毕业论文酒精浓度检测仪的设计(编辑修改稿)

毕业论文酒精浓度检测仪的设计(编辑修改稿)内容摘要：

片计算机，还包括微计算机，微处理器，微控制器和嵌入式控制器，单片微机已是它们的俗称。 AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8位单片机，片内含4K 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。 它集 Flash 程序存储器，既可在线编程也可以用传统方法进行编程及通用 8位微 处理器于单片芯片中，可灵活应用于各种控制领域。 AT89S51 提供以下标准功能： 4KBFlash 闪存存储器，128B 内部 RAM， 32 个 I/O 口线，看门狗，两个数据指针，两个 16 位定时 /计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 根据实际需要，本次设计选用的是以 8051 为核心单元 Atmel 公司的低耗AT89S51 单片机。 AT89S51 芯片有 40 条引脚，采用双列直插式封装，如图 6所示。 下面说明各引脚功能。 15 图 6 AT89S51 芯片管脚 VCC：运行和程序校验时接电源正端。 GND：接地。 XTAL1：输入到单片机内部振荡器的反相放大器。 XTAL2：反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。 P0 口： 8位漏极开路的。 使用片外存储器时，作低八位地址和数据分时复用，能驱动 8个 LSTTL 上拉电阻。 P1 口： 8位、准双向 I/O 口。 P2 口： 8位、准双向 I/O 口。 当使用片外存储器（ ROM 及 RAM）时，输出高8位地址。 可以驱动 4个 LSTTL 负载。 P3 口： 8位、准双向 I/O 口，具有内部上拉电路，提供各种替代功能。 —— RXD 串行口输入口， —— TXD串行口输出口， —— INT0 外部中断0输入， —— INT1 外部中断 1输入， —— T0 定时器 /计数器 0 的外部输入， —— T1定时器 /计数器 1的外部输入， —— WR 低电平有效，输出，片外存储器写选通， —— RD 低电平有效，输出，片外存储器读选通。 16 RST：复位输入信号，高电平有效。 在振荡器工作时，在 RST 上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。 EA /VCC：片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。 高电平时选择片内程序存储器，低电平时程序存储器全部在片外而不管片内是否有程序存储器。 ALE/PROG：地址锁存允许信号，输出。 ALE 以 1/6 的振荡频率固定速率输出，可作为对外输出的时钟或用作外部定时脉冲。 单片机最小系统的设计包括电源，晶振和复位电路三个部分。 这是使单片机正常工作的必要外围电路部分。 针对不同型号的单片机在最小系统设计上会有一些差别。 对于选用的 AT89S51 单片机，根据美国 ATMEL 公司提供的技术资料，可以对它的最小系统作恰当的设计 ，如图 8所示。 对于电源部分，技术资料中性能参数里给出的标准工作电压是 ～。 因此，单片机的引脚 40 对应的 VCC 接到 +5V 电源的正极，引脚 10对应的 GND 接到 +5V 电源的接地端，为 AT89S51 单片机提供正常的工作电压。 对于晶振部分， AT89S51 单片机中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 19 对应的 XTAL1 和 18 对应的 XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。 这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。 如图 8所示，石英晶体及电容 C1 和 C2 接在放大器的反馈 回路中构成并联谐振电路。 石英晶体的两端分别接到引脚 XTAL1 和引脚 XTAL2，同时石英晶体的两端分别接一个电容 C1 和 C2，电容的另一端接地。 对于外接电容 C1 和 C2的大小虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小还是会对振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度和温度稳定性带来一定的影响。 根据技术资料的推荐，使用石英晶体推荐电容容量为 30pF177。 10pF ，使用陶瓷谐振器推荐电容容量为 40pF177。 10pF。 因为电路中接的是石英晶体，所以设计中接的两个电容 C1和 C2 的容量都为 33pF。 对于复位电路部分， AT89S51 技术资料给出，当振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。 复位是单片机的初始化操作，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，可以按复位键以重新启动，所以复位电路的设计很有必要。 复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种方式，本设计选用按键电平复位方式。 如图 7所示， 10μF 的电容 C3 与 270Ω 的电阻并联后再与一个 10KΩ 的电阻串联，电容的正极端接到电源的正极，电容的另一端接至引脚 RST。 设计中选用的石英晶体大小为 ,但复 位键按下后，电容和电阻选用的参数值能够保证给复位端 RST 提供大于 2个机器周期的高电平复位信号。 17 图 7 AT89S51 单片机最小系统设计电路 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A/D 转换器，内部结构如图 8 所示，它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 8位开关树型 A/D 转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。 因此， ADC0809 可处理 8 路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。 输入输出与 TTL兼容。 图 8 ADC0809 内部结构 18 ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 9 所示。 下面说明各引脚功能。 图 9 ADC0809芯片 IN0~IN7： 8路模拟量输入端。 21~28： 8 位数字量输出端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。 如表 1 所示。 ALE： 地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A/D转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： A/D 转换结束信号，输出，当 A/D 转换结束时，此端输出一个高电平（ 转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。 当 A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。 要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（ +）、 REF（ ）：基准电压。 Vcc：电源，单一 +5V。 GND：地。 ADC0809 的工作过程是：首先输入 3位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。 此地址经译码选通 8路模拟输入之一到比较器。 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。 下降沿启动 A/D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正 19 在进行。 直到 A/D转换完成， EOC 变为高电平，指示 A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。 当 OE 输 入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 当检测到酒精气味时，气体传感器的 AB间电阻变小，则 ADC0809 的模拟输入端 IN0 的电压变大。 采用查询方式对输入模拟信号进行 A/D转换，然后将数据通过三位八段数码管显示。 表 1 ADC0809 通道地址 ADDC ADDB ADDA 选通通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 ADC0809 芯片内部没有时钟脉冲源，可以用单片机提供的地址锁存控制输入信号 ALE 经 D触发器二分频后，作为 ADC0809 的时钟输入。 ALE 端信号的频率是单片机时钟频率的 1/6。 单片机的时钟频率是 ，则 ALE 端输出信号的频率为 ， 再二分频后为 ，符合 ADC0809 对时钟频率的要求。 由于 ADC0809 具有三态输出数据琐存器，其 8位数据输出端可以直接与数据总线相连。 地址选通端 ADDA， ADDB， ADDC 分别与单片机地址总线的低三位 A0， A1，A2相连，用于选通 IN0IN7 中的某一通道。 由于 ALE 和 START 连在一起， ADC0809在锁存通道地址的同时启动 A/D 转换。 在读取 A/D 转换结果时， OE 产生的正脉冲信号用于打开三态输出锁存器。 ADC0809 的 EOC 信号与单片机的 相连，作为 A/D 转换是否结束的状态信号供单片机 查询。 ADC0809 与 AT89S51 单片机的接口电路如图 10所示 [11]。 单片机引脚 与 进过或非门后于模数转换芯片的 ALE 端和 START 端子用导线相连接，用于对模数转换芯片写入数据的写信号。 单片机的 RD 端 与 进过或非门后于模数转换芯片的 OE端子用导线相连接，作为单片机读取模数转换数据的读信号。 单片机引脚 与模数转换芯片的 EOC 端经过或非门后的输出端用导线相连接，用于单片机对模数转换是否结束的查询，模数转换结束后可以查询到 为高电平，为单片机读取数据作准备。 单片机的 ALE端口接到 D 触发器的时钟信号输入端 CK， D触发器的反相输出端与触发信号输入端用导线相连， D触发器的清零和复位端为低电平有效，分别接高电平， D触发器的正向输出端与模数转换芯片的 CLK 端子用导线相连接，为模数转换芯片提供正常的时钟信号。 把模数转换芯片的 A2﹑ A1﹑ A0端分别用导线连接到地址锁存器的低三位，用于选择模数转换的通道。 模数转换芯片的 IN0 端子用导线与信号采样部分的负载电阻端相连，作为要模数转换的输入端。 单片机引脚 － 连接到模数转换芯片的 20 数据输出端 D0﹑ D1﹑ D2﹑ D3﹑ D4﹑ D5﹑ D6﹑ D7端，用于读取模数转换后的数据。 地址锁存芯片 74LS373 的输入端低三位分别与单片机引脚 － 连接，用于锁存选择模数转换通道的地址。 图 10 ADC0809 与单片机 AT89S51 接口电路 发光二极管显示报警电路 发光二极管集成驱动芯片 LM3914 的管脚图如图 11 所示。 其内部的缓冲放大器最大限度的提高了该集成电路的输入电阻（ 5脚），电压输入信号经过缓冲器（增益为零）同时送到 10 个电压比较器的异相（ ）输入端。 10 个电压比较器的同相输入（ +）端分别接到 10 个等值电阻（ 1KΩ ）串联回 路的 10 个分压端。 因为与串联回路相接的内部参考电压为 ，所以相邻分压端之间的电压差为。 为了驱动 LED1 发光，集成电路 LM3914 的 1脚输出应该为低电平，因此要求电压比较器异相（ ）端的输入电压应大于。 同理，要使 LED2 发光，异相端输入电压应大于 *2=；要使 LED10 发光，异相端输入电压应大于 *10=。 LM3914 的 9脚为点，条方式选择端，当 9脚与 11脚相接为点状显示；当 9脚与 3脚相接，则为条状显示。 本系统采用条状显示方式，即将引 脚 9和引脚 3都接到电源的正极。 21 图 11 LM3914 管脚图 如图 12所示， LM3914 的 3和 9引脚接电源正极，使发光二极管成柱状显示，7和 8引脚接一个 2K 的电阻，控制发光二极管的亮度， 5引脚为采样信号的输入端， 10 到 18引脚和 1引脚分别接发光二极管的负极端， 4 和 2 引脚与发光二极管的正极间接一个 10μF 的电容，作为发光二极管的虚电源，驱动要反光的二极管点亮。 当检测到酒精气味时，气敏传感器的 AB 间电阻变小， LM3914 的 5 端电位升高，通过比较放大，驱动发光二极管依次发光，从而区分出酒精含量的高低，直观 的看出所测的酒精浓度达到了哪个水平值，起到报警的作用。 输入灵敏度可以通过负载电阻的调节来实现，即对地电阻调小时灵敏度下降；反之，灵敏度增加。 改变 7脚与 8脚之间电阻的阻值可以调节发光二极管的显示亮度，当阻值增加亮度减弱，反之加强。 图 12 发光二极管显示 22 数码管显示电路 发光二极管一般是砷化镓半导体二极管，在发放光二极管两端加上正向电压，则发光二极管发光。 数码管是由若干发光二极管组合而成的，有共阴极和共阳极两种结构形。 8 段共阴数码管由 a﹑ b﹑ c﹑ d﹑ e﹑ f﹑ g、 dg 这 8 个发光二极管组成。 把 8个 发光二极管的阴极连接在一起构成共阴极端，接进电路时，共阴极端接地，给要发光显示的二极管的阳极端接高电平可使该发光二极管导通点亮。 如图 13所示。 图 13 8 段共阴数码管结构图 用单片机驱动数码管有静态显示和动态显示，静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就 可以驱动数码管显示数据 ，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新 的 数据 就可以了。