酒精浓度测定仪

1、专业方向课程设计专业方向课程设计 课题：课题： 酒精浓度检测仪 班班 级级 测控测控 11011101 学生姓名学生姓名 邹士航邹士航 学号学号 指导教师指导教师 张青春张青春 纪剑祥纪剑祥 淮阴工学院电子与电气工程学院淮阴工学院电子与电气工程学院 目录目录 一、系统方案设计一、系统方案设计.1 1.1 概述.1 1.2 系统方案框图.1 1.3 工作原理.1 二、硬件设计二、硬件设计.2 2.1 传感器的选择.2 2.2 A/D 转换电路. .4 2.3 89C51 单片机系统. .5 2.4 LCD 显示电路. .8 2.5 键盘电路.8 2.6 报警电路.9 2.7 误差分析与修正.9

2、三、软件设计三、软件设计. .10 3.1 主程序框图.10 3.2 数据采集子程序程序框图.10 3.3 报警子程序程序框图.11 四、系统安装与调试四、系统安装与调试. .13 4.1 安装电路.13 4.2 调试结果.14 五、课程设计体会与总结五、课程设计体会与总结. .16 附录附录 1.1.参考文献参考文献.16 2.整体电路图整体电路图.17 3.3.元器件表元器件表.18 4.4.部分参考程序部分参考程序.19 1.1.系统方案设计系统方案设计 1.11.1 概述概述 本论文研究的是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并 具有声光报警功能的空气酒精浓度监测仪。其可监

3、测出空气环境中酒精浓度值， 并可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。 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 件部分用汇编语言进行编程，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；程序的设计使用汇编语言编程。 1.21.2 系

4、统方案框图系统方案框图 图 1-1 系统方案总体框图 总体方案设计时，考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量，传感器 输出的是 0-5 伏的电压值并且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把 传感器输出电压值经过 ADC0832 采集数据送入单片机进行处理。酒精浓度监测 仪的硬件电路设计主要包括：传感器测量电路、89C51 单片机系统、A/D 转换电 路、声光报警电路、LED 显示电路。酒精浓度监测仪总体设计电路框图如图 1- 1。 被测 环境 气敏 传感器 A/D 转换 电路 单片机 声光报警电路 LED 显示 键盘 1.31.3 工作原理工作原理 对气体传感器 MQ-3 按检测电路，接

5、上一定阻值的负载电阻，检测它的技术 参数，确定 MQ-3 所接负载电阻的大小，完成信号采样电路的设计；采样到 的模拟电压电信号通过 A/D 转换，得到可供单片机处理的数字信号，再由单片 机作相应的数据处理；发光二极管报警显示和 4 个单位 8 段共阴数码管浓度值 显示。 2.2.硬件设计硬件设计 2.12.1 传感器的选择传感器的选择 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

6、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。负载电阻 RL 可调为 05-200K。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

7、温度的关系图如图 2-3 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2-1 MQ3 结构和外形 图2-2 MQ3 结构图 图2-2 MQ3 结构图 图2-3 传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系 检测电路如图 2-4 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-

8、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 2-4 MQ-3 检测电路 2.22.2 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

9、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；二是逐次逼近型 A/D 转换器，精度、速度、价 格适中；三是- -A/D 转换器。 本文采用第二类逐次逼近型 A/D 转换器 ADC0832。ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。其 内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 05V 之间。芯片 转换时间仅为 32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少

10、数据误差，转 换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变 的更加方便。通过 DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 2.2.1 ADC0832 的引脚及功能 芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳 定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。 通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。其主要特点如下： 8 位分辨率，逐次逼近型，基准电压为 5V； 5V 单电源供电； 输入模拟信号电压范围为 05V； 输入和输出电平与 TTL 和 CMOS 兼容； 在 250KHZ 时钟频率时，转换时间为 32us；

11、 具有两个可供选择的模拟输入通道； 功耗低，15mW。 2.外部引脚及其说明 ADC0832 有 DIP 和 SOIC 两种封装，DIP 封装的 ADC0832 引脚排列如图 6.21 所示。 各引脚说明如下： CS片选端，低电平有效。 CH0，CH1两路模拟信号输入端。 DI两路模拟输入选择输入端。 DO模数转换结果串行输出端。 CLK串行时钟输入端。 Vcc/REF正电源端和基准电压输入端。 GND电源地。 2.2.2 ADC0832 的转换原理 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 CS、CLK、DO、DI。但 由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时有效并与单片机

12、的接口是双向的，所以电 路设计时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线上使用。当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和 DO/DI 的电平可任意。当要进行 A/D 转换时，须先将 CS 使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。 此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲， DO/DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号。在第 1 个时钟脉冲的下沉 之前 DI 端必须是高电平，表示启始信号。 2.32.3 89C5189C51 单片机系统单片机系统 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

13、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 ADC0832 引脚图 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。 2.3.1 单片机片内结构 51 单片机的片内结构如图 2-6 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

14、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。 中断系统。 特殊功能寄存器（SFR） 。 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

15、 X T A L 2 8 8 RESET 图 2-6 51 单片机片内结构 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。 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

16、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。 2.3.2 89C51 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 2-7 所示。 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

17、 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 2-7 AT89C51 芯片管脚图 2.3.3 晶振电路和复位电路 电路图如图 2-8 图 2-8 晶振与复位电路 2.42.4 LEDLED

18、显示电路显示电路 LED 显示有静态显示和动态显示两种显示方式。本设计使用并行输入硬件 译码静态显示电路，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。电路中采用了锁存译码器 MC14495 将 P1 口低 4 位输出的 BCD 码译成七段字型码，利用 P1 口高四位做为 各锁存译码器的所存信号，实现稳定显示。LED 使用的是共阴极 7 段数码管。 数码管显示电路如图 2-9 图 2-9 数码管显示电路 2.52.5 键盘电路键盘电路 键盘有两种工作方式：编码式键盘和非编码式键盘。处理方式有扫描法和 线反转法。本设计采用的是非编码键盘，并利用扫

19、描法处理按键，消抖由软件 实现。 键盘扫描电路如图 2-10 图 2-10 按键电路 2.62.6 报警电路报警电路 报警电路如图 2-11 图 2-11 报警电路 2.72.7 误差分析与修正误差分析与修正 误差产生的原因主要有三个方面的因素：一是外界环境流动空气对传感器 的影响和对气体样品的稀释，二是样品的稳定性对测量带来的误差，三是水蒸 气对测量的影响。 针对这三个主要问题提出以下解决方案和验证方法。 测量样品时，将探头尽量放入塑料瓶内，可以在一定程度上消除流动空气 的影响，同时应选择空气流动较小的室内环境来测量。水蒸气对 MQ-3 的影响很 小，这一点可以通过对只装有纯净水的塑料瓶的多

20、次测量来验证。用相同容量 的塑料瓶配制好不同浓度的酒精溶液后，将它密封并放置一段时间，待其稳定 后再测量。再通过反复多次测量多组数据，求其平均值的方法来缩小测量误差。 3.3.系统软件设计系统软件设计 3.13.1 主程序框图主程序框图 主程序流程图如下图 3-1 所示。 图 3-1 主程序框图 初始化 LCD 显示子程序 数据处理子程序 键盘扫描子程序 序 A/D 转换子程序 序 大于阈值？ 声光报警 N 开始 Y 3.23.2 数据采集子程序程序框图数据采集子程序程序框图 A/D 转换子程序流程图如下图 3-2 所示。ADC0809 初始化后，把 0 通道输 入的 0-5V 的模拟信号转换

21、为对应的数字量 OOH-FFH，然后将对应数值存储到内 存单元。程序框图如图 3-2。 图 3-2 数据采集子程序框图 3.33.3 报警子程序程序框图报警子程序程序框图 系统设定阈值并保存在以 50H 开始的 3 个单元，为了便于比较和显示，阈 值的千位放入 50H 中，百位和十位放入 5lH，个位放人 52H 中。报警电路分为 蜂鸣器报警电路和 LED 发光报警电路组成。当输入端 P3.5 为低电平时，有电流 通过蜂鸣器，蜂鸣器发出声音报警。而当输入端为高电平时不报警。 开始 启动 ADC0809 通道，并延时 100s 转换完？ 读出 A/D 转换结果 结果存入内存单元 返回 Y N 报

22、警子程序执行之前，将报警阈值转换为压缩的 BCD 码并存放在两个存储单元 中。传感器输入值 A/D 转换后，调用比较程序，经过数据处理后显示的测量值 与阈值比较，小于阈值则继续执行显示程序。若大于阈值则将单片机的 P3.5 口 清零进行声光报警。40H、4lH、42H 单元存放 A/D 转换后，并进行十进制转换 后的结果。40H 和 50H 分别存放的是处理后的测量值与阈值的千位的压缩 BCD 码，41H 和 51H 分别存放的是处理后的测量值与阈值的百位、十位压缩的 BCD 码，42H 和 52H 分别存放的是处理后的测量值与阈值的个位的压缩 BCD 码。程 序首先对 40H、50H 中的值

23、进行比较大小，如果 40H 中的值大于 50H 中的值，则 进行报警。依此类推，比较 41H 和 51H，42H 和 52H。程序框图如 3-3 所示。 开始 40H 中的 BCD 码大？ 与阈值相等？ 41H 中的 BCD 码大？ 42H 中的 BCD 码大？ 返回 Y Y Y 报警 N Y N N Y N Y N Y Y Y 与阈值相等？ 图 3-3 报警子程序流程框图 4.4.系统安装与调试系统安装与调试 4.1 安装电路 图 4-1 安装电路 4.24.2 调试结果调试结果 本次课程设计由于无法实际的使用传感器来采集信号，所以我使用阻值范 围为 0-10K 的滑动电阻来代替采集信号的变

24、化，通过负载电阻的变化，完成信 号采样；采样到的模拟电压信号通过 ADC0832 转换器 A/D 转换，得到可供单片 机处理的数字信号，再由单片机作相应的数据处理；发光二极管报警显示和 4 个单位 8 段共阴数码管浓度值显示。 本次课程设计是对环境酒精浓度的测量，所以我设定酒精浓度小于 20%为 正常范围，此时发光二极管绿灯亮，报警电路不工作，如图 1 所示。 图 1 酒精浓度小于 20%时 当浓度大于 20%时，发光二极管红灯亮，同时报警电路工作，如图 2。 图 2 酒精浓度大于 20%时 5.5.课程设计体会与总结课程设计体会与总结 经过前后十天的努力，终于完成了此次课程设计。由于老师只给

25、出了课程 设计的大致要求，所以课题是基于单片机还是虚拟仪器来实现，该怎样选择器 件确定设计方案，这对于我来说是很有挑战性的。 首先我确定了使用 89C51 单片机来实现酒精浓度检测功能，因为单片机是 我们曾经学过的课程，而 89C51 单片机更是单片机这门课中重点讲解的部分， 所以对我来说选择 51 单片机比虚拟仪器更容易上手一些。但是在设计过程中， 我发现单片机虽然我们不陌生，但是用起来还有很多的问题。硬件方面还好解 决，弄明白就可以了，但软件方面就非常困难了，虽然以前也做过这方面的实 验，但那都是些简单应用，而单片机软件设计的重点就在于软件算法的设计， 需要有很巧妙的程序算法，有好多的东西

26、需要我们用心去做。 其次，就是使用到的各种元器件。这次我使用的基本上都是已经学过的元 件，但真正用起来才发现自己还差的很多，通过用 Proteus 软件绘图，我又重 新对所用到的器件认真的学了一遍包括请教老师和同学、上网查找元器件总线 的绘制等。 本次课程设计，让我学到了很多感悟也很多。我懂得了只有理论知识是远 远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能真正提高自己的实 际动手能力和独立思考的能力。这让我学到了很多课本上没有的东西，扩展了 自己的视野，增强了自己的动手能力，清醒的认识到自己的不足，培养了小心 谨慎的作风，使自己对课题设计了解进一步加深。 附录：附录： 1.1.参考文献

27、参考文献 （1）.程德福,王君.传感器原理及应用. 北京：机械工业出版社，2007 （2）.赵广林. protel99 电路设计与制版.北京：电子工业出版社，2005 （3）.王艳秋.单片机原理及接口技术.北京：清华大学出版社.2010 （4）.陈杰，黄鸿传感器与检测技术M北京：高等教育出版社，2003 （5） 余家春Protel 99 SE 电路设计实用教程M中国铁道出版社，2004 （6） 楼然苗，李光飞51 系列单片机设计实例M北京航空航天大学出版 社，2003 （7） 司士辉生物传感器M化学工业出版社，2003 2.2.系统电路图系统电路图 3.3.元器件表元器件表 序号名 称型号规格

28、数量 1单片机89C511 只 2A/D 转换器ADC08321 只 3芯片RESPACK1G 个 4LED 灯 LED-RED LED-GREEN 2 个 5电阻若干 6蜂鸣器若干 7数码管1 个 8传感器若干 9导线若干 10开关1 个 11电容若干 12电源1 只 13滑动电阻RV11 4.4.部分参考程序部分参考程序 #include #include /#include cry1602.h #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit WE1=P20; sbit WE2=P21; sbit WE3=P22; sb

29、it WE4=P23; /sbit WE5=P10; /sbit WE6=P11; sbit dan=P25; sbit sp=P24; sbit safe=P26; sbit CS = P35; /T1 sbit Clk = P33; /INT1 sbit DATI = P34; /T0 sbit DATO = P34; /*定义全局变量*/ uint m=2364; uchar Code=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90,0 x88,0 x83,0 xc6,0 xa1,0 x86,0 x8e; unsig

30、ned char dat = 0 x00; /AD 值 unsigned char count = 0 x00; /定时器计数 unsigned char CH; /通道变量 unsigned char dis = 0 x00, 0 x00, 0 x00; /显示数值 /*函数声明*/ void Delay_ms(uint m); void show(uint z); uchar adc0832(uchar CH); /*主函数*/ void main() /* /P2=0 xff; /端口初始化 /P0=0 xff; /delay(); CH = 0 x00; /在这里选择通道 0 x00

31、或 0 x01 TMOD = 0 x01; /设置中断 TH0=(65536-50000)/256;/定时器 1 初值定时 50ms TL0=(65536-50000)%256; IE = 0 x82; TR0 = 1; sp=0; while(1) dat = adc0832(CH); /dat=dat*1.5; /convdata(dat); if(dat20) sp=1; dan=1; safe=0; else sp=0; dan=0; safe=1; show(dat); /*显示模块*/ void show(uint z) /* P0=Codez/; WE1=1; Delay_ms(5); WE1=0; P0=Codez%/1000; WE2=1; Delay_ms(5); WE2=0;*/ P0=Codez%10000/1000; WE1=1; Delay_ms(5); WE1=0; P0=Codez%1000/100; WE2=1; Delay_ms(5); WE2=0; P0=Codez%100/10; WE3=1; Delay_ms(5); WE3=0; P0=Codez%10; WE4=1; Delay_ms(5); WE4=0; /*MS 延时函数*/ void Delay_ms(uint m) uint i,j; for(