毕业设计(论文)-基于单片机的酒精浓度测试仪.doc
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1、毕业设计论文 基于单片机的酒精浓度测试仪提供全套,各专业毕业设计毕 业 设 计 论 文基于单片机的酒精浓度测试仪仇 新 指导老师姓名: 张睿专 业 名 称: 电气自动化技术班 级 学 号: 11137211论文提交日期:2013年11月12日论文答辩日期:2013年11月15日2013年 12月 30日摘要毕业设计论文 摘 要本研究设计的酒精浓度测试仪是一款实用性强、安全可靠的气体乙醇浓度检测工具,采用高精度MQ-3乙醇气体传感器对空气中的乙醇浓度进行检测,利用宏晶公司高性能低成本单片机STC12C5A16AD对检测信号进行A/D转换和处理,最后通过液晶屏显示输出。本研究设计的酒精浓度测试仪还
2、具有醉酒阈值设定功能,可以根据法律法规或用户需要设定修改醉酒阈值,并进行保存。本测试仪体积较小便于携带,且操作简单方便,造价较低廉,性价比较高,适合推广使用。关键词:酒精浓度;单片机;传感器;阀值37目录 毕业设计论文AbstractAlcohol concentration tester designed in this study is the gas concentration of ethanol detection tool for a practical, safe and reliable, high precision of MQ-3 alcohol gas sensor to
3、 detect the concentration of ethanol in air, A/D conversion and processing of signal detection using macro crystal, high performance and low cost microcontroller STC12C5A16AD, finally through the LCD screen display output. Alcohol concentration tester designed in this study has drunk threshold setti
4、ng function, can according to laws and regulations or the user needs to set the threshold to modify the drunk, and save. The instrument is small volume to carry, simple and convenient operation, low cost, high performance, suitable for the promotion of the use of.Key words: alcohol; MCU; Alcohol con
5、centration sensor; threshold目录第一章 绪论1第二章 总体设计22.1 设计要求22.2 设计方案2第三章 硬件设计33.1 硬件设计原理分析33.2 酒精传感器模块43.2.1 MQ-3主要技术指标43.2.2 MQ-3结构、外形、测试电路43.2.3 MQ-3传感器调理电路63.3 单片机模块73.3.1 STC12C5A16AD的功能特性83.3.2 STC12C5A16AD的引脚说明93.3.3 单片机系统原理图103.4 显示模块123.5 存储模块133.6 供电及程序下载模块14第四章 软件设计154.1主程序模块154.1.1A/D转换模块164.1
6、.2按键输入模块164.1.3液晶显示输出模块174.2 主程序18第五章 PCB设计255.1 PCB软件简介255.2 PCB板设计25第六章 下载与调试276.1 USB转串口驱动安装276.2 下载程序276.3调试与说明28七章 总结与展望297.1 设计结果297.2 设计体会与展望29致 谢30参考文献31附录A 实验原理图和电路图32附录B 元件清单34附录C 实验现象图片35毕业设计论文 基于单片机的酒精浓度测试仪第一章 绪论从工厂企业到居民家庭,酒精泄露的检测、监控以及对酒后驾车的监测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必不可少的。同时,随着我国经济的高速发展,人民的生活水
7、平迅速提高,越来越多的人有了自己的私家车,酒后驾车是导致交通事故的一个主要因素,资料显示,我国近几年发生的重大交通事故中,有将近三分之一是由酒后驾车引起的。由于人们安全意识增强,对环境安全性和生活舒适性要求的提高,为了防止机动车辆驾驶人员酒后驾车,现场实时对人体呼气中酒精含量的检测已日益受到重视,酒精浓度测试仪逐渐得到广泛应用。此外,酒精测试仪也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度的场合。如今,气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展,因此,酒精浓度测试仪具有十分广阔的现实市场和潜在的市场要求。本设计基于STC12C5A16AD单片机设计的酒精气体浓度探测仪,可用来检测酒精气体浓
8、度,酒精气体浓度测试仪在生产生活中有重要的应用,比如,在一些环境要求严格的生产车间,用这种酒精浓度探测仪,可随时检测车间内的酒精气体浓度,当酒精气体浓度高于允许限定值时,发出警报,提醒人们及时通风换气,做到安全生产,此酒精测试仪经过再一步的改进可以使用到酒后驾驶测试上面去,利用该测试仪来告诫驾驶员请勿酒后驾驶。在这次的设计中,利用了MQ-3型酒精的传感器通过对空气中的酒精浓度测试转换成05V的模拟量电压进行输出,把这个05V的电压传送到STC12C5A16AD内部自带的A/D转换模块中去,通过模拟量模块的转换输出一个8位0255的数据给单片机的P1口,再通过单片机进行一些软件程序的处理显示在L
9、CD的液晶上面。目前对酒精测试的装置有燃料电池型,半导体型,红外线型,气体色谱分析性和比色型五种类型。但由于价格方面的原因目前市场上用的是燃料电池型和半导体型。燃料电池型是世界都在研究的环保型能源。它可以把气体直接转换为电能而不产生污染。酒精传感器只是它的一个分支。在燃烧室内充满特种催化剂。使进入燃烧室内的酒精能进行充分燃烧转换为电能。也就是在电极上产生电压消耗在外加负载上。使电压与燃烧室内的酒精浓度成正比。与半导体型相比,燃料电池型的呼吸酒精测试仪具有稳定性好、精度高、抗干扰性能好等优点。但由于其传感器结构要求特别高所以生产成本提别高,制造难度特别大所以只有少数国家能够生产。第二章 总体设计
10、2.1 设计要求本设计的主要内容是用由MQ-3乙醇气体传感器、单片机、EEPROM存储电路、液晶屏和键盘组成的、设计一个酒精浓度测试仪。实现的功能是:1) 实时测量空气中的乙醇气体浓度,在液晶屏上显示。2) 具有乙醇浓度超高报警功能,当测量得到的乙醇浓度超过预先设定的阈值,则红灯报警。3) 电路设计了两个红灯,另一个红灯是传感器直接输出的模拟报警信号,其阈值通过调节传感器模块上的兰色电位器改变,一般可以不用。4) 醉酒阈值可存储至EEPROM存储器,并在液晶屏显示。系统掉电后醉酒阈值不失,可以保持。2.2 设计方案本设计主要由传感器电路、单片机系统、显示电路、存储电路、供电及程序下载电路组成的
11、。单片机的选择是:1) STC12C5A16AD芯片为52内核8位单片机,内部集成了10位多路A/D转换模块;2) 单片机STC12C5A16AD工作频率为12MHz。用高精度MQ-3乙醇气体传感器对空气中的乙醇浓度进行检测,利用宏晶公司高性能低成本单片机STC12C5A16AD对检测信号进行A/D转换和处理,通过按键对芯片写入数据来控制阈值的大小,另外电路外接EEPROM芯片,关闭电源,数据自动存储不会丢失,最后通过液晶屏显示输出。如图2-1:模数转换数字输出模拟输出传感器控制输出单片机LCD显示输出 图2-1 系统设计方框图第三章 硬件设计3.1 硬件设计原理分析本硬件由五部分组成:单片机
12、模块,酒精传感器模块,显示模块,存储模块供电及程序下载模块。本系统由单片机STC12C5A16AD控制,其直接控制两个模块:阀值存储模块将与酒精传感器采集到并输送到单片机控制处理后的数字信号相比较,LCD显示模块可以将经过单片机处理过的酒精气体浓度具体量化值显示出来。MQ-3乙醇气体传感器输出信号经信号调理电路处理,输出随乙醇浓度变化的电压信号,该电压信号送入单片机系统,经A/D转换,与设定的醉酒阀值进行比较,并显示或报警。如图3-1:MQ-3传感器模块DDDDMOKUAIMOKUAIMOKUAI信号处理电路模/数转换电压/酒精浓度转换阀值比较报警外部EEPROMSTC12C5A16AD单片机
13、MQ-3传感器酒精浓度显示图3-1 酒精浓度测试仪硬件结构图3.2 酒精传感器模块MQ-3乙醇气体传感器可以应用用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测,也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。其技术特点为:l 对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性l 快速的响应恢复特性l 长期的寿命、可靠的稳定性和简单的驱动回路3.2.1 MQ-3主要技术指标表3-1 主要技术分类3.2.2 MQ-3结构、外形、测试电路MQ-3气敏元件的结构和外形如图3-2所示, 由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内,加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装
14、好的气敏元件有6只针状管脚,其中4个用于信号取出,2个用于提供加热电流,表3-2对各个部件进行了详细的描述。图3-2 MQ-3气敏元件的结构外形图表3-2 MQ-3气敏元件的组成材料表 部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金(Au)3测量电极引线铂(Pt)4加热器镍铬合金(Ni-Cr)5陶瓷管三氧化二铝6防爆网100目双层不锈钢(SUB316)7卡环镀镍铜材(Ni-Cu)8基座胶木9针状管脚镀镍铜材(Ni-Cu)毕业设计论文 基于单片机的酒精浓度测试仪MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线如图3-3所示,其传感原理为气敏电阻的输出阻值随乙醇气体等浓度变化而变化。图3-3 MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲
15、线3.2.3 MQ-3传感器调理电路MQ-3乙醇气体传感器及其调理电路原理如图3-4所示,技术指标如表3-3所示。经过调理,检测信号由电阻值转变成电压值,便于后续电路进行A/D转换和处理。图3-4 传感器及调理模块原理图该传感器模块具有如下特点(如图3-4),方便与单片机系统接口组成检测仪器。l 具有信号输出指示。l 双路信号输出(模拟量输出及TTL电平输出)l TTL输出有效信号为低电平。(当输出低电平时信号灯亮,可直接接单片机) l 模拟量输出05V电压,浓度越高电压越高。l 对乙醇蒸汽具有很高的灵敏度,良好的选择性,快速的响应恢复特性。主要技术指标:表3-3 技术指标产品型号MQ-3产品
16、类型半导体气敏元件检测气体酒精蒸汽检测浓度0.04-4mg/L负载电阻可调3.3 单片机模块STC12C5A16AD是宏晶科技生产的新一代8051单片机,包含有中央处理器(CPU)、程序存储器(FLASH)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶振振荡等模块。STC12C5A16S2单片机相比传统C51功能更加强大,有些特殊功能寄存器被扩展为专用的特殊寄存器。其引脚图和内部结构如图3-5所示:图3-5 STC12C5A16AD单片机管脚图3.3.1 STC12C5A16AD的功能特性(1) 高
17、速:1个时钟/机器周期,增强型8051内核,速度比普通8051快812倍。(2) 宽电压:3.35.5V。(3) 增加外部掉电检测电路,可在掉电时及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEP。(4) 增加第二复位功能脚,(高可靠复位,可调复位门槛电压,频率小于12Hz,无需此功能)。(5) 低功耗设计:空闲模式(可由任意一个中断唤醒);掉电模式(可由外部中断唤醒),可支持下降沿/上升沿和远程唤醒。(6) 工作频率:035MHz,相当于普通8051:04205MHz。(7) 时钟:外部晶体或内部RC振荡器可选,在ISP下载编程用户程序时设置。(8) 8/16/20/32/40/48/5
18、2/56/60/62K字节片内FLASH程序存储器,擦写次数10万次以上。(9) 1280字节片内RAM数据存储器。(10) 芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上。毕业设计论文 基于单片机的酒精浓度测试仪(11) ISP/IAP,在系统可编程/在在应用可编程,无需编程器/仿真器。(12) 8通道,10位高速ADC,高速可达25万次/秒,2位PWM还可当2路D/A使用。(13) 2通道捕获/比较单元(PWM/PCA/CCP),也可用来再实现2个定时器或2个外部中断(支持上升沿/下降沿中断)。(14) 4个16位定时器,兼容8051的定时器T1/T0,2路PCA实现2个定时器。(15) 可
19、编程时钟输出功能,T0在P3.4输出时钟,T1在P3.5输出时钟,BRT在P1.0输出时钟。(16) 硬件看门口(WDT)。(17) 高速SPI串行通信端口。(18) 全双异步串行口(UART),兼容普通8051串口。(19) 先进的指令集结构,兼容普通8051指令集,有硬件乘法/除法指令。(20) 通用I/O口(37/40/44个),复位后为准双向口/弱上拉(普通8051 I/O口)可设置成四种模式:准双向口/弱上拉,推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不超过100mA。3.3.2 STC12C5A16AD的引脚说明单片机采用40引脚的双列直
20、插封装方式。图3-7为引脚排列图,40条引脚说明如下:1)主电源引脚Vss和Vcc2)外接晶振引脚XTAL1和XTAL23)控制或与其它电源复用引脚RST,ALE和NA4)输入/输出引脚P0.0P0.7,P1.0P1.7,P2.0P2.7,P3.0P3.7(1)P0口(P0.0P0.7)是一个漏极开路型准双向I/O口。在访问外部存储器时,它是分时多路转换的地址(低8位)和数据总线,在访问期间激活了内部的上拉电阻。(2)P1口(P1.0P1.7)是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在EPROM编程和程序验证时,它接收低8位地址。(3)P2口(P2.0P2.7)是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O
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