鐵道信號1班第四組酒精濃度測試

1、信號檢測與處理課程設計說明書設計課題： 酒精濃度測試儀 專業(yè)（系） 電氣工程系 班 級 鐵道信號111班 學生姓名 第四組 指導老師 陳新喜 完成日期 2013/6/12 目 錄第1章 任務與要求11.1任務簡介12.1任務要求1第2章 方案論證與設計22.1 整體設計與分析22.2 各功能模塊方案分析22.3 方案確定3第3章 硬件電路設計43.1 AT89S52單片機控制單元43.2使用氣敏傳感器.63,3 檢測電路.63.4 使用信號采樣電路73.5 信號轉(zhuǎn)換電路11 3.6 設計準備.12第4章 軟件設計134.1程序流程圖134.2主要源程序14第5章 安裝與調(diào)試18第6章 使用說明

2、19第7章 心得體會19參考文獻20附錄21元件清單21湖南鐵道職業(yè)技術學院單片機課程設計說明書第1章 任務與要求1.1任務簡介本項目實驗電路針對孵化箱的環(huán)境，自動控制和調(diào)節(jié)濕溫度，使其滿足孵化條件的需要，達到最佳的孵化效果。2.1任務要求1 采用氣體濃度傳感器作為檢測元件；2 傳感器信號經(jīng)信號處理電路處理，進入AD采集進入單片機；3 能夠?qū)崟r顯示被測氣體當中的酒精濃度；4 給出判斷，超標則蜂鳴器報警，燈光閃爍；5 可以設置酒精濃度閾值。第2章 方案論證與設計2.1 整體設計與分析本項目實驗對氣體濃度變化進行檢測，檢測其中酒精含量，同樣是一個模擬量采集、控制過程。需要利用其體傳感器，特別是針對

3、酒精濃度測試的氣體傳感器，本設計采用MQ3型還原性氣體傳感器作為酒精氣體傳感器，通過分壓式電路經(jīng)電阻的變化量轉(zhuǎn)換電壓的變化量，經(jīng)過信號調(diào)理，由AD采集電路變成數(shù)字量，輸入單片機進行數(shù)據(jù)處理，進行顯示和判斷。2.2 各功能模塊方案分析1. 單片機控制單元選擇方案一：MCS 51系列單片機方案二：ATMEL公司的AT89S52單片機方案一中，MCS 51系列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術和高可靠性和高性價比，迅速占領了工業(yè)測控和自動化工程應用的主要市場，成為國內(nèi)單片機應用領域中的主流。目前，可用于其開發(fā)的硬件越來越多，與其配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件業(yè)日趨完善，因此，可以極方便地利用現(xiàn)有資源，開

4、發(fā)出用于不同目的的各類應用系統(tǒng)。AT89S52是一種低功耗、高性能的片內(nèi)含有4KB快閃可編程擦除只讀存儲器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory) 8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲技術制造，并且與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的FPEROM允許在線編程或采用通用的非易失存儲編程器對程序存儲器重復編程。AT89S52（以下簡稱 89C51）將具有多種功能的8位 CPU與FPEROM結(jié)合在一個芯片上，為很多嵌入式控制應用提供了非常靈活而又價格適宜的方案，其性能價格比較高。經(jīng)過對比采用AT89S52單片機

5、。2. 電壓轉(zhuǎn)換器件的選擇方案一：采用LM358方案二：采用LM393LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。特性：內(nèi)部頻率補償 直流電壓增益高（約100db）單位增益頻帶寬（約1MHz）電源電壓范圍寬：單電源（330v）：雙電源（+-1.5v+-15v ）低功能電流，適合于電池供電 低輸入偏流 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 差模輸入電壓范圍寬，等于

6、電源電壓范圍 輸出電壓擺幅大（0至Vcc-1.5V）。LM393為雙電壓比較器，LM393系列由兩個偏移電壓指標抵達2.0的獨立精密電壓比較器構(gòu)成。LM393系列可可直接與TTL及CMOS邏輯電路接口。在單電源操作時，適用電壓范圍廣，其共模電壓范圍也包括接地，它還可以采用分離式電源，低電耗不受電源電壓值影響。但LM393不適用于雙電源操作設計。經(jīng)過對比，我們采用LM358.3. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的選擇方案一：采用ADC0809進行轉(zhuǎn)換方案二：采用MAX541進行轉(zhuǎn)換方案一中ADC 0809除精度略有差別外(前者精度為8位、后者精度為7位)，其余各方面完全相同。它們都是CMOS器件，不僅包括一個8位的

7、逐次逼近型的ADC部分，而且還提供一個8通道的模擬多路開關和通道尋址邏輯，因而有理由把它作為簡單的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。利用它可直接輸入8個單端的模擬信號分時進行A/D轉(zhuǎn)換，在多點巡回檢測和過程控制、運動控制中應用十分廣泛。方案二中的MAX541是美信公司的一款串行數(shù)據(jù)輸入，電壓輸出型16位D/A轉(zhuǎn)換器，具有多通道輸出，同時能夠結(jié)合外部運算放大器組成雙極性輸出。輸出沒有經(jīng)過緩沖器，輸出電流相對小，通常需要在輸出加一級驅(qū)動級。MAX541沒有內(nèi)置的參考電壓源，因此需外接一個精度較高的基準電壓參考源。相比之下選用方案一用ADC0809進行模擬信號轉(zhuǎn)換。第3章 硬件電路設計3.1 AT89S52單片機控

8、制單元1. 89S52性能及特點 89S51的主要性能包括： （1）與MCS51微控制器產(chǎn)品系列兼容。 （2）片內(nèi)有4KB可在線重復編程的快閃擦寫存儲器（Flash Memory）。 （3）存儲器可循環(huán)寫入擦除1000次。 （4）存儲數(shù)據(jù)保存時間為10年。 （5）寬工作電壓范圍：Vcc可為2.7V6V。 （6）全靜態(tài)工作：可從0Hz至16MHz。 （7）程序存儲器具有3級加密保護。 （8）128×8位內(nèi)部RAM。 （9）32條可編程IO線。 （10）兩個16位定時器計數(shù)器。 （11）中斷結(jié)構(gòu)具有5個中斷源和2個優(yōu)先級。 （12）可編程全雙工串行通道。（13）空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀

9、態(tài)保存存儲內(nèi)容。圖3-1 AT89S52引腳圖2. AT89S52控制電路圖3-2 AT89S52控制電路圖此電路包含復位部分、選擇部分、顯示部分，并且P0口和 ADC0809的數(shù)據(jù)口直接相連。有四個選擇按鈕，可供波形轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)頻率。顯示部分顯示的是頻率。數(shù)據(jù)下載到單片機P0口，由其輸入到ADC0809的數(shù)字信號輸入端。3.2 使用氣敏傳感器1 概述氣敏傳感器是用來檢測氣體濃度和成分的傳感器，氣敏傳感器時暴露在各種成分的氣體中使用，由于檢測現(xiàn)場溫度、適度的變化很大，有存在大量粉塵和油霧等，所以其工作條件惡劣，所以對氣敏傳感器有下列要求：能夠檢測報警氣體的允許濃度和其他標準數(shù)值的氣體濃度，能長期

10、穩(wěn)定工作，重復性好，響應速度快，共存物質(zhì)所產(chǎn)生的影響小等。2 分類半導體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導體（主要是金屬氧化物）表面接觸時，產(chǎn)生的電導率等物性變化來檢測氣體。按照半導體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限于半導體表面或深入到半導體內(nèi)部，可分為表面控制性和體控制性。按照半導體變化的物理特性，又可分電阻型和非電阻型兩類。電阻型半導體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分和濃度；非電阻型半導體氣敏元件是利用其他參數(shù)，如二極管伏安特性和場效應晶體管的閾值電壓變化來檢測被測氣體。SnO2是目前應用最多的一種氣敏元件。3 氣敏傳感器的性能要求：A、對被測氣體有較高的靈敏度B、對

11、被測氣體以外的氣體或物質(zhì)不敏感C、性能穩(wěn)定、重復性好D、動態(tài)性好，對檢測信號響應迅速E、使用壽命低F、創(chuàng)造成本低，使用維護方面4 主要參數(shù)和特性：A、靈敏度B、響應時間C、選擇性D、溫度特性E、濕度特性F、電源電壓特性G、時效性和互換性MQ-3氣敏傳感器（1）原理和結(jié)構(gòu)本設計中的酒精氣體傳感器采用河南漢威電子有限公司的MQ-3型,它屬于MQ系列氣敏元件的一種。如圖所示：特點:檢測范圍為10ppm2000ppm ；靈敏度高，輸出信號為伏特級；響應速度快，小于10秒；功耗小于0.75W，尺寸：D17*H10。MQ-3型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物（二氧化錫）的N型半導體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。當其表

12、面吸附有被測氣體酒精分子時，表面導電電子比例就會發(fā)生變化，從而其表面電阻會隨著被測氣體濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復使用。（2）注意事項傳感器表面電阻R的變化，是通過與其中串聯(lián)的負載電阻R上的有效信號輸出獲得的。二者之間的URL=RLXUC/(RL+RS),其中Uc為5V。負載電阻為1200kQ。上述這些參數(shù)是的傳感器輸出電壓為05V。為了消除溫度表面阻值RS的影響，使測量精度達到最高，誤差減小，在測量錢需要將傳感器預熱10min。3.3 檢測電路當電源開關S斷開時，傳感器加熱電流為零，實測A，B之間電阻大于20M。S接通，則f，f之間電流由開始時155mA降至153mA而

13、穩(wěn)定。加熱開始幾秒鐘后A，B之間電阻迅速下降至10K以下，然后又逐漸上升至120K以上后并保持著。此時如果將酒精溶液樣品靠近MQ-3傳感器，我們立即可以看到數(shù)字萬用表顯示值馬上由原來大于120K降至10K以下。移開小瓶過1分鐘左右后，A，B之間電阻恢復至大于120K。這種反應可以重復試驗，但要注意使空氣恢復到潔凈狀態(tài)。經(jīng)實驗的反復檢測，MQ-3傳感器可以正常工作使用，對不同濃度的酒精溶液有不同的變化，響應時間和恢復時間都正常，可以開始作信號采樣模塊電路的設計。3.4使用信號采樣電路 l 信號的采樣模塊電路如圖所示。MQ-3的加熱電阻兩端即H引腳接至+5V直流穩(wěn)壓電源，用于電阻絲對敏感體電阻的加

14、熱。MQ-3的兩個A引腳相連，作為敏感體電阻的一個電極。MQ-3的兩個B引腳也連接在一起，作為敏感體電阻的另一個電極。將電極斷A接到電源正極，電極端B接兩個270并聯(lián)的電阻。l MQ-3型氣敏傳感器與電位器串聯(lián)構(gòu)成分壓電路，采樣點為電位器的分壓。MQ-3型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物SnO2的N型半導體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。當其表面吸附有被測氣體酒精分子時，表面導電電子比例就會發(fā)生變化，從而其表面電阻會隨著被測氣體濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復使用。當氣敏傳感器的敏感體電阻阻值發(fā)生改變時，對應的電位器的分壓值也會發(fā)生相應的變化，即一個電壓值對應著一個被測酒精氣體濃度。對酒精

15、氣體濃度的采樣就可以轉(zhuǎn)化為對電位器分壓的采樣。l 在采樣硬件電路中實際要考慮到MQ-3的實際技術參數(shù)，即加熱電阻和敏感體電阻的大小，該部分應與電源正極相連。負載電阻要根據(jù)MQ-3實際的技術參數(shù)而選擇阻值合適的電阻。應為實驗所用的MQ-3在預熱5到10分鐘后，它的敏感體電阻只有120K，所以負載電阻選用兩個270并聯(lián)，構(gòu)成采樣部分的分壓電阻。3.5信號轉(zhuǎn)換電路根據(jù)實際需要，本次設計選用的是以8051為核心單元Atmel公司的低耗AT89S51單片機。AT89S51芯片有40條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖6所示。下面說明各引腳功能。² VCC：運行和程序校驗時接電源正端。²

16、GND：接地。² XTAL1：輸入到單片機內(nèi)部振蕩器的反相放大器。² XTAL2：反相放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器。² P0口：8位漏極開路的。使用片外存儲器時，作低八位地址和數(shù)據(jù)分時復用，能驅(qū)動8個LSTTL上拉電阻。² P1口：8位、準雙向I/O口。² P2口：8位、準雙向I/O口。當使用片外存儲器（ROM及RAM）時，輸出高8位地址?？梢则?qū)動4個LSTTL負載。² P3口：8位、準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路，提供各種替代功能。P3.0RXD串行口輸入口，P3.1TXD串行口輸出口，P3.2外部中斷0輸入，P3.3外部中

17、斷1輸入，P3.4T0定時器/計數(shù)器0的外部輸入，P3.5T1定時器/計數(shù)器1的外部輸入，P3.6低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通，P3.7低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。² RST：復位輸入信號，高電平有效。在振蕩器工作時，在RST上作用兩個機器周期以上的高電平，將器件復位。² /VCC：片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。高電平時選擇片內(nèi)程序存儲器，低電平時程序存儲器全部在片外而不管片內(nèi)是否有程序存儲器。² ALE/PROG：地址鎖存允許信號，輸出。ALE以1/6的振蕩頻率固定速率輸出，可作為對外輸出的時鐘或用作外部定時脈沖。² 單片機最小

18、系統(tǒng)的設計包括電源，晶振和復位電路三個部分。這是使單片機正常工作的必要外圍電路部分。針對不同型號的單片機在最小系統(tǒng)設計上會有一些差別。對于選用的AT89S51單片機，根據(jù)美國ATMEL公司提供的技術資料，可以對它的最小系統(tǒng)作恰當?shù)脑O計。² 對于電源部分，技術資料中性能參數(shù)里給出的標準工作電壓是4.05.5V。因此，單片機的引腳40對應的VCC接到+5V電源的正極，引腳10對應的GND接到+5V電源的接地端，為AT89S51單片機提供正常的工作電壓。² 對于晶振部分，AT89S51單片機中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳19對應的XTAL1和18對應的XTAL

19、2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。如圖8所示，石英晶體及電容C1和C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。石英晶體的兩端分別接到引腳XTAL1 和引腳XTAL2，同時石英晶體的兩端分別接一個電容C1和C2，電容的另一端接地。對于外接電容C1和C2的大小雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小還是會對振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度和溫度穩(wěn)定性帶來一定的影響。根據(jù)技術資料的推薦，使用石英晶體推薦電容容量為30pF±10pF，使用陶瓷諧振器推薦電容容量為40pF±10pF。因為電路中接的

20、是石英晶體，所以設計中接的兩個電容C1和C2的容量都為33pF。² 對于復位電路部分，AT89S51技術資料給出，當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平將使單片機復位。復位是單片機的初始化操作，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，可以按復位鍵以重新啟動，所以復位電路的設計很有必要。復位操作有上電自動復位、按鍵電平復位和外部脈沖復位三種方式，本設計選用按鍵電平復位方式。如圖7所示，10F的電容C3與270的電阻并聯(lián)后再與一個10K的電阻串聯(lián)，電容的正極端接到電源的正極，電容的另一端接至引腳RST。設計中選用的石英晶體大小為11.0952MHz

21、,但復位鍵按下后，電容和電阻選用的參數(shù)值能夠保證給復位端RST提供大于2個機器周期的高電平復位信號。 AT89S51單片機最小系統(tǒng)設計電路3.6 設計準備本項目制作主要是由主控電路板和信號板兩部分組成，主控就是我們的單片機實驗板，信號板上包括我們的傳感器采集電路、AD轉(zhuǎn)換電路、電源電路等，主控板和信號板之間用排線鏈接。制作步驟：1、認識分析電路原理圖，熟悉各元器件特性和功能。2、核對電路元器件，檢測元器件的好壞。3、準備好工具，畫出電路布局圖和連接圖。4、根據(jù)信號板圖紙，根據(jù)功能布局元器件。5、焊接并連接好電路元器件。6、檢查電路，測量有無短路、斷路現(xiàn)象。7、電路通電調(diào)試。8、連接主控板，準備

22、整體安裝、調(diào)試。程序設計主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、蜂鳴器報警等子程序。開機后經(jīng)初始化，在經(jīng)過系統(tǒng)預熱階段（約10min）后，調(diào)用顯示子程序，按鍵掃描子程序程序判斷檢測是否開始，測量時數(shù)據(jù)采集程序把數(shù)據(jù)送到A/D轉(zhuǎn)換器。在數(shù)據(jù)處理程序完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的同時，調(diào)用顯示程序顯示酒精濃度相關的信息。當測量數(shù)據(jù)超過閾值時，報警子程序啟動，根據(jù)報警級別發(fā)出蜂鳴器報警。主程序隨后循環(huán)調(diào)用循環(huán)用數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、蜂鳴器報警等子程序，直至儀器關閉。 第4章 軟件設計4.1程序流程圖 4.2主要源程序#include"reg51.h"#define uint unsigned in

23、t#define uchar unsigned charuchar code duan=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/不帶小數(shù)點的09編碼uchar code wei=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;unsigned char dispcount; unsigned int wendu,shidu;unsigned int wendu,shidu;sbit ST=P33;sbit OE=P35;sbit EOC=P34;sbit A=P37;unsigned char get

24、data;unsigned int wendu,shidu;sbit ST=P33;sbit OE=P35;sbit EOC=P34;sbit A=P37;unsigned char getdata;sbit ST=P33;sbit OE=P35;sbit EOC=P34;sbit A=P37;unsigned char getdata;void initTimer(void)TMOD=0x12;TH0=0xff; TMOD=0x12; TH0=0xff; TL0=0xff; TH1=0xfc; TL1=0x6c; TR0=1; ET0=1; TR1=0; ET1=1; EA=1;TL0=0x

25、ff; TH1=0xfc; TL1=0x6c; TR0=1; ET0=1; TR1=0; ET1=1; EA=1; TMOD=0x12; TH0=0xff; TL0=0xff; TH1=0xfc; TL1=0x6c; TR0=1; ET0=1; TR1=0; ET1=1; EA=1;TH1=0xfc;TL1=0x6c;TR0=1;ET0=1;TR1=0;ET1=1;EA=1;void Delay(unsigned int k)while(-k);void display()static uchar num=0;P0=0xff;P2=0xff;switch (num)case 0: P0=dua

26、nwendu%10;break;case 1: P0=(duanwendu/10%10+0x80);break;case 2: P0=duanwendu/100%10;break;case 3: P0=0xff;break;case 4: P0=duanshidu%10;break;case 5: P0=(duanshidu/10%10+0x80);break;case 6: P0=duanshidu/100%10;break;case 7: P0=duanshidu/1000%10;break; P2=weinum; num+; num%=8; void main(void) uchar n

27、,k,s; initTimer();while(1) for(n=0;n<10;n+) ST=0; ST=1; ST=0; while(EOC=0) OE=1; dispbufn=P1; Delay(30); k=(dispbuf0+dispbuf1+dispbuf2+dispbuf3+dispbuf4+dispbuf5+dispbuf6+dispbuf7+dispbuf8+dispbuf9)/10; s=s; if(s=0) wendu=(k*1000)/145; A=0; else shidu=10*k/2;A=1; void timer0(void) interrupt 1/*;*/display() ;void timer1(void) interrupt 3 TH1=0xfc; /cl=cl TL1=0x6c; TL1=0x6c; display(); 第5章 安裝與調(diào)試工具與儀表電烙鐵、斜口鉗、螺絲刀、指針萬用表、數(shù)字萬用表等。電路制作理解原理圖，識別各元件，熟悉封裝，并根據(jù)圖