簡易酒精檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)畢業(yè)論文

1、 南 京 理 工 大 學畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作 者: 學 號： 學院(系):電子工程光電技術(shù)學院專 業(yè):電子科學與技術(shù)題 目:簡易酒精檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn) 指導者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2014 年 5 月畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車數(shù)量不斷增加，酒后開車行為嚴重影響社會安全，駕車前的酒精檢測就成為重要的課題。為此，設(shè)計了由酒精傳感器和單片機組成的簡易酒精檢測儀，包括硬件電路的設(shè)計、單片機軟件設(shè)計與上位機軟件設(shè)計；實現(xiàn)了呼出空氣中酒精濃度值的測量，通過設(shè)置不同的閾值，實現(xiàn)酒精濃度超標的報警，且能在液晶屏顯示實時酒精濃度；通

2、過無線通信的方法，實現(xiàn)了上位機與酒精檢測儀的實時通信，便于遠程監(jiān)控被測對象體內(nèi)的酒精濃度。通過實驗表明，該本裝置可應(yīng)用于駕駛員駕車前的自行檢測，也可用于監(jiān)控空氣中的酒精濃度。關(guān)鍵詞 電子信息 傳感器網(wǎng)絡(luò) 酒精傳感器 檢測 報警 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要title research and implementation of a simple alcohol concentration detector abstractas the economy develops, the number of cars is increasing, more and more serious drunk

3、 driving behavior affect social security, alcohol test before driving became a subject that is drawing more and more attention. in this paper, a simple alcohol detector is designed by the alcohol sensor and a mcu, including hardware design, software design and pc microcontroller software design; ach

4、ieve a measure of alcohol concentration in the air exhaled. by setting different thresholds, achieve alcohol concentration exceeding the alarm, and can display real-alcohol concentration on the lcd screen; through the method of wireless communication, achieve using host computer monitor real-time of

5、 alcohol concentration by a wireless. experiments show that the device can be used to detect the drivers alcohol concentration before their driving.it can also be used to monitor the concentration of alcohol in the air.keywords electronic information sensor network alcohol sensor detect alarm 目 次1 引

6、言 11.1 論文的背景及意義 11.2 研究現(xiàn)狀及前景 11.3 章節(jié)安排 22 系統(tǒng)的功能及整體設(shè)計方案 42.1 整體設(shè)計方案 42.2 工具平臺的選擇 43 硬件設(shè)計 63.1 主控模塊的選型與設(shè)計 63.2 酒精傳感器的選型及設(shè)計 83.3 顯示模塊的設(shè)計 113.4 鍵盤模塊的設(shè)計 123.5 聲光報警模塊的設(shè)計 133.6 無線收發(fā)模塊的設(shè)計 143.7 電源模塊的設(shè)計 173.8 印刷電路板的設(shè)計 184 軟件設(shè)計 214.1 整體軟件流程圖 214.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計 214.3 顯示子程序的設(shè)計 224.4 無線收發(fā)子程序的設(shè)計 234.5 鍵盤掃描子程序的設(shè)計 24

7、4.6 閾值保存讀取子程序的設(shè)計 244.7 聲光報警子程序的設(shè)計 254.8 上位機程序的設(shè)計 265 實驗結(jié)果及分析 285.1 電路焊接及酒精測試 285.2 上位機監(jiān)控測試 31結(jié) 論 32致 謝 33參考文獻 341 引言隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，民眾的生活水平有了很大的提升。人們飲酒的次數(shù)也越來越多。酒后駕車造成的交通事故也變得越來越頻繁。酒駕已經(jīng)成為了社會上的馬路殺手，造成了慘重的生命財產(chǎn)損失。于是酒精檢測課題正越來越引起人們的重視，在當前社會的背景下有重要意義。11 論文的背景及意義 世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計數(shù)據(jù)指出，一個國家的人均國民生產(chǎn)總值越高，人均飲酒量就越高?？梢灶A見，隨著國內(nèi)

8、經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)人均飲酒量會逐漸變得更高。研究指出，當人體血液中的酒精濃度達到20mg/100ml時，人就會開始頭暈、微醉，而當達到80mg/100ml時，人就會說胡話，走路不穩(wěn)，這就是醉酒。倘如再高，人就會有生命危險。所以當司機飲酒過量造成頭暈、反應(yīng)緩慢、肢體不受控制時再去開車就會造成交通事故。酒駕造成的交通事故的再三發(fā)生給人們的生命財產(chǎn)帶來了難以估量的威脅和損失。 2000年以來，中國逐漸步入汽車社會，酒駕正在成為日益殘暴的“馬路殺手”。相關(guān)資料指出，全世界每年因車禍殞命的人數(shù)就高達60萬，留下永久性殘疾者更是在400萬以上。在很多國家，車禍已成為意外死亡的首因。因此，如何有效的遏制酒

9、駕的發(fā)生具有重要的意義。遏制酒駕最有效的方法之一就是讓司機提高酒駕意識，要做到每次駕車前都檢測體內(nèi)的酒精濃度，做到酒后不開車。開發(fā)簡單方便、便宜易用酒精檢測儀就成為了亟待解決的問題。除此之外，在對酒精濃度要求嚴格的生產(chǎn)場合，對酒精濃度精確實時監(jiān)控，可以做到一旦有異常發(fā)生，可以立刻提供指示，避免災禍，這很有意義。12 研究現(xiàn)狀及前景確定人體酒精濃度最準確的方法是直接測量血液中的酒精濃度。但這種辦法有明顯的缺陷：測量過程復雜，技術(shù)難度高。實際中最常用的辦法是測量人呼出氣體中的酒精濃度。統(tǒng)計研究結(jié)果證明，一個人深吸氣后以中等力度呼氣二到四秒，呼出的氣體就是肺部深處的氣體。肺部深處的氣體酒精濃度大概是

10、血液中酒精濃度的2200倍。因此，簡單衛(wèi)生的測量呼出氣體里的酒精濃度就可以大致測定人的飲酒量。 酒精檢測儀按原理的不同主要有以下幾類。l 電化學型使用白金作為電極，然后在一個被特種催化劑填滿的燃料室中吹入定量待測氣體，燃料室內(nèi)的酒精經(jīng)過完全燃燒后就會在兩個電極上產(chǎn)生電壓。這樣就產(chǎn)生了和氣體中酒精濃度成正比的電壓。有體積小、精度高、操作簡單等特點，但價格昂貴，生產(chǎn)困難。l 紅外線型 研究證明，人體皮膚對紅外線的吸收量是和人體內(nèi)酒精濃度密切相關(guān)的。這種檢測儀就是利用此原理制成的。但是這種結(jié)構(gòu)復雜，使用不方便，未得到廣泛使用。l 氣體色譜分析型、比色型。 這兩種儀器價格昂貴，實際應(yīng)用很不方便。 l

11、半導體型采用只對特定氣體敏感的半導體器件用作傳感器。當某種n型半導體氧化物暴露在大氣當中時，它就會吸附氧氣分子，其內(nèi)部載流電子的數(shù)量就會變少，其電阻就會變大。若空氣中存在某種特定氣體，它與吸附的氧氣發(fā)生恢復性反應(yīng)，使半導體內(nèi)部的載流電子數(shù)量恢復上漲，其電阻就會減小。半導體-氧化物傳感器便是通過此現(xiàn)象測量某種特定氣體的濃度。此半導體器件的電阻值和其敏感氣體濃度有直接關(guān)系。被測氣體中該種特定敏感氣體濃度越高，其電阻值就會越低。有可恢復性好、靈敏度高等優(yōu)點。由于有成本和實際應(yīng)用方便等因素要考慮，現(xiàn)在使用最廣泛的還是燃料電池型（電化學）。電化學型有測量精度高，穩(wěn)定性優(yōu)良，抗干擾性好等優(yōu)點。但是其缺點也

12、很明顯。由于其結(jié)構(gòu)要求非常精密，制作難度非常高，目前世界上只有歐美等少數(shù)幾個發(fā)達國家掌握其生產(chǎn)技術(shù)。其材料成本也很高，造成其價格昂貴，一般只是在交警執(zhí)法檢查酒駕時使用，難以大規(guī)模在社會上推廣使用。便于民用推廣的應(yīng)該是微變氧化物半導體型酒精檢測儀。半導體型具備敏捷的響應(yīng)恢復特性和良好的靈敏度，并且只對酒精蒸汽敏感，不受煙氣、霧霾顆粒等非酒精蒸汽的干擾，耗能很低、壽命長久。制作結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。為此，本文設(shè)計了一款以半導體型酒精傳感器和微控制器為核心的簡易酒精檢測儀。13 章節(jié)安排 本系統(tǒng)主要工作包括單片機及酒精傳感器的選型、各模塊硬件電路的設(shè)計和軟件編程、上位機的編程、印刷電路板的設(shè)計。第1章

13、 為引言。第二章說明了本裝置的功能及整體設(shè)計方案，介紹了系統(tǒng)功能和整體框架圖，還介紹了整個設(shè)計過程中使用的工具平臺。第三章說明了整個系統(tǒng)中的硬件電路設(shè)計。第四章說明了整個系統(tǒng)中的軟件設(shè)計，包括單片機軟件和上位機軟件設(shè)計。第五章說明了印刷電路板設(shè)計。第六章描述了系統(tǒng)的實驗結(jié)果及分析。2 系統(tǒng)的功能及整體設(shè)計方案21 整體設(shè)計方案一般地，一個酒精檢測裝置應(yīng)具有以下功能：（1）選用合適的微控制器實現(xiàn)酒精檢測功能；（2）采用液晶屏顯示酒精濃度和報警閾值；（3）選用報警裝置實現(xiàn)濃度超過閾值時的報警。（4）實現(xiàn)按鍵調(diào)整閾值的功能；（5）實現(xiàn)報警閾值斷電保存功能；（6）選用無線通訊模塊實現(xiàn)濃度數(shù)據(jù)的無線收發(fā)

14、；（7）實現(xiàn)上位機監(jiān)控酒精濃度的功能。 首先，外界合適的酒精氣敏傳感器將外界的含酒精被測氣體檢測后，輸出對應(yīng)的模擬電壓信號。將該模擬電壓信號通過ad轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換為能被微控制器處理的數(shù)字信號，再讓微控制器對數(shù)字信號進行分析處理，然后將計算得到的酒精濃度顯示在液晶顯示屏上，同時并決定是否驅(qū)動報警電路。最后將當前濃度值和報警閾值通過無線模塊發(fā)送到上位機。上位機接收到數(shù)據(jù)后繪制測得的濃度的曲線圖，來實時監(jiān)控當前的濃度值。系統(tǒng)總體框架如圖2.1所示。ad轉(zhuǎn)換液晶顯示屏微控制器聲光報警按鍵輸入無線發(fā)送酒精傳感器被測氣體上位機監(jiān)控圖2.1 整體框架圖22 工具平臺的選擇2.2.1 keil uvision4

15、集成開發(fā)環(huán)境。keil uvision4可以說是最好的51單片機集成開發(fā)系統(tǒng)，能同時兼容c語言和匯編語言的單片機開發(fā)。keil是由美國keil軟件公司出品的，提供了包括c編譯器、宏匯編器、鏈接器、庫管理和調(diào)試仿真器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案。keil對操作系統(tǒng)、計算機要求很低，適宜在各種計算機上運行。利用c語言對單片機進行編程，keil差不多就是工程師的不貳之選。采用c語言編寫軟件系統(tǒng)，直觀易理解，便于移植調(diào)試分析。本系統(tǒng)選用keil uvision4和c語言完成單片機軟件的設(shè)計制作。2.3.2 protel99se集成開發(fā)環(huán)境protel99se是一款得到廣泛使用的、用于印刷電路板（pcb）設(shè)計的

16、電子設(shè)計自動化（eda）軟件。protel99se選用設(shè)計庫管理方式，具有強大的數(shù)據(jù)管理能力，可以設(shè)計電路原理圖、印刷電路板與可編程邏輯器件。制作的印刷電路板最高可以達到32層信號層，16層電源-地層和16層機加工層。本系統(tǒng)選用protel99se設(shè)計電路原理圖和印刷電路板（pcb）。2.3.3 microsoft visual c+ 6.0集成開發(fā)環(huán)境microsoft visual c+ 6.0簡稱vc，又被稱作vc6.0，是美國microsoft公司出品的一款c+編譯器。visual c+ 6.0是一個用途非常廣泛的可視化軟件開發(fā)環(huán)境，自誕生以來受到了廣泛應(yīng)用，專業(yè)程序員無人不知。vis

17、ual c+ 6.0不光是一個c+語言編譯器，還是一個windows系統(tǒng)下的可視化軟件集成開發(fā)環(huán)境。visual c+主要由以下三個部分組成：developer studio、mfc（微軟基礎(chǔ)類庫）和platform sdk。其中mfc已經(jīng)成為被廣泛采用的上位機編程工具。mfc是由微軟出品的，用于使用c+語言編寫軟件時的一個引擎和框架，是微軟封裝后的windows接口函數(shù)。用mfc進行上位機編程，工作量小，過程簡單易于上手。本裝置選用microsoft visual c+ 6.0實現(xiàn)上位機軟件設(shè)計。3 硬件設(shè)計31 主控模塊的選型與設(shè)計用作本裝置的微控制器應(yīng)盡量有如下特點：運行速度快、集成ad

18、轉(zhuǎn)換功能、ad轉(zhuǎn)換速度快、集成eeprom（電可擦除可編程存儲器）、引腳數(shù)量豐富、內(nèi)部集成上拉電阻（引腳狀態(tài)可編程）價格便宜、驅(qū)動能力強、編程簡單、適應(yīng)于各種應(yīng)用。鑒于以上要求，本裝置選用宏晶科技出品的增強型8051內(nèi)核1t單片機stc12c5a60s2，它能滿足裝置的所有要求。stc12c5a60s2具備以下主要特點。（1） 增強型8051內(nèi)核，單機器周期/時鐘，指令集兼容傳統(tǒng)8051，工作電壓：5.5v-3.3v功耗低；工作溫度范圍寬：-40 - +85(工業(yè)級) / 0 - 75(商業(yè)級)；（2） 最高工作頻率可達35mhz，等效于普通8051單片機的420mhz；（3） 內(nèi)部集成容量為

19、1kb的eeprom，讀寫可達十萬次；l 內(nèi)部集成8路10位的高精度adc,速率可達250k/s(每秒鐘25萬次）；l flash存儲空間64k，片上集成1280b高速內(nèi)存；具備在系統(tǒng)可編程和在應(yīng)用可編程功能，能通過串口（p3.0/p3.1）直接高速下載用戶程序；l 擁有4個16位計數(shù)器，包括兩個與傳統(tǒng)8051單片機兼容的計數(shù)器和16位技術(shù)器t0、t1；具有7路外部中斷輸入口,電平下降沿或低電平觸發(fā)；還增加pca模塊，支持電平上升沿觸發(fā)中斷；還可由外部中斷退出掉電模式；stc12c5a60s2的引腳圖如圖3.1所示。圖3.1 stc12c5a60s2引腳圖 stc12c5a60s2共有4組通用

20、i/o口，可以作為基本的輸入輸出口來使用。每個i/o口都可以被設(shè)定為四種模式，包括標準8051模式、開漏輸出模式、強推挽輸出、高阻四種狀態(tài)。每個引腳都能拉出或灌入20ma電流。除此之外，根據(jù)引腳說明，每個引腳還可以在軟件里設(shè)置為第二功能，包括spi接口、adc輸入、中斷輸入、串口等功能。除了通用i/o口，還有以下引腳。l vcc，供電電源，gnd，接地；l rst。復位輸入。ale / prog：當讀寫外存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用來鎖存地址的低位字節(jié)。在flash編程期間，此管腳用來輸入編程脈沖。平時ale端以振蕩器頻率的1/6的頻率輸出正弦脈沖，可用于脈沖輸出或定時。l psen。外

21、程序存儲器的使能信號。ea/vpp：ea為低電平，讀取外部rom；加密方式1，ea將內(nèi)部固定為reset；當ea為高電平時，讀取內(nèi)部rom。在flash編程時，此腳用來施加12v編程電源。l xtal1：反向振蕩放大器及內(nèi)部時鐘信號工作電路的輸入。xtal2：反向振蕩器的輸出。 為使單片機工作起來，必須首先搭建單片機的最小系統(tǒng)。其最小系統(tǒng)包含復位電路和時鐘信號輸入電路。 時鐘電路。雖然stc12c5a60s2內(nèi)部集成可作為時鐘的rc振蕩器，但由于其速度低、精度低等缺點，不常被使用。這里選用外部高精度石英晶體振蕩器和電容構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路作為時鐘信號電路。晶體采用最常用的11.0592mhz晶振

22、，電路對電容值的要求不高，但它對振蕩頻率輸出的大小可靠性、起振速率有一定影響。這里采用22pf的電容。 復位電路。復位方式有上電復位和按鍵復位兩種。一般的上電復位是對外部復位電路中的電容充電，只要vcc的上升時間小于1ms，就能實現(xiàn)上電自動復位。這里設(shè)計的是外部按鍵復位電路，rst引腳通過一個電阻連接至高電平保持兩個機器周期時間時，單片機復位。電源接vcc(5v)，電源用10uf電容濾波，電阻r7取220歐保護引腳，r8取10k，按鍵采用微動開關(guān)。按鍵不按下時rst引腳被下拉到地，按下時rst接近高電平。 完成的單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖3.2所示。 圖3.2 單片機最小系統(tǒng)32 酒精傳感器的選

23、型及設(shè)計 酒精傳感器是本系統(tǒng)的一個核心元件。本系統(tǒng)的傳感器采用mq3氣敏酒精傳感器。mq3是一種半導體型傳感器，它的以下特點決定了其很適用于本系統(tǒng)，包括對酒精蒸汽有很高的靈敏度和極佳的選擇特性。響應(yīng)復原極速、可靠性好壽命長，電路簡易。mq-3半導體型酒精氣敏傳感器的構(gòu)造和形狀如圖3.3所示。它是將微型氧化鋁陶瓷管、二氧化錫敏感區(qū)、金屬電極和加熱電絲成的敏感元件放置在鋼制外殼內(nèi)。封裝好后有6只針型引腳，其中4個輸出信號，2個為加熱電壓輸入。圖3.3 mq3引腳圖mq3測量回路如圖3.4所示。圖3.4 mq3測量回路在溫度20、相對濕度65%、氧氣濃度21%、rl阻值為200k的條件下mq3的靈敏

24、度特性如圖3.5所示。其中rs是不同氣體和濃度下氣敏元件的電阻值，ro是氣敏元件在潔凈氣體中的電阻值。圖3.5 mq3的靈敏度特性 mq3元件的濕度特性如圖3.6所示。其中ro是20，33%rh條件下，200ppm的酒精氣體中元件電阻值，rs是不同溫濕度下，200ppm的酒精氣體中氣敏元件電阻值。圖3.6 mq3濕度特性mq3傳感器的應(yīng)用電路如圖3.7所示。mq3的2腳接至電源，加熱電絲的另一端即5腳接地，讓電源對加熱電絲供電使其發(fā)熱，進而對敏感氣體進行加熱。mq-3的1、3引腳相接（當作電極a），作為氣體電阻的一極，mq-3的4、6引腳接到一起（當作電極b），作為敏感氣體電阻的另一極。將電極

25、a連到電源正極，電極b通過電阻連到電源地。這樣，當敏感氣體來到時，根據(jù)酒精氣體濃度的不同氣體電阻的大小也就不一樣，然后由于電阻分壓，b電極上的電壓也就不一樣。這樣就實現(xiàn)了模擬電壓信號的輸出。圖3.7 mq3應(yīng)用電路獲得的信號電壓是一個模擬量，是不能直接被單片機運算處理的，它必須經(jīng)過ad(數(shù)模)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號才能被單片機所接受。stc12c5a60s2單片機內(nèi)部集成高速逐次逼近式adc，其p1口可以設(shè)置為引腳第二功能作為ad轉(zhuǎn)換的模擬量輸入引腳，其ad轉(zhuǎn)換的參考電壓為單片機電源電壓vcc。這里采用p10口作為輸入。ad轉(zhuǎn)換電路如圖3.8所示。圖3.8 ad轉(zhuǎn)換電路33 顯示模塊的設(shè)計顯示模塊

26、采用lcd1602液晶屏。它是一種能顯示英文字母、數(shù)字等符號的液晶屏模塊。它由若干個5*7或者5*11的點陣構(gòu)成，每個點陣都能顯示一個字符，共可以顯示兩行，每行可顯16個字符。一般為14針或16針，16針的多余2根是背光線。外形圖如圖3.9所示。圖3.9 lcd1602外形圖其引腳介紹如下。l vss,電源地。vdd,5v正電源。l v0,對比度調(diào)節(jié)引腳，可接一電源到地的可變電壓來調(diào)節(jié)對比度。對比度過高可能會產(chǎn)生鬼影，建議接一個10k的電位器。l rs,選取內(nèi)部寄存器，5v時為數(shù)據(jù)寄存器，0v時為指令寄存器。rw為讀寫控制線，高電平時為讀，低電平時進行寫。e為使能端。當e腳由5v下降成0v時，

27、液晶屏執(zhí)行指令。l d0d7,8 位雙向數(shù)據(jù)線。 lcd1602有如下特點。3.3v或5v的供電電壓，對比度可調(diào)，功耗很低；顯示數(shù)據(jù)存儲器ddram為80b；內(nèi)部集成192個和acsii碼對應(yīng)的5*7點陣字符存儲器cgrom；8個可自行設(shè)定的5*7的字符存儲器cgram。當lcd1602要顯示某一個字符時，可以直接找到字符對應(yīng)的asii碼，便可以方便的直接顯示出來，無需再為字模困擾。 lcd1602的顯示電路如圖3.10所示。圖3.10 lcd1602顯示電路如圖11，lcd1602的8位數(shù)據(jù)線和單片機的p0 i/o口按順序相連，v0端接一電位器調(diào)對比度，rs、rw、e三條控制線分別接單片機的

28、p20、p21、p22三個引腳。34 鍵盤模塊的設(shè)計本系統(tǒng)主要用到兩個按鍵來調(diào)節(jié)醉酒報警的閾值。其中一個按鍵為上調(diào)閾值，一個按鍵為下調(diào)閾值。其電路如圖3.11所示。圖3.11 按鍵電路如電路所示，兩個按鍵分別接單片機的p25腳和p26腳。r5和r6都取1k或560歐。當按鍵未被按下時，單片機兩個引腳通過r5和r6被上拉至vcc，引腳獲得一個高電平。當按鍵按下時，單片機的引腳就被下拉到地，單片機就獲得一個輸入的低電平。通過檢測這個低電平，就能夠了解按鍵是否按下，單片機就可以做出相應(yīng)的處理。值得注意的是，r5、r6兩個電阻不宜取值過小，否則會造成按鍵按下時電流過大，造成功耗過大和系統(tǒng)不穩(wěn)定。35

29、聲光報警模塊的設(shè)計本系統(tǒng)設(shè)置兩級報警。首先當檢測到的酒精濃度值大于酒后閾值時，第一個led燈亮。當檢測到的濃度值高于醉酒閾值時，第二個led燈同時被點亮，同時蜂鳴器鳴響。聲光報警電路如圖3.12所示。圖3.12 聲光報警電路如電路所示，報警的led發(fā)光二極管采用灌電流驅(qū)動方式，stc12c5a60s2的灌電流可達20ma。兩個led二極管分別連到單片機的p25和p26引腳。當引腳輸出低電平時,led二極管亮。r3、r4可取1k或560歐，起到限流和保護作用，防止灌電流過大損壞單片機和燒毀led二極管。蜂鳴器的輸入腳為單片機的p27腳。由于stc12c5a60s2的拉電流和灌電流都不足以驅(qū)動蜂鳴

30、器，故采用型號為2n3904的npn三極管作為開關(guān)管來驅(qū)動蜂鳴器。2n3904集電極發(fā)射極最大耐壓為40v，集電極電流最大200ma，封裝為to-39-3，足夠使用。當p27引腳輸出為高電平時，三極管處于飽和區(qū)，蜂鳴器導通并鳴響；當其輸出低電平時，三極管位于截止區(qū)，蜂鳴器斷開不發(fā)聲。rb1為限流電阻，可取值560歐或1k。36 無線收發(fā)模塊的設(shè)計本系統(tǒng)要求將測得的數(shù)據(jù)無線發(fā)送到上位機，上位機進行監(jiān)控處理。本系統(tǒng)采用nrf24l01無線模塊作為無線收發(fā)模塊。nrf24l01無線模塊是由挪威的nordic公司出品的，工作在2.4ghz2.5ghz頻段的單片無線收發(fā)射頻芯片nrf24l01開發(fā)而成。

31、nrf24l01無線模塊具有如下特點。l 工作于2.4ghz ism頻段免許可證使用，內(nèi)置2.4ghz天線，體積小巧。l 最高工作速率為2mbps，抗干擾能力強。統(tǒng)共126個頻段，能實現(xiàn)多點通信和跳頻通信的需求。內(nèi)部集成硬件crc錯檢和點對多點通訊控制。l 低功耗，1.9-3.6v電壓可工作，工作電流很低，待機是僅為22ua，掉電時僅為900na。l 模塊可軟件設(shè)地址，可直接連接各類單片機使用，可采用中斷通知單片機。軟件編寫方便。內(nèi)置特定穩(wěn)壓電路，使用各種電源均有良好的通訊效果。l 工作于esb（enhanced shock burst）模式，具備可選的內(nèi)置包答復機制，可極大的降低丟包率。nr

32、f24l01模塊電路圖如圖3.13所示。圖3.13 nrf24l01模塊內(nèi)部電路圖nrf24l01使用spi協(xié)議接口完成寄存器讀寫工作。引腳如下。l vcc。電源，一般使用3.3v電壓。 gnd。電源地。l mosi、miso、sck、csn。spi協(xié)議的四根引腳。sck為spi協(xié)議的時鐘線，csn是spi協(xié)議的使能端，低電平時spi模塊工作。其余兩根引腳為數(shù)據(jù)輸入和輸出引腳。l ce，無線模塊工作模式切換引腳，此引腳配合模塊config寄存器的狀態(tài)決定模塊的工作狀態(tài)。irq，中斷引腳，無線模塊在完成發(fā)送或接收后將此引腳電平置低來通知單片機，通常接單片機的中斷輸入引腳。沒有硬件spi接口的單片

33、機也能夠?qū)/o口用軟件模仿spi協(xié)議來完成對模塊的控制工作。必須警惕的是，此模塊的推薦工作電壓為3.3v，不能直接連5v單片機，不然會燒毀模塊。除了電源引腳，其余引腳是可以直接和單片機引腳相連的。nrf24l01無線模塊與單片機的連線電路如圖3.14所示。圖3.14 nrf24l01數(shù)據(jù)發(fā)送端電路圖單片機的p13 - p17依次連nrf24l01模塊的csn、ce、mosi、miso、sck引腳，irq接單片機的中斷輸入引腳p33。單片機用軟件模擬spi協(xié)議。同樣的，數(shù)據(jù)接收端也需要一個單片機控制的nrf24l01無線模塊。接收端的單片機接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機。單片機一般都

34、帶有串口模塊，但如今帶有串口的計算機已經(jīng)不多見。為了解決這個問題，這里采用了cp2102，usb轉(zhuǎn)串口模塊。它能把計算機的usb口通過驅(qū)動程序轉(zhuǎn)換成串口通信達到擴展目的。cp2102模塊具有如下特點。l 符合usb2.0規(guī)范，支持將usb狀態(tài)掛起。內(nèi)含usb收發(fā)器、時鐘電路，無需外界電路器。集成上電復位電路，片內(nèi)集成穩(wěn)壓器可輸出3.3v電壓。 l 異步串行數(shù)據(jù)總線可兼容所有的握手和調(diào)制調(diào)節(jié)器接口協(xié)議，支持8位數(shù)據(jù)位、1-2位停止位、校驗位的串行數(shù)據(jù)。l 內(nèi)建512字節(jié)接收緩沖區(qū)和512字節(jié)發(fā)送緩沖區(qū)。本系統(tǒng)的采用由cp2102、單片機和nrf24l01組成的模塊作為數(shù)據(jù)接收端。接收端的電路如圖

35、3.15所示。 圖3.15 數(shù)據(jù)接收端電路圖37 電源模塊的設(shè)計本系統(tǒng)采用電池供電。為了獲得恒定充足的電源，這里采用18650鋰離子可充電電池。18650一般是指電池直徑為18毫米、長度為65毫米的電池，其電壓一般為3.7v-4.2v，容量最大可做到3400mah，可滿足本系統(tǒng)使用。本系統(tǒng)需要兩個電源電壓來供電。其中單片機、液晶屏、聲光報警裝置等需要5v電壓，而nrf24l01需要3.3v電壓供電。整個系統(tǒng)最大工作電流估計在300ma。因此，這里需要合適的電壓轉(zhuǎn)換芯片來供電。ams1117是一款低壓差線性穩(wěn)壓器，有多種固定電壓輸出的型號，輸出電流最大可達1a，輸出電壓精度可達1%，壓差最低可至

36、1v。其內(nèi)部還集成過熱和過流保護電路，可作為電池供電設(shè)備的一個良好選擇。本系統(tǒng)同時選用ams1117-5.0和ams1117-3.3兩款芯片來獲得5v和3.3v電壓。ams1117-5.0參數(shù)如下。輸入電壓最高18v；輸出電流可達1a；輸出電壓5.0v；輸入電壓最低6.2v；sot-223封裝；工作溫度范圍-40c到+120c；ams1117-3.3參數(shù)如下。輸入電壓最高12v；輸出電流可達1a；輸出電壓3.3v；輸入電壓最低4.75v。sot-223封裝；工作溫度范圍-40c到+125c；電源電路如圖3.16所示。圖3.16 電源電路根據(jù)芯片的規(guī)格書說明，ams1117的輸入和輸出端都需要加

37、10uf電容濾除雜波。電路中d1為電源指示燈，r2為指示燈的限流電阻。bt1和bt2為兩節(jié)18650電池，vcc為5v電壓輸出，vcc_3.3v為3.3v電壓輸出。ams1117-3.3電源由ams1117-5.0輸出的vcc提供。兩個電壓都能提供足夠電流。s1自鎖開關(guān)是系統(tǒng)主開關(guān)，按下時電路導通，非按下時無電壓輸出，整個系統(tǒng)關(guān)閉。38 印刷電路板的設(shè)計 印刷電路板設(shè)計前首先要設(shè)計電路原理圖。電路原理圖采用protel99se的原理圖設(shè)計功能設(shè)計。設(shè)計原理圖時可能要根據(jù)需求個人設(shè)計元件庫。根據(jù)之前的各硬件模塊的設(shè)計，得到的系統(tǒng)檢測發(fā)送端整體硬件原理圖如圖3.17所示。圖3.17 整體硬件原理圖

38、設(shè)計好原理圖后，并且元件封裝等都檢查無誤后就可以生成網(wǎng)絡(luò)表導入pcb文件進行pcb設(shè)計了。印制電路板的設(shè)計是以原理圖為依據(jù)，完成硬件電路的實物搭建，涵蓋電子元件的優(yōu)化安放、金屬連線的安放和通孔的優(yōu)化安放。電磁兼容、散熱等各種因素都是要設(shè)計時權(quán)衡的。pcb設(shè)計主要分為兩部分,一是元器件的布局，二是元器件的布線。電子元器件的布局主要注意以下幾點。l 一般情況下，全部電子元件均應(yīng)放在電路板的相同面，只有此面元件過于密集無法擺放時，才將一些比較低并且發(fā)熱量小的元件，如貼片電阻等放在另一層。l 熱敏元件要與發(fā)熱元件分開，高頻元器件的連線應(yīng)盡量短。電路要分模塊進行布局，方便信號流通和后期檢查錯誤。l 預留

39、出支架孔等孔的位置，制作物理邊框，即是板子的輪廓，元器件的布局要考慮到后期的焊接方便。l 自行設(shè)計protel中沒有的封裝。 布線是pcb設(shè)計工作中的重中之重，要考慮的因素非常多，關(guān)系到整個板子的成敗。元器件的布線主要考慮到以下因素。l 當輸入輸出端是高速信號時，導線應(yīng)盡量不要相鄰平行，盡量加上導線間地線，防止產(chǎn)生反饋藕合。l 布線的最小寬度主要由導線與底板間的粘合強度和流經(jīng)的電流強度決定。l 印制導線拐角處通常取鈍角，如果取直角或銳角會對電氣性能有不良影響。l 本系統(tǒng)還采用了大面積覆銅。敷銅可以減小地線阻抗、提高抗干擾能力、降低壓降、提高電源效率。本系統(tǒng)的pcb設(shè)計完成后如圖3.18所示。圖

40、3.18 pcb布局布線完成后圖完成后的pcb大概為50mm*70mm大小。等工廠打樣完成后就可以進行焊接調(diào)試等后期工作了。4 軟件設(shè)計41 整體軟件流程圖整體軟件程序主要包括ad轉(zhuǎn)換程序、顯示程序、無線發(fā)送程序、按鍵程序、閾值調(diào)節(jié)程序、閾值保存讀取程序、報警程序。整體流程圖如圖4.1所示。ad轉(zhuǎn)換（計算濃度）開始加電開機單片機初始化閾值調(diào)節(jié)（按鍵檢測）液晶屏初始化顯示歡迎界面無線模塊初始化顯示工作界面讀取閾值閾值保存更新顯示報警檢測無線發(fā)送數(shù)據(jù)圖4.1 整體軟件流程圖首先加電開機，先是單片機初始化，設(shè)定引腳狀態(tài)，對特殊功能寄存器進行賦值，其次初始化lcd屏幕，再初始化無線模塊。然后液晶屏上顯

41、示必要字符，稍作延時，顯示工作界面一些必要字符。緊接著讀取單片機內(nèi)部eeprom保存好的醉酒閾值。開始ad轉(zhuǎn)換，檢測閾值調(diào)節(jié)按鍵，重新保存閾值后同時刷新濃度、閾值顯示。最后報警檢測后無線發(fā)送閾值和濃度數(shù)據(jù)。這時完成一個完整的主循環(huán)。接下來就是又開始ad轉(zhuǎn)換，進入下一個主循環(huán)，周而復始。由于單片機運行速度很快，液晶屏上的數(shù)據(jù)更新給人的感覺就像實時的。如此就完成了整個系統(tǒng)所需的功能。42 模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計 ad轉(zhuǎn)換是使用的stc12c5a60s2內(nèi)置的adc，參考電壓為單片機電源電壓，其流程圖如圖4.2所示。ad初始化啟動adc讀出結(jié)果開始等待轉(zhuǎn)換完成？返回yn圖4.2 ad轉(zhuǎn)換流程圖首先初始

42、化ad轉(zhuǎn)換器，設(shè)定好輸入引腳及轉(zhuǎn)換方式，其次啟動轉(zhuǎn)換，再采用查詢法等待ad轉(zhuǎn)換完成。最后讀出轉(zhuǎn)換完成的值。在主循環(huán)里循環(huán)執(zhí)行此程序，做到傳感器輸出電壓的實時ad轉(zhuǎn)換。43 顯示子程序的設(shè)計顯示模塊的流程圖如圖4.3所示。液晶屏初始化顯示歡迎界面更新數(shù)據(jù)顯示開始顯示工作界面返回圖4.3 顯示模塊流程 首先初始化液晶屏，設(shè)定液晶屏為5x7點陣顯示、不顯示光標、開顯示。然后顯示歡迎字符，稍微延時，再顯示工作界面。最后進入主循環(huán)，循環(huán)執(zhí)行此程序，根據(jù)實時濃度和閾值的不同，實時更新屏幕上顯示的數(shù)據(jù)。這樣就完成了顯示功能。44 無線收發(fā)子程序的設(shè)計無線模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送端軟件流程圖如圖4.4所示。無線模塊初始

43、化進入發(fā)射模式發(fā)射數(shù)據(jù)包開始裝載數(shù)據(jù)包返回圖4.4 無線數(shù)據(jù)發(fā)送端流程圖首先初始化無線發(fā)送端nrf24l01，設(shè)定好發(fā)送、接收地址、數(shù)據(jù)包大小、通信頻率、是否自動應(yīng)答、自動重發(fā)設(shè)定等，然后單片機向裝載要發(fā)送的數(shù)據(jù)，并命令將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。最后在主循環(huán)里循環(huán)執(zhí)行此程序，隨著實時濃度和閾值的不同，幾乎實時裝載數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，使接收端收到。無線模塊的數(shù)據(jù)接收端流程圖如圖4.5所示。yn無線模塊初始化進入接收模式讀數(shù)據(jù)、發(fā)到上位機開始等待上位機繪制曲線收到數(shù)據(jù)包？圖4.5 無線數(shù)據(jù)接收端流程圖 首先初始化無線接收端nrf24l01，設(shè)定好本機地址，要接收的數(shù)據(jù)包大小、通信頻率等，然后等待接收到數(shù)據(jù)

44、包。接收完成后，單片機讀出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機，上位機進行實時曲線的繪制工作，然后再去重新等待數(shù)據(jù)接收，完成循環(huán)。45 鍵盤掃描子程序的設(shè)計按鍵采用查詢法進行輸入，在主循環(huán)里每次循環(huán)完成一次對按鍵狀態(tài)的查詢輸入。為了消除按鍵抖動的影響，采用軟件方法消除抖動。鍵盤掃描流程圖如圖4.6所示。yn等待10ms按對應(yīng)按鍵調(diào)閾值開始返回某按鍵按下？某按鍵按下？ny圖4.6 鍵盤掃描流程圖如果有按鍵按下，相應(yīng)引腳就檢測到一個低電平。當此低電平保持10ms以上時，單片機就認為對應(yīng)按鍵確實被按下，就會按相應(yīng)按鍵來調(diào)節(jié)閾值，實現(xiàn)閾值上調(diào)或下調(diào)。同樣的，在主循環(huán)里循環(huán)執(zhí)行此程序，就可以做到幾乎實時的

45、檢測按鍵。46 閾值保存讀取子程序的設(shè)計 本系統(tǒng)使用stc12c5a60s2內(nèi)部的容量為1kb的eeprom儲存醉酒閾值，實現(xiàn)掉電存儲閾值的功能。閾值讀取流程如圖4.7所示。開啟iap操作寫存儲單元地址開始返回執(zhí)行讀取命令圖4.7 閾值讀取流程圖閾值保存的流程圖如圖4.8所示。開啟iap操作寫存儲單元地址開始執(zhí)行寫入命令扇區(qū)擦除返回圖4.8 閾值保存流程圖讀取閾值時可以直接從eeprom中讀取，但進行字節(jié)編程時必須先對整個存儲扇區(qū)執(zhí)行扇區(qū)擦除后才能寫入數(shù)據(jù)。因為stc12c5a60s2內(nèi)部eeprom只能完成送1到0的編程，不能反向編程。扇區(qū)擦除是為了將扇區(qū)全部寫1，才能無誤的寫入數(shù)據(jù)。同樣的

46、，在主循環(huán)里循環(huán)執(zhí)行此程序，不斷保存閾值防止丟失數(shù)據(jù)。47 聲光報警子程序的設(shè)計 本系統(tǒng)的聲光報警設(shè)置兩級報警。當檢測到的濃度值大于酒后閾值時，一個指示燈亮；當濃度值大于醉酒閾值時，兩個指示燈同時亮，同時蜂鳴器鳴響報警。這里酒后閾值設(shè)為醉酒閾值的一半。聲光報警子程序流程圖如圖4.9所示。yn點亮酒后指示燈點亮醉酒指示燈，蜂鳴器響開始返回濃度大于醉酒閾值？濃度大于酒后閾值？ny圖4.9 聲光報警程序流程同樣的，在主循環(huán)里循環(huán)執(zhí)行此程序，完成實時的報警檢測。48 上位機程序的設(shè)計 本系統(tǒng)中，接收端的無線模塊收到數(shù)據(jù)包后，中斷提示接收端的單片機把數(shù)據(jù)包讀出，然后單片機將數(shù)據(jù)包通過串口發(fā)送到上位機。上

47、位機收到數(shù)據(jù)后繪制曲線圖，實現(xiàn)對酒精濃度的監(jiān)控功能。上位機程序選用visual c+ 6.0的mfc（微軟基礎(chǔ)類庫）設(shè)計。設(shè)計過程當中主要用到microsoft communications control控件（簡稱mscomm控件）和teechart5控件。l microsoft communications control控件。mscomm控件是美國microsoft公司為了方便windows環(huán)境下串行接口通信編程而出品的activex控件。它提供了標準通訊命令的接口。它在高級語言的串行通信應(yīng)用和計算機的串行口之間架起了一座橋梁。有了此控件，開發(fā)串口通信程序的復雜程度就被大大簡化了。簡單的

48、初始化控件的幾個屬性，然后編寫控件的事件響應(yīng)程序，就能夠使串口高效的實現(xiàn)所需的功能。l teechart5控件。teechart是西班牙的steema公司研發(fā)的圖表控件。它不僅能用來繪制多達上百種二維和三維圖形風格的圖表，還包括了四十種數(shù)學和統(tǒng)計功能，再加上幾十種調(diào)色板組件，可謂最厲害的圖表控件。除此之外，teechart還提供了一個完整功能齊全的編輯對話框，可以用來方便快捷的設(shè)計繁瑣的圖表程序。但是vc中沒有自帶此控件，需要另外下載并在系統(tǒng)中注冊即可使用。上位機整體軟件流程圖如圖4.10所示。y初始化teechart控件讀出數(shù)據(jù)開始在曲線上繪制一個點串口有數(shù)據(jù)接收到？n初始化mscomm控件

49、等待曲線左移一個點圖4.10 上位機軟件流程圖上位機軟件中，首先設(shè)計軟件界面。其次初始化兩個控件，而后mscomm控件就會監(jiān)視指定的串口。當串口有數(shù)據(jù)到來時，控件讀出消息，經(jīng)過運算處理后在teechart控件上把相應(yīng)的點繪制出來，同時曲線右移一個點。這樣不斷接收數(shù)據(jù)，曲線就會不斷移動，達到實時動態(tài)曲線的效果。這里繪制了兩條曲線，一條是酒精濃度值的曲線，一條是報警閾值的曲線。上位機軟件設(shè)計完后的界面如圖4.11所示。圖4.11 上位機軟件界面圖5 實驗結(jié)果及分析51 電路焊接及酒精測試打樣好的pcb板如圖5.1所示。圖5.1 打樣好的pcb將各元件及接口按相應(yīng)位置焊接到pcb板上，再將各模塊都連接到pcb板上。將k