基于单片机的酒精气体智能报警系统

基于单片机的酒精气体智能报警系统1基于单片机的酒精气体智能报警系统摘要：本设计实现了对不同酒精浓度的检测和测试，通过适当改变可以用于检测酒后驾车。本文利用了AT89C52和酒精传感器对酒精气体浓度检测进行模拟，并对测量值进行显示，同时利用数码管进行简单的显示，并利用数码管显示酒精浓度的数值，再设计的允许值时进行报警。论文主要研究了酒精传感器的检测和接入酒精浓度检测模块中，将模拟电压信号进行AD转换后，得到数字电压信号，再利用显示浓度的数码管显示模块。设计的传感器可以检测不同浓度的酒精气体，改进之后对解决酒后驾驶事故和特殊场合酒精检测都可以使用。关键词：酒精传感器，数模转换，单片机0．前言近年来，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以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。利用单片机上的可变电阻的改变并转换为电压信号，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。1、总体方案设计1.1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）超限给出报警信号。（5）软件设计简单易懂。其总体框图如图1所示：基于单片机的酒精气体智能报警系统2图1设计总框图1.2设计方案设计时，考虑酒精浓度是由可变电阻模拟而来，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。2、硬件电路设计2.1传感器的模拟由于实验所用的单片机为AT89C52，其上的AD转换器ADC0804直接与可变电阻连接，数据采集通过可变电阻来模拟，电阻值开始改变后，其输出的电压信号也随之改变，且改变的幅度与传感器的数据采集变化一致，因此可以模拟传感器数据采集的变化，则此外部电路可行。2.2A/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。ADC0804是8位全MOS中速A/D转换器、它是逐次逼近式A/D转换器，片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接接口。单通道输入，转换时间大约为100us。ADC0804转换时序是：当CS＝0许可进行A/D转换。WR由低到高时，A/D开始转换，一次转换一共需要66－73个时钟周期。CS与WR同时有效时启动A/D转换，转换结束产生INTR信号（低电平有效），可供查询或者中断信号。在CS和RD的控制下可以读取数据结果。ADC0804连线图：单片机接好的可变电阻A/D转换电路单片机声光报警电路LED显示键盘基于单片机的酒精气体智能报警系统3图2AD转换电路接法ADC0804的结构框图如图4。ADC0804采用逐次比较的方法完成A/D转换的，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引脚的功能来决定所选的通道。0804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的数据总线上。通过适当的外接电路，0804可对0-5V的模拟信号进行转换。2.3AT89C52单片机系统电路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3-8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集成电路芯片上。按功能划分，它有如下功能部件组成：⑴微处理器（CPU）。⑵数据存储器(RAM)。⑶程序存储器（ROM/EPROM）。⑷4个8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）。⑸一个串行口。⑹2个16位定时器、计数器。基于单片机的酒精气体智能报警系统4⑹2个16位定时器、计数器。⑺中断系统。⑻特殊功能寄存器（SFR）。图3单片机内部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。2.3．289C51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。PSEN88EOCXTAL1CPU（运算器）（控制器）数据存储器RAMP0P2程序存储器ROM/EPROMP1串行口定时器/计数器中断系统特殊功能寄存器（SFR）P3ALEEAIN7….I0XTAL288RESET基于单片机的酒精气体智能报警系统5P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST(TXD)P3.1(INT0)P3.2(INT1)P3.3T0P3.4T1P3.5(WR)P3.6(RD)P3.7XTAL1XTAL2GNDVccP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)EA/VPPPSENP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8)PDIP(RXD)P3.0ALE/PROG图451单片机引脚图40只引脚按其功能来分，可分为如下3类：⑴电源及时钟引脚：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc接+5V电源，Vss接地。时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了1个晶体振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。2个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。XTAL1接外部的一个引脚。该引脚内部是一个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚接地。XTAL2接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接受时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。⑵控制引脚：PSEN、ALE、EA、RESET（RST）。此类引脚提供控制信号，有的还具有复用功能。①RST/VPD引脚：RESET（RST）是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期（24个振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。在单片机工作时，此引脚应为≤0.5V低电平。VPD为本引脚的第二功能，即备用电源的输入。当主电源发生故障，降低到某一规定值的低电平时，将+5V电源自动接入RST端，为内部RAM提供备用电源，以保证片内RAM的信息不丢失，从而使单片机在复位后能正常进行。②ALE/PROG引脚：ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部锁存器，ALE端仍有基于单片机的酒精气体智能报警系统6正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率的1/6。PROG为该引脚的第二功能。在对片内EPROM型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。③PSEN引脚：程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的OE（输出允许端）。④EA/VPP引脚：EA功能为片内程序存储器选择控制端。当EA引脚为高电平时，单片机访问片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH时，即超出片内程序存储器的4KB地址范围时将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA引脚为低时，单片机只访问外部程序存储器，不论是否有内部程序存储器。⑶I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为四个8位I/O口的外部引脚。P0口、P1口、P2口、P3口是3个8位准双向的I/O口，各口线在片内均有固定的上拉电阻。当这3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写1，另外准双向口I/O口无高阻的“浮空”状态。由于单片机具有体积小、质量轻、价格便宜、耗电少等突出特点，所以本系统采用89C51单片机，硬件设计电路图如图1所示。89C51内部有4KB的EPROM，128字节的RAM，所以一般都要根据所需存储容量的大小来扩展ROM和RAM。本电路EA接高电平，没有扩展片外ROM和RAM。2.4LED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74HC573将P0口位输出的BCD码译成七段字型码，利用P0口输出信号，实现稳定显示。LED使用的是7段数码管。图5单片机与显示连接电路基于单片机的酒精气体智能报警系统72.5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。本次课设采用键盘扫描模式进行按键识别，此种方法简便准确，易于简单电路中键盘扫描。键盘扫描电路图如下图：图6键盘系统与单片机连接电路2.6报警电路本次设计采用AT89C51单片机内部的蜂鸣器和二极管来发生报警。达到声光报警的设计要求。报警电路如下图：图7蜂鸣器报警电路3、软件设计基于单片机的酒精气体智能报警系统83.1主程序框图主程序流程图如下图8所示。图8主程序框图3.2数据采集子程序程序框图A/D转换子程序流程图如下图9所示。ADC0804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9：图