毕业论文基于单片机的酒后驾驶智能闭锁系统设计

1、本科毕业设计（论文）答辩材料 专业班级： 测控技术与仪器0703班 学 号： 070401078 学生姓名： 李本科 指导教师： 桑海峰 2011年 06月 基于单片机的酒后驾驶智能闭锁系统设计DESIGN OF INTELLIGENT LATCH-UP ANTI-DRINK DRIVING SYSTEM BASED ON SINGLE-CHIP 学 院：信息科学与工程学院专 业 班 级： 测控技术与仪器学 号： 070401078学 生 姓 名： 李本科指 导 教 师： 桑海峰 目 录摘要1Abstract2第1章 绪论41.1 课题的研究目的和意义.41.1.1 课题的研究目的41.1.2

2、 课题的研究意义51.2 国内外研究现状61.2.1 国外研究现状61.2.2 国内研究现状81.3 研究内容9第2章 总体方案设计102.1 设计思路102.2 系统方案设计102.2.1 酒精传感器的选型112.2.2单片机的选型122.2.3 模数转换芯片的选型.13第3章 系统硬件设计143.1 AT89系列微控制器的硬件结构特点143.1.1 AT89C52的主要技术性能特点153.2 模数转换芯片ADC0809的性能特点183.3 酒后驾驶闭锁系统硬件电路设计213.3.1 信号采集放大电路设计213.3.2 数码管显示电路设计223.3.3 报警电路设计253.3.4 继电器驱动

3、电路设计253.3.5 系统总体硬件电路图.26第4章 系统软件设计274.1主程序流程图274.2 源程序设计28第5章 系统软硬件调试315.1 51系列单片机软件开发及调试工具5.2硬件系统仿真工具5.2.1 仿真电路图及仿真结果.5.3硬件电路连接及程序下载.5.4系统软硬件合成调试.第6章 结论参考文献致谢沈阳工业大学本科生毕业设计(论文)摘要随着交通行业技术的发展，以及汽车保有量的增加，汽车给人类带来舒适和便捷的同时，也给人类带来了交通事故频发等交通安全隐患，如酒后驾驶、无照驾驶、违规驾驶等，严重威胁着人类生命和财产安全。随着我国公路运输业的发展，同其他国家相比，我国的道路交通安全

4、形式更为严峻，特别是由酒后驾车导致的交通事故发生率比较高。因此，从主动安全角度出发，禁止酒后驾驶人员启动汽车引擎，成为在车辆发生事故之前排除隐患的重要研究课题。 本文在研究国内外防止酒后驾驶技术的基础上，针对酒后驾车导致交通事故频发的事实，设计一种基于单片机的智能防酒后驾驶控制系统。系统先检测司机呼出气体酒精浓度，显示检测结果，并据此执行相应的控制。本次设计主要完成以下几个方面的工作： （1）根据该系统的实际目的和系统装置所使用的特定环境，选择燃料电池型酒精传感器作为检测驾驶员呼出气体酒精含量的工具； 采用合适的仪表放大器、单片机、显示模块、报警模块、继电器驱动模块设计硬件系统； （2）在 K

5、eil uvision3基础上编写完成系统的软件设计，并进行编译调试；（3）在proteus环境下对系统进行仿真（4）整合调试软硬件，并调试检验。 实验表明：酒精传感器模拟信号输出经 A/D 转换为数字信号被AT89系列单片机采集，据传感器输出电压与酒精浓度的对应关系式，系统软件能精确地将该电压信号换算成酒精浓度值，并将该值与电压值由数码管显示。酒精浓度超标时，报警模块启动并发出警告，主控制器控制继电器切断启动机电源，实现了本研究的设计目标和要求。基于 单片机的智能酒后驾驶闭锁系统工作性能稳定可靠，为交通安全提供了主动性防护保障，具有一定的实用价值。 关键词：汽车；酒后驾驶；智能闭锁；单片机

6、AbstractWith the development of transport industry and the increasing of cars, vehicle brings not only comfort and convenience for humanity, but also high frequency of traffic accidents and other safety problems, such as drunk driving, which seriously threaten to human life and property. With the de

7、velopment of Chinas road transport industry, compared with other countries, Chinas road security is more serious, particularly the incidence of traffic accidents caused by drunk driving is relatively so high. Therefore, to prohibit actively drunk-drivers from starting engine become necessary before

8、the event of vehicle accident. Based on preventing drink-driving technologies from home and abroad and microprocessor control unit, this paper designs an anti-drunk-driving system to prevent traffic accidents from occurring to the greatest extent. The system tests alcohol concentration in drivers ex

9、haled gas and displays the value. According to the result, the system adopts different control. The main content of this thesis is as following: (1) Select the fuel cell-type alcohol sensor testing the alcohol concentration in drivers breath according to system devices actual purpose and specific en

10、vironment the system used in. (2) Design the hardware systems, including appropriate instrumentation amplifier、 single-chip、LED display module、alarm module and relay driver module. Complete the software system under the Keil uvision3 .(3)TO emulate the system under the Proteus.(4) Integrate the soft

11、ware into the hardware that has been designed and actual test its performance. The experimental test demonstrates that alcohol sensors analog signal is converted to digital signal stored in register through A/D converting module.The system process the fuel cell-type alcohol sensor signal precisely b

12、ased on the corresponding relationship between sensor output voltage and alcohol concentration, which are then displayed on LED monitor. When he alcohol concentration exceeds, voice alarm module warns driver, the red light threatens corresponds to the relay, at the same time, and the host controller

13、 controls relay shutting down the vehicle engine power to avoid drunk driving actively, realizing this study quirements. Overall, the intelligent latch-up anti-drink driving system work excellently, can satisfy the security demands and the requests of this research. KEY WORDS: automobile, drunk driv

14、ing, intelligent latch-up, single-chip第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义1.1.1 课题研究的目的 近年来随着经济迅速发展，人们的生活水平日益提高，私家车也越来越多，各种应酬随之而来，“酒”这东西贴近了我们的生活。而酒后驾车也频频发生，给人们的生活和生命安全带来了巨大的伤害。据德国一家调研机构预测，全球汽车（包括个人用车和商用车）保有量最迟到 2010 年将突破 10 亿量1。随着汽车保有量的增加，交通事故也在不断的增加，全世界每年约有 120 万人死于道路交通事故，受伤者多达 5000 万人，同时全球道路交通事故每年造成的直接经济损失为 5180

15、亿美元，可见道路交通安全问题已成为全球性的主题2-3。随着汽车使用量的增加和道路交通事业的发展，也给社会带来了负面影响，其中道理交通事故就是其中之一4。目前我国汽车保有量约占世界的 2%，但交通事故死亡人数却占 15%左右 ，同发达国家相比，我国的道路交通安全形式严峻5-6。截至到 2008 年，虽然我国加强了预防交通事故的措施，但是交通事故数量还是相当惊人（如表 1所示）7。表 1 2004-2008 期间全国交通事故起数和死亡人数年份交通事故起数（起）死亡人数（人）200451789910707720054502549873820063787818945520073272098164920

16、0826556573990据世界卫生组织的事故调查显示，大约50%-60%的交通事故与酒后驾驶有关。酒后驾驶已经被世界卫生组织列为车祸致死的首要原因。在我国，母国勇分析了我国2000 年交通事故原因，明显指出驾驶员是造成交通事故的主要原因（如表 2）8。牟建霖指出我国机动车驾驶员酒后驾车约占 20%，每年因酒后驾车发生交通事故死亡人数超过 5000 人9。赵卫兴，高岩等人分析了 19942004 年酒后驾驶死亡人数占交通事故总死亡人数的比例，指出该比例从1994年的2%上升到2004年的4.4%，平均每年以7.3%的速度增长，可见酒后驾车的危害触目惊心，已经成为引发交通事故的罪魁祸首10。表

17、2 2000 年道路交通事故原因分析 项目机动车原因机动车驾驶员非机动车驾驶员行人、乘车人道路其它事故（%）4.9483.722.983.250.144.97死亡（%）5.0667.204.316.830.1516.44为了能够有效的防止酒后驾驶造成的此类危害，研究一种酒后驾驶智能闭锁系统是非常必要的，从而能够强制性防止酒后驾车，降低交通事故的发生率。对于酒后驾车这种现象，张玮指出虽然各个国家都对酒后驾车执行了严格的规定11-13，但是还有很多人不能严格遵守这个规定，酒后驾车事件还是很频繁，因此研究这种能够自动防止酒后驾车的装置更为必要。本研究设计的智能闭锁系统，能够通过高敏度的呼气式酒精传感

18、器，通过检测司机呼出气体的酒精含量当检测到司机呼出气体内酒精含量超标时，能够阻止驾驶员开启汽车引擎，使汽车无法启动，同时语音报警，提醒驾驶员“注意安全，不要酒后驾车”，从而有效减少交通事故的发生，提高我国道理安全水平，更好地保障我们的交通秩序，保护人们的出行安全，构建和谐的交通环境。1.1.2 课题研究的意义 据来自某国际组织的一项统计数据显示：每33分钟就会有一人死于与饮酒有关的交通事故。尽管有大多数人认为酒后驾车酿成的交通事故永远不可能发生在自己的身上，但专家的统计结果证明：在每个人的一生中卷入与喝酒有关的交通事故的可能性为30%。显而易见，饮酒与开车是多么可怕的致命结合，正是由于酒后开车

19、这个“罪魁祸首”使得一幕幕本不该发生的惨剧接连上演，造成一个个幸福美满的家庭支离破碎。虽然我国现行法律规定对酒后驾车造成重大伤亡事故的肇事者，追究其刑事责任，但是对没有造成重大伤亡事故的酒后驾车者的惩罚比较低，最多也只是拘留15天处罚 9,14。由于这种轻微的处罚根本不足以引起驾驶员的重视，因此酒后驾车者还是比较多。酒精在人体血液内达到一定浓度时，人对外界的反应能力及控制能力就会下降，尤其是处理紧急情况的能力下降。驾驶员血液中酒精含量越高，发生撞车意外的机会越高。根据来自4538位新浪网友的调查显示，有81.29%的被调查者同意酒后驾驶属于违法行为，但在被问及是否有过酒后驾驶行为时，仅有20.

20、63%的被调查者从未有过酒后驾车的行为。在被问及酒后驾驶人员存在何种心理时，有39.84%的被调查者认为酒后驾驶人员过高的相信自己的驾驶技术，27.35%的被调查者认为酒后驾驶人员的安全意识不强。另外，有18.97%的被调查者认为酒后驾驶人员存在侥幸心理。针对这种现象，很有必要研究一种专门协助司机安全驾驶的辅助工具，即防酒后驾驶的智能闭锁装置，能够适时提醒司机安全驾驶，更避免了因盲目自信而导致的交通事故，创造人类的美好生活和社会的和谐。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状 针对司机酒后驾车事故频繁的现象，国外最早开始研发针对酒后驾驶的酒精测试仪。1957 年 1 月 23 日，世界上

21、第一台醉酒呼吸分析仪在瑞典首次投入使用，它可以当场直接测试。它能检测出司机呼出气体中的酒精含量，并将这一结果显示于仪器的显示屏上。交警据此判断该司机是否酒后驾驶。目前，英国、澳大利亚、比利时、法国、荷兰、新西兰、西班牙、瑞典等欧洲国家，普遍采用的办法是在交通事故现场，交警随身携带呼气式酒精测试仪，对司机呼出气体中的酒精含量进行快速检测，根据检测结果进行事故处理并给予驾驶员一定的惩罚。 为了能够协助驾驶员主动测试是否酒后驾驶，国外许多国家先后研究了用于汽车上的不同酒后测试办法。 英国布里斯托尔大学生理学家霍尔瓦特设计了一种高智能座驾，其上装有一套名为“个人警察”的监察系统，由红外线摄像机、感应器

22、和带有电脑分析功能的“小黑箱”组成。通过“小黑箱”摄像机录制的司机眼球活动情况以及感应器侦察到的方向盘扭转动作集中起来进行分析，从分析方向盘转动情况仪器中获得的信息与从扫描司机瞳孔移动装置获得的信息发生联系并进行比较，通过这一对照完全可以确定司机是否头脑清醒。根据司机审视行车方向长短，判定司机的醉酒程度。 意大利主要方法是在车上配备酒精检测 MEMS 传感器，将 MEMS 传感器置于方向盘的中间位置，酒精检测 MEMS 传感器将元件植入在直径 8mm 的密封外壳内、连同信号处理电路等一起嵌入方向盘内，通过该传感器检测驾驶员呼出气体的酒精含量。 瑞典绅宝用附带酒精检测功能的钥匙组件“Alcoke

23、y”，在汽车遥控器内部嵌入小型酒精测试器，当司机按下遥控车钥匙的时候，该探测器就会同时开始工作。检测司机饮酒度的方法是：司机必须向测酒钥匙的底部呼气检测呼气酒精含量。 最近瑞典豪华品牌沃尔沃汽车公司推出车载酒精检测系统，它通过一个无线手持设备检测驾驶者呼出空气中的酒精含量，从而判断驾驶者血液中的酒精浓度。而日产的反酒后驾驶控制系统命名为 Carwings 的车载蓝牙综合安全系统，该套系统主要是把酒精测试声纳安置在变档器上，可以通过对眨眼情况探测分析出司机清醒状态的面部识别系统，以及对驾驶情形进行探测分析，系统可以做出感应14，44，45。日本汽车业巨头丰田将研制一种装在机动车辆上的防酒后驾驶系

24、统。英国通过车载“个人警察”的监控系统，根据司机审视行车方向的长短，从而来判断司机的醉酒程度，来判断是否发出报警信号或使汽车无法启动。意大利通过置于方向盘内的 MEMS 酒精传感器检测驾驶员呼出气体酒精浓度，当检测其超过安全驾驶标准时，使汽车无法启动。瑞典绅宝主要方法是利用带有酒精检测功能的钥匙组件“Alcokey”，当司机按下遥控车钥匙时，该探测器就开始工作，司机必须向测酒钥匙底部呼气，当检测到呼气酒精含量超标时，无法向车辆控制组件发出解除警报信号，从而使汽车无法启动。沃尔沃的车载酒精检测系统，是把该检测系统的结果通过无线传感技术传给汽车的电子控制系统单元，当酒精含量超过系统中的设定值的上线

25、，该系统将阻止启动动机。而日产的防酒后驾驶控制系统通过变档器上的探测声纳探测司机手上的汗液中含有酒精，便会自动上锁，并通过车内的声音报警发出“酒后驾车”的声音提示，该系统还可以通过对司机的脸部活动和行车状况探测出司机是否酒后驾车，并会发出报警声，并自动收紧安全带，同时导航系统中显示“不要酒后驾车”信息。1.2.2国内研究现状 我国对于这方面的研究比较少，香港一家公司发明了一种名为 iKEY 的车钥匙，能够有效而方便地防止醉酒驾驶。这种钥匙将感应器、远程信息处理等技术整合在车钥匙上，从外观看，它比正常的车钥匙多了一条锁棒。使用时，司机要先按 iKEY 上的开始按钮，绿色准备灯亮了之后，对着气孔吹

26、气约两秒钟。当呼出气体的酒精含量低于规定值时，它会立即开锁，把锁棒收起来，车钥匙便能顺利插入钥匙孔，启动引擎。否则，钥匙将亮起红灯，锁棒便不能收起来，汽车将无法启动。 目前，国家交通技术领域正在开发研究驾驶行为监控预警技术和装备，研究内容：驾驶状态及车辆运行状态与环境实时检测技术，异常驾驶状态实时识别技术，驾驶意图、行为预测及违规操作判别技术，危险驾驶行为的预警方法与技术，驾驶行为监控预警系统集成技术。研究目的：通过研发异常驾驶状态、违规操作、不良驾驶习惯等检测预警系统与装置，形成驾驶人行为的实时监控技术，为有效减少道路交通事故提供技术支撑，从而开发适用于驾驶行为监控系统原型样机，并将通过实车

27、实验验证。虽然目前隧道窑生产过程的自动化己经取得了长足的进步，但是限于现有的技术和工艺水平，并没有真正实现隧道窑生产的全过程自动化。随着自动控制技术的不断进步，隧道窑生产工艺的不断改进，隧道窑自动控制系统将更加完善，体现隧道窑特性的温度制度和压力制度将实现智能优化控制，控制系统将具有更高的精度、更快的速度以及更强的抗干扰性能。例如，窑炉监控系统能够根据己经设定的烧成制度，对窑内发生的各种变化自动进行调控。当系统当前状态发生变化时，控制系统将驱动执行机构对相应参数做出调整。隧道窑的辅助过程也将进一步实现自动化、一体化。例如，隧道窑的进车、出车、窑门升降按预先设定的程序自动完成，在无人干预的情况下

28、，窑车能在回车线上顺利完成码坯，砖坯转运，卸砖，返回等作业。利用电子计算机技术实现全过程自动化控制的隧道窑可以准确、及时、灵敏地凋整各项热工参数，减少对操作经验的依赖，降低操作人员的劳动强度;提高窑炉运行稳定性，进一步改善产品的质量，增加产品的产量;并且进一步降低能耗，减少能源浪费。1.3研究内容本课题主要研究一种能自动防止司机酒后驾驶的智能闭锁系统，本研究主要采用中档芯片作为该智能闭锁系统的核心，通过呼气式酒精传感器测试司机呼出气体的酒精含量，并且能够通过液晶显示器显示该酒精含量值，当司机体内血液酒精含量超过安全驾驶标准时，能够报警，并通过继电器切断汽车引擎的电源，使汽车无法启动。 本研究主

29、要包括以下几个方面的内容： （1）设计智能闭锁系统的功能、结构组成以及控制系统中的功能模块； （2）认真学习 AT89C52芯片的特性和功能，设计自动控制系统的硬件电路。以AT89C52为核心，功能模块划分为酒精传感器酒精浓度信号采集放大电路、AT89C52 微控制器接口电路、报警电路、酒精浓度显示电路、继电器接口电路等 ；（3）软件编程。按照软件实现的功能，分为酒精传感器模拟输出电压线性化处理、气体浓度显示、报警、继电器驱动子程序等； （4）硬软件结合调试。 第2章 总体方案设计2.1 设计思路本研究设计的酒后驾驶智能闭锁系统，采用燃料电池型酒精传感器，通过该酒精传感器检测驾驶员呼出气体的酒

30、精含量，判断是否超过安全驾驶标准，而且要求通过硬件系统处理，能够显示该酒精浓度，使驾驶员能够清楚的看到已经饮酒过度，所以需要选择一种显示仪器来显示驾驶员呼出气体酒精浓度值，基于这种要求，本次设计选用LED显示模块。为了能够警示驾驶员不要酒后驾驶，本系统中需要设计一种报警系统，能够在驾驶员欲酒后驾驶时，发出警告提示。该智能闭锁系统的最主要功能是为了当检测到司机呼出气体内酒精浓度超标时，能够自动切断汽车引擎电源，所以需要一种执行机构能够自动的切断汽车引擎电源，本次设计选用继电器来达到这个目的，通过继电器的动作来控制汽车引擎电源是否开启。通过选用本方案中的元件，该智能闭锁系统能够通过快速检测驾驶员呼

31、出气体的酒精浓度是否超标，通过单片机的放大、采集处理检测驾驶员呼出气体酒精含量是否超标，当检测到驾驶员饮酒过度时，能够显示酒精浓度值和报警提示不要酒后驾车，并快速切断汽车引擎电源，停止启动发动机。2.2 系统方案设计基于以上的构思，设计了基于单片机的酒后驾驶智能闭锁系统的系统框图，如下图所示：AT89C52单片机LED显示ADC0809酒精传感器放大器 数字量警告提示 控制转换电源供电驱动继电器汽车引擎电源系统硬件原理框图下面对该系统做下简单的介绍： 本系统主要由电源模块、酒精传感器、AT89系列单片机、模数转换模块、LED显示模块、报警模块、继电器驱动模块等组成，其主要任务是采集酒精传感器的

32、输出电压信号，放大后经过ADC0809模数转换和AT89C52单片机处理，当检测到酒精浓度超过标定值时，能够通过LED显示传感器的输出电压值，并通过报警模块和驱动继电器动作，切断汽车引擎电源。2.2.1酒精传感器的选型随着科学的发展，酒精传感器的种类越来越多，目前来说对气体中酒精含量进行检测的设备主要有以下几种类型：燃料电池型（电化学型）、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型60-61。下面主要介绍半导体型和燃料电池型酒精传感器。半导体型采用氧化锡半导体作为传感器，这类半导体器件具有气敏特性，当接触的气体中其敏感的气体浓度增加，它对外呈现的电阻值就降低，半导体型呼气式酒精测试仪就是利用这

33、个原理做成的。这种半导体在不同工作温度时，对不同气体敏感程度是不同的，因此对于半导体型呼气酒精测试仪中一般都采用加热元件，把传感器加热到一定的温度，在该温度下，该传感器对酒精具有最高的灵敏度61。但是由于半导体型酒精传感器感度低、不能精确计量、稳定性和重复性差、以及功耗大62-63，所以国外很少用其现场,实时检测司机是否酒后驾车。燃料电池型酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃料室内充满了特种催化剂，它能使进入燃料室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃料室内的气体的酒精浓度成正比。燃料电池型酒精传感器属于电化学类型，燃料电池是当前世界上广

34、泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染60，64，65，作为酒精传感器只是燃料电池的一个分支。燃料电池型酒精传感器的特点：测量精度高，可测范围宽。由于它只对酒精气体反应，所以任何其他非酒精气体测量时给结果带来的干扰都很小。另外，由于它对酒精气体极其敏感，只要把环境温度控制在规定的范围内，即使酒精浓度很低也能在其两极产生微弱的电压输出。由于燃料电池型酒精传感器具有稳定性好、精度高、抗干扰性好的明显优点66-68，可用来检测机动车驾驶人员是否饮酒和其它严禁酒后作业人员的现场检测，也可用在其它场所乙醇蒸汽的检测。但此酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度大，目前只有美国、英

35、国、德国等少数几个国家能够生产。 目前普遍使用的酒精传感器为半导体型和燃料电池型，这两种酒精传感器易于制造成便捷型呼气式酒精测试器，适用于现场使用。国内普遍使用半导体型酒精测试仪，因为它的主要优点是价格低廉，只是燃料电池型的几分之一，但是它的性能远比燃料电池的要差，所以它通常用在要求不高的场合，如自我检测或一般性定性检测60。但是对于应用在汽车领域，主要用来精确测量人体呼出气体酒精含量的检测，应该需要完全符合GA307-2001标准的燃料电池型酒精传感器，确保对人体呼出酒精气体进行实时、精确定量检测。基于本次设计要求和使用环境、成本等方面的考虑，本次课题选用燃料电池型酒精传感器。 燃料电池型酒

36、精传感器的消耗电流小，并且通电初期的稳定时间短，其电路部分仅需要电池就可以满足供电需要，比半导体传感器的精度高、灵敏度高、性能稳定、抗干扰性强，适宜用在检验人体呼出气体的酒精含量中。2.2.2单片机的选型随着信息技术的高速发展，如今越来越多的电子产品向智能化、微型化、低功耗方向发展，越来越多的产品需要实时控制和信号处理，要求电子设计技术需要有新的变革和飞跃，而以往的纯数字电路设计系统工作量大、灵活性差、系统可靠性差。单片机的设计系统克服了纯数字电路系统设计中存在的缺陷，使电子电路设计有了新的飞跃69。单片机将微处理器（CPU）、存储器（ROM 和 RAM 等）、输出/输入口（I/O）、定时/计

37、数器、中断系统等集成在一块集成电路芯片上，称之为单片微型计算机，简称单片机（MCU）。单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，单片机可以通过软件方法来实现。单片机从工业测控对象、环境、接口特点等出发，向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便的构成应用计算机系统界面接口的方向发展。其主要特点有品种多样，型号繁多，性能提高，容量扩大，低功耗，软件应用配套，具有系统扩展和配置等。主要应用领域包括:智能化家用电器、办公自动化设备、商业营销设备、工业自动化控制、智能化仪表、智能化通信产品、汽车电子产品、航空航天系统和高防军事、尖端武器等

38、领域70。目前最常用的是 AVR、MCS-51、PIC 系列单片机。51系列单片机的优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作的系统，称作位处理器，能够进行的位传送、置位、清零、测试、逻辑运算等，功能完备。51系列的另外一个优点是乘法和除法指令，给编程带来方便7Intel公司51系列的典型产品是8051，片内有4K字节的一次性程序存储器（OTP）。Atmel公司就将其改为电可改写的闪速存储器（Flash），容许改写1000次以上，这给编程和调试带来极大的便利，其产品AT89C51、AT89C52等成为了当今最流行的八位单片机。 PIC 系列单片机采用 Harvard 双总线结构，运行速

39、度快，指令流水线结构，程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理。但编程时分页比较麻烦，扩展能力比较弱。AVR是集合了PIC和51的优势的，指令周期比PIC还要快，性价比比PIC要高，FLASH在线编程比PIC方便，学AVR会感到它的结构跟PIC差不多，很多相似的，就是用C语言开发置位麻烦一点，位操作不如PIC和51方便，工业级也用的不广，多用于仪器、通信上。基于本设计要求的性价比以及所实现功能，选用Atmel公司的AT89C52单片机。2.2.3模数转换芯片的选型 AD转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。 下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、

40、并行比较型/串并行型。1）积分型（如TLC7135） 积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。 2）逐次比较型（如ADC0808/ADC0809）逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（12位）时价格很高

41、。 3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510） 并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。 串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度 又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级

42、型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路 规模比并行型小。 AD转换器的主要技术指标1）分辩率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 2） 转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比 较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率 (Sample Rat

43、e)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表 示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。 0809是一款8通道复用的8位AD转换器，数据获取的关键部分是它的8位模/数转换器。这个部分主要是由3部分组成：256R的阶梯网络，连续逼近的电阻，和比较器。连续逼近电阻（SAR）通过8次迭代去大约逼近输入电压，只要输出是几位，那么就需要几次迭代。SAR通过8组开关组和比较器完成获取输入电压对应参考电压的数字信号。基于本次设计的要求，选用ADC0809模数转换芯片。 第3章 系统

44、硬件设计3.1 AT89系列微控制器的硬件结构特点 AT89 系列单片机是 ATMEL公司的8 位Flash单片机系列 这个系列单片机的最大特点是在片内含有Flash存储器 因此, 在应用中有着十分广泛的前途, 特别是在便携式 省电及特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用 AT89 系列单片机是以 8051 核构成的, 所以, 它和8051 系列单片机是兼容的系列 这个系列对于以 8051 为基础的系统来说, 是十分容易进行取代和组成的 故而对于熟悉 8051 的用户来说, 用ATMEL公司的 89系列单片机进行取代8051 的系统设计是轻而易举的事。89 系列单片机的优点： (1)内部含 F

45、lash 存储器 在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改 这就大大缩短了系统的开发周期 同时 在系统工作过程中能有效地保存一些数据信息 即使外界电源损坏也不会影响到信息的保存。 (2)和 80C51插座兼容 89 系列单片机的引脚是和80C51 的引脚一样的 所以 当用 89系列单片机取代80C51 时 可以直接进行代换 这时 不管采用40引脚或是44 引脚的产品 只要用相同引脚的89系列单片机取代 80C51 的单片机即可。 (3)静态时钟方式 89 系列单片机采用静态时钟方式 所以可以节省电能 这对于降低便携式产品的功耗十分有用。 (4)错误编程亦无废品产生 一般的 OTP 产品 一

46、旦错误编程就成了废品 而 89 系列单片机内部采用了 Flash 存储器 所以 错误编程之后仍可以重新编程 直到正确为止 故不存在废品。 (5)可进行反复系统试验 用89 系列单片机设计的系统 可以反复进行系统试验 每次试验可以编入不同的程序 这样可以保证用户的系统设计达到最优 而且 随用户的需要和发展 还可以进行修改 使系统不断能追随用户的最新要求。 89系列单片机的内部结构 89系列单片机的内部结构和80C51 相近 主要含有如下一些部件： (1)8031 CPU (6)片内RAM (2)振荡电路 (7)并行 I O 接口 (3)总线控制部件 (8)定时器 (4)中断控制部件 (9)串行

47、I O 接口 (5)片内 Flash 存储器 (10)片内 EEPROM 在89 系列单片机中 AT89C1051 的 Flash 存储器容量最小 只有1 K 而 AT89S55 的Flash 存储器容量最大有20K 在这个系列中 结构最简单的是 AT89C1051 它内部不含串行接口;最复杂的是 AT89S8252 它内部不但含标准的串行接口 还含有一个串行外围接口 SPI Watchdog 定时器 双数据指针 EEPROM电源下降的中断恢复等功能和部件。 3.1.1 AT89C52的主要技术性能特点AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的F

48、lash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），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MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89C52的主要功能特性有：兼容MCS51指令系统，8k可反复擦写(1000次）Flash ROM ,32个双向I/O口，256x8bit内部RAM，3个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0-24MHz,2个串行中断,可编程UART串行通道, 2个外部中断源,共8个中断源,2个读写中断口线,3级加密位,低功耗空闲和掉电模式 ,软件设置睡眠

49、和唤醒功能。而在本次设计中只需要用到最基本的4个输入输出I/O口功能。通过汇编或是C语言编程，可以用指令对单片机的各输入输出进行控制，还可以进行各种基本运算。AT89C52单片机各引脚功能如下： PDIP封装的AT89C52引脚图P0 口P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指

50、令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。P2 口P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(I

51、IL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时，P2 口输出P2 锁存器的内容。Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。 P3 口P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。 P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第

52、二功能 P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作

53、。该位置位后，只有一条 MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。 PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则

54、执行内部程序存储器中的指令。 Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。 XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2振荡器反相放大器的输出端。特殊功能寄存器在AT89C52 片内存储器中，80H-FFH 共128 个单元为特殊功能寄存器（SFE），并非所有的地址都被定义，从80HFFH 共128 个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。不应将数据“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。 AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0 和定时/计数器1 外，还增加了一个定时/计数器2。定时/计数器2 的控制和状态位位于