酒精测量仪毕业论文.docx
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酒精测量仪毕业论文
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酒精浓度探测仪
一、课题的背景和意义
从18世纪产业革命以来，到20世纪信息技术的快速发展，传感技术逐渐走向成熟，在现实生产生活中的应用也渐渐在普及。
传感器应用广泛，在各个领域都有着举足轻重的作用，所以传感器不断向高精度，高可靠性，微型化，微功耗无源化和智能化数字化发展，以便更好的服务于我们的生产和生活。
气体与人类的日常生活密切相关，检测气体是保护和改善我们居住环境的必要工作，要检测气体就少不了用到气体传感器。
本设计基于AT89S51单片机设计的酒精浓度探测仪，可用来检测酒精气体浓度，最主要的用途是检测司机的酒精含量。
开车司机只要将嘴对着传感头使劲吹气，仪器就能发上显示出酒精浓度的高低，从而判断该司机是否酒后驾车，避免事故的发生。
当然，最好的办法是在车内安装这种测试仪，司机一进入车内检测仪就检测司机的酒精含量，如果超出允许值，系统控制引擎无法启动，这样就可从根本上解决酒后驾车问题。
检测和控制，有多种信号需要传送，因此要求系统配备完善的模拟量和数字量输入输出通道和完善的中断系统和处理功能。
信号采集处理、声光报警电路以及显示、键盘、PC接口电路。
测试仪进行气体检测的基本步骤是单片机采集酒精传感器的响应信号，并且进行转换，模数转换就是用于快速，高精度的对输入信号采样编码，然后转化成数字量储存在数据储存器中，然后单片机通过特定的算法进行气体浓度的识别，同时和所设值进行对比，超出则报警同时显示浓度数值，没超出只显示浓度数。
并且将结果输出到LCD显示屏幕上。
2、元器件选择
1）单片机的选择
本系统采用单片机为控制核心。
我们选择单片机STC89C51为控制核心；主要基于考虑STC89C51是无法解密低功耗,超低价高速，高可靠强抗静电，强抗干扰,功能强大的单片机。
STC89C51有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，片内振荡器及时钟电路，89C5X可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
同时STC89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发本。
STC单片机有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
STC89C51单片机单片机引脚功能如图
图1
•Vcc：
电源电压
•GND：
地
STC89C51是的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256Kbytes的随机存取数据存储器，器件采用高密度，非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8051产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大，STC89C51单片机适合于许多较为复杂控制应用场合[3]。
主要性能参数：
•8K字节可重擦写FLASH闪存存储器
•1000次写/擦循环
•时钟频率：
0Hz—24MHz
•三级加密存储器
•256字节内部RAM
•32个可编程I/O口线
•3个16位定时/计数器
•6个中断源
•可编程串行UART通道
•低功耗的空闲和掉电模式
•片内振荡器和时钟电路
2）传感器
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，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速地测量[2]。
在选择传感器的时候，一定要考虑到稳定性、灵敏度、选择性和抗腐蚀性，本系统选择MQ3型酒精传感器。
MQ3酒精传感器是气敏传感器，其具有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性[4]。
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者不锈钢的腔体内，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[6]。
二者之间的关系表述为：
RS/RL=（VC－VRL）/VRL，其中VC为回路电压，10V。
负载电阻RL可调为0.5～200K，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如图所示，标准回路如图所示。
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，一般在测量前需要将传感器预热20s。
MQ3标准回路如图
图2
3）数模转换器
实现A/D转换的基本方法很多，有计数法、逐次逼近法、双斜积分法和并行转换法。
由于逐次逼近式A/D转换具有速度，分辨率高等优点，而且采用这种方法的ADC芯片成本低，所以我们采用逐次逼近式A/D转换器。
逐次逼近型ADC包括1个比较器、一个模数转换器、1个逐次逼近寄存器（SAR）和1个逻辑控制单元[5]。
逐次逼近型是将采样信号和已知电压不断进行比较，一个时钟周期完成1位转换，依次类推,转换完成后，输出二进制数。
这类型ADC的分辨率和采样速率是相互牵制的。
优点是分辨率低于12位时，价格较低，采样速率也很好。
ADC0832模数转换器具有8位分辨率、双通道A/D转换、输入输出电平与TTL/CMOS相兼容、5V电源供电时输入电压在0～5V之间、工作频率为250KHZ、转换时间为32微秒、一般功耗仅为15MW等优点，适合本系统的应用，所以我们采用ADC0832为模数转换器件。
ADC0832具有以下特点：
•8位分辨率；
•双通道A/D转换；
•输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
•5V电源供电时输入电压在0~5V之间；
•工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；
•一般功耗仅为15mW；
•8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；
•商用级芯片温宽为0度to+70度，工业级芯片温宽为−40度to+85度；芯片接口说明：
•CS_片选使能，低电平芯片使能。
•CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
•CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
•GND芯片参考0电位（地）。
•DI数据信号输入，选择通道控制。
•DO数据信号输出，转换数据输出。
•CLK芯片时钟输入。
•Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。
4）LCD显示
液晶显示模块与计算机的接口电路有两种方式。
它与单片机的接口方法分为直接访问方式和间接控制方式。
直接访问方式是把液晶模块作为存储器或I/O设备直接接在单片机的总线上，单片机以访问存储器或I/O设备的方式操作液晶显示模块的工作。
间接控制方式则不使用单片机的数据系统，而是利用它的I／0口来实现与显示模块的联系。
即将液晶显示模块的数据线与单片机的P0口连接作为数据总线，另外三根时序控制信号线通常利用单片机的P2口中未被使用的I／O口来控制。
这种访问方式不占用存储器空间，它的接口电路与时序无关，其时序完全靠软件编程实现。
LCD1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16×1，16×2，20×2和40×2行等的液晶显示模块，模块组件内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。
1602液晶显示屏采用标准的16脚接口，其中各接口的功能如下表所示：
引脚号
引脚名
电平
输入/输出
引脚说明
1
VSS
电源地
2
VDD
电源正极（+5V）
3
VL
液晶显示偏压信号
4
RS
0/1
输入
数据/命令选择端，0：
输入指令，1：
输入数据
5
R/W
0/1
输入
读/写选择端，0：
向LCD写入指令或数据，1：
从LCD读取信息
6
E
1→0
输入
使能信号，1时读取信息，1→0（下降沿）执行指令
7
D0
0/1
输入/输出
数据总线（最低位）
8
D1
0/1
输入/输出
数据总线
9
D2
0/1
输入/输出
数据总线
10
D3
0/1
输入/输出
数据总线
11
D4
0/1
输入/输出
数据总线
12
D5
0/1
输入/输出
数据总线
13
D6
0/1
输入/输出
数据总线
14
D7
0/1
输入/输出
数据总线（最高位）
15
BLA
+VCC
LCD背光电源正极
16
BLK
接地
LCD背光电源负极
表1
2、系统方框图
图3
三、设计过程
（一）软件设计
对于单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，C语言就是其中的一种。
汇编语言的可控性较高级语言来说更具优越性。
程序编写语言比较常见的有C语言、汇编语言。
汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。
C语言编写的程序比用汇编编写的程序更符合人们的思考习惯。
还有很多处理器都支持C编译器，这样意味着处理器也能很快上手。
且具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点，且编写的模块程序易于移植。
基于C语言和汇编语言的优缺点，本系统采用C语言编写方法[17]。
软件编写的主体思路是将系统按功能模块化划分，然后根据模块要实现的功能写各个子程序。
整个软件程序的编写采用查询式方式编写的。
程序编写包括主程序，液晶显示程序，存储程序，AD转换程序和时钟程序。
1、主程序
主程序实现的功能：
与硬件相结合实现便携式酒精浓度检测仪的各个功能。
主要是检测与显示，数据存储。
功能子函数的调用。
见图
图4
首先开启启动按钮，启动单片机和显示器，同时对单片机内部进行初始化，紧接着初始化显示屏，初始化完毕后显示开机画面显示主菜单，然后对键盘的读入。
2、A/D转换模块程序流程图
⑴模数转换模块的主要功能就是将经放大器放大的模拟电压信号转化为MCU能够处理的数字信号，并传送给MCU。
A/D芯片的数据CS口，连接51单片机的P3.1口，CLK接P3.2，D1和D0接P3.3口。
工作时序如下所示：
ADC0832有8只引脚，CH0和CH1为模拟输入端，CS为片选引脚，只有CS置低才能对ADC0832进行配置和启动转换。
CLK为ADC0832的时钟输入端。
CS在整个转换过程中都必须为低，当CS为低时，在数据输入端DI（数据输入端）加一个高电平，接着在CLK上加一个时钟，DI上的逻辑1就会使ADC0832的DI脱离高阻态，然后通道配置数据伴随着时钟通过DI端移入多路器，当最后一位数据移入多路器时，，DI变为高阻态，在这以前DO（数据输出端）都为高阻态。
在经过一个时钟，DO脱离高阻态，从而启动转换。
接着从处理器接收时钟信号，每经过一个时钟，转换后的数据就会从高位到低位依次从DO移出，经过8个时钟后，数据又以从低位到高位的形式从DO移出（也是每个时钟移一位）。
当最后一位数据移出时转换完成。
当CS从低变为高时，ADC0832内部所有寄存器清零。
如想要进行下一次转换，CS必须做一个从高到低的跳变，后跟着地此配置数据重复上面的过程。
⑵ADC0832转换的流程图见下图
图5
3、按键程序流程图
⑴按键时显现人机对话的一个控制按钮，通过按键的操作，对系统进行发送操作指令，后经与MCU串行通信，然后
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