基于单片机的酒精浓度检测机电路设计

基于单片机的酒精浓度检测机电路设计内容摘要：

/O 线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入 /输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使的得 I/O 口资源灵活、功能强大、可充分利用。 AVR 单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供 URAT、 I2C、 SPI使用。 其中与 8/16 位定时器配合的具有多达 10 位的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种档次的定时时间。 AVR 单片机独有的 “ 以定时器 /计数器（单）双向计数形成三角波，再与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法 (即脉宽调制输出 PWM)”更 是令人耳目一新。 毕业设计（论文） — 9— 增强性的高速同 /异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过 MCS51/96 单片机的串口，加之 AVR 单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。 面向字节的高速硬件串行接口 TWI、 SPI。 TWI 与 I2C 接口兼容，具备 ACK 信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主 /从机的收 /发全部 4 种组合的多机通信。 SPI 支持主 /从机等 4 种组合的多机通信。 AVR单片机有自动上电复位电路、独立的 看门狗 电路、低电压检测电路 BOD，多个复位源 (自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、 BOD复位 )，可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。 AVR 单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（ ），抗干扰能力强，可降低一般 8 位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。 AVR 单片机技术体现了单片机集多种器件 (包括 FLASH 程序存储器、看门狗、 EEPROM、同 /异步串行口、 TWI、 SPI、 A/D模数转换器、定时器 /计数器等 )和多种功能 (增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器 /计数器、具替换功能的 I/O 端口 „„ ) 于一身，充分体现了单片机技术的从 “ 片自为战 ” 向 “ 片上系统 SoC” 过渡的发展方向。 综上所述， AVR单片机博采众长，又具独特技术，不愧为 8 位机中的佼佼者。 AVR 最大特点 AVR 单片机功能强大，其特点与别的单片机不同，下面我们简单的介绍一下AVR 单片机的特点。 ① 哈佛结构，具备 1MIPS / MHz 的高速运行处理能力； ② 超功能精简指令集（ RISC），具有 32 个通用工作寄存器，克服了如 8051 MCU 采用单一 ACC 进行处理造成的瓶颈现象； ③ 快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号 FLASH 非常大，特别适用于使用高级语言进行开发； ④ 作输出时与 PIC 的 HI/LOW 相同，可输出 40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入 ，具备 10mA20mA 灌电流的能力； ⑤ 片内集成多种频率的 RC 振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠； ⑥ 大部分 AVR 片上资源丰富：带 E2PROM， PWM， RTC， SPI， UART，TWI， ISP， AD， Analog Comparator， WDT 等； 毕业设计（论文） — 10— ⑦ 大部分 AVR 除了有 ISP 功能外，还有 IAP 功能，方便升级或销毁应用程序。 AVR 系列单片机的选型 AVR 单片机系列齐全 ,可适用于各种不同场合的要求。 AVR 单片机有 3个档次 : 低档 Tiny 系列 AVR 单 片机 : 主要有 Tiny11/12/13/15/26/28 等； 中档 AT90S 系列 AVR 单片机 : 主要有 AT90S1200/2313/8515 等； 高档 ATmega 系列 AVR 单片机 : 主要有 ATmega8/16/32/64/128（ 存储容量为 8/16/32/64/128 KB）以及 ATmega8515/8535 等。 AVR 也是自动电压调节器的缩写。 ATmega16 引脚功能 参照图 4。 VCC 电源正。 GND 电源地。 端口 A(PA7..PA0) 端口 A 做为 A/D 转换器的模 拟输入端。 端口 A 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。 在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 A 处于高阻状态。 端口 B(PB7..PB0) 端口 B 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。 在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 B 处于高阻状 态。 端口 B 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口 C(PC7..PC0) 端口 C 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。 在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 C 处于高阻状态。 如果 JTAG 接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。 端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口 D(PD7..PD0) 端口 D 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 D 处于高阻状态。 端口D 也可以用做其他不同的特殊功能。 RESET 复位输入引脚。 持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。 门限时间见 P36Table 15。 持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 毕业设计（论文） — 11— XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 XTAL2 反向振荡放大器的输出端。 AVCC AVCC 是端口 A 与 A/D 转换器的电源。 不使用 ADC 时，该引脚应直接与 VCC 连接。 使用 ADC 时应通过一个低通滤波器与 VCC 连接。 AREF A/D 的模拟基准输入引脚。 图 4 ATmega16 引脚图 图 5 ATmega16内核 毕业设计（论文） — 12— ATmega16 内核介绍 为了获得最高的性能以及并行性， AVR 采用了 Harvard 结构 （如图5） ，具有独立的数据和程序总线。 程序存储器里的指令通过一级流水线运行。 CPU 在执行一条指令的同时读取下一条指令 ( 在本文称为预取 )。 这个概念实现 了指令的单时钟周期运行。 程序存储器是可以在线编程的 FLASH。 快速访问寄存器文件包括 32 个 8 位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。 从而实现了单时钟周期的 ALU 操作。 在典型的 ALU 操作中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行运算，结果再被送回到寄存器文件。 整个过程仅需一个时钟周期。 寄存器文件里有 6 个寄存器可以用作 3 个 16 位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。 其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。 这些附加的功能寄存器即为 16 位的 X、 Y、 Z 寄存 器。 ALU 支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。 ALU也可以执行单寄存器操作。 运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。 程序流程通过有 / 无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空间。 大多数指令长度为 16 位，亦即每个程序存储器地址都包含一条 16 位或 32 位的指令。 程序存储器空间分为两个区：引导程序区 (Boot 区 ) 和应用程序区。 这两个区都有专门的锁定位以实现读和读 / 写保护。 用于写应用程序区的 SPM 指令必须位于引导程序区。 在中断和调用子程序时返回地址的程 序计数器 (PC) 保存于堆栈之中。 堆栈位于通用数据 SRAM，因此其深度仅受限于 SRAM 的大小。 在复位例程里用户首先要初始化堆栈指针 SP。 这个指针位于 I/O 空间，可以进行读写访问。 数据 SRAM 可以通过 5 种不同的寻址模式进行访问。 AVR 存储器空间为线性的平面结构。 AVR 有一个灵活的中断模块。 控制寄存器位于 I/O 空间。 状态寄存器里有全局中断使能位。 每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。 各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。 I/O 存储器空间包含 64 个可以直接 寻址的地址，作为 CPU 外设的控制寄存器、 SPI，以及其他 I/O 功能。 映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址 0x20 0x5F。 数码管 数码管分类 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个 “8” 可分为 1 位、 2毕业设计（论文） — 13— 位、 4 位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 (COM)的数码管。 共阳数码管在应用时应将公共极 COM 接到 +5V， 当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。 当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 (COM)的数码管。 共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。 数码管驱动方式 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 ① 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。 静态驱动是指每个数 码管的每一个段码都由一个单片机的 I/O 端口进行驱动，或者使用如 BCD 码二 十进制译码器译码进行驱动。 静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 I/O 端口多，如驱动 5 个数码管静态显示则需要 58＝ 40 根 I/O 端口来驱动，要知道一个 89S51 单片机可用的 I/O 端口才 32 个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 ② 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起 ，另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。 在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 1～ 2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮 ，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显。