酒精检测系统的设计

1、 酒精检测系统的设计说明书班级：机072-1姓名：隋星卫学号：200723502126目 录 一 传感器.3二 酒精检测系统硬件电路设计.3 1、课题要求.3 2、硬件总体设计思路介绍.4 3、硬件设计总体框架介绍.5 4、硬件电路主要器件的选择.55、气体传感器及放大电路介绍.56、模数转换器adc0809连接电路介绍.87、单片机at89c51功能及管脚简介.108、本课题1602lcd与单片机接口电路介绍.139、报警系统电路介绍.1610、系统其它电路简介.16三、酒精检测系统软件设计.171、主程序流程图及设计172、a/d转换流程图及设计18四、酒精检测系统的软硬件调试及测试过程1

2、9五 、参考文献.20六、附件21七、主程序代码22八、总结体会32一、传感器气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的传感器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。气体传感器是一种将气体成分、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。气体传感器一般被归为化学传感器。气体传感器包括：半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器等。本课题采用的传感器mq2是半导体气体传感器。二、酒精检测系统硬件电路设计 1、课题要求 设计一个酒精含量检测仪，检测人体呼出气体中

3、酒精含量。它对酒精快速响应就，预热时间短，灵敏度高，测量直观，功耗低。 测试仪可以采用气体传感器作为敏感单元，把气体中含有的乙醇气态浓度转换成电信号，经电子电路放大以及微处理器处理，由lcd直观显示被测气体中的乙醇浓度。 设计要求：1）、侦测浓度：危险浓度为大于150mg/l，安全浓度为小于50mg/l，介于两者之间是警戒浓度2)、显示方式：使用lcd显示测量出来的酒精浓度值，超标时蜂鸣器报警。 3)、测试时间：6秒 2、硬件总体设计思路介绍 思路从课题的要求出发，要求是测试酒精气体的浓度，必然要用到酒精传感器。设计出来的仪器要对酒精快速响应，预热时间短，这就对酒精传感器的性能指标有一定的要求

4、，首先这个酒精传感器本身就很好的灵敏度，和检测到的酒精气体发生化学反应快。测量直观要求仪器有一个显示器，能直接从显示器上读取测试结果，这时选择一个lcd液晶做显示器。又考虑到酒精传感器采集到的电信号是微弱模拟信号，而单片机所能处理的是数字信号，所以还要运用运放和一块a/d转换芯片，把酒精传感器采集到的模拟信号放大，并转换成数字信号，再送到单片机进行信号处理，经单片机运算处理的数字电信号最后送到lcd液晶进行显示。课题重点：1)、掌握整个测试仪的工作过程、每个环节的原理。2）、单片机、酒精传感器、运放等器件的选用3）、测量标定课题难点：1)、酒精传感器、运放、a/d模数转换器、单片机、lcd显示

5、的集成电路设计2)、采集数据、处理数据、以及显示数据的程序的编写。3）、酒精气体的采集过程4）、测试数据时，精度达到要求3、硬件设计总体框架介绍4、硬件电路主要器件的选择：本课题选择的主要器件如下：单片机8051、运算放大器、a/d0809、酒精传感器mq2、lcd1602、晶振、电阻、电容5、气体传感器及放大电路介绍气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至读样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速地测量。在选择

6、传感器的时候，一定要考虑到稳定性、灵敏度、选择性和抗腐蚀性，本课题选择mq2型酒精传感器。1）、mq2气体传感器简介mq2气敏元件的结构和外形如图1所示，电路连接图如图2所示，al203陶瓷管、sn02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制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。具有广泛的探测范围；高灵敏读、快速响应恢复；优异的稳定性，寿命长；简单的驱动电路等特点；可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，使用与液化气，丁烷，丙烷，甲烷，酒精，氢气，烟雾等的探测。回路有两部分组成：其一为加热回路

7、；其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻的变化。传感器表面电阻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，负载电阻rl可调为0.5200k，uh为加热电阻。2）、放大器op07功能及管脚介绍op07芯片是一种低噪声，双极性运算放大器集成电路。由于op07具有非常低的出入失调电压，所以op07在很多应用场合不需要额外的调零措施。op07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得op07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。主要

8、特点：超低偏移，150uv最大；低输入偏置电流1.8na；低失调电压漂移0.5uv/.c;超稳定，时间2uv/month最大；搞电源电压范围；+_3v至+_22v。管脚介绍：1和8为偏置平衡，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚，6为输出，7接电源。3）、酒精传感器mq2与放大器op07连接电路工作原理：上图是酒精传感器mq2与放大器op07的连接电路，mq2气体传感器接触到酒精味后，就会发生化学反应，a、b间的电阻值减少，b点的点位升高，酒味越浓，b点电位越高。此信号电压经灵敏度调节电位器rp滑动臂取出，加至放大器op07的2、3脚，由放大器op07的6脚输出被放大的模拟电信号，这

9、个模拟电信号将被提供给adc0809进行a/d转换。6、模数转换器adc0809连接电路介绍模数转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量，是架起模拟系统跟数字系统之间连接的桥梁。对于本系统而言，就是用于快速、高精度地输入的酒精浓度信号进行采样编码，将其转换成单片机所能够处理的数字量。模数转换电路是本系统的关键部分，其性能的好坏直接影响整个系统的质量。1）、模数转换器adc0809功能及管脚简介：adc0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，他可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行a/d转换。当其频率为5

10、00khz时，其转换速度为128us。ad0809的数据输出公式为：vout=vin*5/256,其中vin为输入模拟电压，vout为输出数据。adc0809主要特性：1）、8路输入通道，8位a/d转换器，即分辨率为8位2）、具有转换起停控制端3）、转换时间为100us4）、单个+5v电源供电5）、模拟输入电压范围0+5v，不需零点和满刻度校准6）、工作温度范围为-40+85摄氏度7）、低功耗，约15mw。管脚介绍：adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，管脚图如图所示。下面简要说明本课题应用到的引脚功能。in0in7:8路模拟信号输入端；2-12-8:8位数字信号输入端adda、

11、addb、addc:3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ale：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。、start：a/d转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲使其启动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640khzref（+）、ref(-)为基准电压。vcc为电源，单一+5v；gnd接地2）、模数转换器adc0809工作原理介绍工作原理：首先从adda、addb、addc三根地址线输入3位地址，并使al

12、e=1为高电平，将输入的地址存入地址锁存器中，以便选通一个模拟通道。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。脉冲的下降沿启动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，转换结果通过p0.0p0.7端输出到数据总线上，以便能将转换好的数字电信号传递给单片机进行数据处理7、单片机at89c51功能及管脚简介功能标准：8k字节flash，256字节ram，32位i/o口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定

13、时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，at89c51可降至0hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu停止工作，允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护式下，ram内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。管脚介绍：p0口：p0口是一个8位漏极开路的双向i/o口。作为输出口，每位能驱动8个ttl逻辑电平。对p0口写1时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器是，p0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，p0具有内部上拉电阻。p1口：是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/

14、o口，p1输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。对p1端口写1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）p2口：是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。对p2端口写1是，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）p3口：是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p3输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。对p3端口写1时，内部上拉电阻把端口拉高一些，此时可以作为输入口使用，作为输入使用时，被外部拉低的

15、引脚由于内部电阻的原因，将输出电流iilrst：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是单片机复位ale/prog:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ale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psen：程序存储允许输出时外部程序存储器的读选通信号ea/vpp:外部访问允许，欲使cpu访问外部程序存储器ea端必须保持低电平晶振特性：at89c51单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，xtal1和xtal2分别是放大器的输入输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激

16、振荡器存储器结构：mcs51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64k寻址。程序存储器就，如果ea引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。数据存储器：at89c51有256个字节内数据存储器。高128字节与特殊功能寄存器重叠本课题单片机最小系统连接电路介绍：8、本课题1602lcd与单片机接口电路介绍工作原理：其中d0d7八位双向并行总线与单片机的p1接口相连，用来传送命令和数据，rs与单片机p3.7口相连，作为命令数据选择引脚；r/w与单片机p3.6相连，作为读写选择端；e与单片机p3.5相连，用于控制信号读取；v0是用来调节背光。控制器接口说明：1 基本操作时

17、序1.1 写指令：输入：rs=l,rw=l,d0d7=指令码,e=高脉冲 输出：无 1.2 写数据：输入：rs=h,rw=l,d0d7=数据,e=高脉冲 输出：无2 ram地址映射图 控制器内部带有80x8位（80字节）的ram缓冲区4 指令说明 4.1 初始化设置 4.1.1 显示模式设置4.1.2 显示开/关及光标设置4.2 数据控制控制器内部设有一个数据地址指针，用户可通过它们来访问内部的全部80字节ram。4.2.1 数据指针设置4.2.2其他设置5 初始化过程（复位过程） 5.1 延时15ms 5.2 写指令38h 5.3 延时5ms 5.4 写指令38h 5.5 延时5ms 5.6

18、 写指令38h 5.7 写指令38h：显示模式设置 5.8 写指令08h：显示关闭 5.9 写指令01h：显示清屏 5.10 写指令06h：显示光标移动设置 5.11 写指令0ch：显示开及光标设置9、报警系统电路介绍：工作原理：报警系统电路如上图，通过单片机程序控制，判断是否报警，当浓度超过阈值时，单片机p2.6管脚输出一个低电平，使led1导通发光，同时使三极管9012导通，驱动蜂鸣器发出声音。说明：本次课题考虑到本仪器的应用更加方便，设计上做了一下改进：增加一个蜂鸣器，发出声音，报警更加直观、明显。当浓度小于50mg/l时候，为安全浓度，在液晶显示器上显示safe；当浓度介于50mg/l

19、和150mg/l之间时，是警戒浓度。在显示器上显示warning。当浓度超过150mg/l时，led1发出红光，蜂鸣器报警。10、系统其它电路简介：1）、分频电路介绍对单片机输出的时钟信号进行4分频，作为adc0809的时钟信号。分频电路设计如图2）、按键控制电路介绍s2 s3分别接单片机at89c51的13 14号管脚（利用int1、t0中断作为控制）按键控制电路设计如图三、酒精检测系统软件设计在设计了硬件电路的基础上，本设计中的软件主要采用keil编译器进行编写，采用各个子模块组成整个程序。该程序的主要任务是：对传感器的输出信号进行采集、转换、计算处理，并能够显示该输出信号，并能够在该信号

20、超过规定限值时，声音和发光报警，软件总体设计主要包括主程序设计和各个子程序的设计。1 主程序流程图及设计如图所示，首先系统上电后要对系统各模块进行初始化设置，p0p3都赋予高电平；对adc0809写控制字，以及lcd显示初始化；之后是数据采集、转换、计算等过程；单片机对传感器检测的酒精气体浓度输出信号进行a/d转换后，经过计算处理后，将呼出气体酒精浓度值与报警限设定值进行比较，判断是否发出声音和发光报警。同时送入lcd1602液晶显示模块显示酒精气体的浓度值。开始系统各模块初始化a/d转换酒精浓度计算是否超过警戒值报警酒精浓度显示2、a/d转换流程图及设计a/d转换流程图如图所示，开始的时候输

21、入3为地址，并使ale=1，将地址存入地址锁存器中，选择a/d转换通道；start上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动a/d转换，之后判断是否转换完毕；ad0809正在进行转换时，eoc总是低电平，当其转换完毕后，eoc变成高电平，告知完成了本次转换；判断是否转换完毕，其实就是判断eoc是否为高电平；eoc变为高电平，指示a/d转换结束，结果数据读出存入锁存器本次转换结束。开始选择a/d转换通道启动a/d转换转换完？读出a/d转换值存储a/d转换值/结束本次转换四、酒精检测系统的软硬件调试及测试过程在系统硬件和软件设计的基础上，通过对软硬件的结合调试，使本设计方案得到了肯定，通过实验得知，能

22、够检测到酒精气体浓度，读回电压值，经过换算处理，较为直观的显示出酒精浓度值。当检测的气体酒精含量超标时，能够驱动声光报警。软硬件的合成调试首先把硬件电路设计好，写好软件后，需要通过硬件看看能否得到所需要实现课题要求的功能，所以需要二者结合调试。本次设计主要进行的调试工作是：数据采集调试及信号放大调试、驱动声光报警等方面的调试。在调试的实际过程中，首先将编写好的程序下载到目标板上进行分块调试：然后组成整个应用程序，进行整体调试从而完成整个设计的程序调试工作。本次硬件设计选用dxp2004；软件设计环境用keil平台。用自己所编制的程序来调试和检验目标板上的电路；利用usb数据线将自己设计的目标程

23、序输入单片机中。五 参考文献：1、 张红润。传感器应用设计300例。北京；北京航空航天大学，20082、 赵继文。传感器应用电路设计。北京；科学出版社，20023、 何希才。常用传感器应用电路的设计与实践。北京；科学出版社，20074、 蔡美琴。mcs51系列单片机系统及应用。北京；高等教育出版社，20045、 陆蓉。液晶显示器显示驱动原理及其应用。电子制作，20056、 胡汉才。单片机原理及其接口技术。清华大学出版社2004六、附件：七、主程序代码：#include/ad0809接口定义#define ad_data p2sbit ad_ale=p04;sbit ad_start=p05;s

24、bit ad_en=p06;sbit alarm=p03;sbit ad_eoc=p33;/1602液晶接口定义#define lcd_data p1sbit rs=p37;sbit rw=p36;sbit lcde=p35;/报警管脚定义/变量定义unsigned char flage=0; /转化标置位unsigned char alcohol_num=0;/ad转化的酒精数字量unsigned char m,n,ms;unsigned char const line1=alcohol:;unsigned char const line2=mg/l;unsigned char const

25、line3=safe;unsigned char const line4=warning;unsigned char const line5=error!;unsigned char alctab=0,.,0,0;unsigned char ad_data1;/函数定义void delay5ms(void);void delay50us(void);void delaynms(unsigned int x);void wr_com(unsigned char comn);void wr_data(unsigned char dat);unsigned char rd_bf(void);void

26、 lcd_init(void);void displayonechar(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char ddata);void displaylistchar(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *ddata);void alcohol_count(void);/酒精浓度计算void lcd_display(void);/液晶显示函数void ad0809(void);/ad转化函数/void delay5ms()unsigned int i;for (i=0;i1000;i+);/void delay50us()unsigned int i; for(i=0;i0)for(i=0;i0x1f)/若达到字串尾则退出 if(x=0xf)/x坐标应小于0xf displayonechar(x,y,ddatalistlength);/显示单个字符 listlength+; x+; /void alcohol_cou