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1、南京理工大学毕业设计说明书（论文作者：学号：学院（系：电子工程光电技术学院专业：电子科学与技术题目：简易酒精检测仪的设计与实现指导者：（姓名（专业技术职务评阅者：（姓名（专业技术职务2014年5月根祥的内”国I，新以 用*；3 i： x. I一植去也6*1曲的成带胃1唯*为摩罩图.*L ilTflitt1t0ln*MILM 地毗愉M RMMtC国制，电物抑机律,甲n机依H款，I期机*E氏 Hi女时曲史*VMBUl*的UdAftf-HMKfl.寞式静，* 的“蜘”.EI建南青晶片, H eh，； b* hT： fe n 5wri k hr cn-inl & i 由 irf lEnhl Ln il

2、 BirMvwj-*tltc盯skc*xtlennttwvi. *lt2小L f442115工工MJ1,19A27二&9toHST7l2C5Afi3S2本科毕业设计说明书（论文第9页共39页MQ3测量回路如图3.4所示图3.4 MQ3测量回路在温度20C、相对湿度65%、氧气浓度21%、RL阻值为200K的条件下MQ3的灵 敏度特性如图3.5所示。其中Rs是不同气体和浓度下气敏元件的电阻值 Ro是气敏 元件在洁净气体中的电阻值。图3.5 MQ3的灵敏度特性MQ3元件的湿度特性如图3.6所示。其中Ro是20c , 33%RH条件下，200Ppm 的酒精气体中元件电阻值,Rs是不同温湿度下,200

3、Ppm的酒精气体中气敏元件电 阻值。图3.6 MQ3湿度特性MQ3传感器的应用电路如图3.7所示。MQ3的2脚接至电源，加热电丝的另一 端即5脚接地,让电源对加热电丝供电使其发热，进而对敏感气体进行加热。MQ-3的1、3引脚相接（当作电极A，作为气体电阻的一极，MQ-3的4、6引脚接到一起 （当作电极B，作为敏感气体电阻的另一极。将电极A连到电源正极，电极B通过电阻连到 电源地。这样，当敏感气体来到时，根据酒精气体浓度的不同气体电阻的大 小也就不一样，然后由于电阻分压，B电极上的电压也就不一样。这样就实现了模拟 电压信号的输出。Rs/Ro-Ten1 1 Doo o oo ftv o ov o7

4、 6 5 4 3 2 10 9 8 7 6 5o*-图3.7 MQ3应用电路获得的信号电压是一个模拟量，是不能直接被单片机运算处理的，它必须经过AD（数模转换后变为数字信号才能被单片机所接受。STC12C5A60S2单片机内部4 HEADER集成高速逐次逼近式ADC ,其P1 口可以设置为引脚第二功能作为 AD转换的模拟 量输入引脚,其AD转换的参考电压为单片机电源电压 VCC。这里采用P1A0 口作 为输入。AD转换电路如图3.8所示。P10/CLKOUP11P12/ECIP13/CPP0P14/CPP1/SP15/M0SIP16/MIS0P17/SCLK图3.8 AD转换电路3. 3显示模

5、块的设计显示模块采用LCD1602液晶屏。它是一种能显示英文字母、数字等符号的液 晶屏模块。它由若干个5 RS选取内部寄存器，5v时为数据寄存器，0v时为指令寄存器。RW为读写控 制线，高电平时为读，低电平时进行写。E为使能端。当E脚由5v下降成0v时，液 晶屏执行指令。 D0D7,酊双向数据线。7或者5*11的点阵构成，每个点阵都能显示一个字符，共 可以显示两行，每行可显16个字符。一般为14针或16针，16针的多余2根是背光 线。外形图如图3.9所示。LCD 1602图3.9 LCD1602外形图其引脚介绍如下 VSS,电源地。VDD,5V正电源。 V0对比度调节引脚，可接一电源到地的可变

6、电压来调节对比度。对比度过高可能会产生鬼影，建议接一个10K的电位器。LCD1602有如下特点。3.3V或5V的供电电压，对比度可调，功耗很低；显示数 据存储器DDRAM为80B ;内部集成192个和ACSII码对应的5*7点阵字符存储器 CGROM ; 8个可自行设定的5*7的字符存储器 CGRAM 。当LCD1602要显示某一个字符时，可以直接找到字符对应的 ASII码，便可以方 便的直接显示出来，无需再为字模困扰。LCD1602的显示电路如图3.10所示。图3.10 LCD1602显示电路如图11, LCD1602的8位数据线和单片机的P0 I/O 口按顺序相连，V0端接一电 位器调对比

7、度，RS、RW、E三条控制线分别接单片机的 P2A0、P2A1、P2A2三 个引脚。3. 4键盘模块的设计本系统主要用到两个按键来调节醉酒报警的阈值。其中一个按键为上调阈值,一个按键为下调阈值。其电路如图 3.11所示。图3.11按键电路如电路所示，两个按键分别接单片机的P2A5脚和P2A6脚。R5和R6都取1k或 560 欧。当按键未被按下时，单片机两个引脚通过R5和R6被上拉至VCC,引脚获得一 个高电平。当按键按下时，单片机的引脚就被下拉到地，单片机就获得一个输入的低 电平。通过检测这个低电平，就能够了解按键是否按下，单片机就可以做出相应的 处理。值得注意的是，R5、R6两个电阻不宜取值

8、过小，否则会造成按键按下时电流 过大，造成功耗过大和系统不稳定。3. 5声光报警模块的设计本系统设置两级报警。首先当检测到的酒精浓度值大于酒后阈值时，第一个LED灯亮。当检测到的浓度值高于醉酒阈值时，第二个LED灯同时被点亮，同时蜂 鸣器鸣响。声光报警电路如图3.12所示。图3.12声光报警电路如电路所示,报警的LED发光二极管采用灌电流驱动方式,STC12C5A60S2的 灌电流可达20mA。两个LED二极管分别连到单片机的 P2A5和P2A6引脚。当 引脚输出低电 平时,LED二极管亮。R3、R4可取1k或560欧，起到限流和保护作 用,防止灌电流过大损坏单片机和烧毁LED二极管。蜂鸣器的

9、输入脚为单片机的 P2A7脚。由于STC12C5A60S2的拉电流和灌电流都不足以驱动蜂鸣器，故采用型号 为2N3904的NPN三极管作为开关管来驱动蜂鸣器。2N3904集电极发射极最大耐 压为40V，集电极电流 最大200mA，封装为TO-39-3,足够使用。当P2A7引脚输出为 高电平时，三极管处于饱和区，蜂鸣器导通并鸣响；当其输出低电平时，三极管位于截 止区,蜂鸣器断开不 发声。Rb1为限流电阻，可取值560欧或1k o4. 6无线收发模块的设计本系统要求将测得的数据无线发送到上位机，上位机进行监控处理。本系统采用NRF24L01无线模块作为无线收发模块NRF24L01无线模块是由挪威的

10、NORDIC公司出品的,工作在2.4GHz2.5GHz频段的单片无线收发射频芯片 nrf24l01开发而成。NRF24L01无线模块具有如下特点。 工作于2.4Ghz ISM频段免许可证使用，内置2.4Ghz天线，体积小巧。 最高工作速率为2Mbps，抗干扰能力强。统共126个频段，能实现多点通信和 跳频通信的需求。内部集成硬件CRC错检和点对多点通讯控制。氐功耗，1.9-3.6V电压可工作，工作电流很低，待机是仅为22uA，掉电时仅为 900nA。 模块可软彳设地址，可直接连接各类单片机使用，可采用中断通知单片机。软 件编写方便。内置特定稳压电路，使用各种电源均有良好的通讯效果。 工作于ES

11、B (Enhanced Shock Burs模式，具备可选的内置包答复机制，可极 大 的降低丢包率。NRF24L01模块电路图如图3.13所示。图3.13 NRF24l01模块内部电路图NRF24L01使用SPI协议接口完成寄存器读写工作。引脚如下。 VCC。电源，一般使用3.3V电压。GND。电源地。 MOSI、MISO、SCK、CSN。 SPI协议的四根引脚。 SCK为SPI协议的 时钟线，CSN是SPI协议的使能端，低电平时SPI模块工作。其余两根引脚为数据输 入和输出引脚。,CE无线模块工作模式切换引脚，此引脚配合模块CONFIG寄存 器的状态决定模块 的工作状态。IRQ,中断引脚，无

12、线模块在完成发送或接收后将此 引脚电平置低来通 知单片机，通常接单片机的中断输入引脚。没有硬件SPI接口的单片机也能够将I/O 口用软件模仿SPI协议来完成对模块 的控制工作。必须警惕的是，此模块的推荐工作电压为3.3v，不能直接连5v单片机,不然会烧毁模块。除了电源引脚，其余引脚是可以直接和单片机引脚相连的NRF24L01无线模块与单片机的连线电路如图 3.14所示。JP2二黑MOSI3765 4323.3VI4RF24L01IRQMISOSCKCEAgJT 2 _ 3cs同CE5 MCffil M1无1 SCKPIO/CLKOUTOPllP12/ECIP13/CPP0P14/CPP1/SS

13、P15/MOSIP16/MISOP17/SCLKIRDINT1/P33INT0/P32图3.14 NRF24L01数据发送端电路图单片机的P1A3 - P1A7依次连NRF24L01模块的CSN、CE、MOSI、MISO、SCK弓I脚，IRQ接单片机的中断输入引脚 P3A3。单片机用软件模拟SPI协 议。同样的，数据接收端也需要一个单片机控制的 NRF24L01无线模块。接收端的 单片机接收到数据后，将数据通过串口发送到上位机。单片机一般都带有串口模块，但如今带有串口的计算机已经不多见。为了解决这个问题，这里采用了 CP2102,USB转用口模块。它能把计算机的 USB 口通过驱动程序转换成串

14、口通信达到扩展 目的。CP2102模块具有如下特点。%合USB2.0规范,支持将USB状态挂起。内含USB收发器、时钟电路，无需 外界电路器。集成上电复位电路，片内集成稳压器可输出3.3V电压。异步串行数据总线可兼容所有的握手和调制调节器接口协议，支持8位数据 位、1-2位停止位、校验位的串行数据。内建512字节接收缓冲区和512字节发送缓冲区。本系统的采用由CP2102、单片机和NRF24L01组成的模块作为数据接收端。 接收端的电路如图3.15所示。图3.15数据接收端电路图3. 7电源模块的设计本系统采用电池供电。为了获得恒定充足的电源，这里采用18650锂离子可充 电电池。18650一

15、般是指电池直径为18毫米、长度为65毫米的电池，具电压一般 为3.7v-4.2v容量最大可做到3400mAh ,可满足本系统使用。本系统需要两个电源电压来供电。其中单片机、液晶屏、声光报警装置等需要5v电压，而NRF24L01需要3.3v电压供电。整个系统最大工作电流估计在 300ma。因此，这里需要合适的电压转换芯片来供电。AMS1117是一款低压差线性稳压器，有多种固定电压输出的型号，输出电流最大 可达1A，输出电压精度可达1%,压差最低可至1v。其内部还集成过热和过流保护 电路，可作为电池供电设备的一个良好选择。本系统同时选用AMS1117-5.0和AMS1117-3.3两款芯片来获得5

16、v和3.3v电压。AMS1117-5.0参数如下。输入电压最高18V ;输出电流可达1A ；输出电压5.0V ;输入电压最低6.2V ; SOT-223封装;工作温度范围-40 C到+120 C ;AMS1117-3.3参数如下。输入电压最高12v ;输出电流可达1A ;输出电压3.3v ;输入电压最低4.75v。 SOT-223封装;工作温度范围-40 C到+125 C ;电源电路如图3.16所示图3.16电源电路根据芯片的规格书说明，AMS1117的输入和输出端都需要加10uf电容滤除杂 波。电路中D1为电源指示灯，R2为指示灯的限流电阻。BT1和BT2为两节18650 电池，VCC为5v

17、电压输出，VCC_3.3v为3.3v电压输出。AMS1117-3.3电源由 AMS1117-5.0输出的VCC提供。两个电压都能提供足够电流。S1自锁开关是系统主开关，按下时电路导通，非按下时无电压输出，整个系统关闭。3. 8印刷电路板的设计印刷电路板设计前首先要设计电路原理图。电路原理图采用PROTEL99SE的原理图设计功能设计。设计原理图时可能要根据需求个人设计元件库。根据之前 的各硬件 模块的设计，得到的系统检测发送端整体硬件原理图如图 3.17所示。图3.17整体硬件原理图设计好原理图后，并且元件封装等都检查无误后就可以生成网络表导入PCB文件进行PCB设计了。印制电路板的设计是以原

18、理图为依据，完成硬件电路的实物搭建，涵盖电子元 件 的优化安放、金属连线的安放和通孔的优化安放。电磁兼容、散热等各种因素都是 要设计时权衡的。PCB设计主要分为两部分，一是元器件的布局，二是元器件的布 线。电子元器件的布局主要注意以下几点。 一般情况下，全部电子元件均应放在电路板的相同面，只有此面元件过于密集 无法摆放时，才将一些比较低并且发热量小的元件，如贴片电阻等放在另一层。 热敏元件要与发热元件分开，高频元器件的连线应尽量短。电路要分模块进行 布局，方便信号流通和后期检查错误。 预留出支架孔等孔的位置，制作物理边框，即是板子的轮廓，元器件的布局要考 虑到后期的焊接方便。 自行设计PROT

19、EL中没有的封装。布线是PCB设计工作中的重中之重，要考虑的因素非常多，关系到整个板子的 成败。元器件的布线主要考虑到以下因素。 当输入输出端是高速信号时，导线应尽量不要相邻平行，尽量加上导线间地线， 防止产生反馈藕合。ACT1TPWCLKDOTtMr :lAJMJ2yoe jjvMTfOJ A.L iU 峥；IfeGLLJDLVl：，ETSC1MTOWTLfllWTO7JJKTilll XTMJP S T IM ?IM。 rsAUi UAHfWAM- ，时根“PWSClriAMHSlPUMMO 髯 p.iUKD PI7/TTLK|W小KM血- a_NtfMM 内到21PWA4。，典口：1CU

20、KWILtU CU5OTTMMLED三二三0【 Sh岛口a门口口口口namw 收孙4HWH*布线的最小宽度主要由导线与底板间的粘合强度和流经的电流强度决定。印制导线拐角处通常取钝角，如果取直角或锐角会对电气性能有不良影响。本系统还采用了大面积覆铜。敷铜可以减小地线阻抗、提高抗干扰能力、降低压 降、 提高电源效率。本系统的PCB设计完成后如图3.18所示图3.18 PCB布局布线完成后图完成后的PCB大概为50mm*70mm大小。等工厂打样完成后就可以进行焊接 调试等 后期工作了。4软件设计4. 1整体软件流程图4.1所示。整体软件程序主要包括 AD转换程序、显示程序、无线发送程序、按键程序、阈

21、值调节程序、阈值保存读取程序、报警程序。整体流程图如图图4.1整体软件流程图首先加电开机，先是单片机初始化，设定引脚状态，对特殊功能寄存器进行赋值 其次初始化LCD屏幕,再初始化无线模块。然后液晶屏上显示必要字符 ，稍作延时， 显示工作界面一些必要字符。紧接着读取单片机内部EEPROM保存好的醉酒阈值。开始AD转换，检测阈值调节按键，重新保存阈值后同时刷新浓度、阈值显示。 最后报警检测后无线发送阈值和浓度数据。这时完成一个完整的主循环。接下来 就是又开始AD转换，进入下一个主循环，周而复始。由于单片机运行速度很快，液晶 屏上的数据 更新给人的感觉就像实时的。如此就完成了整个系统所需的功能。4.

22、 2模数转换子程序的设计AD转换是使用的STC12C5A60S2内置的ADC ,参考电压为单片机电源电压,开始AD初始化VIdj ADC读出结果返回图4.2 AD转换流程图首先初始化AD转换器，设定好输入引脚及转换方式，其次启动转换，再采用查询 法等待AD转换完成。最后读出转换完成的值。在主循环里循环执行此程序，做到传感器输出电压的实时AD转换。4. 3显示子程序的设计显示模块的流程图如图4.3开始肩动JDC等恃转换完成?所示。图4.3显示模块流程首先初始化液晶屏，设定液晶屏为5X7点阵显示、不显示光标、开显示。然后 显示欢迎字符，稍微延时，再显示工作界面。最后进入主循环，循环执行此程序，根据

23、 实时浓度和阈值的不同，实时更新屏幕上显示的数据。这样就完成了显示功能。4. 4无线收发子程序的设计J无线模J进入推图4.4无线数据发送端流程图首先初始化无线发送端NRF24101,设定好发送、接收地址、数据包大小、通信 频率、是否自动应答、自动重发设定等，然后单片机向装载要发送的数据，并命令将 数据发送出去。最后在主循环里循环执行此程序，随着实时浓度和阈值的不同，几乎 实时装载数据并将数据发送出去，使接收端收到。无线模块的数据接收端流程图如图4.5所示图4.5无线数据接收端流程图首先初始化无线接收端NRF24L01,设定好本机地址,要接收的数据包大小、通信频率等，然后等待接收到数据包。接收完

24、成后，单片机读出数据，并将数据通过申 口发送到上位机，上位机进行实时曲线的绘制工作，然后再去重新等待数据接收，完成 循环。4. 5键盘扫描子程序的设计按键采用查询法进行输入，在主循环里每次循环完成一次对按键状态的查询输4.6所入。为了消除按键抖动的影响，采用软件方法消除抖动。键盘扫描流程图如图 示。开始J等待10msI按对应按键调阈值I1J 返I可4图4.6键盘扫描流程图如果有按键按下，相应引脚就检测到一个低电平。当此低电平保持10ms以上时,单片机就认为对应按键确实被按下，就会按相应按键来调节阈值，实现阈值上调或下 调。同样的，在主循环里循环执行此程序，就可以做到几乎实时的检测按键。4. 6

25、阈值保存读取子程序的设计本系统使用STC12C5A60S2内部的容量为1KB的EEPROM储存醉酒阈值,实 现掉电存储阈值的功能。阈值读取流程如图 4.7所示图4.7阈值读取流程图阈值保存的流程图如图4.8所示图4.8阈值保存流程图读取阈值时可以直接从EEPROM中读取，但进行字节编程时必须先对整个存储扇区执行扇区擦除后才能写入数据。因为 STC12C5A60S2内部EEPROM只能完 成送1到0勺编程，不能反向编程。扇区擦除是为了将扇区全部写1才能无误的写入数据。同样的，在主循环里循环执行此程序，不断保存阈值防止丢失数据。4.7声光报警子程序的设计本系统的声光报警设置两级报警。当检测到的浓度

26、值大于酒后阈值时，一个指示灯亮;当浓度值大于醉酒阈值时，两个指示灯同时亮，同时蜂鸣器鸣响报警。这里 酒后阈值设为醉酒阈值的一半。声光报警子程序流程图如图4.9所示。图4.9声光报警程序流程同样的，在主循环里循环执行此程序，完成实时的报警检测。4. 8上位机程序的设计本系统中，接收端的无线模块收到数据包后，中断提示接收端的单片机把数据包 读出，然后单片机将数据包通过串口发送到上位机。上位机收到数据后绘制曲线图，实现对酒精浓度的监控功能。上位机程序选用Visual C+ 6.0的MFC （微软基础类 库设计。设计过程当中主要用到 Microsoft Communications Control控件

27、（简称 MSComm 控件和 TeeChart5控件。 Microsoft Communications Contro 腔件。MSComm控件是美国Microsoft公司为了方便 Windows环境下串行接口通信 编程而出品的ActiveX控件。它提供了标准通讯命令的接口。它在高级语言的用 行通信应用 和计算机的用行口之间架起了一座桥梁。有了此控件，开发串口通信程序的复杂程度就被大大简化了。简单的初始化控件的几个属性，然后编写控件的事 件响应程序，就能够使用口高效的实现所需的功能。 TeeChart56件。TeeChart是西班牙的Steema公司研发的图表控件。它不仅能用来绘制多达上 百种二

28、维和三维图形风格的图表，还包括了四十种数学和统计功能，再加上几十种调 色板组件，可谓最厉害的图表控件。除此之外，TeeChart还提供了一个完整功能齐全的编辑对话框，可以用来方便快捷的设计繁琐的图表程序。但是 VC中没有自带 此控件，需要另外下载并在系统中注册即可使用。上位机整体软件流程图如图4.10所示图4.10上位机软件流程图上位机软件中，首先设计软件界面。其次初始化两个控件，而后MSComm控件 就会监视指定的串口。 当用口有数据到来时，控件读出消息，经过运算处理后在 TeeChart控件上把相应的点绘制出来，同时曲线右移一个点。这样不断接收数据，曲 线就会不 断移动,达到实时动态曲线的

29、效果。这里绘制了两条曲线，一条是酒精浓度值的曲线,一条是报警阈值的曲线。上位机软件设计完后的界面如图 4.11所示。图4.11上位机软件界面图5实验结果及分析5. 1电路焊接及酒精测试打样好的PCB板如图5.1所示臂口感目1图5.1打样好的PCB将各元件及接口按相应位置焊接到 PCB板上,再将各模块都连接到PCB板 上。将Keil编译好程序后生成的HEX文件下载到单片机里，再将电池连接上，按下 开关加电上机。运行后开机界面结果如图 5.2所示。图5.2开机界面正常时的工作界面如图5.3所示。其中上面一行是显示的检测到的浓度值，下 面一行是醉酒报警的阈值E 图5.3正常工作界面图当检测到的酒精浓

30、度值超过酒后阈值时，红灯就会被点亮。如图5.4所示图5.4酒后报警工作界面图当检测到的酒精浓度值超过醉酒阈值时，黄灯同时也被点亮，同时蜂鸣器报警 如图5.5所示图5.5醉酒报警工作界面图按键可以调整醉酒阈值，如图5.6所示,醉酒阈值被调整到了 85mg/100ml图5.6阈值调整结果由以上步骤可以看出，此装置的运行是正常可靠的。5. 2上位机监控测试打开上位机软件前首先设置好用口号。打开软件后，可以看到随着检测到的浓5.7所示。度的变化和醉酒阈值的调节，上位机绘制了数据变化的曲线图。红色线条为醉酒报 警阈值曲线，蓝色线条为检测到的酒精浓度曲线。监控结果如图图5.7上位机监控工作界面图本科毕业设计说明书（论文）曲线。可知上位机监控软件的运行是正常 可靠的。第32页共39页图中检测到的酒精浓度