基于at89s51单片机酒精浓度探测仪的设计与实现b

基于at89s51单片机酒精浓度探测仪的设计与实现b内容摘要：

研究工作包括以下 3 个方面。 （ 1）硬件电路方面，对气体传感器 MQ3 按检测电路，接上一定阻值的负载电阻，检测它的技术参数，确定 MQ3 所接负载电阻的大小，完成信号采样电路的设计；采样到的毕业设计（论文） 3 模拟电压电信号通过 A/D 转换，得到可供单片机处理的数字信号，再由单片机作相应的数据处理；发光二极管报警显示和 3 个单位 8 段共阴数码管浓度值显示。 （ 2）软件方 面，标准的确定是该部分要做的主要工作。 因为原始的采样值是一个间接的负载分压值，需要将它转化为被测酒精浓度值。 通过多个样品的测量确定多个浓度区间的转换标准，并将每个区间的转换关系近似线性化处理，然后通过软件编程的方法来实现。 （ 3）为了尽量减少设计的气体传感器的测量误差，在测量酒精溶液样品时要考虑并解决 3 个主要问题。 一是外界环境流动空气对传感器的影响和对气体样品的稀释，二是样品的稳定性对测量带来的误差，三是水蒸气对测量的影响。 针对这 3 个主要问题提出以下解决方案和验证方法。 测量样品时，将探头尽量放入塑料瓶内， 可以在一定程度上消除流动空气的影响，同时应选择空气流动较小的室内环境来测量。 水蒸气对 MQ3 的影响很小，这一点可以通过对只装有纯净水的塑料瓶的多次测量来验证。 用相同容量的塑料瓶配制好不同浓度的酒精溶液后，将它密封并放置一段时间，待其稳定后再测量。 再通过反复多次测量多组数据，求其平均值的方法来缩小测量误差。 毕业设计（论文） 4 2 硬件电路设计与实现 单片机开发流程 （ 1）可行性调研。 可行性调研的目的，是分析完成这个项目的可能性。 进行这方面的工作，可参考国内外有关资料，看是否有人进行过类似的工作。 如果有，则可分析他人是如 何进行这方面工作的，有什么有点和缺点，有什么值得借鉴的；如果没有，则需要作进一步的调研，此时的重点应放在能否实现这个环节，首先从理论上进行分析，探讨实现的可能性，所需求的客观条件是否具备，然后结合实际情况，再决定能否立项的问题。 （ 2）系统总体方案的设计。 在进行可行性调研后，如果可以立项，下一步工作就是系统总体方案的设计。 工作的重点应放在该项目的技术难度上，此时可参考这一方面更详细、更具体的资料，根据系统的不同部分和要实现的功能，参考国内外同类产品的性能，提出合理而可行的技术指标，编写出设计任务书，从而完成 系统总体方案设计。 （ 3）设计方案细化，确定软硬件功能。 一旦总体方案确定下来，下一步的工作就是将该项目细化，即需明确哪些部分用硬件来完成，哪些部分用软件来完成。 由于硬件结构与软件方案会相互影响，因此，从简化电路结构、降低成本、减少故障率、提高系统的灵活性与通用性方面考虑，提倡软件能实现的功能尽可能由软件来完成；但也应考虑软件代硬件的实质是以降低系统的实时性、增加处理进行为代价的，而且软件设计费用、研制周期也将增加，因此系统的软硬件功能分配应根据系统的要求及实际情况而合理安排，统一考虑。 在确定软硬件功能的基础 上，设计者的工作就开始涉及到具体的问题，如仪器的体积及与具体技术指标相对应的硬件实现方案，软件的总体规划等。 在确定人员分工、安排工作进度、规定接口参数后，就比须考虑硬件软件的具体问题了。 （ 4）一个单片机应用系统经过调研、总体设计、硬件软件设计、制版、元件安装后，在系统的程序存储器中放入编制好的应用程序，系统即可运行。 但一次性成功的几乎是不是不可能的。 由于单片机在执行程序时人工是无法控制的，为了能够调试程序，检查硬件、软件运行情况，这就需要借助某种开发工具模拟用户实际的单片机，并且能随时观察运行的中间过程而 不改变运行中有的数据性能和结果，从而进行模拟现场的真实调试。 硬件系统框图 基于 AT89S51 单片机用 MQ3 型气体传感器实现酒精气体浓度的检测，需要信号采集模块用于对酒精浓度信号的采集，该信号是通过 MQ3 气体传感器和负载电压得到分压电信号。 信号转换模块用来把采集到得模拟电压信号转换位可以用单片机处理的数字信号。 数码管显示模块是对单片机处理后的数字信号的显示，用来显示酒精的浓度。 报警模块是对设定值提供报警功能，该功能用发光二极管显示。 根据各功能模块的设计，可得到它的毕业设计（论文） 5 系统总框图，如图 1 所示。 图 1 系统总框图 信号采集电路 气体传感器的选择 根据被检测气体的不同，气敏传感器可分为以下三类 : （ 1）可燃性气体气敏传感器。 目前该类气敏传感器需求量最大，包含各种无机和有机类气体检测，主要用于抽油烟机、泄露报警器和空气清新剂等方面，并已经形成生产规模，在油田、矿区、化工、企业及家庭等生产和生活领域广泛用作气体泄露报普，特别是用于家庭气体泄露报警，需求量不断增加，使该类传感器有着广泛的发展空间。 （ 2） CO 和 H2 气敏传感器。 CO 气敏元 件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等 CO泄露和不完全燃烧检测报警； H2气敏元件除应用于工业等领域外，主要用于家庭管道煤气泄露报警。 由于我国管道煤气中 H2含量很高，而氢敏元件较氧化碳元件价格低，灵敏度高，因此，用氢敏元件做城市管道煤气泄露报警更为适宜。 （ 3）毒性气体传感器。 毒性气体传感器又称为环境有毒有害气体传感器，主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体，虽然 SnO2气敏传感器对 CO， H2S 等有毒有害 气体敏感，但应用最多的仍是电解式化学传感器。 酒精 气敏传感器 LM3914 发光二极管 ADC0809 单片机 数码管 毕业设计（论文） 6 传感器的分类方式有很多种，以上是根据被检测气体的 性质进行的分类，也有根据元件的物理特性进行分类的。 一个新型的气体检测系统应该包括： （ 1）基于一种或几种传感技术的气体传感器。 （ 2）组合了气体传感器和采样调理电路的探头。 （ 3）配有人机接口软件的中心监测和控制系统。 （ 4）在一些应用中，与其它安全系统和仪器的接口。 本设计中的酒精气体传感器采用河南汉威电子有限公司的 MQ3型 ,它属于 MQ系列气敏元件的一种。 如图 2 所示： 图 2 MQ3 特点 :检测范围为 10ppm～ 2020ppm ； 灵敏度高，输出信号为伏特级；响应速度快， 小于 10 秒；功耗 小于 ，尺寸： D17*H10。 MQ3 型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物（二氧化锡）的 N 型半导体微晶烧结层构成。 当其表面吸附有被测气体酒精分子时，表面导电电子比例就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化。 由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。 MQ3 的 灵敏度特性曲线如 图 3 所示。 图 3 MQ3 灵敏度特性曲线 毕业设计（论文） 7 检测电路如 图 4 所示， 当电源开关 S 断开时，传感器加热电流为零，实测 A， B 之间电阻大于 20MΩ。 S 接通，则 f， f 之间电流由开始时 155mA 降至 153mA 而稳定。 加热开始几秒钟后 A， B 之间电阻迅速下降至 10KΩ 以下，然后又逐渐上升至 120KΩ 以上后并保持着。 此时如果将酒精溶液样品靠近 MQ3 传感 器，我们立即可以看到数字万用表显示值马上由原来大于 120KΩ 降至 10KΩ 以下。 移开小瓶过 1 分钟左右后， A， B 之间电阻恢复至大于 120KΩ。 这种反应可以重复试验，但要注意使空气恢复到洁净状态。 经实验的反复检测， MQ3 传感器可以正常工作使用，对不同浓度的酒精溶液有不同的变化，响应时间和恢复时间都正常，可以开始作信号采样模块电路的设计。 图 4 MQ3 检测电路 信号采样电路 信号的采样模块电路如图 5 所示。 MQ3 的加热电阻两端即 H 引脚接至 +5V 直流稳压电源，用于电阻丝对敏感体电阻的加热。 MQ3 的两个 A 引脚相连，作为敏感体电阻的一个电极。 MQ3 的两个 B 引脚也连接在一起，作为敏感体电阻的另一个电极。 将电极断 A接到电源正极，电极端 B 接两个 270Ω 并联的电阻。 MQ3 型气敏传感器与电位器串联构成分压电路，采样点为电位器的分压。 MQ3 型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物 SnO2的 N 型半导体微晶烧结层构成。 当其表面吸附有被测气体酒精分子时，表面导电电子比例就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化。 由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。 当气敏传感器的敏感体电阻阻值发生改变时，对应的电 位器的分压值也会发生相应的变化，即一个电压值对应着一个被测酒精气体浓度。 对酒精气体浓度的采样就可以转化为对电位器分压的采样。 在采样硬件电路中实际要考虑到 MQ3 的实际技术参数，即加热电阻和敏感体电阻的大小，该部分应与电源正极相连。 负载电阻要根据 MQ3 实际的技术参数而选择阻值合适的电阻。 应为实验所用的 MQ3 在预热 5 到 10 分钟后，它的敏感体电阻只有 120KΩ，所毕业设计（论文） 8 以负载电阻选用两个 270Ω 并联，构成采样部分的分压电阻。 图 5 采样模块 信号转换电路 单片微机是单片微型计算机的译名简称， 在国内也常称为“单片微机”或“单片机”。 它包括中央处理器 CPU，随机存储器 RAM，只读存储器 ROM，中断系统，定时器 /计数器，串行口和 I/O 口等等。 现在，单片微机已不仅指单片计算机，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 [8]。 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。 毕业设计（论文） 9 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。 毕业设计（论文） 10 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 [9]。 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。