便携式酒精检测仪课程设计Word文件下载.docx
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(1)掌握整个测试仪的工作过程、每个环节的原理。
(2)单片机、酒精传感器、运放等器件的选用。
(3)测量标定。
课题难点:
(1)酒精传感器、运放、A/D模数转换器、单片机、LCD显示的集成电路设计。
(2)采集数据、处理数据、以及显示数据的程序的编写。
(3)酒精气体的采集过程。
(4)测试数据时,精度达到要求。
3.2硬件设计总体框架介绍
图1硬件设计总体框
3.3硬件电路主要器件的选择
在满足上诉测试要求的前提下,选择自己熟悉并且常用的器件,方便调试,而且容易买到,还要考虑到总体的成本,选择比较经济的器件,价格控制在一定范围内。
本课题选择的主要器件如下:
(1)单片机:
AT89S52
(2)运算放大器:
OP07
(3)A/D:
0809
(4)酒精传感器:
MQ303
(5)LCD:
1602
(6)晶振
(7)电容、电阻
图2MQ303结构与外形以及电路连接
3.4气体传感气及放大电路介绍
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。
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,本课题选择MQ303型酒精传感器。
3.4.1MQ303气体传感器简介
特色:
高灵敏度
快速的响应恢复
图3MQ303
应用:
MQ303是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器,对酒精具有高的灵敏度和快速的响应性。
结构:
半导体气体敏感部分是一个微型珠状小球,内嵌加热丝和金属电极,这种敏感元件安装在有防爆功能的双层100目不锈钢网的金属壳内。
(如图2)
工作条件:
图4是这种元件的测试电路。
通过固定或可调外接负载电阻上电压的变化获得元件电阻的变化。
为了使元件发挥其好的功能和特定的性能,加热电压、回路电压和负载电阻须限制在下页图表所示的标准工作条件内。
传感器通电后通常需要数分钟的预热方可进入稳定工作状态,也可在正常检测前给传感器施加5~10秒钟2.2±
0.2V的高电压,使传感器尽快稳定并进入工作状态。
灵敏度特性:
图5是MQ303的灵敏度特性曲线图。
灵敏度特性图反映了元件电阻和气体浓度之间的关系。
元件的电阻与气体的浓度呈对数关系,随气体浓度的增加而减小。
图4标准测试电路图5灵敏度特性
表1标准工作条件
符号
参数
技术条件
备注
VH
加热电压
0.9V±
0.1V
ACorDC
VC
回路电压
≤6V
DC
RL
负载电阻
可调
PS<
10mW
RH
加热电阻
4.5Ω±
0.5Ω
室温
IH
加热电流
120±
20mA
PH
加热功率
≤140mW
PS
元件功率
≤10mW
表2环境条件
Tao
使用温度
-20oC—+50oC
推荐使用范围20ppm-1000ppm乙醇
Tas
储存温度
-20oC—+70oC
RH
相对湿度
≤95%RH
(O2)
氧气浓度
21%±
1%(标准条件)
不得小于16%
氧气浓度会影响灵敏度
表3灵敏度特性
型号
MQ303
参数名称
Rs
元件电阻
(4kΩto400kΩ)
在洁净空气中
α
电阻比
(0.50±
0.15)
Rs(300ppm酒精)/Rs(100ppm酒精)
标准测试条件:
温度:
20oC±
2oCVC:
3.0V±
0.1VDC
湿度:
65%±
5%VH:
0.9V±
0.1VDC
RL:
可调
预热时间:
大于48小时
3.4.2酒精传感器MQ303连接电路
图6MQ303连接电路
3.5模数转换器ADC0809连接电路介绍
模数转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量,是架起模拟系统跟数字系统之间连接的桥梁。
对于本系统而言,就是用于快速、高精度地对输入的酒精浓度信号进行采样编码,将其转换成单片机所能够处理的数字量。
模数转换电路是本系统的关键部分,其性能的好坏直接影响整个系统的质量
3.5.1模数转换器ADC0809功能及管脚简介:
ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
当其频率为500KHZ时,其转换速度为128us。
AD0809的数据输出公式为:
Vout=Vin*5/256,其中Vin为输入模拟电压,Vout为输出数据。
ADC0809主要特性:
(1)8路输入通道,8位A/D转换器,即分辨率为8位。
(2)具有转换起停控制端。
(3)转换时间为100μs
(4)单个+5V电源供电
(5)模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
(6)工作温度范围为-40~+85摄氏度
(7)低功耗,约15mW。
管脚介绍:
图7ADC0809管脚图
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,管脚图如图7所示。
下面简要说明本课题应用到的引脚功能。
IN0~IN7:
8路模拟信号输入端;
2-1~2-8:
8位数字信号输出端。
ADDA、ADDB、ADDC:
3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路。
ALE:
地址锁存允许信号,输入,高电平有效。
START:
A/D转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲(至少100ns宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位,下降沿启动A/D转换)。
EOC:
A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。
OE:
数据输出允许信号,输入,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
CLK:
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF(+)、REF(-)为基准电压。
VCC为电源,单一+5V;
GND是接地。
3.5.2模数转换器ADC0809工作原理介绍
图8ADC0809连接电路图
工作原理:
首先从ADD-A、ADD-B、ADD-C三根地址线输入3位地址,并使ALE=1为高电平,将输入的地址存入地址锁存器中,以便选通一个模拟通道。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
脉冲的下降沿启动A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。
直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时,输出三态门打开,转换结果通过P0.0~P0.7端输出到数据总线上,以便能将转换好的数字电信号传递给单片机进行数据处理。
3.6单片机AT89S52最小系统连接电路介绍
单片机也被称为微控制器,是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能。
本课题采用较常用且较经济的AT89S52单片机,AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程存储器。
3.6.1单片机AT89S52功能及管脚简介
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3输出缓冲器能驱动4个。
TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
PSEN:
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号。
EA/VPP:
外部访问允许,欲使CPU访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
晶振特性:
AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器,XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。
石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。
存储器结构:
MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。
外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。
程序存储器:
如果EA引脚接地,程序读取只从外部存储器开始。
数据存储器:
AT89S52有256字节片内数据存储器。
高128字节与特殊功能寄存器重叠。
2.7.2本课题单片机最小系统连接电路介绍
图9单片机最小系统连接电路
本单片机最小系统连接电路如图9,本系统包括单片机AT89S52接口电路、晶振电路、复位电路、分频电路。
单片机AT89S52接口电路中,P00~P02口分别控制ADC0809的三根地址线A、B、C,用于给三根地址线赋值,选通转换通道;
P03口用于控制系统报警,当所测试的浓度超过阈值时,输出一个低电平,红色指示灯会发光,蜂鸣器会发出声音。
P04口用于控制ADC0809的地址锁存,当ALE=1为高电平,将输入的地址存入地址锁存器中。
P05口用于控制ADC0809启动转换START,当START=1时候,ADC0809开始转换模拟信号。
P06用于控制ADC0809的使能端,保证其正常工作。
P20~P27作为数据线,在单片机和ADC0809之间用于传递ADC0809转换好的被测电压数字信号。
P10~P17作为数据线,在单片机和液晶LCD1602之间用于传递单片机处理过的被测电压数字信号。
P32口、P33口、P34口分别为INT0、INT1、T0,作为中断;
P35口、P36口、P37口分别为E、R/W、RS,用来控制液晶,对液晶写入控制命令。
单片机的18号、19号管脚用于连接晶振电路,使单片机工作。
单片机31号管脚是EA/VPP,是访问外部程序存储器控制信号,当执行内部程序指令,EA应该接VCC;
9号管脚是单片机复位;
30号管脚是ALE/PROG,地址锁存控制信号ALE是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,用来作为ADC0809的时钟使用。
分频电路由两块74LS74芯片串联而成,实现4分频,得到一个500K的时钟信号,作为ADC0809的时钟。
复位电路包含了单片机上电复位和按键复位(高电平复位)。
P0口和P2口分别加上一个排阻,作为上拉电阻,提高驱动能力。
3.7LCD显示电路介绍
3.7.1LCD1602功能特性及管脚介绍
功能介绍:
液晶显示器在一个电路系统中用于显示数据,本课题的硬件电路中采用1602LCD液晶作为显示器。
1602LCD具有40通道点阵LCD驱动;
可选择当作行驱动或列驱动;
输入/输出信号:
输出,能产生20×
2个LCD驱动波形;
输入,接受控制器送出的串行数据和控制信号;
通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来。
LCD1602显示容量为16×
2个字符;
芯片工作电压为4.5~5.5V;
工作电流为2.0mA(5.0V);
模块最佳工作电压为5.0V;
字符尺寸为2.95×
4.35(W×
H)mm。
信号说明1602LCD采用标准的14引脚(无背光)或16引脚(带背光)接口,各引脚接口说明见表1。
编号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DateI/O
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
4
RS
数据/命令选择端(V/L)
12
D5
5
R/W
读/写选择端(H/L)
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
16
BLK
背光源负极
表4:
LCD1602引脚介绍
(1)2组电源一组是模块的电源一组是背光板的电源均为5V供电。
(2)VL是调节对比度的引脚调节此脚上的电压可以改变黑白对比度
(3)RS是很多液晶上都有的引脚是命令/数据选择引脚该脚电平为高时表示将进行数据操作;
为低时表示进行命令操作。
(4)RW也是很多液晶上都有的引脚是读写选择端该脚电平为高是表示要对液晶进行读操作;
为低时表示要进行写操作。
(5)E同样很多液晶模块有此引脚通常在总线上信号稳定后给一正脉冲通知把数据读走,在此脚为高电平的时候总线不允许变化。
(6)D0—D78位双向并行总线,用来传送命令和数据。
(7)BLA是背光源正极,BLK是背光源负极。
3.7.2本课题1602LCD与单片机接口电路介绍
图101602LCD与单片机接口电路
图10为1602LCD与单片机接口电路,其中D0~D7八位双向并行总线与单片机的P1口相连,用来传送命令和数据。
RS与单片机P37口相连,作为命令/数据选择引脚;
R/W与单片机P36口相连,作为读写选择端;
E与单片机P35相连,用于控制信号读取;
VO是用来调节背光。
其余管脚功能在上一段文章中已经描述,这里就不再赘述。
3.8报警系统电路介绍
图11报警系统电路
报警系统电路如图11,通过单片机程序控制,判断是否报警。
当浓度超过阈值时(本课题阈值为0.4mg/L),单片机P2.6管脚输出一个低电平,使LED1(红色发光二极管)导通发光,同事使三极管9012导通,驱动蜂鸣器发出声音。
说明:
本次课题要求用三个LED灯,在三个浓度阶段分别发光。
考虑到本仪器的应用更加方便,设计上做了一下改进:
增加一个蜂鸣器,发出声音,报警更加直观、明显。
当浓度小于0.25mg/L时候,为安全浓度,在液晶显示器上显示“save”;
当浓度介于0.25mg/L和0.4mg/L两者之间时,是警戒浓度。
在液晶显示器上显示“warning”。
当浓度超过0.4mg/L时,LED1发出红光,蜂鸣器报警。
3.9系统其他电路简介
3.9.1电源指示电路介绍
图12电源转换接口
3.9.2分频电路介绍
对单片机输出的时钟信号进行4分频,作为ADC0809的时钟信号。
分频电路设计如图2.16。
图13分频电路
3.9.3程序存储电路介绍
图14程序存储电路
3.9.4串行接口电路介绍
图15串行接口电路
3.9.5按键控制电路图:
图16按键控制电路
四、系统软件测试
4.1主程序流程图及设计
主程序流程图如图17所示。
首先系统上电后要对系统各模块进行初始化设置,然后数据采集、转换、计算等过程;
判断是否发出声音和发光报警。
图17主程序流程图
4.2A/D转换流程图及设计
A/D转换流程图如图18所示,开始的时候输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中,选择A/D转换通道;
START上升沿将逐次逼近寄存器复位,下降沿启动
A/D转换,之后判断是否转换完毕;
ADC0809正在进行转换时候,EOC总是低电平,当其转换完毕后,EOC变成高电平,告知完成了本次转换;
判断是否转换完毕,其实就是判断EOC是否为高电平;
EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据读出存入锁存器,本次转换结束。
图18A/D转换流程图
五、调试及性能分析
在系统硬件和软件设计的基础上,通过对软硬件的结合调试,便携式酒精含量测试仪的方案设计得到了肯定,通过实验得知,能够检测到酒精气体浓度,读回电压值,经过换算处理,较为直观的显示出酒精浓度值。
当检测到气体酒精含量超标时,能够驱动声光报警。
5.1软硬件的合成调试
首先把硬件电路设计好,写好软件后,需要通过硬件看看能否得到所需要实现课题要求的功能,所以需要二者结合调试。
本次设计主要进行的调试工作是:
数据采集调试及信号放大调试、驱动声光报警等方面的调试。
在调试的实际过程中,首先将编写好的程序下载到目标板上进行分块调试;
然后组成整个应用程序,进行整体调试从而完成整个设计的程序调试工作。
调试前的准备工作:
(1)PC机;
(2)数字万用表;
(3)12V电源(可调);
(4)不同浓度的酒精溶液等。
本次硬件设计选用DXP2004;
软件设计环境选用Keil.平台。
用自己所编制的程序来调试和检验目标板上的电路(硬件调试);
利用USB数据线将自己设计的目标程序烧写到目标板上的单片机AT89S52。
单片机中(程序固化)。
5.2调试故障及分析
在调试过程中,出现以下故障:
(1)Keil不能识别单片机AT89S52,单片机不能下载程序;
可能是检查晶振不工作或单片机线路故障;
经排查,发现是晶振被损坏,换一个晶振就解决了这个问题。
(2)用万用表测传感器输出电压,变化范围不大。
原因可能是滑动变阻器阻值不够大,导致传感器电路灵敏度。
经调试,换一个适当的、更大的滑动变阻器,再去测输出电压,电压变化范围就变大了,达到了测试要求。
(3)传感器输出电压不稳定,在同浓度酒精情况下测试电压,测试值也不同。
可能是传感器没有预热充分以及测试仪电源不稳定导致。
检查调节电源电压,保证供电电压稳定,同时使传感器预热5分钟,等传感器充分预热以及系统功能稳定后,在进行电压测试。
(4)液晶LDC无显示,可能是程序不对或者是LCD硬件电路问题。
经检查,有一根数据线断开了,用焊锡连上即可。
5.3酒精浓度检测的原理及依据
5.3.1检测原理
利用便携式酒精含量测试仪来判断人体内血液酒精浓度的依据为:
人饮酒后,酒精通过消化系统被人体吸收,经过血液循环,约有90%的酒精通过肺部呼气排出,因此测量呼气中的酒精含量,可以判断人的醉酒程度。
另外更重要的依据是人体呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关系:
BAC(inmg/L)=BrAC(inmg/L)×
2200,上式中,BAC是血液酒精浓度的英文缩写,BrAC则是呼气酒精浓度的缩写,括号中的inmg/L表示以每升中多少毫克为单位。
即以mg/L为单位的血液酒精浓度在数值上相当于以mg/L为单位的呼气酒精浓度乘以系数2200(由于各国的情况不同,在美国此系数采用2000,而欧洲很多国家采用2100)。
基于这种关系,根据驾驶员呼出气体中的酒精含量来确定被测量者体内酒精含量的多少,研究表明,当驾驶员呼气中酒精浓度超过0.25mg/L时,驾驶员就会在复杂技巧上出现障碍、驾驶能力变坏,肇事率是无酒精状态的2倍,驾驶员驾车容易肇事,以此标准来衡量司机是否能够安全驾驶,当驾驶员呼气中酒精浓度超过0.40mg/L时,驾驶员出现多话、感觉障碍,肇事率是无酒精状态的6倍。
这时驾车就比较危险了,需进行报警。
呼出气体中酒精含量检测的方法为:
被测者对准传感器进行吹气7秒即可。
5.3.2检测依据
到底身体中的酒精浓度要达到多少才需要禁止其驾驶车辆?
由于人种的不同,对酒精的代谢速率也不一样,再加上各国的社会风俗习惯不同,因此订定的标准也不完全一样。
以下表5和表6分别是世界各国法定酒精浓度限制和体内酒精浓度与肇事率的关系。
国家
呼吸酒精浓度限制
血中酒精浓度限制
瑞典
0.10及0.50mg/L
20及100mg/dL
英国
35ug/100dL
80mg/dL
德国
80mg/dL
荷兰
220ug/L
50mg/dL
法国
0.25
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