51单片机驱动的酒精检测仪:硬件与软件设计详解

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本资源是一份关于基于51单片机的酒精检测仪课程设计的详细文档。设计目标是创建一个集成了单片机为核心的数据采集系统,具备低功耗、小型化和高性价比的特点,便于用户在无需外部计算机的情况下进行交互式操作。该系统利用MQ3型气敏传感器来检测空气中的甲醇浓度,因为这种传感器专用于甲醇气体检测,具有高灵敏度、选择性和稳定性。 设计中,关键硬件包括气敏传感器、LED显示、4x4键盘和报警电路。传感器的工作原理是将非电量(甲醇浓度)转换为可测量的电压值,通过A/D转换器将这一模拟信号数字化,以便单片机进行处理。ADC0809逐次逼近型A/D转换器被选中,因为它在精度、速度和成本之间取得了平衡。这款转换器有8路模拟输入通道,可以通过软件控制进行多路模拟信号的切换,并支持与系统数据总线直接连接。 传感器的预热是必不可少的,以确保测量精度和最小误差。此外,系统还设计了友好的用户界面,包括LED显示和键盘,用户可以直观地查看检测结果并进行操作。整体设计考虑到了便携性和实用性,适合于需要现场快速甲醇浓度检测的场合。 通过这份文档,学习者可以深入了解单片机在酒精检测仪中的实际应用,涉及硬件选择、信号转换、电路设计和软件开发等多个环节,对于理解单片机在物联网、环境监测等领域中的应用具有重要意义。
2023-02-27 上传
1 甲醇测试仪总体方案设计 1.1 甲醇浓度检测仪设计要求分析 设计的甲醇浓度测试仪应具有如下特点: (1)数据采集系统以单片机为控制核心,外围电路带有LED显示以及键盘响应电路, 无需要其他计算机,用户就可以与之进行交互工作,完成数据的采集、存储、计算、分 析等过程。 (2)系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。 (3)从便携式的角度出发,系统成功使用了数码管显示器以及小键盘。由单片机系 统控制键盘和LED显示来实现人机交互操作,界面友好。 (4)软件设计简单易懂。 1.2 甲醇浓度检测仪设计方案 设计时,考虑甲醇浓度是由传感器把非电量转换为电量,传感器输出的是0- 5伏的电压值且电压值稳定,外部干扰小等。因此,可以直接把传感器输出电压值经过A /D转换器转换得到数据送入单片机进行处理。此外,还需接人LED显示,4*4键盘,报警 电路等。 其总体框图如图2.1所示。 图1.1 基本工作原理图 2 硬件设计 2.1 传感器的选择 本系统采用气敏传感器直接测量的是空气中的甲醇浓度。传感器只能采对甲醇气体敏 感,对其他气体不敏感,故选用MQ3型气敏传感器,这是考虑到周围空气中的气体成分可 能影响传感器测量的准确性。MQ3型气敏传感器由微型Al2O3,陶瓷管和测量电极、SnO2 敏感层和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内,加热器为气敏元件的工 作提供了必要的工作条件。 MQ3型气敏传感器有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性 。传感器的标准回路有加热回路和信号输出回路两部分组成,它可以准确反映传感器表 面电阻值的变化。传感器的表面电阻RS的变化,是通过与其串联的负载电阻RL上的有效 电压信号VRL输出面获得的。负载电阻RL可调为0.5- 200K。加热电压Uh为5v。上述这些参数使得传感器输出电压为0- 5V。MQ3型气敏传感器的结构和外形、标准回路、传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温 度的关系图如图3- 3所示。一般在测量前需将传感器预热5分钟,这个样子是为了使测量的精度达到最高, 误差最小,需要找到合适的温度。 图2.1 MQ3 结构和外形 图2.2 MQ3 结构图 2.2 A/D转换电路 在单片机应用系统中,被测量对象的有关变化量,如温度、压力、流量、速度等非电 物理量,须经传感器转换成连续变化的模拟电信号(电压或电流),这些模拟电信号必 须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。实现模拟量转换成数字量的器件称 为A/D转换器(ADC)。 A/D转换器大致分有三类:一是双积分A/D转换器,优点是精度高,抗干扰性好,价 格便宜,但速度慢;二是逐次逼近型A/D转换器,精度、速度、价格适中;三是 - A/D转换器。 该设计中选用的是ADC0809属第二类,是8位A/D转换器。0809具有8路模拟信号输入端 口,地址线(23- 25脚)可决定那一路模拟信号进行A/D转换。22脚为地址锁存控制,当输入为高电平时, 对地址信号进行锁存。6脚为测试控制,当输入一个2μs的高电平脉冲时,就开始A/D转换 。7引脚为A/D转换结束标志,当A/D转换结束时,7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输 出允许端,当OE脚为高电平时,A/D转换数据输出。10脚为0809的时钟输入端。 2.2.1 ADC0809的引脚及功能 逐次比较型A/D转换器在精度、速度、和价格上都适中,是最常用的A/D转换器件。芯 片采用的是ADC0809,以下介绍ADC0809的引脚及功能。芯片如图3.4所示。 图2.3 ADC0809的引脚 ADC0809是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。由图可见, ADC0809共有28个引脚,采用双列直插式封装。主要引脚功能如下: IN0-IN7是8路模拟信号输入端。 D0-D7是8位数字量输入端。 A、B、C与ALE控制8路模拟通道的切换,A、B、C分别与3根地址线或数据线相连,3位编 码对应8个通道地址端口。 需要注意的是:ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号,但每个瞬间 只能换1路,共用一个A/D转换器进行转换,各路之间的切换由软件改变C、A、B引脚上的 代码来实现。地址锁存与译码电路完成对 A、B、C 3个地址位进行锁存和译码,其译码输出用于通道选择,其转换结果通过三态输出锁存器 存放、输出,因此可以直接与系统数据总线相连,图2.4为通道选择表。 图2.4 通道选择表 OE、START、CLK为控制信号端,OE为输出允许端,START为启动信号输入端,CLK为时钟 信号输入端。 VR(+)和VR(-)为参考电压输入端。 2.2.2 ADC0809的结构及转换原理 ADC0809的结构框图如图3- 6。ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换的,
2023-02-27 上传
1 甲醇测试仪总体方案设计 1.1 甲醇浓度检测仪设计要求分析 设计的甲醇浓度测试仪应具有如下特点: (1)数据采集系统以单片机为控制核心,外围电路带有LED显示以及键盘响应电路, 无需要其他计算机,用户就可以与之进行交互工作,完成数据的采集、存储、计算、分 析等过程。 (2)系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。 (3)从便携式的角度出发,系统成功使用了数码管显示器以及小键盘。由单片机系 统控制键盘和LED显示来实现人机交互操作,界面友好。 (4)软件设计简单易懂。 1.2 甲醇浓度检测仪设计方案 设计时,考虑甲醇浓度是由传感器把非电量转换为电量,传感器输出的是0- 5伏的电压值且电压值稳定,外部干扰小等。因此,可以直接把传感器输出电压值经过A /D转换器转换得到数据送入单片机进行处理。此外,还需接人LED显示,4*4键盘,报警 电路等。 其总体框图如图2.1所示。 图1.1 基本工作原理图 2 硬件设计 2.1 传感器的选择 本系统采用气敏传感器直接测量的是空气中的甲醇浓度。传感器只能采对甲醇气体敏 感,对其他气体不敏感,故选用MQ3型气敏传感器,这是考虑到周围空气中的气体成分可 能影响传感器测量的准确性。MQ3型气敏传感器由微型Al2O3,陶瓷管和测量电极、SnO2 敏感层和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内,加热器为气敏元件的工 作提供了必要的工作条件。MQ3型气敏传感器有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使 用寿命和可靠的稳定性。传感器的标准回路有加热回路和信号输出回路两部分组成,它 可以准确反映传感器表面电阻值的变化。传感器的表面电阻RS的变化,是通过与其串联 的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出面获得的。负载电阻RL可调为0.5- 200K。加热电压Uh为5v。上述这些参数使得传感器输出电压为0- 5V。MQ3型气敏传感器的结构和外形、标准回路、传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温 度的关系图如图3- 3所示。一般在测量前需将传感器预热5分钟,这个样子是为了使测量的精度达到最高, 误差最小,需要找到合适的温度。 图2.1 MQ3 结构和外形 图2.2 MQ3 结构图 2.2 A/D转换电路 在单片机应用系统中,被测量对象的有关变化量,如温度、压力、流量、速度等非电 物理量,须经传感器转换成连续变化的模拟电信号(电压或电流),这些模拟电信号必 须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。实现模拟量转换成数字量的器件称 为A/D转换器(ADC)。 A/D转换器大致分有三类:一是双积分A/D转换器,优点是精度高,抗干扰性好,价 格便宜,但速度慢;二是逐次逼近型A/D转换器,精度、速度、价格适中;三是 - A/D转换器。 该设计中选用的是ADC0809属第二类,是8位A/D转换器。0809具有8路模拟信号输入端 口,地址线(23- 25脚)可决定那一路模拟信号进行A/D转换。22脚为地址锁存控制,当输入为高电平时, 对地址信号进行锁存。6脚为测试控制,当输入一个2μs的高电平脉冲时,就开始A/D转换 。7引脚为A/D转换结束标志,当A/D转换结束时,7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输 出允许端,当OE脚为高电平时,A/D转换数据输出。10脚为0809的时钟输入端。 2.2.1 ADC0809的引脚及功能 逐次比较型A/D转换器在精度、速度、和价格上都适中,是最常用的A/D转换器件。芯 片采用的是ADC0809,以下介绍ADC0809的引脚及功能。芯片如图3.4所示。 图2.3 ADC0809的引脚 ADC0809是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。由图可见, ADC0809共有28个引脚,采用双列直插式封装。主要引脚功能如下: IN0-IN7是8路模拟信号输入端。 D0-D7是8位数字量输入端。 A、B、C与ALE控制8路模拟通道的切换,A、B、C分别与3根地址线或数据线相连,3位编 码对应8个通道地址端口。 需要注意的是:ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号,但每个瞬间 只能换1路,共用一个A/D转换器进行转换,各路之间的切换由软件改变C、A、B引脚上的 代码来实现。地址锁存与译码电路完成对 A、B、C 3个地址位进行锁存和译码,其译码输出用于通道选择,其转换结果通过三态输出锁存器 存放、输出,因此可以直接与系统数据总线相连,图2.4为通道选择表。 图2.4 通道选择表 OE、START、CLK为控制信号端,OE为输出允许端,START为启动信号输入端,CLK为时钟 信号输入端。 VR(+)和VR(-)为参考电压输入端。 2.2.2 ADC0809的结构及转换原理 ADC0809的结构框图如图3- 6。ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换的,由