于单片机发出的低 8 位地址 经外部锁存器锁存的锁存控制信号 即使不访问外部锁存器 ALE 端仍有正脉冲信号输出 此频率为 时钟振荡器频率的 1 6 为该引脚的第二功能 在对片内 EPROM 型单片机编程写入时 此引脚PROG 作为编程脉冲输入端 引脚 程序存储器允许输出控制端 在单片机访问外部程序存储器时 此引脚输出脉冲PSEN 负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号 此引脚接外部程序存储器的 OE 输出允许端 VPP引脚 功能为片内程序存储器选择控制端 当引脚为高电平时 单片机访问片EAEAEA 内程序存储器 但在 PC 值超过 0FFFH 时 即超出片内程序存储器的 4KB 地址范围时将自动转向执行外 部程序存储器内的程序 当引脚为低时 单片机只访问外部程序存储器 不论是否有内部程序存EA 储器 I O 口引脚 P0 P1 P2 P3 为四个 8 位 I O 口的外部引脚 P0 口 P1 口 P2 口 P3 口是 3 个 8 位准双向的 I O 口 各口线在片内均有固定的上拉电阻 当这 3 个准双向 I O 口作输入口使用 时 要向该口先写 1 另外准双向口 I O 口无高阻的 浮空 状态 由于单片机具有体积小 质量轻 价格便宜 耗电少等突出特点 所以本系统采用 89C51 单片机 硬件设计电路图如图 1 所示 89C51 内部有 4KB 的 EPROM 128 字节的 RAM 所以一般都要根据所需存 储容量的大小来扩展 ROM 和 RAM 本电路接高电平 没有扩展片外 ROM 和 RAM EA 2 2 传感器的选择 由于本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度 再转换为血液中的酒精含量浓度 故采用气敏传感 器 考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性 所以传感器只能对酒精气体敏感 对其他气体不敏感 故选用 MQ3 型气敏传感器 其有很高的灵敏度 良好的选择性 长期的使用寿命 和可靠的稳定性 MQ3 型气敏传感器由微型 Al2O3 陶瓷管和 SnO2 敏感层 测量电极和加热器构成的 敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内 加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件 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 0 5 200K 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 MQ3 型气敏传感器 酒精浓度测试仪设计 10 的结构和外形 标准回路 传感器阻值变化率与酒精浓度 外界温度的关系图如图 2 4 所示 为了使 测量的精度达到最高 误差最小 需要找到合适的温度 一般在测量前需将传感器预热 5 分钟 图 2 4 传感器电路 结构及关系图 2 32 3 A DA D 转换电路转换电路 在单片机应用系统中 被测量对象的有关变化量 如温度 压力 流量 速度等非电物理量 须 经传感器转换成连续变化的模拟电信号 电压或电流 这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在 单片机中用软件进行处理 实现模拟量转换成数字量的器件称为 A D 转换器 ADC A D 转换器大致分有三类 一是双积分 A D 转换器 优点是精度高 抗干扰性好 价格便宜 但 速度慢 二是逐次逼近式 A D 转换器 精度 速度 价格适中 三是并行 A D 转换器 速度快 价格 也昂贵 该设计中选用的是 ADC0809 属第二类 是 8 位 A D 转换器 每采集一次需 100 s 0809 具有 8 路 模拟信号输入端口 地址线 23 25 脚 可决定那一路模拟信号进行 A D 转换 22 脚为地址锁存控制 当输入为高电平时 对地址信号进行锁存 6 脚为测试控制 当输入一个 2 s 的高电平脉冲时 就开 始 A D 转换 7 引脚为 A D 转换结束标志 当 A D 转换结束时 7 脚输出高电平 9 脚为 A D 转换数据 输出允许端 当 OE 脚为高电平时 A D 转换数据输出 10 脚为 0809 的时钟输入端 榆林学院本科毕业设计 论文 11 2 3 12 3 1 ADC0809ADC0809 的引脚及功能的引脚及功能 根据 A D 转换器的转换原理可将 A D 转换器分为两大类 一类是直接型 A D 转换器 另一类是间 接型 A D 转换器 该设计中的 ADC0809 属于直接 A D 转换器中的逐次比较型 A D 转换器 逐次比较型 A D 转换器在精度 速度 和价格上都适中 是最常用的 A D 转换器件 芯片采用的是 ADC0809 以下 介绍 ADC0809 的引脚及功能 芯片如图 2 4 所示 图 2 4 ADC0809 的引脚 ADC0809 是一种逐次比较式 8 路模拟输入 8 位数字量输出的 A D 转换器 由图可见 ADC0809 共 有 28 个引脚 采用双列直插式封装 主要引脚功能如下 IN0 IN7 是 8 路模拟信号输入端 D0 D7 是 8 位数字量输入端 A B C 与 ALE 控制 8 路模拟通道的切换 A B C 分别与 3 根地址线或数据线相连 3 位编 码对应 8 个通道地址端口 C A B 000 111 分别对应 IN0 IN7 通道的地址 需要注意的是 ADC0809 虽然有 8 路模拟通道可以同时输入 8 路模拟信号 但每个瞬间只能换 1 路 各路之间的切换由软件改变 C A B 引脚上的代码来实现 OE START CLK 为控制信号端 OE 为输出允许端 START 为启动信号输入端 CLK 为时钟信号 输入端 VR 和 VR 为参考电压输入端 2 3 22 3 2 ADC0809ADC0809 的结构及转换原理的结构及转换原理 ADC0809 的结构框图如图 2 5 ADC0809 采用逐次比较的方法完成 A D 转换的 由单一的 5V 电源 供电 片内有锁存功能的 8 路选 1 的模拟开关 由 C B A 引脚的功能来决定所选的通道 0809 完成 酒精浓度测试仪设计 12 一次转换需 100 s 左右 输出具有 TTL 三态锁存缓冲器 可直接连接到 MCS 51 的数据总线上 通过适当的外接电路 0809 可对 0 5V 的模拟信号进行转换 2 42 4 LEDLED 显示电路显示电路 89C51 的 P3 0 P3 3 端口作为四位 LED 数码管显示控制 P3 5 端口用作单路显示 循环显示转换按 钮 P3 6 端口用作单路显示时选择通道 P0 端口作 0809 的 A D 转换数据读入用 P2 端口用作 0809 的 A D 转换控制 START CLK OEVR VR VCC GND EOC D0 D7 三态输 出锁存 器 8 位 A D 转换 器 地址锁 存与密 码 C B A ALE 8 路模 拟量开 关 IN7 IN0 图 2 5 ADC0809 的结构框图 2 4 12 4 1 LEDLED 显示器的结构显示器的结构 LED 显示器是由发光二极管构成的 常用的 LED 显示器为 8 段 或 7 段 8 段比 7 段多了 1 个小数 点 dp 段 每一个段对应 1 个发光二极管 为了使 LED 显示器显示不同的符号或数字 就要把不同 段的发光二极管点亮 这样就要为 LED 显示器提供代码 因为这些代码可使 LED 相应的段发光 从而 显示不同字型 因此该代码称之为段码 或称之为字型码 7 段发光二极管 再加上 1 个小数点位 共计 8 段 因此提供给 LED 显示器的段码正好是 1B 表 2 1 各段与字节中各位对应个关系 代码位D7D6D5D4D3D2D1D0 榆林学院本科毕业设计 论文 13 显示段dpgfedcba 由 N 个 LED 显示块可拼成 N 位的 LED 显示器 图 2 6 是 4 位的 LED 显示器的结构原理图 位选线 dp g b adp g b adp g b adp g b a 段码线 图 2 6 4 位 LED 显示器的构成 N 个 LED 显示块由 N 位位选线和 8 N 根段码线 段码线控制显示字符的字型 而位选线为各个 LED 显示块中各段的公共端 它控制该 LED 显示位的亮或暗 2 4 22 4 2 LEDLED 显示器的工作原理显示器的工作原理 LED 显示器有静态显示和动态显示 2 种显示方式 静态显示电路中 各位可独立显示 只要在该 位的段码线上保持段码电平 该位就能保持相应的显示字符 由于各位分别由 1 个 8 位的数据输出口 控制段码线 故在同一时间里 每一位显示的字符可以不相同 这种显示方式虽然接口编程容易 但 付出的代价是占用口线较多 若用 I O 口线接口 则要占用 4 个 8 位 I O 口 若用锁存器接口 则要 用 4 片 74L373 芯片 如果显示的位数增多 则需要增加锁存器 因此在显示位较多的情况下 一般都 采用动态显示方式 该设计中采用的就是 LED 动态显示方式 原理如下 在多位 LED 显示时 为简化硬件电路 通常将所有位的段码线相应段并联在一起 由 1 个 8 位 I O 口控制 形成段码线的多路复用 而各位的共阳极或共阴极分别由相应的 I O 线控制 形成各位的 分时选通 由于各位的段码线并联 8 位 I O 口输出的段码对各个显示位来说是相同的 因此 在同 一时刻 如果各位位选线都处于选通状态的话 4 位 LED 将显示相同的字符 若要各位 LED 能够同时 显示出与本位相应的显示字符 就必须采用动态显示方式 即在某一时刻 只让某一位的位选线处于 选通状态 而其他各位的位选线处于关闭状态 同时 段码线上输出相应位要显示的字符的段码 这 酒精浓度测试仪设计 14 样 在同一时刻 4 位 LED 中只有选通的那一位显示出字符 而其他 3 位则是熄灭的 同样 在下一时 刻 只让下一位的位选线处于选通状态 而其他各位的位选线处于关闭状态 在段码线上输出将要显 示字符的段码 则同一时刻 只有选通位显示出相应的字符 而其他各位则是熄灭的 如此循环下去 就可以使各位显示出将要显示的字符 虽然这些字符是在不同时刻出现的 而在同一时刻 只有一位 显示 其他各位熄灭 但由于 LED 显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用 只要每位显示间隔足够短 则可以造成多为同时亮的假象 达到同时显示的效果 4 位 8 段 LED 动态显示电路如图 2 7 所示 8888a dpa dp 段码线 8 位 I O 位选线 4 位 I O a dp 图 2 7 4 位 8 段 LED 动态显示电 该设计中采用了 4 位 LED 显示 如图 2 1 数字电压表硬件设计电路图所示 第一个显示通道位 第二个显示所测电压的个位数值 第二和第三个显示小数位数值 精确度为 0 01V 3 硬件系统的组成 2 1 单片机开发流程单片机开发流程 1 可行性调研 可行性调研的目的 是分析完成这个项目的可能性 进行这方面的工作 可参 考国内外有关资料 看是否有人进行过类似的工作 如果有 则可分析他人是如何进行这方面工作的 有什么有点和缺点 有什么值得借鉴的 如果没有 则需要作进一步的调研 此时的重点应放在能否 实现这个环节 首先从理论上进行分析 探讨实现的可能性 所需求的客观条件是否具备 然后结合 实际情况 再决定能否立项的问题 2 系统总体方案的设计 在进行可行性调研后 如果可以立项 下一步工作就是系统总体方案 的设计 工作的重点应放在该项目的技术难度上 此时可参考这一方面更详细 更具体的资料 根据 系统的不同部分和要实现的功能 参考国内外同类产品的性能 提出合理而可行的技术指标 编写出 设计任务书 从而完成系统总体方案设计 3 设计方案细化 确定软硬件功能 一旦总体方案确定下来 下一步的工作就是将该项目细化 即需明确哪些部分用硬件来完成 哪些部分用软件来完成 由于硬件结构与软件方案会相互影响 因 此 从简化电路结构 降低成本 减少故障率 提高系统的灵活性与通用性方面考虑 提倡软件能实 榆林学院本科毕业设计 论文 15 现的功能尽可能由软件来完成 但也应考虑软件代硬件的实质是以降低系统的实时性 增加处理进行 为代价的 而且软件设计费用 研制周期也将增加 因此系统的软硬件功能分配应根据系统的要求及 实际情况而合理安排 统一考虑 在确定软硬件功能的基础上 设计者的工作就开始涉及到具体的问 题 如仪器的体积及与具体技术指标相对应的硬件实现方案 软件的总体规划等 在确定人员分工 安排工作进度 规定接口参数后 就比须考虑硬件软件的具体问题了 4 一个单片机应用系统经过调研 总体设计 硬件软件设计 制版 元件安装后 在系统的程 序存储器中放入编制好的应用程序 系统即可运行 但一次性成功的几乎是不是不可能的 由于单片 机在执行程序时人工是无法控制的 为了能够调试程序 检查硬件 软件运行情况 这就需要借助某 种开发工具模拟用户实际的单片机 并且能随时观察运行的中间过程而不改变运行中有的数据性能和 结果 从而进行模拟现场的真实调试 2 2 硬件系统框图硬件系统框图 基于 AT89S51 单片机用 MQ 3 型气体传感器实现酒精气体浓度的检测 需要信号采集模块用于对 酒精浓度信号的采集 该信号是通过 MQ 3 气体传感器和负载电压得到分压电信号 信号转换模块用 来把采集到得模拟电压信号转换位可以用单片机处理的数字信号 数码管显示模块是对单片机处理后 的数字信号的显示 用来显示酒精的浓度 报警模块是对设定值提供报警功能 该功能用发光二极管 显示 根据各功能模块的设计 可得到它的系统总框图 如图 1 所示 酒精 气敏传感器 LM3914 发光二极管 ADC0809 单片机 数码管 图 1 系统总框图 酒精浓度测试仪设计 16 2 3 信号采集信号采集电路电路 2 3 1 气体传感器的选择气体传感器的选择 根据被检测气体的不同 气敏传感器可分为以下三类 1 可燃性气体气敏传感器 目前该类气敏传感器需求量最大 包含各种无机和有机类气体检测 主要用于抽油烟机 泄露报警器和空气清新剂等方面 并已经形成生产规模 在油田 矿区 化工 企业及家庭等生产和生活领域广泛用作气体泄露报普 特别是用于家庭气体泄露报警 需求量不断增 加 使该类传感器有着广泛的发展空间 2 CO 和 H2气敏传感器 CO 气敏元件可用于工业生产 环保 汽车 家庭等 CO 泄露和不完 全燃烧检测报警 H2气敏元件除应用于工业等领域外 主要用于家庭管道煤气泄露报警 由于我国管 道煤气中 H2含量很高 而氢敏元件较氧化碳元件价格低 灵敏度高 因此 用氢敏元件做城市管道煤 气泄露报警更为适宜 3 毒性气体传感器 毒性气体传感器又称为环境有毒有害气体传感器 主要用于检测烟气 尾 气 废气等环境污染气体 虽然 SnO2气敏传感器对 CO H2S 等有毒有害 气体敏感 但应用最多的仍是电解式化学传感器 传感器的分类方式有很多种 以上是根据被检测气体的性质进行的分类 也有根据元件的物理特 性进行分类的 一个新型的气体检测系统应该包括 1 基于一种或几种传感技术的气体传感器 2 组合了气体传感器和采样调理电路的探头 3 配有人机接口软件的中心监测和控制系统 4 在一些应用中 与其它安全系统和仪器的接口 本设计中的酒精气体传感器采用河南汉威电子有限公司的 MQ 3 型 它属于 MQ 系列气敏元件的一 种 如图 2 所示 图 2 MQ 3 特点 检测范围为 10ppm 2000ppm 灵敏度高 输出信号为伏特级 响应速度快 小于 10 秒 功耗小于 0 75W 尺寸 D17 H10 MQ 3 型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物 二氧化锡 的 N 型半导体微晶烧结层构成 当 其表面吸附有被测气体酒精分子时 表面导电电子比例就会发生变化 从而其表面电阻会随着被测气 体浓度的变化而变化 由于这种变化是可逆的 所以能重复使用 MQ 3 的灵敏度特性曲线如 图 3 所示 榆林学院本科毕业设计 论文 17 图 3 MQ 3 灵敏度特性曲线 检测电路如图 4 所示 当电源开关 S 断开时 传感器加热电流为零 实测 A B 之间电阻大于 20M S 接通 则 f f 之间电流由开始时 155mA 降至 153mA 而稳定 加热开始几秒钟后 A B 之间 电阻迅速下降至 10K 以下 然后又逐渐上升至 120K 以上后并保持着 此时如果将酒精溶液样品靠 近 MQ 3 传感器 我们立即可以看到数字万用表显示值马上由原来大于 120K 降至 10K 以下 移开 小瓶过 1 分钟左右后 A B 之间电阻恢复至大于 120K 这种反应可以重复试验 但要注意使空气 恢复到洁净状态 经实验的反复检测 MQ 3 传感器可以正常工作使用 对不同浓度的酒精溶液有不 同的变化 响应时间和恢复时间都正常 可以开始作信号采样模块电路的设计 图 4 MQ 3 检测电路 酒精浓度测试仪设计 18 2 3 2 信号采样电路信号采样电路 信号的采样模块电路如图 5 所示 MQ 3 的加热电阻两端即 H 引脚接至 5V 直流稳压电源 用于 电阻丝对敏感体电阻的加热 MQ 3 的两个 A 引脚相连 作为敏感体电阻的一个电极 MQ 3 的两个 B 引脚也连接在一起 作为敏感体电阻的另一个电极 将电极断 A 接到电源正极 电极端 B 接两个 270 并联的电阻 MQ 3 型气敏传感器与电位器串联构成分压电路 采样点为电位器的分压 MQ 3 型气敏传感器的 敏感部分是由金属氧化物 SnO2的 N 型半导体微晶烧结层构成 当其表面吸附有被测气体酒精分子时 表面导电电子比例就会发生变化 从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化 由于这种变化 是可逆的 所以能重复使用 当气敏传感器的敏感体电阻阻值发生改变时 对应的电位器的分压值也 会发生相应的变化 即一个电压值对应着一个被测酒精气体浓度 对酒精气体浓度的采样就可以转化 为对电位器分压的采样 在采样硬件电路中实际要考虑到 MQ 3 的实际技术参数 即加热电阻和敏感体电阻的大小 该部 分应与电源正极相连 负载电阻要根据 MQ 3 实际的技术参数而选择阻值合适的电阻 应为实验所用 的 MQ 3 在预热 5 到 10 分钟后 它的敏感体电阻只有 120K 所以负载电阻选用两个 270 并联 构 成采样部分的分压电阻 图 5 采样模块 榆林学院本科毕业设计 论文 19 2 4 信号转换信号转换电路电路 单片微机是单片微型计算机的译名简称 在国内也常称为 单片微机 或 单片机 它包括中央 处理器 CPU 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 中断系统 定时器 计数器 串行口和 I O 口等等 现在 单片微机已不仅指单片计算机 还包括微计算机 微处理器 微控制器和嵌入式控制器 单片 微机已是它们的俗称 8 AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗 高性能 CMOS8 位单片机 片内含 4K 的可系统编 程的 Flash 只读程序存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 8051 指令系统及引脚 它集 Flash 程序存储器 既可在线编程也可以用传统方法进行编程及通用 8 位 微处理器于单片芯片中 可灵活应用于各种控制领域 AT89S51 提供以下标准功能 4KBFlash 闪存存 储器 128B 内部 RAM 32 个 I O 口线 看门狗 两个数据指针 两个 16 位定时 计数器 一个 5 向 量两级中断结构 一个全双工串行通信口 片内振荡器及时钟电路 根据实际需要 本次设计选用的是以 8051 为核心单元 Atmel 公司的低耗 AT89S51 单片机 AT89S51 芯片有 40 条引脚 采用双列直插式封装 如图 6 所示 下面说明各引脚功能 图 6 AT89S51 芯片管脚 VCC 运行和程序校验时接电源正端 GND 接地 XTAL1 输入到单片机内部振荡器的反相放大器 XTAL2 反相放大器的输出 输入到内部时钟发生器 酒精浓度测试仪设计 20 P0 口 8 位漏极开路的 使用片外存储器时 作低八位地址和数据分时复用 能驱动 8 个 LSTTL 上 拉电阻 P1 口 8 位 准双向 I O 口 P2 口 8 位 准双向 I O 口 当使用片外存储器 ROM 及 RAM 时 输出高 8 位地址 可以驱动 4 个 LSTTL 负载 P3 口 8 位 准双向 I O 口 具有内部上拉电路 提供各种替代功能 P3 0 RXD 串行口输入口 P3 1 TXD 串行口输出口 P3 2 外部中断 0 输入 P3 3 外部中断 1 输入 P3 4 INT0INT1 T0 定时器 计数器 0 的外部输入 P3 5 T1 定时器 计数器 1 的外部输入 P3 6 低电平有效 WR 输出 片外存储器写选通 P3 7 低电平有效 输出 片外存储器读选通 RD RST 复位输入信号 高电平有效 在振荡器工作时 在 RST 上作用两个机器周期以上的高电平 将 器件复位 VCC 片外程序存储器访问允许信号 低电平有效 高电平时选择片内程序存储器 低电平时程序 EA 存储器全部在片外而不管片内是否有程序存储器 ALE PROG 地址锁存允许信号 输出 ALE 以 1 6 的振荡频率固定速率输出 可作为对外输出的时 钟或用作外部定时脉冲 单片机最小系统的设计包括电源 晶振和复位电路三个部分 这是使单片机正常工作的必要外围电路 部分 针对不同型号的单片机在最小系统设计上会有一些差别 对于选用的 AT89S51 单片机 根据美 国 ATMEL 公司提供的技术资料 可以对它的最小系统作恰当的设计 如图 8 所示 9 对于电源部分 技术资料中性能参数里给出的标准工作电压是 4 0 5 5V 因此 单片机的引脚 40 对应的 VCC 接到 5V 电源的正极 引脚 10 对应的 GND 接到 5V 电源的接地端 为 AT89S51 单片 机提供正常的工作电压 对于晶振部分 AT89S51 单片机中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器 引脚 19 对 应的 XTAL1 和 18 对应的 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端 这个放大器与作为反馈元件的 片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器 如图 8 所示 石英晶体及电容 C1 和 C2 接在放大器 的反馈回路中构成并联谐振电路 石英晶体的两端分别接到引脚 XTAL1 和引脚 XTAL2 同时石英晶 体的两端分别接一个电容 C1 和 C2 电容的另一端接地 对于外接电容 C1 和 C2 的大小虽然没有十分 严格的要求 但电容容量的大小还是会对振荡频率的高低 振荡器工作的稳定性 起振的难易程度和 温度稳定性带来一定的影响 根据技术资料的推荐 使用石英晶体推荐电容容量为 30pF 10pF 使用 陶瓷谐振器推荐电容容量为 40pF 10pF 因为电路中接的是石英晶体 所以设计中接的两个电容 C1 和 C2 的容量都为 33pF 对于复位电路部分 AT89S51 技术资料给出 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上 的高电平将使单片机复位 复位是单片机的初始化操作 当由于程序运行出错或操作错误使系统处于 死锁状态时 为了摆脱困境 可以按复位键以重新启动 所以复位电路的设计很有必要 复位操作有 上电自动复位 按键电平复位和外部脉冲复位三种方式 本设计选用按键电平复位方式 如图 7 所示 10 F 的电容 C3 与 270 的电阻并联后再与一个 10K 的电阻串联 电容的正极端接到电源的正极 电容的另一端接至引脚 RST 设计中选用的石英晶体大小为 11 0952MHz 但复位键按下后 电容和电 阻选用的参数值能够保证给复位端 RST 提供大于 2 个机器周期的高电平复位信号 10 榆林学院本科毕业设计 论文 21 图 7 AT89S51 单片机最小系统设计电路 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D 转换器 内部结构如图 8 所示 它由 8 路模拟开关 地址锁存与译码器 比较器 8 位开关树型 A D 转换器 逐次逼近寄存器 三态输出锁存器等其它一 些电路组成 因此 ADC0809 可处理 8 路模拟量输入 且有三态输出能力 既可与各种微处理器相连 也可单独工作 输入输出与 TTL 兼容 图 8 ADC0809 内部结构 ADC0809 芯片有 28 条引脚 采用双列直插式封装 如图 9 所示 下面说明各引脚功能 酒精浓度测试仪设计 22 图 9 ADC0809 芯片 IN0 IN7 8 路模拟量输入端 2 1 2 8 8 位数字量输出端 ADDA ADDB ADDC 3 位地址输入线 用于选通 8 路模拟输入中的一路 如表 1 所示 ALE 地址锁存允许信号 输入 高电平有效 START A D 转换启动信号 输入 高电平有效 EOC A D 转换结束信号 输出 当 A D 转换结束时 此端输出一个高电平 转换期间一直为低 电平 OE 数据输出允许信号 输入 高电平有效 当 A D 转换结束时 此端输入一个高电平 才能 打开输出三态门 输出数字量 CLK 时钟脉冲输入端 要求时钟频率不高于 640KHZ REF REF 基准电压 Vcc 电源 单一 5V GND 地 ADC0809 的工作过程是 首先输入 3 位地址 并使 ALE 1 将地址存入地址锁存器中 此地址 经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位 下降沿启动 A D 转 换 之后 EOC 输出信号变低 指示转换正在进行 直到 A D 转换完成 EOC 变为高电平 指示 A D 转换结束 结果数据已存入锁存器 这个信号可用作中断申请 当 OE 输入高电平 时 输出三态门打 开 转换结果的数字量输出到数据总线上 当检测到酒精气味时 气体传感器的 A B 间电阻变小 则 ADC0809 的模拟输入端 IN0 的电压变 大 采用查询方式对输入模拟信号进行 A D 转换 然后将数据通过三位八段数码管显示 表 1 ADC0809 通道地址 榆林学院本科毕业设计 论文 23 ADDC ADDB ADDA 选通通道 0 0 0IN0 0 0 1IN1 0 1 0IN2 0 1 1IN3 1 0 0IN4 1 0 1IN5 1 1 0IN6 1 1 1IN7 ADC0809 芯片内部没有时钟脉冲源 可以用单片机提供的地址锁存控制输入信号 ALE 经 D 触发 器二分频后 作为 ADC0809 的时钟输入 ALE 端信号的频率是单片机时钟频率的 1 6 单片机的时 钟频率是 11 0952MHz 则 ALE 端输出信号的频率为 1 8492MHz 再二分频后为 0 9246Hz 符合 ADC0809 对时钟频率的要求 由于 ADC0809 具有三态输出数据琐存器 其 8 位数据输出端可以直接 与数据总线相连 地址选通端 ADDA ADDB ADDC 分别与单片机地址总线的低三位 A0 A1 A2 相连 用于选通 IN0 IN7 中的某一通道 由于 ALE 和 START 连在一起 ADC0809 在锁存通道地址的 同时启动 A D 转换 在读取 A D 转换结果时 OE 产生的正脉冲信号用于打开三态输出锁存器 ADC0809 的 EOC 信号与单片机的 P3 3 相连 作为 A D 转换是否结束的状态信号供单片机查询 ADC0809 与 AT89S51