基于51單片機(jī)的酒精檢測(cè)儀設(shè)計(jì)案例

本文提出并設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)時(shí)檢測(cè)呼出氣體的酒精含量，且超出設(shè)定值時(shí)會(huì)聲光報(bào)警的測(cè)試儀。本文詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)所提出的背景和研究意義，對(duì)于所用到的各個(gè)器件做了對(duì)比介紹，以及各個(gè)硬件電路模塊的工作原理，在軟件程序方面，對(duì)于各個(gè)模塊做了詳細(xì)的流程框圖，可以快速看出程序設(shè)計(jì)思路，最后列舉了硬軟件在設(shè)計(jì)調(diào)試所出現(xiàn)的一系列問題以及與之對(duì)應(yīng)的解決辦法。

2 設(shè)計(jì)方案選擇

2.1 系統(tǒng)控制芯片選擇

方案一：選擇STC89C52單片機(jī)作為主控制芯片。該單片機(jī)是8位微控制器，有8K的程序存儲(chǔ)空間，有256個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，全雙工串行口，具有高速、低功耗、具有超強(qiáng)抗干擾性的特點(diǎn)，其指令代碼完全兼容8051，市場(chǎng)價(jià)格較為廉價(jià)，且具有靈活的編程方式。

方案二：選擇MSP430單片機(jī)作為主控制芯片。該單片機(jī)的匯編語言使用起來較為靈活，有許多尋址方式，且具有強(qiáng)大的處理能力，電壓低，功耗較低，片內(nèi)集成資源豐富，且加密性強(qiáng)，有強(qiáng)抗干擾能力。但是由于工作電壓低，接口電路麻煩，而且I/O口無保護(hù)，所以過壓電流會(huì)擊穿。其次不易上手，學(xué)習(xí)資料較少。

綜合以上的描述，鑒于STC89C52較為常用，市場(chǎng)上價(jià)格相對(duì)較低，設(shè)計(jì)開發(fā)難度較小，查找學(xué)習(xí)資料便捷，且此單片機(jī)已可滿足設(shè)計(jì)要求，因此選擇STC89C52作為主控制芯片。

2.2 顯示器件的選擇

方案一：使用LCD1602液晶顯示屏。該顯示屏可以直接和STC89C52直接接口，可顯示32個(gè)字符，因是字符型液晶，所以可以較為便捷地顯示字母和數(shù)字，且控制簡(jiǎn)單，市場(chǎng)價(jià)格低廉，但是所顯示的字體大小不可隨意改動(dòng)，對(duì)于曲線和圖形等也無法顯示。

方案二：使用LCD12864液晶顯示屏。該液晶顯示屏的各個(gè)顯示點(diǎn)都與一個(gè)二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)，因此可自行設(shè)計(jì)輸出的圖形和漢字，分辨率較高，功耗較低，且輕薄，由于顯示信息量大，造成電路及程序的設(shè)計(jì)較為困難。

綜合以上方案，本設(shè)計(jì)主要顯示酒精含量、時(shí)間和日期，需要顯示的內(nèi)容較少，選用LCD1602為顯示屏，已可滿足設(shè)計(jì)要求，且該顯示屏價(jià)格低廉，在網(wǎng)絡(luò)上可查找資料較多，方便學(xué)習(xí)參考，設(shè)計(jì)難度相對(duì)較小。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇

方案一：采用ADC0832作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。該芯片是雙通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，在0~5V的電壓下可以正常工作，采用250KHZ的頻率，采用雙輸出方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的校對(duì)，可有效減少芯片的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，并具有較好的穩(wěn)定性。獨(dú)立的允許輸入模式使得多個(gè)設(shè)備的安裝和控制過程更加方便。

方案二：采用ADC0808作為A/D轉(zhuǎn)換器件。該芯片是ADC0809的簡(jiǎn)化版，功能大致相同，ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。

這兩種設(shè)備的基本性能相似，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)只需一個(gè)通道，所以使用ADC0832芯片已可滿足需求，可節(jié)省資源，且此芯片兼容性好，較為劃算。

2.4 酒精檢測(cè)傳感器的選擇

半導(dǎo)體型的酒精傳感器MQ-3所處環(huán)境中含有酒精蒸氣時(shí)，當(dāng)乙醇?xì)怏w濃度增大時(shí)，傳感器的導(dǎo)電性能也隨之提高，接著將檢測(cè)到的酒精含量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，可以得到關(guān)于周圍環(huán)境中被測(cè)氣體狀態(tài)的信息。MQ-3對(duì)酒精較為敏感，以及有較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)于油煙水汽有較強(qiáng)的抵抗性，且市場(chǎng)價(jià)格較低，適用于多種應(yīng)用，最終方案選擇MQ-3酒精傳感器。

2.5 時(shí)鐘芯片的選擇

DS1302時(shí)鐘芯片可提供時(shí)間等信息，在2V~5.5V之間可以正常工作，具備主電源后備電源雙電源引腳，1腳為主電源接口，8腳作為后備電源接口，可搭配紐扣電池做后備電源，以極低的消耗可保持時(shí)鐘運(yùn)行很長時(shí)間，運(yùn)行時(shí)間可達(dá)到幾個(gè)月甚至幾年，即使斷電后再次上電使用設(shè)備也可做到時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。雖然單片機(jī)內(nèi)部也有定時(shí)器，但它是對(duì)單片機(jī)工作節(jié)拍的技術(shù)的精確度較高，但不適合長時(shí)間定時(shí)。相比之下，選擇DS1302做時(shí)鐘芯片更能滿足課題要求。

2.6 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

結(jié)合上面選擇的解決方案，確定了總體系統(tǒng)框圖，如圖2-1所示。

圖2-1 總體系統(tǒng)框圖

最終將STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，人機(jī)交互通過獨(dú)立按鍵和LCD1602液晶顯示屏來實(shí)現(xiàn)，并可通過獨(dú)立按鍵來設(shè)定醉酒閾值，調(diào)節(jié)時(shí)間顯示，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步。使用MQ-3酒精傳感器來得到電信號(hào)，經(jīng)過電路處理成模擬電壓后輸送給單片機(jī)，經(jīng)ADC0832轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓。模擬信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出，用于檢測(cè)酒精的濃度，從而降低設(shè)備的使用。將所獲得的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)置的醉酒閾值進(jìn)行比較，超過設(shè)定值值時(shí)，LED亮，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。整個(gè)電路包括：最小MCU，時(shí)鐘，功能按鍵，LCD液晶四大部分。該供電模塊由一個(gè)濾波電容，一個(gè)自鎖開關(guān)，一個(gè)LED顯示，可5V直流供電，供電給各模塊；由LCD1602液晶顯示屏和可調(diào)電阻器組成液晶顯示模塊。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.1.1單片機(jī)STC89C52

STC89C52單片機(jī)完全兼容8051，該單片機(jī)共有四組I/O口，全部提供給用戶（程序長度小于4K）分別是P0、P1、P2、P3。有6個(gè)中斷源，3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路在5.5V~3.8V之間可正常工作，11.0592MHz和12MHz是常用的時(shí)鐘工作頻率，安全性高，功耗低，運(yùn)行速度快，性能卓越，且市場(chǎng)價(jià)格便宜，在多個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

3.1.2單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖3-1所示

圖3-1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

該產(chǎn)品采用STC89C52微控制器，以單片機(jī)為控制核心，配合晶振、電源、復(fù)位電路，具有優(yōu)異的性能、較低功耗、充分開放的系統(tǒng)資源、靈活的界面，使用者可以通過自己的方式構(gòu)建電路，實(shí)現(xiàn)各種功能。在晶振電路中，通?？梢赃x擇1.2-12MHz，甚至24MHz，功率隨著頻率的增大而增大。此次采用了2個(gè)30pF陶瓷電容器，12MHz的晶振。

MCS-52單片機(jī)通常采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位這兩種復(fù)位方式[1]。RST的上方為一電容，并接一高電平，下方為一個(gè)電阻，并接地。在通電的情況下，電容器的兩端就會(huì)產(chǎn)生短路，RST管腳就會(huì)變成高電平，電源就會(huì)對(duì)電容充電，RST端的電壓就會(huì)緩慢地降低，直到達(dá)到一定的水平，單片機(jī)才能正常工作。

本設(shè)計(jì)改用了USB接口５Ｖ供電，通過一雙擲開關(guān)來控制電源的關(guān)斷，可連接充電寶或者手機(jī)充電器等，方便攜帶使用，其電路如圖3-2所示。

圖3-2 電源接口電路

3.2 MQ-3酒精氣體傳感器

MQ-3是一種半導(dǎo)體酒精感應(yīng)器，當(dāng)被測(cè)環(huán)境中含有酒精氣體時(shí)，該傳感器的導(dǎo)電性會(huì)隨著被測(cè)環(huán)境中的酒精氣體的濃度而發(fā)生變化，接著通過特定的電路，便可將傳感器的電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為一定的氣體濃度的信號(hào)，MQ-3酒精感應(yīng)器對(duì)酒精的敏感度很高，能夠抵抗汽油，煙霧，水蒸氣等。傳感器在充電時(shí)，輸出電壓會(huì)迅速升高，當(dāng)達(dá)到一定的溫度后便會(huì)緩慢的下降，因此在使用之前，要先對(duì)傳感器進(jìn)行預(yù)熱1-2分鐘，這樣就可以保證傳感器的正常工作。被測(cè)環(huán)境中的酒精濃度與傳感器輸出電壓有著一定的關(guān)系，在無酒精氣體的環(huán)境中，傳感器的輸出電壓大約為1V，在有酒精氣體的環(huán)境中，每提高20 PPM (2毫克/100毫升）的酒精濃度，傳感器的電壓提高0.1V，該模塊內(nèi)部電路圖如圖3-3所示。

圖3-3 MQ-3酒精檢測(cè)模塊內(nèi)部電路圖

3.3 ADC0832電路設(shè)計(jì)

ADC0832是一款雙通道的A/D轉(zhuǎn)換芯片，該芯片的模擬輸入電壓范圍為0-5V，基于有雙輸出的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，從而降低了數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，具有較高的轉(zhuǎn)換速度和較好的穩(wěn)定性。獨(dú)立的晶片允許輸入，使得多個(gè)裝置的連接與處理單元的控制更為便利。利用DI的數(shù)據(jù)輸入，可以較為方便地進(jìn)行信道功能的選取。如果ADC0832不工作，則其CS輸入為高電平，此時(shí)，可將此芯片關(guān)閉，CLK及 DO/DI可供選擇。與單片機(jī)的接口應(yīng)為CS、CLK、DO、DI四條數(shù)據(jù)線路.由于DO和DI在通信過程中不能同時(shí)進(jìn)行，并且與單片機(jī)之間的接口也是雙向的，所以在電路上，DO和DI并聯(lián)為一條數(shù)據(jù)線。圖3-4顯示了特定的電路。

圖3-4 ADC0832電路圖

3.4 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

在DS1302時(shí)鐘電路中，管腳1用作主電源接口，管腳8提供低功率和低功耗的情況下的備用電源接口，當(dāng)主電源斷電時(shí)，Vccl可保證其正常工作，保存資料，保持時(shí)鐘的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，做到時(shí)間同步。并外加頻率為32.768Hz晶振，提高時(shí)鐘的穩(wěn)定性。圖3-5為本設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路。

圖3-5 時(shí)鐘電路

3.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后所得的數(shù)字信號(hào)若比所設(shè)的閾值大，單片機(jī)的P2.3口輸出低電平，此口與報(bào)警電路相連，當(dāng)其為低電時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器通電，發(fā)出蜂鳴聲，若為高電平時(shí)，三極管無法導(dǎo)通，保持靜默。蜂鳴器報(bào)警電路如圖3-6所示。

圖3-6 報(bào)警模塊電路圖

3.6 功能按鍵模塊

在按鍵上，一般采用獨(dú)立的按鍵和矩陣的方式，各有利弊，而單獨(dú)的按鍵電路則比較簡(jiǎn)單，編程也比較方便，一般用于一些簡(jiǎn)單的硬件電路。矩陣電路恰恰相反，編寫程序不易，與獨(dú)立按鍵相比更加節(jié)省IO口，多用于8個(gè)按鍵以上的硬件電路。本設(shè)計(jì)只需四個(gè)按鍵，因此該方案采用了獨(dú)立按鍵電路，采用了多個(gè)單獨(dú)的按鍵進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。通過按鍵操作，向系統(tǒng)發(fā)出操作指令，再與MCU進(jìn)行串口通訊，顯示在液晶顯示屏上，按鍵的一端與單片機(jī)的輸入/輸出端口相連。

這個(gè)設(shè)計(jì)是因?yàn)樵趹抑脿顟B(tài)下，單片機(jī)的I/O是置1，不按按鍵的話，I/O就等于懸空，按下按鈕后，此端口的電壓會(huì)降低，單片機(jī)可以根據(jù)輸入/輸出接口是否存在低電平來判定是否按下了按鈕，當(dāng)然，該按鍵使用的是金屬開鎖，會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，因此在程序中要加上一個(gè)延遲消除。此外，再按下按鍵時(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，所以在程序中要加一個(gè)延遲消除程序。三個(gè)按鍵的功能分別是：按鍵2按下后進(jìn)入設(shè)置模式，可以選擇需要調(diào)節(jié)的參數(shù)，可連續(xù)選擇。在設(shè)置的模式下，按鍵2按下后，對(duì)應(yīng)的參數(shù)加一，按鍵3按下后對(duì)應(yīng)參數(shù)減一。功能按鍵電路如圖3-7所示。

圖3-7 功能按鍵電路

3.7 LCD1602液晶顯示模塊

顯示LCD1602總共有11個(gè)指令，通過MCU將其傳輸?shù)絃CD1602中，可以實(shí)現(xiàn)諸如屏幕清屏、切換、顯示等功能。LCD1602本身就有一個(gè)字庫，可以在顯示的時(shí)候直接調(diào)用字庫來顯示，當(dāng)然，如果字庫里沒有的字符也可以按照自己的要求寫在CGROM里，比如5*8個(gè)字符，但是定制的字符數(shù)量是有限制的，所以要按照一定的順序來設(shè)置，最多可以設(shè)置8個(gè)字符。在LCD的CGROM中寫入定制的字符之后，可以任意調(diào)用，調(diào)用方法與普通的顯示字符相同。通過讀狀態(tài)操作、寫指令操作、讀數(shù)據(jù)操作可以控制液晶顯示器，其中寫數(shù)據(jù)操作有固定的對(duì)應(yīng)引腳電平。電路圖如圖3-8所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 程序語言及軟件開發(fā)環(huán)境

本課題的編寫涉及到軟體的編程，所以必須選用程式語言和軟體的開發(fā)環(huán)境。在編程語言上，選擇了C。C語言是一種面向過程、抽象的通用編程語言。可以說，這是一種具有兩種語言特性的語言，同時(shí)也是一個(gè)優(yōu)秀的程序設(shè)計(jì)工具，可以使用模塊化的方法編寫代碼，方便調(diào)試，同時(shí)，C語言還具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，可根據(jù)不同的指針，直接對(duì)硬件進(jìn)行訪問，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)和硬件的訪問。

KeilC51是一個(gè)可以兼容51系列單片機(jī)和C的軟件開發(fā)平臺(tái)，與C語言的編程十分契合，它的集成環(huán)境簡(jiǎn)單、方便，軟件調(diào)試的功能強(qiáng)大，大大增加了程序的成功概率。而Proteus則是一個(gè)EDA的開發(fā)工具，可以通過計(jì)算機(jī)模擬單片機(jī)的電路來模擬實(shí)際的工作狀況。通過對(duì)系統(tǒng)的模擬，可以對(duì)系統(tǒng)的整體功能進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.2 主函數(shù)的設(shè)計(jì)

程序開始運(yùn)行后，LCD1602液晶顯示器和定時(shí)器開始初始化，單片機(jī)開始讀取EEPROM存儲(chǔ)的限制數(shù)據(jù)，接著判斷一分鐘預(yù)熱是否完成，保障傳感器可以正常工作，預(yù)熱完成后，程序要檢測(cè)是否有按鍵按下，若按下便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并判斷顯示是否正常，若不正常則跳到顯示界面，正常則繼續(xù)下一步，單片機(jī)讀取經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送給液晶顯示器，最終顯示出酒精濃度。