基于51單片機(jī)的語音播報酒精檢測儀設(shè)計(jì)

一、前言

近年來，我國越來越多的人有了自己的私家車，而酒后駕車造成的交通事故也頻繁發(fā)生。為此，我國將酒駕列入刑法范圍內(nèi)，所以需要設(shè)計(jì)一智能儀器能夠檢測駕駛員體內(nèi)酒精含量。本課程設(shè)計(jì)研究的是一種以氣敏傳感器和單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器為主，檢測駕駛員呼出氣體的酒精濃度，并具有聲光報警功能的空氣酒精濃度監(jiān)測儀。其可檢測出空氣環(huán)境中酒精濃度值，并可根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)定不同的閾值，對超過的閾值進(jìn)行聲光報警來提示危害。

本課題分為兩部分：硬件設(shè)計(jì)部分和軟件設(shè)計(jì)部分。硬件部分為利用MQ3氣敏傳感器測量空氣中酒精濃度，并轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳給單片機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)及其相應(yīng)外圍電路進(jìn)行信號的處理，顯示酒精濃度值以及超閾值聲光報警。程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想，各個子程序的功能相對獨(dú)立，便于調(diào)試和修改。而硬件電路又大體可分為單片機(jī)小系統(tǒng)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、聲光報警電路、LCD液晶顯示電路，按鍵電路，各部分電路的設(shè)計(jì)及原理將會在硬件電路設(shè)計(jì)部分詳細(xì)介紹。

二、酒精測試儀總體方案設(shè)計(jì)

2.1 酒精濃度檢測儀設(shè)計(jì)要求分析

設(shè)計(jì)的酒精濃度測試儀應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，外圍電路帶有LCD顯示以及鍵盤響應(yīng)電路，無需要其他計(jì)算機(jī)，用戶就可以與之進(jìn)行交互工作，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、計(jì)算、分析等過程。

（2）系統(tǒng)具有低功耗、小型化、高性價比等特點(diǎn)。

（3）從便攜式的角度出發(fā)，系統(tǒng)成功使用了數(shù)碼管顯示器以及小鍵盤。由單片機(jī)系統(tǒng)控制鍵盤和LCD顯示來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，界面友好。

（4）軟件設(shè)計(jì)簡單易懂。

2.2 酒精濃度檢測儀設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)時，考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉(zhuǎn)換為電量，傳感器輸出的是0-5伏的電壓值且電壓值穩(wěn)定，外部干擾小等。因此，可以直接把傳感器輸出電壓值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理。此外，還需接入液晶顯示，鍵盤設(shè)定，報警電路，語音電路等。

其總體框圖如圖2-1所示。

圖2-1 基本工作原理圖

三、硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器的選擇

本系統(tǒng)直接測量的是呼氣中的酒精濃度，再轉(zhuǎn)換為血液中的酒精含量濃度，故采用氣敏傳感器?？紤]到周圍空氣中的氣體成分可能影響傳感器測量的準(zhǔn)確性，所以傳感器只能對酒精氣體敏感，對其他氣體不敏感，故選用MQ3型氣敏傳感器。其有很高的靈敏度、良好的選擇性、長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。MQ3型氣敏傳感器由微型Al2O3，陶瓷管和SnO2敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。傳感器的標(biāo)準(zhǔn)回路有兩部分組成。其一為加熱回路，其二為信號輸出回路，它可以準(zhǔn)確反映傳感器表面電阻值的變化。傳感器的表面電阻RS的變化，是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號VRL輸出面獲得的。負(fù)載電阻RL可調(diào)為0．5-200K。加熱電壓Uh為5v。上述這些參數(shù)使得傳感器輸出電壓為0-5V。MQ3型氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)和外形、標(biāo)準(zhǔn)回路、傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關(guān)系圖如圖3-3所示。為了使測量的精度達(dá)到最高，誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測量前需將傳感器預(yù)熱5分鐘。

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圖3-1 MQ3 結(jié)構(gòu)和外形

圖3-3 傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關(guān)系

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，被測量對象的有關(guān)變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，須經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬電信號（電壓或電流），這些模擬電信號必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能在單片機(jī)中用軟件進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）。

A/D轉(zhuǎn)換器大致分有三類：一是雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點(diǎn)是精度高，抗干擾性好，價格便宜，但速度慢；二是逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，精度、速度、價格適中；三是∑-△A/D轉(zhuǎn)換器。

該設(shè)計(jì)中選用的是ADC0809屬第二類，是8位A/D轉(zhuǎn)換器。0809具有8路模擬信號輸入端口，地址線（23-25腳）可決定那一路模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。22腳為地址鎖存控制，當(dāng)輸入為高電平時，對地址信號進(jìn)行鎖存。6腳為測試控制，當(dāng)輸入一個2μs的高電平脈沖時，就開始A/D轉(zhuǎn)換。7引腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，7腳輸出高電平。9腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許端，當(dāng)OE腳為高電平時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。10腳為0809的時鐘輸入端。

3.2.1 ADC0809的引腳及功能

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器在精度、速度、和價格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。芯片采用的是ADC0809，以下介紹ADC0809的引腳及功能。芯片如圖3-4所示。

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編輯

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圖3-4 ADC0809的引腳

ADC0809是一種逐次比較式8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。由圖可見，ADC0809共有28個引腳，采用雙列直插式封裝。主要引腳功能如下：

⑴ IN0-IN7是8路模擬信號輸入端。

⑵ D0-D7是8位數(shù)字量輸入端。

⑶ A、B、C與ALE控制8路模擬通道的切換，A、B、C分別與3根地址線或數(shù)據(jù)線相連，3位編碼對應(yīng)8個通道地址端口。

ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。下面說明各引腳功能。

IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。

2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路

ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。

START： A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。

EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。

OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。

CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。

Vcc：電源，單一+5V。

GND：地。

首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。

轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。

（1）定時傳送方式

對于一種A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時間為128μs，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機(jī)共64個機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已 經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

（2）查詢方式

A/D轉(zhuǎn)換芯片有表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

（3）中斷方式

把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受。

需要注意的是：ADC0809雖然有8路模擬通道可以同時輸入8路模擬信號，但每個瞬間只能換1路，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，各路之間的切換由軟件改變C、A、B引腳上的代碼來實(shí)現(xiàn)。地址鎖存與譯碼電路完成對 A、B、C 3個地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，圖3-5為通道選擇表。

圖3-5 通道選擇表

⑷ OE、START、CLK為控制信號端，OE為輸出允許端，START為啟動信號輸入端，CLK為時鐘信號輸入端。

⑸ VR(+)和VR(-)為參考電壓輸入端。

3.2.2 ADC0809的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換原理

ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-6。ADC0809采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的，由單一的+5V電源供電。片內(nèi)有鎖存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由C、B、A引腳的功能來決定所選的通道。0809完成一次轉(zhuǎn)換需100μs左右，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到MCS-51的數(shù)據(jù)總線上。

通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚?809可對0-5V的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。