基于单片机酒精浓度测试仪设计

1、 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） 论文（设计）题目：论文（设计）题目：基于单片机酒精浓度 测试仪设计 学学 院：院：职业技术学院职业技术学院 专专 业：业：电子信息工程电子信息工程 班班 级：级：电信电信 061 学学 号：号：062002110169 学生姓名：学生姓名：熊福辉熊福辉 指导教师：指导教师：张张 均均 2010 年 3 月 15 日 贵州大学本科毕业论文（设计）贵州大学本科毕业论文（设计） 诚信责任书诚信责任书 本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的 指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）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

2、注明出处。 特此声明。 论文（设计）作者签名： 日 期： 目 录 摘要.iv abstrct.v 前言.1 第一章 传感器的基础知识.2 2.1 传感器的定义.2 2.2 传感器的分类.2 2.2.1 按输入量分类.2 2.2.2 按测量原理分类.2 2.2.3 按结构型和物理型分类.2 2.3 传感器的基本组成.2 2.4 传感器的选择.3 2.5 传感器的发展方向.3 2.5.1 传感器的固态化.3 2.5.2 传感器的集成化和多功能化.4 2.5.3 传感器的图象化.4 2.5.4 传感器的智能化.4 第二章 酒精浓度测试仪总体方案设计.5 2.1 酒精浓度测试仪实现功能.5 2.2 测

3、试原理与电路原理方框图.5 2.2.1 酒精浓度测试原理.5 2.2.2 原理方框图.6 第三章 酒精浓度测试仪的硬件设计.7 3.1 主控制电路的硬件设计.7 3.1.1 at89s52 简介.7 3.1.2 酒精传感器信号采样及处理电路.12 3.1.3 阈值保存及温度测试.16 3.1.4 矩阵键盘和 lcd1602 显示电路.16 3.2 语音播报及报警电路的硬件设计.19 3.2.1 apr9600 简介.19 3.2.2 语音播报电路.23 3.2.3 音频放大电路.24 3.3 电源供电电路的硬件设计.25 3.3.1 电池或交直流电供电电路.25 3.3.2 电源自动关闭开关电

4、路.26 3.3.3 电源欠压报警电路.27 第四章 酒精浓度测试仪的软件设计.28 4.1 软件系统各子程序.28 4.1.1 液晶显示程序设计.28 4.1.2 a/d 转换程序设计.28 4.1.3 报警程序设计.29 4.1.4 语音播报程序设计.30 4.1.5 矩阵键盘识别程序设计.30 4.2 系统总程序设计.32 第五章 测试仪的 pcb 板设计制作.33 5.1 电路图的绘制.33 5.2 手工 pcb 板的制作.33 5.2.1 打印.33 5.2.2 转印.34 5.2.3 蚀刻.34 5.2.4 钻孔.34 第六章 测试仪的元件安装与系统调试.36 6.1 元件的识辩与

5、测试.36 6.2 元器件安装的基本要求与原则.36 6.2.1 元器件的安装要求.36 6.2.2 元器件的安装原则.37 6.3 元器件的焊接.37 6.3.1 对焊点的基本要求.37 6.3.2 焊接前的准备.37 6.3.3 焊接操作.38 6.4 系统调试与分析.38 6.4.1 硬件调试.39 6.4.2 软件调试.39 6.4.3 软、硬件联调.39 6.4.4 调试故障及原因分析.39 结论及进一步设想.40 参考文献.41 致谢.42 附录.43 附录一 测试仪部分程序清单.43 附录二 酒精测试仪总原理图.58 附录三 酒精测试仪的 pcb 图.59 附录四 元器件安装图.

6、61 基于单片机酒精浓度测试仪设计 摘要 酒精浓度测试仪是基于单片机的可编程的仪器。本论文介绍了采用 mq-3 酒精 气敏传感器和单片机系统实现酒精浓度测试仪的设计。本测试仪通过人性化的语音 提示和播报功能，实现了该测试仪一定程度上的智能化。能通过 lcd 液晶实时显示。 可用键盘设定阈值，并具有超阈值报警和建议提示功能。本论文大体上分为两部分： 硬件设计部分和软件设计部分。硬件部分利用 mq-3 气敏传感器测量呼气或空气中 的酒精浓度，并转化为电压信号经 a/d 转换后传给单片机系统，由单片机及外围电 路进行信号处理，显示和浓度值的超阈值进行声光报警。软件部分用 c 语言进行编 程，程序采用

7、模块化设计思想。该测试器仪在于简洁的硬件结构、高效的软件设计 和较高的性价比，可用于测试驾驶员是否饮酒过度，具有一定的市场前景和实用价 值。 关键词：酒精浓度测试, 单片机, 气敏传感器, 语音 design of an alcoholicity tester based on mcu abstrct alcohol tester is programmable device based on mcu. this paper describes the use of mq-3 ethanol gas sensor and mcu system implementation alcohol te

8、ster design. a certain intelligence is realized，through speech play function by the tester。real-time display through lcd liquid crystal. and the keyboard can be used to set thresholds, and has value alarm and recommendations of the prompts. this paper is divided into roughly two parts: the hardware

9、design and software design part of the section. hardware compo- nents using gas sensor mq-3 measured breath alcohol concentration, or in the air, and converted into voltage signal by the a / d converted mcu systems passed by the mcu and peripheral circuits for signal processing, display and concentr

10、ation of the super sound and light alarm threshold value. software components using c programming language, procedures, modular design. in conclusion，the tester is charactered with compact hardware configuration，efficient software design and high performance price ratio，and it can be used to test wh

11、ether a driver drinked too morefor its practical value，optimistical market foreground can be expected key words：alcoholicity test，mcu，alcohol sensor ，speech 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。资料显示，我国近几 年发生的重大交通事故中，有将近三分之一是由酒后驾车引起的1。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

12、，造成大脑 反应迟钝，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 器能够测试驾驶员体内酒精含量的多少，以确保驾驶员的生命财产安全。 酒精浓度测试仪,是指在规定的温度、湿度和压力条件下,对呼出的肺泡气体中乙 醇含量进行定量分析的仪器。随着中华人民共和国道路交通安全法的颁布实施, 交管部门进一步加强了对酒后驾车的查处力度,gb19522 - 2004驾驶人员血液、呼 气酒精含量阈值与检验对饮酒驾车和醉酒驾车作了定量的规定:血液中乙醇含量大 于 20mg/100ml 驾驶机动车为酒后驾车,血液中乙醇含量大于

13、 80mg/100ml 时驾驶机 动车为醉酒驾车2。从理论上说,判断是否酒后驾车最准确的方法是测试驾驶人员血 液中的酒精含量。但在执法过程中,要现场抽取驾驶人员血液进行测试并不现实,而事 后测试无疑会与现场事实结果不符,故目前我国交管部门普遍使用酒精测试仪进行执 法取证,通过现场测量驾驶人员呼出气体中的酒精含量来判定驾驶人员是否为酒后驾 车18。此外，酒精浓度测试仪还能测试某一特定环境中的酒精浓度。如食品加工、 酿酒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。由此可见，酒精浓度测试器具有巨大的潜在用户群，市场前景十分广阔。 本设计课题研究的是一种以气敏传感器和单片

14、机为主，能测试人体或环境中的 酒精含量，并具有语音播报、声光报警、欠压提示及 lcd 显示功能的酒精浓度测试 仪。其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， 同时用语音给予相应的建议；当测试仪达到 4 分钟不用时自动关机，与负载断开， 以达到节能、延长电池寿命的目的。 第一章 传感器的基础知识 2.1 传感器的定义3 国家标准传感器通用术语中，对传感器的定义作了这样的规定：“传感器 是指能感受（或响应）规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或 装置。”广义上说，传感器是指在测量装置和控制系统输入部分中起信号测量作用 的器件。狭义上把传感器定义为能把外界非

15、电量信息转换成电信号输出的器件或装 置。 2.2 传感器的分类 传感器的分类方法很多，比较常见的有下列几种。 2.2.1 按输入量分类 如输入量分别为温度，压力，位移，速度，加速度，湿度等非电量时，则相应 的传感器称为温度传感器，压力传感器，位移传感器，速度传感器，加速度传感器， 湿度传感器等。 2.2.2 按测量原理分类 现有传感器的测量原理主要基于电磁原理和固体物理学理论。如根据变电阻的 原理，相应的有电位器式，应变式传感器；根据变磁阻的原理，相应的有电感式， 差动式，电涡流式传感器；根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏，热敏， 光敏，气敏等固态传感器。 2.2.3 按结构型和物理型分

16、类 所谓结构型传感器，主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被 测参数转换成相应的电阻，电感，电容等物理量的变化，从而测试出被测信号，这 种传感器目前应用得最为普遍。物理型传感器则是某些材料本身物理性质的变化而 实现测量，它是以半导体，电介质，铁电体等作为敏感材料的固态器件。 2.3 传感器的基本组成 传感器一般由敏感元件，转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助 电源，用方块图表示，如图 1.1 所示。 图 1.1 传感器的基本组成 敏感元件：在完成非电量到电量的转换时，并非所有的非电量都能利用现有手 段直接变换为电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于转换成电量的非电

17、量，然后再变化为电量。因此又称为预变换器。 转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，例如压电 晶体，热电偶等。需要指出的是，并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件， 如热敏电阻，光电器件等。而另外一些传感器，其敏感元件和转换元件合二为一， 如固态压阻式压力传感器等。 测量电路：将转换元件输出的电量变成便于显示，记录，控制和处理的有用信 号的电路称为测量电路。测量电路的类型视转换元件的分类而定，经常采用的有电 桥电路及其他特殊电路，如高阻抗输入电路，脉冲调宽电路，振荡回路等。 2.4 传感器的选择 传感器的选择是根据传感器的线性度、灵敏度、分辨率、温度稳定性等特性来 确定的

18、。 2.5 传感器的发展方向 近年来，由于半导体技术已进入了超大规模集成化阶段，各种制造工艺和材料 性能的研究已达到相当高的水平。这为传感器的发展创造了极为有利的条件。从发 展前景来看。它具有以下几个特点。、 2.5.1 传感器的固态化 物理型传感器亦称为固态传感器，目前发展很快。它包括半导体，电介质和强 磁性体三类。其中半导体传感器的发展最引人注目。它不仅灵敏度高，响应速度快， 小型轻量，而且便于实现传感器的集成化和多能化。如目前最先进的固态传感器， 在一块芯片上可同时集成差压，静压，温度三个传感器，使差压传感器具有温度和 压力补偿功能。 2.5.2 传感器的集成化和多功能化 随着传感器的应

19、用领域不断扩大，借助半导体的蒸镀技术，扩散技术，光刻技 术，精密细微加工及组装技术等，使传感器从单个元件，单一功能向集成化，就是 将敏感元件，信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导体技术将其制作在同一 芯片，如集成压力传感器，集成温度传感器，集成磁敏传感器等。多功能化则意味 着传感器具有多种参数的测试功能，如半导体温度湿敏传感器，多功能气体传感器 等。 2.5.3 传感器的图象化 目前，传感器的应用不仅限于对某点物理量的测量，而开始研究从一维，二维 到三维空间的测量问题，现已研制成功的二维图象传感器，有 mos，ccd，cid 型 全固体式摄像器件等。 2.5.4 传感器的智能化 智能传感器

20、是一种带有微型计算机兼有测试和信息处理功能的传感器。它通常 将信号测试，驱动回路和信号处理回路；等外围电路全部集成在一块基片上，使它 具有自诊断，远距离通信，自动调整零点和量程等功能。使传感器向智能化方向前 进了一大步。 第二章 酒精浓度测试仪总体方案设计 本章重点论证酒精浓度测试仪总体方案设计。包括酒精浓度测试仪的基本功能、 测试原理和电路原理方框图。 2.1 酒精浓度测试仪实现功能 本论文重点阐述的是一种采用 mq-3 酒精气敏传感器和单片机系统实现酒精浓 度测试仪的设计。此测试仪能测试人体或环境中的酒精含量，并具有语音播报、声 光报警、欠压提示及 lcd 显示功能的酒精浓度测试仪。其根据

21、不同的环境可用键盘 设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警，来提示危害，同时用语音给予相应 的建议；当测试仪达到 4 分钟不用时自动关机，与负载断开，以达到节能、延长电 池寿命。 2.2 测试原理与电路原理方框图 2.2.1 酒精浓度测试原理 判断驾驶员是否饮酒过度，最直接的方法是测试其血液酒精含量(blood alcohol content，bac)，但由于测试 bac 时需对驾驶员采取血样，操作复杂且耗时较长， 交警使用起来不太现实，更无法应用于驾驶员的自测。因此，通常采用测量呼出气 体酒精浓度(breath alcohol content，brac)的方法来代替 bac 的测量。人体喝

22、人酒 后，酒精被胃和小肠的毛细血管吸收，通过肺动脉进入肺，血液在肺泡中完成气体 交换，含有酒精的气体被呼出体外。呼出气体中的酒精含量与血液酒精浓度存在着 一定的线性关系。一般认为，血液酒精浓度(bac)与呼出气体酒精浓度(brac)的比 例为 2100：14，即 bac brac 2100 由于 brac 会受到环境温度、湿度以及被测试者个体差异等多方面影响，其测 试结果不如直接测试 bac 准确，但是该结果仍可作为判断饮酒程度的重要参考。我 国于 2004 年 5 月 1 日开始实施的中华人民共和国道路交通安全法对酒后驾车的 处罚做了修改，但仍没有明确的饮酒驾车、醉酒驾车认定标准。目前我国大

23、多数省 市把 0.02bac(即每 100 ml 血液中含有 20mg 酒精)规定为“饮酒”的下限，把 0.10bac 规定为“醉酒”的下限5。根据上面的换算关系，将 bac 换算成 brac， 则当呼出气体的酒精浓度超过 0.09 mgl，即可判定为“饮酒”；超过 0.48 mgl，即可判定为“醉酒”。这样，利用酒精传感器，可将呼出气体中的 brac 值转换为电信号，供单片机处理，从而实现对测试者饮酒程度的测试。 2.2.2 原理方框图 根据设计要求和测试原理，确定测试仪的总体设计方案。其设计方案的硬件设 计框图如图 2.1 所示。硬件电路主要由控制部分电路、测试部分电路、语音播报电 路和电

24、源电路等组成。 图 2.1 系统结构框图 该测试仪为一种手持设备，可由干电池、直流电和带变压器的交流电供电，接 通电源后，首先语音提示“预热中，请等待”，预热 30s，按“确认”键后，语音 提示“欢迎使用”，并进入模式选择等待状态。此时若要测试浓度，按下“浓度检 测”键，则语音提示被测试者对进气口吹气。单片机对来自酒精传感器的模拟电压 信号作 ad 转换，经相应的数据处理后，和事先设定的警戒值进行比较，最后在 lcd 上显示测试结果数值，同时以语音播报测试结果数值，并提示酒精浓度是否超 标。此外，警戒值可以通过按键重新设置，以满足不同使用者或外部环境变化后的 使用需要，更具体的阐述，将在后续的

25、相应内容中展开。 第三章 酒精浓度测试仪的硬件设计 为使酒精浓度测试仪能够具有更好的实用性，并且具有更高的性能，需对该测 试仪的硬件进行完整的设计。 该测试仪的硬件设计采用了模块化的设计方法。按实现的功能来分，可分为以 下几个单元部分。其中，at89s52 单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完 成各种功能。 附录二就是酒精浓度测试仪的总体电路图。 在本章下面的几个小节中，我们根据附录二所示的硬件设计图，对各个模块的 主要的一些电路进行详细的设计和分析。 3.1 主控制电路的硬件设计 主控电路的硬件主要包括单片机及外围的测试电路、键盘和 lcd 显示电路等。 3.1.1 at89s52 简

26、介678 1）at89s52 功能特性描述 at89s52 是一种低功耗、高性能 cmos 8 位微控制器，具有 8k 在系统可编程 flash 存储器。使用 atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80c51 产品 指令和引脚完全兼容。片上 flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程 器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统可编程 flash，使得 at89s52 为众 多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 at89s52 具有以下标准功能：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

27、，三个 16 位定时器/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，at89s52 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。掉电保护方式下，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。外形及引脚排列如图 3.1 所示。 图 3.1 at89s52 引脚排列图 2）主要管脚说明 at89s52 的主要管脚说明如下： vcc：电源。 gnd：地。 p0 口：p0 口是一个 8 位漏极开路的双向 i/o 口。作为输出

28、口，每位能驱动 8 个 ttl 逻辑电平。对 p0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和 数据存储器时，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。在 flash 编程时，p0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令 字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 p1 口：p1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/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。此外，p1.0 和 p

29、1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（p1.0/t2）和 时器/计数器 2 的触发输入（p1.1/t2ex），具体如表 3.1 所示。在 flash 编程和校验 时，p1 口接收低 8 位地址字节。 p2 口: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”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。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器时,p2 口送出高八 位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉发

30、送 1。在使用 8 位地址（如 movx ri）访问外部数据存储器时，p2 口输出 p2 锁存器的内容。 表 3.1 p1 口管脚第二功能 引脚号第二功能 p1.0t2（定时器/计数器 t2 的外部计数输入，时钟输出 p1.1t2ex（定时器/计数器 t2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） p1.5mosi（在系统编程用） p1.6miso（在系统编程用） p1.7sck（在系统编程用） p3 口：p3 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 p3 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

31、时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输 出电流。p3 口亦作为 at89s52 特殊功能（第二功能）使用，如表 3.2 所示。 表 3.2 p3 口管脚第二功能 引脚号第二功能 p3.0rxd (串行口输入端) p3.1txd (串行口输出端) p3.2 (外部中断 0 请求输入端，低电平有效)tnt0 p3.3 （外部中断 1 请求输入端，低电平有效）tnt1 p3.4t0（定时器/计数器 0 脉冲输入端） p3.5t1（定时器/计数器 1 脉冲输入端） p3.6 （外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）wr p3.7 （外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）rd rst：

32、复位输入。晶振工作时，rst 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复 位。看门狗计时完成后，rst 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 auxr(地址 8eh)上的 disrto 位可以使此功能无效。disrto 默认状态下，复位高 电平有效。 ：地址锁存控制信号（ale）是访问外部程序存储器时，锁存低 8progale / 位地址的输出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。在一prog 般情况下，ale 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时 钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ale 脉冲将会跳过。如 果需要，通过将地址

33、为 8eh 的 sfr 的第 0 位置“1”，ale 操作将无效。这一位置 “1”，ale 仅在执行 movx 或 movc 指令时有效。否则，ale 将被微弱拉高。 这个 ale 使能标志位（地址为 8eh 的 sfr 的第 0 位）的设置对微控制器处于外部 执行模式下无效。 ：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当psenpsen at89s52 从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，psen 而在访问外部数据存储器时，将不被激活。psen ：访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000h 到 ffffh 的外部程vppea/ 序存储器读取指令，必须接

34、 gnd。为了执行内部程序指令，应该接 vcc。在eaea flash 编程期间，也接收 12 伏 vpp 电压。ea xtal1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 xtal2:振荡器反相放大器的输出端。 3）时钟电路的设计 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。 在引脚 xtal1 和 xtal2 外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了 内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成 了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如下图 3.2 所示。图 中，电容器 c1，c2 起稳定振荡频率、快速起振的作

35、用，一般石英晶振 c1,c2=30pf10pf， 陶瓷谐振器 c1,c2=40pf10pf。晶振频率的典型值为 12mhz，采用 6mhz 的情况 也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。 外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单 片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式的外部电路如下图 3.3 所示。 图 3.2 内部振荡电路连接图 图 3.3 外部振荡电路连接图 由上图可见，xtal1 接地，外部振荡信号由 xtal2 引入。为了提高输入电路 的驱动能力，通常将外部信号经过一个带有上拉电阻的 ttl 反相门后接入 xtal2。 4）复

36、位电路的设计 在 51 系列单片机中，在振荡器运行时，rst 引脚上保持到少两个机器周期的高 电平输入信号，复位过程即可完成。为响应这一不定期程，cpu 发出内部复位信号。 内部复位操作是在发现 rst 为高电平后的第二个周期进行的，并且此后每个周期都 重复进行复位操作，直到 rst 变成低电平为止。针对复位电路对时间的需要，我们 对上电复位电路进行设计。一般来讲，vcc 电源的上升时间不超过 1ms，片内振荡 器启动时间在 10ms 之内。在这种情况下，把 rst 引脚通 10uf 电容接到 vcc 并同 时经过 10k 电阻和地相连，就可获得上电自动复位的结果。其具体的复位电路如图 3.4

37、 所示。 图 3.4 单片机复位电路 接通电源后，vcc 便对电容通过电阻进行充电。rst 脚的电压等于 vcc 与电容 两端电压之差。在充电过程中，随着电容电压逐步趋于 vcc，rst 引脚上之电压最 终将接近于 0。此过渡过程之长短取决于电阻和电容值的大小。10uf 电容足可使 rst 脚上的电压在振荡器启振后尚有两个机器周期以上的时间保持高于施密特触发 器的低门槛电平，从而使整个复位过程得以完成。 3.1.2 酒精传感器信号采样及处理电路 考虑到酒精测试仪的精度要求不是很高，本系统采用 mq-3 型半导体酒精传感 器，其价格低廉，可满足呼出气体酒精浓度的测量需要910。 1）mq-3 型

38、气敏传感器基本结构11 mq-3 型气敏传感器的敏感部分是是由金属氧化物（二氧化锡）的 n 型半 2 sno 导体微晶烧结层构成。但其表面吸附有被测气体酒精分子（乙醇，）时， 25 c h oh 表面导电电子比例就会发生变化，从而起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 型气敏传感器外形和符号如图 3.5 所示。它有 6 个针状引脚，其中 2 个引 脚 f 提供加热电流，其余 4 个引脚用于信号取出。 使用时将传感器 a 的 2 个引脚、b 的的 2 个引脚各自并接在一起，相当 a、b 只有 2 个引脚与外电路相连。传感器顶部有一个不锈钢网的

39、的圆孔，固定9.5mm 在腔内的敏感元件与大气相通。 （a）外形 （b）符号 图 3.5 气敏传感器外形和符号 敏感元件有微型三氧化二铝（）陶瓷管、二氧化锡（）敏感层、测 23 al o 2 sno 量电极和加热器构成，将它固定在塑料外壳和不锈钢网制成的腔体内。加热是为了 加速反应，给气敏元件提供必要的工作条件。 2）标准测试回路 mq-3 气敏传感器的标准测试回路如图 3.6 所示。 图 3.6 气敏传感器的标准测试回路 该测试回路有两部分组成。一个为了加热回路，加热器的电阻为，由335% 稳定的交流或直流电源供电，电源电压。另外一部分为信号输出回路， h u =(50.1)v 它由传感器的

40、表面电阻（即电极 a、b 之间的电阻）和外接负载电阻以及电 s r l r 源串联而成，规定,也要求用稳定的交流或直流电压。信号从 c u c u =(100.1)v 的两端输出，它可以准确反映传感器表面电阻的变化。其关系为： l r cl rl sl u r u= r +r 式中 传感器标准回路输出信号电压，v； rl u 回路电压，v； c u 负载电阻，； l r 传感器表面电阻，。 s r mq-3 型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使 用 mq-3 型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。厂家建议用 0.4mg/l(约 200ppm)浓 度的乙醇蒸气校准传感器

41、。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。为 了设计简单，这里标准测试回路输出信号与被测气体浓度关系的粗略曲线如图 3.7 所示（ppm 等于m）。 6 10 图 3.7 标准回路输出信号与气体浓度关系曲线 3）化简的工作电路 在本设计中，选用比标准测试回路较为简单的工作回路，将信号输出回路的电 源用加热回路电源取代，2 个回路会用一个电源。电路连接方式如图 3.8 所示。 图 3.8 气敏传元件化简的工作电路 4）标准工作条件和环境条件 气体传感器 mq-3 的标准工作条件如表 3.3 所示。环境条件如表 3.4 所示。这些 条件是选择 mq-3 型气敏传感器的依据。 环境温度和湿度的

42、变化对气敏传感器的灵敏度有一定的影响。当环境温度较高 时，气敏传感器的灵敏度也较高；当环境湿度较低时，气敏传感器的灵敏度较低。 在标准工作条件下，mq-3 型气敏传感器测试酒精气体浓度范围为，50 2000ppm 其浓度上限为。0.2% 表 3.3 mq-3 的标准工作条件 符号参数名称技术条件备注 c u回路电压10v交流或直流 h u加热电压5v交流或直流 l r负载电阻可调0.5 200k h r加热器电阻335%室温 h p加热功耗 800 mw 表 3.4 mq-3 标准的环境条件 符号参数名称技术条件备注 ao t使用条件 - 20 +50 as t储存温度 - 20 +70 rh

43、相对湿度 95% rh 推荐使用范围 2 o氧气浓度(标准条件)21%最小值2% 5）测试信号采样及处理电路 酒精浓度是由传感器 mq-3 把非电量转换为电量，传感器输出的是v 的电0 5 压值且电压值稳定，外部干扰小。因此，可以直接把传感器输出电压值经过 adc0832 采样数据送入单片机进行处理。其采样及处理电路与单片机的硬件接口如 图 3.9 所示。 图 3.9 采样及处理电路与单片机的硬件接口 3.1.3 阈值保存及温度测试 由传感器 mq-3 标准工作条件可知，环境温度和湿度的变化对气敏传感器的灵 敏度有一定的影响。为了反映在一定温度下酒精浓度的具体值，测试仪增加了 ds18b20

44、温度测试功能。其电路如图 3.10 所示，1k 上拉电阻 r8 是为了提高信号线 的驱动能力。同时，为了测试仪的使用方便，只需输入一次酒精浓度阈值，将其保 存在 at24c02 中，以后再相同的测试环境中，就不再需要设置浓度阈值，这样给使 用带来很大的方便。保存阈值电路很简洁，如图 3.11 所示。 图 3.10 浓度阈值保存电路 图 3.11 温度测试电路 3.1.4 矩阵键盘和 lcd1602 显示电路 1)矩阵键盘 独立按键编程简单但占用口多,不适合在按键较多的场合应用。在本测试仪中, 经常要按数字键和功能键,用独立按键显然太浪费端口资源, 为此引入了矩阵键盘。 矩阵键盘又称行列键盘,

45、它是用若干个 i/o 口作行线、若干个 i/o 口作列线, 并 在行线和列线的每个交叉点上设置一只按键组成的键盘。如果行线和列线均为 4 条, 则键盘上的按键的个数就有 4 4 个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统 中 i/o 口的利用率。 常见的键盘一般由 16 只按键组成, 正好可以用单片机的一个 p 口实现, 这也是 在单片机系统中最常用的一种形式, 4 4 矩阵键盘的内部电路如图 3.12 所示。 其工作原理：当无键按下时，p10p13 与 p14p17 之间开路；当有键闭合时， 与按下键相连的两条 i/o 口线之间短路。判断有无按键按下的方法是： 图 3.12 矩阵键盘内部电

46、路图 首先，置列线 p14p17 为输入状态, 并将行线 p10p13 置为低电平, 然后读列 线数据, 若某一列线为低电平, 则说明该列线上有键闭合。 其次，行线轮流输出低电平,并读入列线 p14 p17 数据, 若某一列为低电平, 则 说明对应行线上有键按下。 最后，综合上述检查结果, 便可可确定所按键的编号。考虑到按一次键只应进 行一次对应功能操作, 因此须等到按键释放后,再进行键功能操作, 否则按一次键有 可能连续进行多次同样的键操作。 2)lcd1602 显示电路 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖 珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，而

47、各种液晶厂家均有提供几 乎都是同样规格的1602模块或兼容模块，尽管各厂家的对其各自的产品命名不尽相 同；1602字符型lcd模块最初采用的lcd控制器采用的是hd44780，在各厂家生产 的1602模块当中，基本上也都采用了与之兼容的控制ic，所以从特性上基本上是一 样的。通常所见到的1602模块的规格基本如表3.5所示： 目前字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。 lcd1602液晶显示模块可以显示两行，每行16个字符，采用单+5v电源供电，外围 电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。一般的lcd1602模块的结构尺寸示 意图如图3.13所示。 表3.5 160

48、2模块的规格 显示容量16*2 芯片工作电压4.5 5.5v 工作电流2.0ma（5.0v） 模块最佳工作电压5.0v 字符尺寸2.95*4.35mm 图 3.13 1602 模块结构及引脚示意图 1602 采用标准的 16 脚接口，其中： 第 1 脚：vss 为地电源。 第 2 脚：vdd 接 5v 正电源 第 3 脚：v0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时 对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10k 的电位器调 整对比度。 第 4 脚：rs 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存 器。 第 5 脚：rw 为读写信号线，高

49、电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 rs 和 rw 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 rs 为低电平 rw 为高电 平时可以读忙信号，当 rs 为高电平 rw 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚：e 端为使能端，当 e 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 714 脚：d0d7 为 8 位双向数据线。 第 1516 脚：分别为背光源正极和背光源负极。当然，有的模块是不带背光的， 这时候 15 和 16 脚是没有意义的。 1602 字符型 lcd 模块和单片机的接口电路如图 3.14 所示。 图 3.14 lcd 模块和单片机的接口电路 3.2 语音播报及报警电路的

50、硬件设计1213 3.2.1 apr9600 简介17 台湾公司最新推出的 60 秒语音录放芯片 apr9600，是继美国 isd 公司以后采 用模拟存储技术的又一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路， 单片电路可录放 32-60 秒，串行控制时可分 256 段以上，并行控制时最大可分 8 段。 与 isd 同类芯片相比它具有：价格便宜，有多种手动控制方式，分段管理方便、多 段控制时电路简单、采样速度及录放音时间可调、每个单键均有开始停止循环多种 功能等特点，同时保留了 isd2500 芯片的一些特点，都是 dip28 双列直插塑料封装， 在管脚排列上也基本相同。管脚如图 3.

51、15 所示，其管脚功能如表 3.6 所示。 在 apr9600 芯片的内部，录音时外部音频信号通过话筒输入和线路输入方式进 入，话筒可采用普通的驻极体话筒，在芯片内话筒放大器（pre-amp ）中自带自动 增益调节（agc），可由外接阻容件设定响应速度和增益范围。如果信号幅度在 100mv 左右即可直接进入线路输入端，音频信号由内部滤波器、采样电路处理后以 模拟量方式存入专用快闪存储器 flashram 中。由于 flashram 是非易失器件， 断电等因素不会使存储的语音丢失。 图 3.15 apr9600 的管脚排列图 音时芯片内读逻辑电路从 flashram 中取出信号，经过一个低通滤波

52、器送到 功率放大器中，然后直接推动外部的喇叭放音。厂家要求外接喇叭为 16 欧姆，实际 试验用 8-16 欧姆均可，一般音量下输出功率 12.2mw(16 欧)。 apr9600 的录放控制有多种操作模式，为普通用户使用提供了极大的方便。总 的来说分为串行控制和并行控制两种，由芯片 msel1（24 脚）、msel2（25 脚）、 /m8（9 脚）的设置来实现，功能如表 3.7 所示。其中每种操作模式都有对应的有效 键，而且同一个键在不同操作模式下可能有不同的功能。因此在芯片设计、使用前 用户应详尽了解芯片的各种操作模式，选择最合适自己的方式设计，电路也会变得 非常简单。 1）并行控制模式 在

53、 isd 芯片中要实现某键对某段的多段并行控制是十分复杂的，apr9300 芯片 中却十分简单，每段都有对应的键控制，按哪一键就录、放哪一段，而且可以方便 地对任意一段重新录音不影响其它段、对任意一段循环放音等。只是每段录音的最 大时间是等分的，而且最多只能分八段。下面以需要分四段为例说明： 并行四段控制需要将芯片的 msel1 端置 1（高电平）、msel2 端置 0（低电平） 、/m8 端任意。模式置好后开始录音，置 re 端为 0，压住/m1 即听到“嘀”一声 busy 指示灯亮起即开始录音第一段，松键时又听到“嘀”一声 busy 指示灯熄灭 即录音停止。/m2、/m3、/m4 分别录其

54、他三段。 表 3.6 apr9600 管脚功能说明 管脚功能管脚功能 1、/m1第一段控制或连续录放控 制（低电平有效） 15、sp-外接喇叭负端 2、/m2第二段控制或快进选段控 制（低电平有效） 16、vcca模拟电路正电源 3、/m3第三段控制（低电平有效）17、micin话筒输入端 4、/m4第四段控制（低电平有效）18、micre f 话筒输入基准端 5、/m5第五段控制（低电平有效）19、agc自动增益控制端 6、/m6第六段控制（低电平有效）20、ana-in线路输入端 7、osc r 振荡电阻21、ana- out 线路输出端（话筒放 大器输出端） 8、/m7第七段控制及片溢出

55、指示 （低电平有效） 22、strob e 工作期间闪烁指示灯 输出端（低电平有效） 9、/m8第八段控制（低电平有效） 及操作模式选项 23、ce复位/停止键或启动/ 停止键 10、/bu sy 忙信号输出（工作时出 0， 平时为 1） 24、msel1模式设置端 11、be键声选择（接 1 为有键声， 0 则无） 25、msel2模式设置端 12、vss d 数字电路电源地26、extcl k 外接振荡频率端（用 内部时钟时接地） 13、vss a 模拟电路电源地27、/re录放选择端（0 为录 音、1 为放音） 14、sp+外接喇叭正端28、vccd数字电路正电源 表 3.7 apr96

56、00 操作模式表 apr9600 操作模式表操作模式表 msel1 (24 脚) msel2 （25 脚） /m8 （9 脚） 有效键/m1-8 为段控制 键，/ce 为停止复位键 功能 （以 60 秒计） 010/1/m1、/m2、ce并行控制，分二段，每段 最大 30 秒 100/1/m1、/m2、/m3、/m4 、ce 并行控制，分四段，每段 最大 15 秒 111/m1 /m8、ce并行控制，分八段，每段 最大 7.5 秒 110ce单键控制，单段 7，5 秒 循环。ce 为启动/停止键 001/m1、ce串行顺序控制，可分一至 任意多段 000/m1、/m2、ce 串行段选控制，/m

57、2 系段 选快进键。 注 1、re=0(置低电平)为录音状态；re=1（置高电平）为放音状态。 注 2、/m1 /m8 键在有效段控放音时，按一下键即开始放音一段，放音期间再 按一下即停止；如按键不放及循环放音。 注 3、/m1 /m8 键在有效段控录音时，按住不放为录音，松键即停止。 录音时可以不按顺序，先录任意一段均可，不满意可重新录音。每段的最大时 间为 15 秒（以全片 60 秒录音计），录满时指示灯熄灭并响“嘀嘀”两声，当然实 际每段录音可以长短不一。置 re 端为 1 即是放音状态，按一下/m1 即放音第一段， 放音期间再按一下/m1 即停止放音，如果压住/m1 键不放即循环放音第

58、一段直到松 键。/m2、/m3、/m4 均分别控制第二、三、四段。/ce 键为停止键，放音期间按一 下它也能停止放音。其它并行二段、八段的控制使用方式相同。 2）串行控制模式 串行控制方式用到的键要少得多，它仅需要一、二个键来控制所有的语音段录 放，而且段数可以足够多，每段也没有时间限制。只是在选段上没有并行控制模式 方便。 置 msel1、msel2 均为 0，在录音时/m8 置 1。置/re 端为 0 为录音状态，按 住/m1 即开始录第一段，松键即停止。再按住/m1 录第二段，如此一直分段录音， 直到芯片溢出。 在放音时（/re=1）有两种状态，/m8 置 1 为串行顺序控制方式，按一下

59、/m1 即 放音第一段，再按一下即放第二段，如此顺序逐段放音，到最后一段结束时即停止 放音，必须按一下 ce 键复位，然后再按/m1 键就可以又从第一段放音。这种方式 下的段不可选择只能按录音的顺序播放，适合走马灯、流程控制等电路使用；/m8 置 0 为串行选段控制方式，按一下/m1 只能放音第一段，再按还是放音第一段。这 时的/m2 有效成为快进选段键，每按一下/m2 即向后移动一段，例如现在按了三下 /m2，再按/m1 就放音第四段。因此可以实现选段放音。按/ce 键复位为第一段。 apr9600 芯片还有其它几种控制方式，用户可根据需要自行实验设计。 apr9600 的电性能参数：电源电

60、压 4.5-6.5v，静态电流 1ua ，工作电流 25ma。其 外接振荡电阻与采样率、语音频带、录放时间的关系如表 3.8 所示，该电阻可以根 据用户需要的时间和音质效果无级调节。apr9600 的典型应用电路如图 2.5 所示。 表 3.8 外接振荡电阻与采样率、语音频带、录放时间的关系 振荡电阻（7 脚 oscr） 采样频率录放音频带录放音时间 44k4.2khz2.1khz60s 38k6.4khz3.2khz 40s 24k8.0khz4.0khz32s 3.2.2 语音播报电路 测试仪的语音播报电路如图 3.16 所示。语音播报电路的核心元件是语音芯片 apr9600。为了录放多段