根据51单片机的酒精检测仪课程教学设计.doc

.\ 1 甲醇测试仪总体方案设计 1.1 甲醇浓度检测仪设计要求分析 设计的甲醇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）软件设计简单易懂。 1.2 甲醇浓度检测仪设计方案 设计时，考虑甲醇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 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。 其总体框图如图2.1所示。 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 图1.1 基本工作原理图 2 硬件设计 2.1 传感器的选择 本系统采用气敏传感器直接测量的是空气中的甲醇浓度。传感器只能采对甲醇 气体敏感，对其他气体不敏感，故选用MQ3型气敏传感器,这是考虑到周围空气中 的气体成分可能影响传感器测量的准确性。MQ3型气敏传感器由微型Al2O3，陶 瓷管和测量电极、SnO2敏感层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。MQ3型气敏传感器有很 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。传感器的标准回路 有加热回路和信号输出回路两部分组成，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 3-3 所示。一般在测量 前需将传感器预热5分钟，这个样子是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。 图2.1 MQ3 结构和外形 图2.2 MQ3 结构图 .\ 2.2 A/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。 该设计中选用的是ADC0809属第二类，是8位A/D转换器。0809具有8 路模拟信号输入端口，地址线（23-25脚）可决定那一路模拟信号进行A/D转换。 22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制， 当输入一个2μs的高电平脉冲时，就开始A/D转换。7引脚为A/D转换结束标志， 当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许端，当OE 脚为高电平时，A/D转换数据输出。10脚为0809的时钟输入端。 2.2.1 ADC0809的引脚及功能 逐次比较型A/D转换器在精度、速度、和价格上都适中，是最常用的A/D转 换器件。芯片采用的是ADC0809，以下介绍ADC0809的引脚及功能。芯片如图 3.4所示。 图2.3 ADC0809的引脚 ADC0809是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。 由图可见，ADC0809共有28个引脚，采用双列直插式封装。主要引脚功能如下： .\ ⑴ IN0-IN7是8路模拟信号输入端。 ⑵ D0-D7是8位数字量输入端。 ⑶ A、B、C与ALE控制8路模拟通道的切换，A、B、C分别与3根地址 线或数据线相连，3位编码对应8个通道地址端口。 需要注意的是：ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号， 但每个瞬间只能换1路，共用一个A/D转换器进行转换，各路之间的切换由软件 改变C、A、B引脚上的代码来实现。地址锁存与译码电路完成对 A、B、C 3个 地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存 器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，图2.4为通道选择表。 图2.4 通道选择表 ⑷ OE、START、CLK为控制信号端，OE为输出允许端，START为启 动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。 ⑸ VR(+)和VR(-)为参考电压输入端。 2.2.2 ADC0809的结构及转换原理 ADC0809的结构框图如图3-6。ADC0809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。0809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，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。 .\ START CLK OEVR(+) VR(－) VCC GND EOC D0 . . . D7 三态输 出锁存 器 8位 A/D 转换 器 地址锁 存与密 码 C B A ALE 8 路模 拟量开 关 IN7 …. IN0 图2.5 ADC0809的结构框图 2.2.3 ADC0809连线图 ADC0809与单片机的连线图如图2.6： .\ 图2.6 ADC0809的连线图 2.3 89C51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） 。 ⑷ 4个8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口） 。 ⑸ 一个串行口。 ⑹ 2个16位定时器、计数器。 ⑹ 2个16位定时器、计数器。 ⑺ 中断系统。 ⑻ 特殊功能寄存器（SFR） 。 PSEN 88 E O C X T A L 1 CPU （运算器） （控制器） 数据存储器 RAM P 0P 0 P2 R O M/ EP R O M SF R 8 P 2 程序存储器 ROM/EPRO M P 1 串 行 口 定时 器/计 数器 中断 系 统 特殊功能 寄存器 （SFR） P 3 ALEEA IN7 …. I 0 X T A L 2 8 8 RESET 图2.7 51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 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。 2.3.2 89C51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，如图3-9所示。 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST (TXD) P3.1 (INT0) P3.2 (INT1) P3.3 T0 P3.4 T1 P3.5 (WR) P3.6 (RD) P3.7 XTAL1 XTAL2 GND Vcc P0.0 (AD0) P0.1 (AD1) P0.2 (AD2) P0.3 (AD3) P0.4 (AD4) P0.5 (AD5) P0.6 (AD6) P0.7 (AD7) EA/VPP PSEN P2.7 (A15) P2.6 (A14) P2.5 (A13) P2.4 (A12) P2.3 (A11) P2.2 (A10) P2.1 (A9) P2.0 (A8) PDIP (RXD) P3.0 ALE/PROG 图2.8 AT89C51芯片管脚图 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：、ALE、、RESET（RST）。此类引脚提供控制信号，PSENEA 有的还具有复用功能。 ① RST/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。 ② ALE/ 引脚：ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正PROG 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端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率的 1/6。 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PROG 脚作为编程脉冲输入端。 ③ 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，PSEN 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）。 ④ /VPP引脚：功能为片内程序存储器选择控制端。当引脚为高电平EAEAEA 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。当引脚为低EA 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。 ⑶ I/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。本电路接高电平，没有扩展片外ROM和RAM。 EA 2.3.3 晶振电路和复位电路 .\ 电路图如下： 图2.9 晶振与复位电路 2.4 LED 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MC14495将 P1口低4位输出的BCD码译成七段字型码，利用P1口高四位做为各锁存译码器 的所存信号，实现稳定显示。LED使用的是共阴极7段数码管。 数码管显示电路如下 .\ 图2.10 数码管显示电路 2.5 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。 键盘扫描电路图2.11： 图2.11 按键电路 2.6 报警电路 .\ 报警电路图2.12： 图2.12 报警电路 3 软件设计 3.1 主程序框图 主程序流程图如下图3.1所示。 图3.1 主程序框图 初始化 LCD 显示子程 序 数据处理子程 序 键盘扫描子程 序 序A/D 转换子程 序 序 大于阈值？ 声光报警 N 开始 Y .\ 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3.2所示。ADC0809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3.2 图3.2 数据采集子程序框图 3.3 报警子程序程序框图 系统设定阈值并保存在以50H开始的3个单元，为了便于比较和显示，阈值 的千位放入50H中，百位和十位放入5lH，个位放人52H中。报警电路分为蜂鸣 器报警电路和LED发光报警电路组成。当输入端P3.5为低电平时，有电流通过蜂 鸣器，蜂鸣器发出声音报警。而当输入端为高电平时不报警。 开始 启动 ADC0809 通道，并延时 100μs 转换完？ 读出 A/D 转换结果 结果存入内存单元 返回 Y N .\ 报警子程序执行之前，将报警阈值转换为压缩的BCD码并存放在两个存储单 元中。传感器输入值A/D转换后，调用比较程序，经过数据处理后显示的测量值与 阈值比较，小于阈值则继续执行显示程序。若大于阈值则将单片机的P3.5口清零 进行声光报警。40H、4lH、42H单元存放A/D转换后，并进行十进制转换后的 结果。40H和50H分别存放的是处理后的测量值与阈值的千位的压缩BCD码， 41H和51H分别存放的是处理后的测量值与阈值的百位、十位压缩的BCD码， 42H和52H分别存放的是处理后的测量值与阈值的个位的压缩BCD码。程序首 先对40H、50H中的值进行比较大小，如果40H中的值大于50H中的值，则进 行报警。依此类推，比较41H和51H，42H和52H。程序框图如图3.3： 开始 40H 中的 BCD 码大？ 与阈值相等？ 41H 中的 BCD 码大？ 42H 中的 BCD 码大？ 返回 Y Y Y 报警 N Y N N Y N Y N Y Y Y 与阈值相等？ .\ 图3.3 报警子程序流程框图 总结 经过一周的努力，终于完成了智能仪器的课程设计。这是我第一次基于单片机 独立设计一个东西，并且老师只给出了大致要求。这对于我来说是很有挑战性的。 首先这是一个基于单片机的课程设计，单片机是这学期学习的课程，虽然不陌 生，但是用起来还发现很多的问题。硬件方面还好解决，弄明白就可以了，但软件 .\ 方面就非常困难了，虽然以前还做过这方面的实验，但那都是是些简单应用。这次 设计真的让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很 巧妙的程序算法，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习 理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。 其次，就是使用到的各种元器件。这次我使用的基本上都是已经学过的元件， 但真正用起来才发现自己还差的很多，所以我又重新对所用到的器件仔仔细细，认 认真真的研究了一遍从引脚，到时序，再到最后的电路整体构成，下了非常大的功 夫才最后弄出来。 回顾起此次单片机课程设计，我仍感慨颇多。通过这次课程设计使我懂得了理 论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识 与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实 际动手能力和独立思考的能力。这让我学到了很多课本上没有的东西，扩展了自己 的视野，增强了自己的动手能力，清醒的认识到自己的不足，培养了小心谨慎的作 风，使自己对课题设计了解进一步加深。总之，此次的课程设计使我收获颇丰，也 是我上大学来难忘的一次经历。 .\ 参考文献： 1.程德福,王君.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社，2007 2.赵广林. protel99 电路设计与制版.北京：电子工业出版社，2005 3.王洪君.单片机原理及应用.济南：山东大学出版社.2009 4.王祁.智能仪器设计基础.北京：机械工业出版社.2009 .\ 附录 .\ 致谢 这次课程设计能够顺利的完成得到了系领导老师的大力支持和帮助，尤其是我 们小组的指导老师邱雄迩老师，在百忙之中抽出宝贵的休息时间，仔细耐心地为我 们指导。设计过程中，邱老师帮我们分析遇到的种种困难，一直支持、鼓励我们要 有解决问题的信心，才使得设计得以顺利的完成。在设计的同时，和同学之间的互 相探讨也使我受益匪浅。在此，我对他们表示由衷的感谢！ 电子信息技术日新月异地飞速发展，人们总是处在不断学习阶段，所以本设计 肯定存在许多不尽如人意的地方，欢迎广大老师和同学批评指正。 最后，要感谢电气系所有老师，他们精心栽培为我以后的学习和工作打下了坚 实的基础。