酒精浓度测定仪

专业方向课程设计课题：酒精浓度检测仪班级测控1101学生姓名邹士航学号1101203127指导教师张青春纪剑祥淮阴工学院电子与电气工程学院目录一、系统方案设计..........................................11.1概述.............................................11.2系统方案框图.....................................11.3工作原理.........................................1二、硬件设计..............................................22.1传感器的选择.....................................22.2A/D转换电路......................................42.389C51单片机系统..................................52.4LCD显示电路......................................82.5键盘电路.........................................82.6报警电路.........................................92.7误差分析与修正...................................9三、软件设计.............................................103.1主程序框图......................................103.2数据采集子程序程序框图..........................103.3报警子程序程序框图..............................11四、系统安装与调试.......................................134.1安装电路........................................134.2调试结果........................................14五、课程设计体会与总结...................................16附录1.参考文献.........................................162.整体电路图........................................173.元器件表..........................................184.部分参考程序......................................191.系统方案设计1.1概述本论文研究的是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有声光报警功能的空气酒精浓度监测仪。其可监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转换后传给单片机系统，由单片机及其外围电路进行信号的处理，显示浓度值以及超阈值声光报警。软件部分用汇编语言进行编程，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，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；程序的设计使用汇编语言编程。1.2系统方案框图图1-1系统方案总体框图总体方案设计时，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伏的电压值并且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出电压值经过ADC0832采集数据送入单片机进行处理。酒精浓度监测仪的硬件电路设计主要包括：传感器测量电路、89C51单片机系统、A/D转换电路、声光报警电路、LED显示电路。酒精浓度监测仪总体设计电路框图如图1-1。1.3工作原理对气体传感器MQ-3按检测电路，接上一定阻值的负载电阻，检测它的技术被测环境气敏传感器A/D转换电路单片机声光报警电路LED显示键盘参数，确定MQ-3所接负载电阻的大小，完成信号采样电路的设计；采样到的模拟电压电信号通过A/D转换，得到可供单片机处理的数字信号，再由单片机作相应的数据处理；发光二极管报警显示和4个单位8段共阴数码管浓度值显示。2.硬件设计2.1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、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2-3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。图2-1MQ3结构和外形班级：测控1101姓名：邹士航学号：1101203127课题：酒精浓度检测仪图2-2MQ3结构图图2-2MQ3结构图图2-3传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系检测电路如图2-4所示，当电源开关S断开时，传感器加热电流为零，实测A，B之间电阻大于20MΩ。S接通，则f，f之间电流由开始时155mA降至153mA而稳定。加热开始几秒钟后A，B之间电阻迅速下降至10KΩ以下，然后又逐渐上升至120KΩ以上后并保持着。此时如果将酒精溶液样品靠近MQ-3传感器，我们立即可以看到数字万用表显示值马上由原来大于120KΩ降至10KΩ以下。移开小瓶过1分钟左右后，A，B之间电阻恢复至大于120KΩ。这种反应可以重复试验，但要注意使空气恢复到洁净状态。经实验的反复检测，MQ-3传感器可以班级：测控1101姓名：邹士航学号：1101203127课题：酒精浓度检测仪正常工作使用，对不同浓度的酒精溶液有不同的变化，响应时间和恢复时间都正常，可以开始作信号采样模块电路的设计。图2-4MQ-3检测电路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。本文采用第二类逐次逼近型A/D转换器ADC0832。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。2.2.1ADC0832的引脚及功能芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定班级：测控1101姓名：邹士航学号：1101203127课题：酒精浓度检测仪性能强。独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。其主要特点如下：●8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5V；●5V单电源供电；●输入模拟信号电压范围为0～5V；●输入和输出电平与TTL和CMOS兼容；●在250KHZ时钟频率时，转换时间为32us；●具有两个可供选择的模拟输入通道；●功耗低，15mW。2.外部引脚及其说明ADC0832有DIP和SOIC两种封装，DIP封装的ADC0832引脚排列如图6.21所示。各引脚说明如下：●CS——片选端，低电平有效。●CH0，CH1——两路模拟信号输入端。●DI——两路模拟输入选择输入端。●DO——模数转换结果串行输出端。●CLK——串行时钟输入端。●Vcc/REF——正电源端和基准电压输入端。●GND——电源地。2.2.2ADC0832的转换原理ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。2.389C51单片机系统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ADC0832引脚图班级：测控1101姓名：邹士航学号：1101203127课题：酒精浓度检测仪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2-6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。⑹2个16位定时器、计数器。⑺中断系统。⑻特殊功能寄存器（SFR）。图2-651单片机片内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班级：测控1101姓名：邹士航学号：1101203127课题：酒精浓度检测仪的集中控制方式。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AT89C