1、精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業1 甲醇測試儀總體方案設計1.1 甲醇濃度檢測儀設計要求分析設計的甲醇濃度測試儀應具有如下特點：（1）數據采集系統以單片機為控制核心，外圍電路帶有LED顯示以及鍵盤響應電路，無需要其他計算機，用戶就可以與之進行交互工作，完成數據的采集、存儲、計算、分析等過程。（2）系統具有低功耗、小型化、高性價比等特點。（3）從便攜式的角度出發，系統成功使用了數碼管顯示器以及小鍵盤。由單片機系統控制鍵盤和LED顯示來實現人機交互操作，界面友好。（4）軟件設計簡單易懂。1.2 甲醇濃度檢測儀設計方案設計時，考慮甲醇濃度是由傳感器把非電量轉換為電量，傳感器輸出的是0-5伏

2、的電壓值且電壓值穩定，外部干擾小等。因此，可以直接把傳感器輸出電壓值經過A/D轉換器轉換得到數據送入單片機進行處理。此外，還需接人LED顯示，4*4鍵盤，報警電路等。其總體框圖如圖2.1所示。被測環境氣敏傳感器A/D 轉換電路單片機聲光報警電路LED 顯示鍵盤圖1.1 基本工作原理圖2 硬件設計2.1 傳感器的選擇本系統采用氣敏傳感器直接測量的是空氣中的甲醇濃度。傳感器只能采對甲醇氣體敏感，對其他氣體不敏感，故選用MQ3型氣敏傳感器,這是考慮到周圍空氣中的氣體成分可能影響傳感器測量的準確性。MQ3型氣敏傳感器由微型Al2O3，陶瓷管和測量電極、SnO2敏感層和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不

3、銹鋼的腔精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業體內，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。MQ3型氣敏傳感器有很高的靈敏度、良好的選擇性、長期的使用壽命和可靠的穩定性。傳感器的標準回路有加熱回路和信號輸出回路兩部分組成，它可以準確反映傳感器表面電阻值的變化。傳感器的表面電阻RS的變化，是通過與其串聯的負載電阻 RL 上的有效電壓信號VRL 輸出面獲得的。負載電阻RL可調為05-200K。加熱電壓Uh為5v。上述這些參數使得傳感器輸出電壓為0-5V。MQ3型氣敏傳感器的結構和外形、標準回路、傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關系圖如圖 3-3 所示。一般在測量前需將傳感器預熱5分鐘

4、，這個樣子是為了使測量的精度達到最高，誤差最小，需要找到合適的溫度。 圖2.1 MQ3 結構和外形圖2.2 MQ3 結構圖精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業2.2 A/D轉換電路在單片機應用系統中，被測量對象的有關變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，須經傳感器轉換成連續變化的模擬電信號（電壓或電流），這些模擬電信號必須轉換成數字量后才能在單片機中用軟件進行處理。實現模擬量轉換成數字量的器件稱為A/D轉換器（ADC）。A/D轉換器大致分有三類：一是雙積分A/D轉換器，優點是精度高，抗干擾性好，價格便宜，但速度慢；二是逐次逼近型A/D轉換器，精度、速度、價格適中；三是-A/D轉換

5、器。該設計中選用的是ADC0809屬第二類，是8位A/D轉換器。0809具有8路模擬信號輸入端口，地址線（23-25腳）可決定那一路模擬信號進行A/D轉換。22腳為地址鎖存控制，當輸入為高電平時，對地址信號進行鎖存。6腳為測試控制，當輸入一個2s的高電平脈沖時，就開始A/D轉換。7引腳為A/D轉換結束標志，當A/D轉換結束時，7腳輸出高電平。9腳為A/D轉換數據輸出允許端，當OE腳為高電平時，A/D轉換數據輸出。10腳為0809的時鐘輸入端。2.2.1 ADC0809的引腳及功能逐次比較型A/D轉換器在精度、速度、和價格上都適中，是最常用的A/D轉換器件。芯片采用的是ADC0809，以下介紹A

6、DC0809的引腳及功能。芯片如圖3.4所示。 圖2.3 ADC0809的引腳ADC0809是一種逐次比較式8路模擬輸入、8位數字量輸出的A/D轉換器。由圖可見，ADC0809共有28個引腳，采用雙列直插式封裝。主要引腳功能如下：精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業 IN0-IN7是8路模擬信號輸入端。 D0-D7是8位數字量輸入端。 A、B、C與ALE控制8路模擬通道的切換，A、B、C分別與3根地址線或數據線相連，3位編碼對應8個通道地址端口。需要注意的是：ADC0809雖然有8路模擬通道可以同時輸入8路模擬信號，但每個瞬間只能換1路，共用一個A/D轉換器進行轉換，各路之間的切換由軟件

7、改變C、A、B引腳上的代碼來實現。地址鎖存與譯碼電路完成對 A、B、C 3個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉換結果通過三態輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統數據總線相連，圖2.4為通道選擇表。圖2.4 通道選擇表 OE、START、CLK為控制信號端，OE為輸出允許端，START為啟動信號輸入端，CLK為時鐘信號輸入端。 VR(+)和VR(-)為參考電壓輸入端。2.2.2 ADC0809的結構及轉換原理ADC0809的結構框圖如圖3-6。ADC0809采用逐次比較的方法完成A/D轉換的，由單一的+5V電源供電。片內有鎖存功能的8路選1的模擬開關，由C、B、A引腳的功能來

8、決定所選的通道。0809完成一次轉換需100s左右，輸出具有TTL三態鎖存緩沖器，可直接連接到MCS-51的數據總線上。通過適當的外接電路，0809可對0-5V的模擬信號進行轉換。精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業START CLKOEVR(+) VR()VCCGNDEOCD0.D7三態輸出鎖存器8位A/D轉換器地址鎖存與密碼CBAALE8 路模擬量開 關IN7.IN0圖2.5 ADC0809的結構框圖2.2.3 ADC0809連線圖ADC0809與單片機的連線圖如圖2.6：精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業圖2.6 ADC0809的連線圖2.3 89C51單片機系統單片機是一

9、種集成電路芯片，采用超大規模技術把具有數據處理能力(如算術運算，邏輯運算、數據傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機存取數據存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還包括定時計數器，串行通信口(SCI)，顯示驅動電路(LCD或LED驅動電路)，脈寬調制電路(PWM)，模擬多路轉換器及A/D轉換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構成一個雖小然而完善的計算機系統。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規定的任務。2.3.1 單片機片內結構51單片機的片內結構如圖3-8所示。它把那些作為控制應用所必需的基本內精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注

10、-專業容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。按功能劃分，它有如下功能部件組成： 微處理器（CPU） 。 數據存儲器(RAM)。 程序存儲器（ROM/EPROM） 。 4個8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口） 。 一個串行口。 2個16位定時器、計數器。 2個16位定時器、計數器。 中斷系統。 特殊功能寄存器（SFR） 。PSEN88EOCXTAL1CPU（運算器）（控制器）數據存儲器RAMP0P0P2ROM/EPROMSFR8P2程序存儲器ROM/EPROMP1串行口定時器/計數器中斷系 統特殊功能寄存器（SFR）P3ALEEAIN7.I0XTAL288RESET圖2.7 51

11、單片機片內結構上述功能部件都是通過片內單一總線連接而成，其基本結構依舊是CPU加上外圍芯片的傳統結構模式。但CPU對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。從硬件角度來看，與MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列機，比在片外加EPROM才能相當的8031單片機抗干擾性能強，與87C51單片機技能精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業相當，但功耗小。程序修改直接用+5V或+12V電源擦除，更顯方便、而且其工作電壓放寬至2.7V-6V，因而受電壓波動的影響更小，而且 4K 的程序存儲器完全能滿足單片機系統的軟件要求，故AT89C51單片機是構造本檢測系統的更理想的選擇

12、。2.3.2 89C51芯片介紹掌握MCS-51單片機，應首先了解MCS-51的引腳，熟悉并牢記各引腳的功能，MCS-51系列中各種型號芯片的引腳是互相兼容的。制作工藝為HMOS的MCS-51的單片機都采用40只引腳的雙列直插封裝方式，如圖3-9所示。P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST(TXD) P3.1(INT0) P3.2(INT1) P3.3T0 P3.4T1 P3.5(WR) P3.6(RD) P3.7XTAL1XTAL2GNDVccP0.0 (AD0)P0.1 (AD1)P0.2 (AD2)P0.3 (AD3)P0.4 (AD4)P0.5 (AD5

13、)P0.6 (AD6)P0.7 (AD7)EA/VPPPSENP2.7 (A15)P2.6 (A14)P2.5 (A13)P2.4 (A12)P2.3 (A11)P2.2 (A10)P2.1 (A9)P2.0 (A8)PDIP (RXD) P3.0ALE/PROG圖2.8 AT89C51芯片管腳圖40只引腳按其功能來分，可分為如下3類： 電源及時鐘引腳：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。電源引腳接入單片機的工作電源。Vcc接+5V電源，Vss接地。時鐘引腳XTAL1、XTAL2外接晶體與片內的反相放大器構成了1個晶體振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號。2個時鐘引腳也可外接獨立的晶體振蕩

14、器。XTAL1接外部的一個引腳。該引腳內部是一個反相放大器的輸入端。這個反相放大器構成了片內振蕩器。如果采用外接晶體振蕩器時，此引腳接地。XTAL2接外部晶體的另一端，在該引腳內部接至內部反相放大器的輸出端。若采用外部時鐘振蕩器時，該引腳接受時鐘振蕩器的信號，即把此信號直接接到內部時鐘發生器的輸精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業入端。 控制引腳：、ALE、RESET（RST）。此類引腳提供控制信號，PSENEA有的還具有復用功能。 RST/VPD引腳：RESET（RST）是復位信號輸入端，高電平有效。當單片機運行時，在此引腳加上持續時間大于2個機器周期（24個振蕩周期）的高電平時，就可

15、以完成復位操作。在單片機工作時，此引腳應為0.5V 低電平。VPD為本引腳的第二功能，即備用電源的輸入。當主電源發生故障，降低到某一規定值的低電平時，將+5V電源自動接入RST端，為內部RAM提供備用電源，以保證片內RAM的信息不丟失，從而使單片機在復位后能正常進行。 ALE/ 引腳：ALE引腳輸出為地址鎖存允許信號，當單片機上電正PROG常工作后ALE引腳不斷輸出正脈沖信號。當單片機訪問外部存儲器時，ALE輸出信號的負跳沿用于單片機發出的低8位地址經外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號。即使不訪問外部鎖存器，ALE端仍有正脈沖信號輸出，此頻率為時鐘振蕩器頻率的1/6。 為該引腳的第二功能。在對片內E

16、PROM型單片機編程寫入時，此引PROG腳作為編程脈沖輸入端。 引腳：程序存儲器允許輸出控制端。在單片機訪問外部程序存儲器時，PSEN此引腳輸出脈沖負跳沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。此引腳接外部程序存儲器的OE（輸出允許端）。 /VPP引腳：功能為片內程序存儲器選擇控制端。當引腳為高電平EAEAEA時，單片機訪問片內程序存儲器，但在PC值超過0FFFH時，即超出片內程序存儲器的4KB地址范圍時將自動轉向執行外部程序存儲器內的程序。當引腳為低EA時，單片機只訪問外部程序存儲器，不論是否有內部程序存儲器。 I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，為四個8位I/O口的外部引腳。P0口、P1口、P2

17、口、P3口是3個8位準雙向的I/O口，各口線在片內均有固定的上拉電阻。當這3個準雙向I/O口作輸入口使用時，要向該口先寫1，另外準雙向口I/O口無高阻的“浮空”狀態。由于單片機具有體積小、質量輕、價格便宜、耗電少等突出特點，所以本系統采用89C51單片機，硬件設計電路圖如圖1所示。89C51內部有4KB的EPROM，128字節的RAM，所以一般都要根據所需存儲容量的大小來擴展 ROM和 RAM。本電路接高電平，沒有擴展片外ROM和RAM。 EA2.3.3 晶振電路和復位電路精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業電路圖如下：圖2.9 晶振與復位電路2.4 LED 顯示電路LED顯示有靜態顯示

18、和動態顯示兩種顯示方式。本設計使用并行輸入硬件譯碼靜態顯示電路，靜態顯示電路中，各位可獨立顯示，只要在該位的段碼線上保持段碼電平，該位就能保持相應的顯示字符。電路中采用了鎖存譯碼器MC14495將P1口低4位輸出的BCD碼譯成七段字型碼，利用P1口高四位做為各鎖存譯碼器的所存信號，實現穩定顯示。LED使用的是共陰極7段數碼管。數碼管顯示電路如下精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業圖2.10 數碼管顯示電路2.5 鍵盤電路鍵盤有兩種工作方式：編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤。處理方式有掃描法和線反轉法。本設計采用的是非編碼鍵盤，并利用掃描法處理按鍵，消抖由軟件實現。鍵盤掃描電路圖2.11：圖2.1

19、1 按鍵電路2.6 報警電路精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業報警電路圖2.12：圖2.12 報警電路3 軟件設計3.1 主程序框圖主程序流程圖如下圖3.1所示。圖3.1 主程序框圖初始化LCD 顯示子程序數據處理子程序鍵盤掃描子程序序A/D 轉換子程序序大于閾值？聲光報警N開始Y精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業3.2 數據采集子程序程序框圖A/D轉換子程序流程圖如下圖3.2所示。ADC0809初始化后，把0通道輸入的0-5V的模擬信號轉換為對應的數字量OOH-FFH，然后將對應數值存儲到內存單元。程序框圖如圖3.2圖3.2 數據采集子程序框圖3.3 報警子程序程序框圖系統設

20、定閾值并保存在以50H開始的3個單元，為了便于比較和顯示，閾值的千位放入50H中，百位和十位放入5lH，個位放人52H中。報警電路分為蜂鳴器報警電路和LED發光報警電路組成。當輸入端P3.5為低電平時，有電流通過蜂鳴器，蜂鳴器發出聲音報警。而當輸入端為高電平時不報警。開始啟動 ADC0809 通道，并延時 100s轉換完？讀出 A/D 轉換結果結果存入內存單元返回YN精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業報警子程序執行之前，將報警閾值轉換為壓縮的BCD碼并存放在兩個存儲單元中。傳感器輸入值A/D轉換后，調用比較程序，經過數據處理后顯示的測量值與閾值比較，小于閾值則繼續執行顯示程序。若大于閾

21、值則將單片機的P3.5口清零進行聲光報警。40H、4lH、42H單元存放A/D轉換后，并進行十進制轉換后的結果。40H和50H分別存放的是處理后的測量值與閾值的千位的壓縮BCD碼，41H和51H分別存放的是處理后的測量值與閾值的百位、十位壓縮的BCD碼，42H和52H分別存放的是處理后的測量值與閾值的個位的壓縮BCD碼。程序首先對40H、50H中的值進行比較大小，如果40H中的值大于50H中的值，則進行報警。依此類推，比較41H和51H，42H和52H。程序框圖如圖3.3：開始40H 中的 BCD 碼大？與閾值相等？41H 中的 BCD 碼大？42H 中的 BCD 碼大？返回YYY報警N Y

22、NN Y N Y N Y YY與閾值相等？精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業圖3.3 報警子程序流程框圖總結經過一周的努力，終于完成了智能儀器的課程設計。這是我第一次基于單片機獨立設計一個東西，并且老師只給出了大致要求。這對于我來說是很有挑戰性的。首先這是一個基于單片機的課程設計，單片機是這學期學習的課程，雖然不陌生，但是用起來還發現很多的問題。硬件方面還好解決，弄明白就可以了，但軟件精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業方面就非常困難了，雖然以前還做過這方面的實驗，但那都是是些簡單應用。這次設計真的讓我長進了很多，單片機課程設計重點就在于軟件算法的設計，需要有很巧妙的程序算法，有好多的東西，只有我們去試著做了，才能真正的掌握，只學習理論有些東西是很難理解的，更談不上掌握。其次，就是使用到的各種元器件。這次我使用的基本上都是已經學過的元件，但真正用起來才發現自己還差的很多，所以我又重新對所用到的器件仔仔細細，認