单片机双机通信酒精传感器设计Word文档格式.docx
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本文设计的是一款基于PIC16F877单片机与MQ-3酒精浓度传感器的酒精浓度测量仪。
可以实现MQ-3将酒精浓度信号转换成模拟电信号，然后通过单片机实现模拟电信号的识别采集和转化为数字量再通过SPI接口进行双机通信，并且在第二片单片机上通过数码管显示采数字量。
这样就可以完成酒精浓度测试的基本任务了。
本设计最终目的是制作出实物，硬件部分使用PIC16F877单片机、4位一体数码管、MQ-3气敏酒精传感器、焊接用电路板、导线、电容、电阻、晶振等器件。
软件编程语言将会使用C语言。
在本设计中采用的SPI双机通信技术，会使得制作出的成品功能更加的灵活同时也留下了拓展更多功能的空间。
关键词：
PIC单片机；
酒精传感器；
SPI双机通信；
A/D转换；
数码管显示
ABSTRACT
Itisadesigninthispaper,basedonPIC16F877MCUandMQ-3alcoholconcentrationsensoralcoholconcentrationmeasuringinstrument.Itcanconvertalcoholconcentrationsignalsintoanalogsignals,thenachievedtheidentificationofanalogsignalsacquisitionandconverttodigitalquantitybytheSPIinterfacecommunicationbetweentwoMCU,andonthesecondpieceofMCUthroughdigitaltubedisplaydigitalquantity.Sowecancompletethebasictaskofalcoholconcentrationtest.
Theultimateaimistoproducephysicaldesign,hardwarepartusingPIC16F877MCU,fourdigitaltube,MQ-3alcoholgassensitivesensor,circuitboardsoldering,conductor,capacitor,resistor,resistor,crystalvibrationdevice,etc.SoftwarewilluseCprogramminglanguage.InthisdesignusingtheSPIcommunicationtechnologybetweentwoMCU,Willmakefinishedproductfunctiontoproducemoreflexibleatthesametime,itleftbehindtoexpandmorefunctionsofspace.
Keywords:
PICMCU;
Alcoholsensor;
SPIcommunicationbetweentwoMCU;
A/Dconversion;
Digitaltubedisplay
目录
1．引言.........................................................................................................................................1
1.1单片机的发展及现状........................................................................................................................1
1.2单片机的引用范畴及发展趋势........................................................................................................2
1.3单片课题设计的任务和要求...........................................................................................................2
2．酒精测试仪的背景知识........................................................................................................4
2.1酒精测试仪的种类........................................................................................................4
2.2MQ3气敏酒精传感器介绍............................................................................................4
2.3传感器未来的发展方向................................................................................................5
2.4传感器的原理................................................................................................................7
2.5气敏传感器的发展状况和技术水平............................................................................7
3．硬件设计................................................................................................................................8
3.1总体设计........................................................................................................................................8
3.1.1单片机的最小系统.............................................................................................8
3.1.2AD模块...............................................................................................................9
3.1.3SPI双机通信模块.............................................................................................12
3.1.4显示模块...........................................................................................................15
3.2单片机仿真以及电路..............................................................................................15
4．软件设计17
4.1总体方案......................................................................................................................17
4.2程序流程图..................................................................................................................17
4.3软件编程语言的选择..................................................................................................17
4.3.1汇编语言...........................................................................................................18
4.3.2C语言...........................................................................................................18
4.3.3汇编语言与C语言的混合编程......................................................................19
4.4主要模块的程序设计..................................................................................................19
4.4.1A/D转换C程序设计.......................................................................................19
4.4.2SPI双机通信C程序设计................................................................................20
5．软件工具的介绍及使用.....................................................................................................22
6．结论.....................................................................................................................................24
致谢...........................................................................................................................................25
参考文献...................................................................................................................................26
1.引言
1.1单片机的发展以及现状
单片机通常被称为微控制器也有人称它为单片微型计算机，单片机的叫法在我国比较流行。
单片机就是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、输入/输出端口I/O等主要计算机功能部件，都集成在了一块集成电路芯片上，从而形成一部完整的微型计算机[1]。
随着科学技术不断发展，单片机也在我们日常的生活中发挥着越来越重要的作用，涉及到我们生活的方方面面。
现今，单片机大家庭中成员越来越多。
主流的单片机有如下几种：
Intel公司的51系列单片机、Atmel公司的51系列单片机、美国微芯公司的PIC系列单片机、Atmel公司的AVR单片机、摩托罗拉（飞思卡尔）单片机等。
这些单片机都有各自的优点和独特之处，但功能大多是大同小异，有着很多的共通之处。
PIC单片机是由美国的MICROCHIP（微芯）公司研发的，自1988年推出的PIX16C5X单片机实现现场可编程至今为止，经过几十年的发展和创新先后推出了过百种型号的单片机。
PIC单片机功耗低、性能稳定使得其在单片机市场上占据了一定的份额。
PIC系列单片机由于采用了精简指令集、哈佛总线结构、流水线取指的方式，较好的抗干扰能力，极高的性价比，在市场十分受消费者的欢迎。
在工业控制、消费电子产品、办公自动化设备、智能仪器仪表、汽车电子等诸多领域十分的流行[1]。
哈佛总线结构的说法是相对于普林斯顿结构而言，其程序寄存器和数据寄存器拥有不同的物理地址，有效的解决了普林斯顿结构中程序寄存器和数据寄存器局限工作带宽的问题。
目前根据指令总线的位数可以将PIC单片机分为3个系列即，基本级PIC系列MCU、中级PIC系列MCU、高级PIC系列MCU。
本设计中将会用到的PIC16F877单片机就是中级PIC系列的单片机。
PIC16F877单片机的内核特色有：
高性能的RISC结构CPU、精简指令集，仅有35条、8级硬件堆栈、4种寻址方式、可编程代码保护、低功耗、高速CMOS技术、宽工作温度范围，在线串行编程技术ICSP等。
外围特色有：
同步串行口SSP、通用异步串行口USART，多通道10位A/D转换器等[2]。
图1.1PIC16F877单片机
1.2单片机的应用范畴及发展趋势
近些年来，科学技术的发展突飞猛进，各种新兴技术不断被创造发明。
人们对生活的要求越来越高，不再局限于最基本的需求而是希望能够追求更高层次的享受。
基于这个背景，各种各样用于改善人们的生活的技术同时也越来越完善。
单片机无论是在人们的日常生活还是工业生产中都扮演着十分重要的角色。
甚至可以说几乎不可能找到哪一个范畴中找不到单片机的踪迹。
单片机体积小、功耗低、控制能力强、方便扩展等诸多优点让它可以带各种测量仪器的领域中大展拳脚。
配合传感器件可以完成很多数据的精密测量。
例如：
电压、温度、酒精浓度、功率、流量，压力等等。
利用单片机制成的仪表要比一般的仪表更加的精密，功能更加的优良。
对于一台测量仪器而言，精确就是测量仪器的灵魂所在，所以说单片机更加的适合精密仪器的制作。
单片机的应用五花八门，其中有很大一部分是在家电控制方面，例如：
电视的语音控制、电饭煲的定时控制、音响自动声道控制、全自动洗衣机、声控台灯，空调自动调节温度等等。
单片机经过不断的发展和完善，现在通信接口已经成为单片机的标准配置之一，几乎很难找到没有通信接口的单片机了，除非是特别定制的特殊用途的用不到通信接口的功能性单片机。
这就为计算机和外围设备的通信提供可靠同时可控的沟通桥梁，是计算机对外围设备的操纵更加的灵活。
单片机不仅仅是只在生活领域有着不可替代的作用同时在工业产业中也非常的重要，一般的智能控制系统例如：
简单的流水线操作、声光报警系统，机械智能化管理等等都可以通过单片机来完成。
甚至于武器导弹等军事领域也会有单片机的身影，例如：
自动装弹系统、无线引爆炸弹装置，定时炸弹等等。
汽车工业中，单片机发挥的作用也是至关重要的，例如：
电源控制、灯光控制、各种仪表，GPS导航等等。
涉及到单片机的产品各种各样，不胜枚举。
尽管单片机的用途十分广泛，但是单片机也不是万能的。
由于单片机普遍存在硬件的局限性，所以并不能完成太过于复杂的实时操作流程。
单片机的未来发展趋势，为了达到低功耗的目的制作工艺上要更多的采用CMOS工艺；
为了使单片机能够更加的适应复杂的操作环境或者解决冗杂的问题，必须要提高单片机与其它外围设备的通信效率；
由于单片机端口资源的有限，要想更有效的利用单片机就必须要开发更为便利串行口方式的外围扩展；
为了扩展更多功能，必须增加内存储容量；
扩展总线的宽度以达到提高程序运算的速度和能力；
将更多实用的模块集成到单片机内部以达到简化外围电路的目的；
单片机性能的稳定性还需要进一步的提高，以适应要求更加精确的环境。
1.3课题设计的任务和要求
任务：
（1）了解酒精传感器MQ-3的原理以及使用方法。
（2）单片机AD模块对酒精浓度信号的采集编程。
（3）单片机采用的协议及编程。
（4）对酒精浓度转化的电信号采集，传送并在数码管上显示数值。
要求：
（1）设计出MQ-3气敏酒精传感器将酒精信号转化为电信号的电路。
（2）设计出单片机对电信号采集的电路以及软件编程。
（3）将模拟量转化为数字量并通过SPI端口将数字量传输给另一块单片机。
（4）通过数码管显示数字量。
（5）对产品进行实验分析。
2．酒精测试仪的背景知识
2.1酒精测试仪的种类
随着生活水平的提高，中国社会的私家车数量持续增加。
随着私家车持有量持续增加的是交通事故发生数量的不断提高，这其中就有相当一部分的交通事故是由酒后驾车造成的。
中国已经将酒后驾驶的行为定性为犯法，并列入到刑法中，相应的是越来越多的人关注酒后驾驶这一问题，酒精测试仪的产生也就有了充足的理由。
酒精测试仪，对于交警在执法中检测驾驶人是否酒后驾车是一个十分重要的手段，也是最主要的检测方法。
近年来随着经济迅速发展，人们的生活水平日夜提高。
社会上灯红酒绿，车水马龙的场景越来越常见。
各式各样的应酬也越来越多，而酒这东西在这些场合中似乎总少不了。
而在交通安全中，酒驾作为交通安全的第一杀手，俨然已经引起了我们的高度重视。
酒后驾车频频发生给人们的生活和生命安全带来了巨大的伤害。
酒后驾驶引起的交通事故是由于司机饮酒过多造成酒精浓度较高，导致精神麻痹，反应迟钝，肢体不受大脑控制。
而人体酒精浓度低于一个特定值时就不出现上述症状从而可以避免发生危险。
因此，当执法人员能及时合理有效地做好酒精的检测，才能有效控制酒驾，减少司机的违法行为，保证交通安全。
所以，研究一个酒精测试是非常有必要和意义的事。
当前可以对气体中酒精浓度进行测量检测的仪器大致上可以分为以下5种基本类型：
第一种，气体色谱分析型酒精浓度测试仪；
第二种，电化学型酒精浓度测试仪；
第三种，比色型酒精浓度测试仪；
第四种，半导体型酒精测浓度试仪；
第五种，红外线型酒精浓度测试仪。
就当前来说，最流行的两种是半导体型和电化学型两种类型的酒精浓度测试仪。
2.2MQ-3气敏酒精传感器介绍
由于价格和使用方便的原因，目前常用的只有燃料电池型（电化学型）和半导体型两种类型。
燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，还能不产生污染，酒精传感器只是燃料电池的一个分支。
燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满特种催化剂，使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上，电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比。
与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性好，精度高，抗干扰性好的优点。
但是由于燃料电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，加上材料成本高，因此价格相当昂贵，是半导体酒精传感器的几十倍。
呼出气体酒精含量检测仪是公安交通管理部门判断驾车司机是否酒后驾车的主要检测设备,是现场出具执法凭证的唯一手段。
保证检测设备的准确性和统一性是保障公民权益和交警依法行政、公平执法的必要条件[3]。
所以，对于酒精测试仪而言对酒精传感器的要求还是比较高的，要求传感器灵敏度要够高、抗环境干扰能力要强、输出信号范围要够大，性能稳定性要够好。
MQ-3气敏酒精传感器是本设计中检测部分的最核心的部件，它的性能很大程度上影响着整个酒精浓度测试仪的性能。
MQ-3气敏酒精传感器有微型三氧化二铝陶瓷管和二氧化锌敏感层、测量电极和加热器件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[4]。
MQ-3气敏酒精传感器，因为其良好的识别能力、很长的使用寿命、出色的抗干扰能力和抗腐蚀能力，在酒精传感器中是一款十分受欢迎的气敏酒精传感器。
MQ-3对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性快速的响应恢复特性长期的寿命和可靠的稳定性简单的驱动回路非常适用于于机动车驾驶人员及其他风险作业人员的酒后监督检测和其他场所乙醇蒸汽的探测。
MQ-3的工作环境：
适用于酒精、探测范围10ppm至1000ppm酒精、特征气体125ppm酒精、灵敏度Rinair/Rintypicalgas>
5、敏感体电阻1至20千欧（空气中）、响应时间小于10s、恢复时间小于30秒、加热电阻28至34千欧、加热电流小于等于180毫安，加热电压5伏特。
如图2.1是MQ-3的结构和外形2.2所示是MQ-3的标准回路。
图2.1MQ-3的结构和外形
图2.2MQ-3的标准回路
2.3传感器未来的发展趋势
众所周知,在气敏传感器的应用方面,目前最广泛的是可燃性气体气敏传感器,已普及应用于气体泄漏检测和监控,从工厂企业到居民家庭,应用十分广泛。
仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例,日本早在1980年1月就开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规。
美国目前已有6个州立法,规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。
而报警器的种类相当繁多,有用于一般家庭、集体住宅、饮食酒店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统,有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断联动系统、防止中毒报警防护系统等等。
结构型式上有袖珍型便携式、手推式、固定式等;
工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等等。
近年来气体检测技术与计算机技术的相结合,实现了气敏传感器的智能化和多功能化。
近些年来，科学技术的发展日新月异，传感器也搭上了科技发展的顺风车，半导体技术的突飞猛进为传感器的发展带来了优越的条件。
同时，现阶段各个系统对传感器的要求也越来越高，传感器的未来发展必然有以下几种方向。
第一，由于当前的各种产品都期望在有限的物理空间内完成功能更加强大的产品，所以就要求产品的各个部件能够完成更多的工作。
当前的传感器大多都是为了其它控制系统服务的并不能够自主进行数据处理等工作，如果传感器内部可以集成某种特殊功能的芯片，就可以感器可以独立的完成特定的任务，实现一定程度的智能化。
所以说智能化是传感器发展的一个必然的方向。
第二，传感器功能的多样化，在一个复杂的系统上可能需要很多种不同的传感器，如果有一种传感器可以同时实现多种功能，那么将会极大的减少有限的物理空间的占用和简化外围电路。
那么，传感器功能的多样化也是一个十分有意义的研究方向。
第三，为了满足传感器多功能的开发和智能化拓展的需要，传感器的固态化是必要的条件
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