基于单片机的酒精浓度检测仪设计.pdf

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1、目录一、设计的背景和意义一、设计的背景和意义.1二、设计方案的论证和确定二、设计方案的论证和确定.1（一）设计要求分析（一）设计要求分析.1（二）设计方案确定（二）设计方案确定.1三、设计过程三、设计过程.3（一）设计原理.3（二）主要器件选型.4（三）硬件结构设计.9（四）软件控制设计.13（五）相片.22四、调试过程四、调试过程.24（一）仿真调试.24（二）实物演示.24五、设计创意说明和总结五、设计创意说明和总结.27六、六、参考文献参考文献.28七、七、致谢致谢.29 1 一、设计的背景和意义一、设计的背景和意义 背景：目前对酒精测试的装置有燃料电池型，半导体型，红外线型，气体色谱分

2、析性和比色型五种类型。但由于价格方面的原因目前市场上用的是燃料电池型和半导体型。燃料电池型是全世界都在研究的环保型能源。它可以把气体直接转换为电能而不产生污染。酒精传感器只是它的一个分支。在燃烧室内充满特种催化剂。使进入燃烧室内的酒精能进行充分燃烧转换为电能。也就是在电极上产生电压消耗在外加负载上。使电压与燃烧室内的酒精浓度成正比。与半导体型相比，燃料电池型的呼吸酒精检测仪具有稳定性好、精度高、抗干扰性能好等优点。但由于其传感器结构要求特别高所以生产成本提别高，制造难度特别大所以只有少数国家能够生产。意义：自 刑法修正案(八)和修改后的 道路交通安全法 正式实施，“醉酒驾驶”正式入刑。不仅交警

3、部门，而且很多车主都期盼能够有便携仪器方便地测量气体酒精浓度，为安全驾驶提供保障，有效减少重大交通事故的发生。本研究设计的酒精浓度检测仪是一款实用性强、安全可靠的气体乙醇浓度检测工具，采用高精度 MQ-3 酒精传感器对空气中的酒精浓度进行检测，利用宏晶公司高性能低成本单片机 STC89C52 对检测信号进行 A/D 转换和处理，最后通过液晶屏显示输出。本研究设计的酒精浓度测试仪还具有醉酒阈值设定功能，可以根据法律法规或用户需要设定修改醉酒阈值，并进行保存。二、设计方案的论证和确定二、设计方案的论证和确定（一）设计要求分析（一）设计要求分析 本设计利用 MQ-3 型酒精传感器通过对空气中的酒精浓

4、度测试转换成 05V的模拟量电压进行输出，把这个 05V 的电压传送 ADC0832 模拟量模块的转换输出一个 8 位 0255 的数据给单片机的，再通过单片机进行一些软件程序的处理显示在 LCD1602 的液晶上面。（二）设计方案确定（二）设计方案确定 A/D 转换模块 A/D 转换模块 方案一：采用 ADC0809 转换芯片,其中 AD 转换器用于实现模拟量向数字量的转换，单电源供电.它具有 8 路模拟量输入、8 位数字量输出功能的 AD 转换器，转换时间为 100us,模拟输入电压范围为 OV 到+5V,不需要零点和满刻度校准，功耗低,约 15mW.方案二：采用 ADC0832 转换芯片

5、,其中 AD 转换器用于实现模拟量向数字量的转换，单电源供电.它具有 8 位分辨率和双通道 A/D 转换，转换时间为 32us,模2 拟输入电压范围为 OV 到+5V,不需要零点和满刻度校准，功耗低,约 15mW.由于 ADC0809 是并行 ADC，速度要比串行 ADC0832 快得多，不过外围电路比较复杂，价格也贵。而串行 ADC0832 对于检测变化缓慢的信号非常有利，电路简单，价格也便宜。所以选择方案二，用 ADC0832 为本次设计的转换芯片。显示模块 显示模块 方案一：采用 LED 数码管动态扫描，LED 数码管价格虽适中，对于显示数字也最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占

6、用单片机口线少。但是由于数码管动态扫描需要借助 74LS164 移位寄存器进行移位，该芯片在电路调试时往往有很多障碍，所以不采用 LED 数码管作为显示。方案二：采用 LCD 液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，对于本设计而言一个 LCD1602 的液晶屏即可，价格也还能接受，需要的借口线较多，但会给调试带来诸多方便。所以选择方案二，用 LCD1602 液晶显示屏也本次设计的显示模块。三三、电源电复位电、设计过设计过程程（一）设计1、硬件电 2、程序设电路 电路程程 计原理 电路设计框设计框图（STC8LCD晶振电 路框图（如图 3图 3.1 电如图

7、 3.2 所 3 89C52RCD1602 显示3.1 所示）电路硬件设 所示）。模数转换器示。设计框图 M按键电路蜂鸣器报警MQ-3 酒精传路 警电路 传感器 路、可供的报 酒 3、设计原硬件电路按键电路1）由电源供单片机正2）蜂鸣器3）按键电4）LCD16报警浓度。（二）主1、单片机酒精浓度显示原理 路可分成五部路、LCD1602源电路、复常工作，是器报警电路电路：s1 是602 显示电 要器件选型机 MQ-M信STC电压示 图 3.部分：由电显示电路。复位电路和晶是单片机的路：当酒精浓是手动复位按电路：液晶第型 模模拟拟-3 传感器传感器模模MQ-3 传感器信号调理电路89C52 单单片

8、片模/数转换压/酒精浓度阈值比较4 2 程序设计源电路、复。晶振电路构的基本单元。浓度达到阈按键，s2 是第一行显示拟拟电压信电压信号号模模块块器 路 片片机机换 度转换 设设过阈报计框图 复位电路、晶构成单片机最 阈值蜂鸣器就是阈值减键示酒精当前的号号设设置阈值置阈值报警 晶振电路、最小应用系就会报警。键，s3 是阈值的浓度，第外部 EE蜂鸣器报警系统（内核）值加键。第二行显示设EPROM 警电），设置5 微控制器是整个控制系统中的大脑，是控制电机转速的核心。STC89C52RC单片机是新一代高速，低功耗，强抗干扰的单片机，指令代码兼容传统 8051 单片机，12 时钟机器周期和 6 时钟机

9、器周期可以任意选择（如图 3.4 所示）。主要参数有：1)工作电压：3.3V5.5V（5V 单片机）2)工作频率范围：040MHZ，实际工作频率可达 48MHZ 3)用户应用程序空间为 8K 字节 4)偏上集成 512 字节 RAM 5)通用 I/O 口（32 个），复位后为：P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉，P0 是漏极开路输出 6)具有 EEPROM 功能 7)具有看门狗功能 8)共 3 个 16 位定时器/计数器。即 T0、T1、T2 9)外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路 10）通用异步串行口（UART）,还可用定时器软件实现多个 UART 11)工作温度范围：-4

10、0+85/075 12）PDIP 封装 图 3.4 STC89C52RC 微控制器 2、LCD 1602 液晶显示屏 6 图 3.5 LCD 1602 液晶显示屏 引脚号 符号 引脚说明 引脚号 符号 引脚说明 1 VCC 电源地 9 D2 Data I/O 2 VDD 电源正极 10 D3 Data I/O 3 VL 偏压信号 11 D4 Data I/O 4 RS 数据/命令 12 D5 Data I/O 5 R/W 读/写 13 D6 Data I/O 6 E 使能信号 14 D7 Data I/O 7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正极8 D1 Data I/O 16 B

11、LK 背光源负极 3、MQ-3 酒精传感器 MQ-3乙醇气体传感器可以应用用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测，也用于其他场所乙醇蒸汽的检测（如图 3.6 所示）。其技术特点为：1)对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性 2)快速的响应恢复特性 3)长期的寿命和可靠的稳定性 4)简单的驱动回路 7 图 3.6 MQ-3 酒精传感器 主要技术指标：产品型号 MQ-3 产品类型 半导体气敏元件 标准封装 胶木（黑胶木）检测气体 酒精蒸汽 检测浓度 0.04-4mg/L 酒精 回路电压（Vc）24V DC 加热电压（VH)5.0V0.2V ACorDC 负载电阻(RL)可调 加热电阻（

12、RH）313（室温）加热功耗（PH）900mW 敏感体表面电阻（Rs）2K-20K(in 0.4mg/L 酒精)灵敏度（S）Rs(in air)/Rs(0.4mg/L 酒精)5 浓度斜率（）0.6（R300ppm/R100ppm酒精）温度、湿度 202;65%5%RH 标准测试电路 Vc:5.00.1V Vb:5.00.1V 预热时间 不少于 48 小时 4、ADC0832 芯片 ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换 芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率（如图 3.7 所示）。其特点为：1）8

13、 位分辨率 8 2）双通道 A/D 转换 3）输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容 4）5V 电源供电时输入电压在 05V 之间 5）工作频率为 250KHZ，转换时间为 32S 6）一般功耗仅为 15mW 7）8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装 8）商用级芯片温宽为 0C to+70C，工业级芯片温宽为 40C to+85C 图 3.7 ADC0832 芯片 9 （三）硬件结构设计 1、单片机最小应用系统 由图可见，单片机最小应用系统是由电源电路、复位电路、晶振电路构成，电路如图 3.8 所示。芯片采用 PDIP-40 封装。图 3.8 单片机最小系统部分电路 2、按键控

14、制电路 s1 是手动复位按键，s2 是阈值减键，s3 是阈值加键。10 图 3.9 按键控制电路 3、LCD 显示电路 液晶第一行显示酒精当前的浓度，第二行显示设置的报警浓度。图 3.10 显示电路 4.MQ-3 酒精传感器及调理模块电路 经过调理，检测信号由电阻值转变成电压值，便于后续电路进行 A/D 转换及处理。11 图 3.11 传感器及调理模块电路 5.蜂鸣器报警电路 图 3.12 蜂鸣器报警电路 12 6.电源电路 图 3.13 电源电路 7.完整电路图 图 3.14 完整电路图 13 （四）软件控制设计 1、主程序流程图 主程序流程图 图 3.15 主程序流程图 超过阈值吗？有键按

15、下吗？触发 A/D 转换 换算酒精浓度 酒精浓度显示 酒精浓度显示 数据初始化 定时器初始化 A/D 转换初始化 显示初始化 报警 进入后台 while 循环按键处理 14 2、程序编写 本次编程我采用了 Keil uVision5 编程软件，单片机的酒精浓度检测仪程序如下所示：#include /调用单片机头文件#define uchar unsigned char /无符号字符型 宏定义 变量范围 0255#define uint unsigned int /无符号整型 宏定义 变量范围 065535#include sbit CS=P24;/CS 定义为 P2 口的第 4 位脚，连接 A

16、DC0832CS 脚 sbit SCL=P23;/SCL 定义为 P2 口的第 3 位脚，连接 ADC0832SCL 脚 sbit DO=P22;/DO 定义为 P2 口的第 4 位脚，连接 ADC0832DO 脚 sbit beep=P32;/蜂鸣器 IO 口定义 long dengji,s_dengji=50;/酒精等级 bit flag_300ms;uchar key_can;/按键值的变量 uchar menu_1;/菜单设计的变量 sbit rs=P27;/1602 数据/命令选择引脚 H:数据 L:命令 sbit rw=P26;/1602 读写引脚 H:数据寄存器 L:指令寄存器

17、sbit e=P25;/1602 使能引脚 下降沿触发 uchar code table_num=0123456789abcdefg;sbit relay=P10;/继电器 void delay_1ms(uint q)/1ms 延时函数 uint i,j;for(i=0;iq;i+)15 for(j=0;j 100)write_data(0 x30+date/100%10);write_data(0 x30+date/10%10);else write_data();write_data(0 x30+date/10%10);write_data(0 x30+date%10);void writ

18、e_string(uchar hang,uchar add,uchar*p)/改变液晶中某位的值 if(hang=1)write_com(0 x80+add);else write_com(0 x80+0 x40+add);while(1)if(*p=0)break;write_data(*p);p+;void init_1602()/初始化 1602 液晶 write_com(0 x38);write_com(0 x0c);write_com(0 x06);write_string(1,0,Alcohol:00mg/L);write_string(2,0,Thresho:80mg/L);wr

19、ite_sfm2(2,9,s_dengji);/显示酒精等级 17 unsigned char ad0832read(bit SGL,bit ODD)unsigned char i=0,value=0,value1=0;SCL=0;DO=1;CS=0;/开始 SCL=1;/第一个上升沿 SCL=0;DO=ODD;SCL=1;/第二个上升沿 SCL=0;DO=SGL;SCL=1;/第三个上升沿 for(i=0;i8;i+)SCL=1;value=1;if(DO)value+;SCL=0;/开始从第四个下降沿接收数据 for(i=0;i=1;if(DO)value1+=0 x80;SCL=1;if

20、(value=value1)/与校验数据比较，正确就返回数据，否则返回 0 return value;18 return 0;void time_init()/定时器 0 初始化程序 EA =1;/开总中断 TMOD=0X01;/定时器 0、定时器 1 工作方式 1 ET0 =1;/开定时器 0 中断 TR0 =1;/允许定时器 0 定时 void key_with()/按键处理显示函数 if(key_can=1)s_dengji+;/酒精浓度设置数加 1 if(s_dengji 999)s_dengji=999;if(key_can=2)s_dengji-=1;/酒精浓度设置数减 1 if(

21、s_dengji=s_dengji)/报警 beep=beep;/蜂鸣器报警 relay=0;else beep=1;relay=1;void main()/主函数 beep=0;/开机叫一声 delay_1ms(150);20 P0=P1=P2=P3=0 xff;/单片机 IO 口初始化为 1 time_init();/初始化定时器 init_1602();while(1)key();/独立按键程序 if(key_can 10)key_with();/按键按下要执行的程序 if(flag_300ms=1)flag_300ms=0;clock_h_l();/报警函数 dengji=ad0832

22、read(1,0);dengji=dengji*500/255.0;dengji=dengji-100;/首先减去零点漂移，一般是 1V if(dengji 0)dengji=0;dengji=dengji*2;/将 mV 转变成 mg/L，系数需要校准 /电压每升高 0.1V，实际被测气体的浓度增加 20ppm /1ppm=1mg/kg=1mg/L=110-6 常用来表示气体浓度，或者溶液浓度。write_sfm2(1,9,dengji);/显示酒精浓度 void time0_int()interrupt 1/定时器 0 中断服务程序 21 static uchar value;TH0=0

23、x3c;TL0=0 xb0;/50ms value+;if(value%6=0)flag_300ms=1;/300ms value=0;22 （五）相片 图 3.16 设计主程序流程图 图 3.17 设计电路原理图 24 四、调试过程 四、调试过程（一）仿真调试 图 4.1 仿真图 （二）实物演示（二）实物演示 操作键 s2，阈值减 1 25 图 4.2 操作键 s2，阈值减 1 操作键 s3，阈值加 1 26 图 4.3 操作键 s3，阈值加 1 设计整体图 图 4.4 设计整体图 27 五、设计创意说明和总结 五、设计创意说明和总结 本研究设计的酒精浓度检测仪是一款实用性强、安全可靠的气体

24、乙醇浓度检测工具，采用高精度 MQ-3 酒精传感器对空气中的酒精浓度进行检测，利用宏晶公司高性能低成本单片机 STC89C52 对检测信号进行 A/D 转换和处理，最后通过液晶屏显示输出。从最开始的设计方知道万事开头难，要查阅相关的材料才能确定毕业设计的题目，从材料中寻找立题思路，立题后还需要了解设计的相关背景以及对于设计题目拟出方案，对于方案进行选择分析。设计开始要思考主要器件，主要器件的选择方面就遇到过困难，对于器件型号以及相关的性能参数不了解还需要进一步查阅材料确定器件选型。主要器件选择完成后就是硬件结构设计，具体是对于电气原理图的设计与绘制，对于单个元器件在元件库中找不到就只能白已去设

25、计绘制后再放入原理图中，这也是我在硬件结构设计中碰到的一个困难。硬件结构设计完成后就是最核心的软件控制设计内容了，在程序编写中耗时比较长的，要不断的修改程序达到我们设计内容中要得到的效果，要 LCD 液晶显示屏正常显示酒精浓度以及通过按键能调节 LCD 液晶显示屏的阈值，这是我在程序设计中的一大难题，通过不断的修改程序，实验调试才实现了最初酒精浓度检测仪设计的效果。通过本次毕业设计重新对大学所学的专业知识进行了系统性的学习与应用，期间遇到的设计上的难题才知道自己所学的知识还是不够的，在实际设计应用上还需要平时不断积累的大量专业知识作为支撑。专业知识在实际应用中方能体现它的重要价值，我们需要学以

26、致用把自己所学知识应用起来，在应用中我们才能发现自己的不足并且加以改进，自身所学的知识也能进一步加深印象。本次毕业设计通过不断地完善、完善、再完善的过程，使我明白了一个方案和产品需要做的优质才能投入实际应用当中。此次的设计遇到的每个问题对我来说都是很大的挑战，在老师的帮助和自己的探索中，我完成了“基于单片机的酒精浓度检测仪设计”，成功完成了硬件电路的设计和软件的编写。28 六、参考文献六、参考文献 1 陈贵银，祝福，单片机原理及接口技术，第 2 版，北京：电子出版社，2015.2 王正勇.Protel DXP 实用教程.2 版.北京：高等教育出版社，2016.12 3 张毅刚.单片机原理及应用

27、 M.北京：高等教育出版社，2012.4 邹振春.MCS-51 系列单片机原理及接口技术M.北京：机械工业出版社，2006：25-75.5 STC89C52RC 单片机用户手册S.宏晶科技.2007.6 陈明荧.8051 单片机课程设计实训教材M.北京：清华大学出版社，2003 7 徐新艳.单片机原理、应用与实践M.北京：高等教育出版社，2005 8 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉.8051 单片机实践与应用M.北京：清华大学出版社，2002 9赵亮,侯国锐.单片机 C 语言编程与实例M.北京:人民邮电出版社,2003 29 七、致谢七、致谢 不知不觉中大学三年就要结束了，在此毕业设计完成之际，感谢我

28、身边的人对我大学三年学习的默默支持和帮助，感谢我的母校。在本次毕业设计中，首先，也是最主要感谢的是我的指导老师，在整个过程中他给我提供了有效的建议和很大的帮助。从毕业设计任务书到成果报告书，从不知如何下手到顺利完成都得到了老师精心指导。老师的认真严谨、一丝不苟、学识渊博、见识广阔为我树立了一个良好的精神楷模形象。在完成初稿后，老师认真审查了我的毕业设计文挡，指出了我在设计中思路的不足和文档中图片以及格式的缺陷。使得我加以完善，在此十分感谢老师的细心指导，才得以成功完成本次毕业设计，在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。感谢曾经在本专业各个方面指导过我的老师以及互相学习的同学们，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学们表示深刻的感谢，祝愿老师和同学们身体健康，工作顺利。