基于气敏传感器的传感器课设

课程设计任务书分院（系）信息学院专业测控技术与仪器学生姓名李东宾学号1003020223设计题目气敏传感器及其应用——酒精测试仪内容及要求：1）根据AT89C51及其敏传感器，设计酒精测试仪。2）能够显示吹入气体量的大小是否合格。3）当酒精超标时有相应报警装置。4）测量电路应包括A/D转换器、LCD及报警电路。要求在课程设计报告中给出：1）装置的结构和电路原理图。2）调试过程，说明发现的向题及处理过程。3）分析存在的问题。4）收获与改进方案。进度安排：下达任务时间：2012年12月10日文件检索及方案设计：2012年12月10日——16日写报告、答辩、原理设计及仿真：2013年1月7日——13日指导教师（签字）：年月日分院院长（签字）：年月日成绩评定表学生姓名李东宾班级学号1003020223专业测控技术与仪器课程设计题目气敏传感器及其应用——酒精测试仪评语组长签字：成绩日期20年月日目录TOC\o"1-3"\h\u319541、引言 1189722、系统总体设计方案 294033、系统硬件与软件设计 383493.1、硬件 3205213.1.1、传感器选择 3175633.1.2、A/D转换器 5225163.1.3、MCS-51系列单片 876923.1.4、LED显示电路 1053213.1.5、键盘电路 11146443.1.6、报警电路 11181763.2、软件设计 11116803.2.1、主程序框图 1215713.2.2、数据采集子程序程序框图 12251223.2.3、报警子程序程序框图 13157444、主要器件清单： 14157505、系统调试与测试结果： 1498586、测量结果分析： 1546327、总结： 1530374参考文献： 151、引言近年来，我国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繁发生。为此，我国将酒驾列入刑法范围内，所以需要设计一智能仪器能够检测驾驶员体内酒精含量。本课程设计研究的是一种气敏传感器和单片机A/D转换器为主，检测驾驶员呼出气体的酒精浓度，并具有声光报警功能的空气酒精浓度监测仪。其可检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MQ3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转换器转换成数字信号后传给单片机系统，由单片机及其相应外围电路进行信号的处理，显示酒精浓度值以及超阈值声光报警。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，按键电路，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。2、系统总体设计方案酒精浓度检测仪设计要求分析设计的酒精浓度测试仪应具有如下特点：（1）数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有LED显示以及键盘响应电路，无需要其他计算机，用户就可以与之进行交互工作，完成数据的采集、存储、计算、分析等过程。（2）系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。（3）从便携式的角度出发，系统成功使用了数码管显示器以及小键盘。由单片机系统控制键盘和LED显示来实现人机交互操作，界面友好。（4）软件设计简单易懂。酒精浓度检测仪设计方案设计时，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A/D转换器转换得到数据送入单片机进行处理。此外，还需接人LED显示，4*4键盘，报警电路等。其总体框图如图2-1所示。3、系统硬件与软件设计3.1、硬件3.1.1、传感器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、外界温度的关系图如图3-3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。本系统测量时还需要测量呼气量的大小，我们采用空气流量传感器空气流量传感器的热线电阻和温度补偿电阻分别连接在电桥电路上，当空气流经发热元件（热线电阻）时，热线的温度和电阻发生变化，空气带走的热量与流过发热元件的空气质量具有成正比的对应关系，使得电桥失去平衡，控制电路将改变供给发热云件的电流，使其温度保持在设定温度。当电桥电流改变时,取样电阻两端的电压也同时改变,从而将空气流量的变化转换为电压信号的变化。信号电压输入adc0809中，输出8个发光二极管，根据发光二极管亮的多少判断呼气量的大小。3.1.2、A/D转换器A/D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。该设计中选用的是ADC0809属第二类，是8位A/D转换器。0809具有8路模拟信号输入端口，地址线（23-25脚）可决定那一路模拟信号进行A/D转换。22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2μs的高电平脉冲时，就开始A/D转换。7引脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许端，当OE脚为高电平时，A/D转换数据输出。10脚为0809的时钟输入端。ADC080的引脚及功能6逐次比较型A/D转换器在精度、速度、和价格上都适中，是最常用的A/D转换器件。芯片采用的是ADC0809，以下介绍ADC0809的引脚及功能。芯片如图3-4所示ADC0809是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。由图可见，ADC0809共有28个引脚，采用双列直插式封装。主要引脚功能如下：⑴IN0-IN7是8路模拟信号输入端。⑵D0-D7是8位数字量输入端。⑶A、B、C与ALE控制8路模拟通道的切换，A、、C分别与3根地址线或数据线相连，3位编码对应8个通道地址端口。⑷OE、START、CLK为控制信号端，OE为输出允许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。⑸VR(+)和VR(-)为参考电压输入端。ADC0809的结构及转换原理ADC0809的结构框图如图3-6。ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转的，由单一的+5V电源供电。片内有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A引脚的功能来决定选的通道。0809完成一次转换需100μs左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到MCS-51的数总线上。通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。ADC0809连线图ADC0809与单片机的连线图如图3-73.1.3、MCS-51系列单片有40个引脚，共分为端口线，电源线，控制线三类。1.端口线（4×8=32条）共有四个并行I/0端口，每个端口有8条端口线，用于传送数据/地址。P0.0～P0.7：这组引脚共8条，为P0口所专用，其中P0.7为最高为，P0.0为最低位。P1.0～P1.8，为P1口所专用，其中P1.7为最高为，P1.0为最低位。用于传送数据/地址。第二功能在8751编程/校验时用于输入片内EPROM的低八位。P2.0～P2.8第一功能作为用于传送数据/地址。第二功能作为存储器扩展时传送高8位地址。P3.0～P3.7：P3口8位口线，第一功能作为用于传送数据/地址。第二功能作为控制用。2.电源线（2条）VCC为﹢5V电源线，VSS为接地线。3.控制线（6条）ALE/PROG：地址所存允许/编程线。配合P0口引脚的第二功能使用。并且可以对8751片内EPROM编程/校验时传送52ms宽的负脉冲。EA/VPP：允许访问片外存储器/编程电源。PSEN：片外ROM选通线RST/VPD：复位/备用电源，可以使8051处于复位的工作状态。第二功能作为备用电源使用。XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入线。3.1.4、LED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为输出的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。数码管显示电路如下3.1.5、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，并利用扫描法处理按键，消抖由软件实现。键盘扫描电路图3-12：3.1.6、报警电路报警电路图3-13：3.2、软件设计3.2.1、主程序框图主程序流程图如下图4-1所示。3.2.2、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4-2图4-2数据采集子程序框图3.2.3、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。报警子程序执行之前，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。程序框图如图4-3：图4-3报警子程序流程框图4、主要器件清单：5、系统调试与测试结果：按上述系统要求画出模拟图，本系统测量时还测量呼气量的大小，当空气流经发热元件（热线电阻）时，热线的温度和电阻发生变化，空气带走的热量与流过发热元件的空气质量具有成正比的对应关系，使得电桥失去平衡，控制电路将改变供给发热云件的电流，使其温度保持在设定温度。当电桥电流改变时,取样电阻两端的电压也同时改变,从而将空气流量的变化转换为电压信号的变化。信号电压输入adc0809中，输出8个发光二极管，根据发光二极管亮的多少判断呼气量的大小,酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量,经ADC0809转换后显示，完成后经测试无任何显示，后仔细检查，发现忘外接电源和地，后改正测试无误，准确显示。6、测量结果分析：根据酒精浓度的大小，当测试者吹气时若进气量正常切喇叭响起则证明其饮酒过量，不应驾驶车辆，若进气量正常喇叭无蜂鸣声，则证明其没有酒驾，可以上路；若景进气量不正常，则应从新测试，直至出现结果。如按国家标准血液酒精含量超过20mg/ml，不足80mg/ml为酒驾。超过80mg/ml为醉驾。7、总结：传感器和单片机是这学期学习的课程，虽然不陌