1、簡易酒精檢測儀的設計與實現新南京理工大學畢業設計說明書（論文）作者：學號：學院（系）：電子工程光電技術學院專業：電子科學與技術題目：簡易酒精檢測儀的設計與實現指導者：（姓名）（專業技術職務）評閱者：（姓名）（專業技術職務）2014年5月2 / 44簡易酒精檢測儀的設計與實現新畢業設計說明書（論文）中文摘要2 / 44簡易酒精檢測儀的設計與實現新隨著經濟的發展，汽車數量不斷增加，酒后開車行為嚴重影響社會安全，駕車前的酒精檢測就成為重要的課題。為此，設計了由酒精傳感器和單片機組成的簡易酒精檢測儀，包括硬件電路的設計、單片機軟件設計與上位機軟件設計；實現了呼出空氣中酒精濃度值的測量，通過設置不同的閾

2、值，實現酒精濃度超標的報警，且能在液晶屏顯示實時酒精濃度；通過無線通信的方法，實現了上位機與酒精檢測儀的實時通信，便于遠程監控被測對象體內的酒精濃度。通過實驗表明，該本裝置可應用于駕駛員駕車前的自行檢測，也可用于監控空氣中的酒精濃度。關鍵詞電子信息傳感器網絡酒精傳感器檢測報警3 / 44簡易酒精檢測儀的設計與實現新畢業設計說明書（論文）外文摘要3 / 44簡易酒精檢測儀的設計與實現新TitleResearchandlmplementationofasimplealcoholconcentrationdetectorAbstractAstheeconomydevelops,thenumberof

3、carsisincreasing,moreandmoreseriousdrunkdrivingbehavioraffectsocialsecurity,alcoholtestbeforedrivingbecameasubjectthatisdrawingmoreandmoreattention.Inthispaper,asimplealcoholdetectorisdesignedbythealcoholsensorandaMCU,includinghardwaredesign,softwaredesignandPCmicrocontrollersoftwaredesign;achieveam

4、easureofalcoholconcentrationintheairexhaled.Bysettingdifferentthresholds,achievealcoholconcentrationexceedingthealarm,andcandisplayreal-aIcoholconcentrationontheLCDscreen;throughthemethodofwirelesscommunication,achieveusinghostcomputermonitorreal-timeofalcoholconcentrationbyawireless.Experimentsshow

5、thatthedevicecanbeusedtodetectthedriversalcoholconcentrationbeforetheirdriving.Itcanalsobeusedtomonitortheconcentrationofalcoholintheair.Keywordselectronicinformationsensornetworkalcoholsensordetectalarm4 / 44簡易酒精檢測儀的設計與實現新3 / 44目次1引言錯誤!未指定書簽。1.1 論文的背景及意義錯誤!未指定書簽。1.2 研究現狀及前景錯誤!未指定書簽。1. 3章節安排錯誤!未指定書簽

6、。2系統的功能及整體設計方案錯誤!未指定書簽。2. 1整體設計方案錯誤!未指定書簽。2.2工具平臺的選擇錯誤!未指定書簽。3硬件設計錯誤!未指定書簽。錯誤!3.1 主控模塊的選型與設計未指定書簽。3.2 酒精傳感器的選型及設計錯誤!未指定書簽。3.3 顯示模塊的設計錯誤!未指定書簽。3.4 鍵盤模塊的設計錯誤!未指定書簽。3.5 聲光報警模塊的設計錯誤!未指定書簽。3.6 無線收發模塊的設計錯誤!未指定書簽。3.7 電源模塊的設計錯誤!未指定書簽。3.8 印刷電路板的設計錯誤!未指定書簽。4軟件設計錯誤!未指定書簽。4.1 整體軟件流程圖錯誤!未指定書簽。4.2 模數轉換子程序的設計錯誤!未指

7、定書簽。4.3 顯示子程序的設計錯誤!未指定書簽。4.4 無線收發子程序的設計錯誤!未指定書簽。4.5 鍵盤掃描子程序的設計錯誤!未指定書簽。4.6 閾值保存讀取子程序的設計錯誤!未指定書簽。4.7 聲光報警子程序的設計錯誤!未指定書簽。4.8 上位機程序的設計錯誤!未指定書簽。5實驗結果及分析錯誤!未指定書簽。5.1電路焊接及酒精測試錯誤!未指定書簽。5.2上位機監控測試錯誤!未指定書簽。結論錯誤!未指定書簽。致謝錯誤!未指定書簽。參考文獻錯誤!未指定書簽。簡易酒精檢測儀的設計與實現新1引言隨著國民經濟的飛速發展，民眾的生活水平有了很大的提升。人們飲酒的次數也越來越多。酒后駕車造成的交通事故

8、也變得越來越頻繁。酒駕已經成為了社會上的馬路殺手，造成了慘重的生命財產損失。于是酒精檢測課題正越來越引起人們的重視,在當前社會的背景下有重要意義。1.1 論文的背景及意義世界衛生組織的統計數據指出，一個國家的人均國民生產總值越高，人均飲酒量就越高。可以預見，隨著國內經濟的持續發展，國內人均飲酒量會逐漸變得更高。研究指出，當人體血液中的酒精濃度達到20mg/100ml時，人就會開始頭暈、微醉，而當達到80mg/100ml時，人就會說胡話，走路不穩，這就是醉酒。倘如再高，人就會有生命危險。所以當司機飲酒過量造成頭暈、反應緩慢、肢體不受控制時再去開車就會造成交通事故。酒駕造成的交通事故的再三發生給人

9、們的生命財產帶來了難以估量的威脅和損失。2000年以來，中國逐漸步入汽車社會，酒駕正在成為日益殘暴的“馬路殺手”。相關資料指出，全世界每年因車禍殞命的人數就高達60萬，留下永久性殘疾者更是在400萬以上。在很多國家，車禍已成為意外死亡的首因。因此，如何有效的遏制酒駕的發生具有重要的意義。遏制酒駕最有效的方法之一就是讓司機提高酒駕意識，要做到每次駕車前都檢測體內的酒精濃度，做到酒后不開車。開發簡單方便、便宜易用酒精檢測儀就成為了亟待解決的問題。除此之外，在對酒精濃度要求嚴格的生產場合，對酒精濃度精確實時監控，可以做到一旦有異常發生，可以立刻提供指示，避免災禍，這很有意義。1. 2研究現狀及前景確

10、定人體酒精濃度最準確的方法是宜接測量血液中的酒精濃度。但這種辦法有明顯的缺陷：測量過程復雜，技術難度高。實際中最常用的辦法是測量人呼出氣體中的酒精濃度。統計研究結果證明，一個人深吸氣后以中等力度呼氣二到四秒，呼出的氣體就是肺部深處的氣體。肺部深處的氣體酒精濃度大概是血液中酒精濃度的2200倍。因此，簡單衛生的測量呼出氣體里的酒精濃度就可以大致測定人的飲酒量。酒精檢測儀按原理的不同主要有以下幾類。 電化學型1 / 44簡易酒精檢測儀的設計與實現新使用白金作為電極，然后在一個被特種催化劑填滿的燃料室中吹入定量待測氣體,燃料室內的酒精經過完全燃燒后就會在兩個電極上產生電壓。這樣就產生了和氣體中酒精濃

11、度成正比的電壓。有體積小、精度高、操作簡單等特點，但價格昂貴，生產困難。 紅外線型研究證明，人體皮膚對紅外線的吸收量是和人體內酒精濃度密切相關的。這種檢測儀就是利用此原理制成的。但是這種結構復雜，使用不方便，未得到廣泛使用。 氣體色譜分析型、比色型。這兩種儀器價格昂貴，實際應用很不方便。 半導體型采用只對特定氣體敏感的半導體器件用作傳感器。當某種N型半導體氧化物暴露在大氣當中時，它就會吸附氧氣分子，其內部載流電子的數量就會變少，其電阻就會變大。若空氣中存在某種特定氣體，它與吸附的氧氣發生恢復性反應，使半導體內部的載流電子數量恢復上漲，其電阻就會減小。半導體-氧化物傳感器便是通過此現象測量某種特

12、定氣體的濃度。此半導體器件的電阻值和其敏感氣體濃度有直接關系。被測氣體中該種特定敏感氣體濃度越高，其電阻值就會越低。有可恢復性好、靈敏度高等優點。由于有成本和實際應用方便等因素要考慮，現在使用最廣泛的還是燃料電池型（電化學）。電化學型有測量精度高，穩定性優良，抗干擾性好等優點。但是其缺點也很明顯。由于其結構要求非常精密，制作難度非常高，目前世界上只有歐美等少數幾個發達國家掌握其生產技術。其材料成本也很高，造成其價格昂貴，一般只是在交警執法檢查酒駕時使用，難以大規模在社會上推廣使用。便于民用推廣的應該是微變氧化物半導體型酒精檢測儀。半導體型具備敏捷的響應恢復特性和良好的靈敏度，并且只對酒精蒸汽敏

13、感，不受煙氣、霧纏顆粒等非酒精蒸汽的干擾，耗能很低、壽命長久。制作結構簡單，成本低廉。為此，本文設計了一款以半導體型酒精傳感器和微控制器為核心的簡易酒精檢測儀。1. 3章節安排本系統主要工作包括單片機及酒精傳感器的選型、各模塊硬件電路的設計和軟件編程、上位機的編程、印刷電路板的設計。2 / 44簡易酒精檢測儀的設計與實現新第一章為引言。第二章說明了本裝置的功能及整體設計方案，介紹了系統功能和整體框架圖，還介紹了整個設計過程中使用的工具平臺。第三章說明了整個系統中的硬件電路設計。第四章說明了整個系統中的軟件設計，包括單片機軟件和上位機軟件設計。第五章說明了印刷電路板設計。第六章描述了系統的實驗結

14、果及分析。8 / 442系統的功能及整體設計方案2. 1整體設計方案一般地，一個酒精檢測裝置應具有以下功能：（1）選用合適的微控制器實現酒精檢測功能；（2）采用液晶屏顯示酒精濃度和報警閾值；（3）選用報警裝置實現濃度超過閾值時的報警。（4）實現按鍵調整閾值的功能；（5）實現報警閾值斷電保存功能；（6）選用無線通訊模塊實現濃度數據的無線收發；（7）實現上位機監控酒精濃度的功能。首先，外界合適的酒精氣敏傳感器將外界的含酒精被測氣體檢測后，輸出對應的模擬電壓信號。將該模擬電壓信號通過AD轉換功能轉換為能被微控制器處理的數字信號，再讓微控制器對數字信號進行分析處理，然后將計算得到的酒精濃度顯示在液晶顯

15、示屏上，同時并決定是否驅動報警電路。最后將當前濃度值和報警閾值通過無線模塊發送到上位機。上位機接收到數據后繪制測得的濃度的曲線圖，來實時監控當前的濃度值。系統總體框架如圖2.1所示。液晶顯示屏被測氣體=>酒精傳感器AD轉換匚）微控制器匚O聲光報警按鍵輸入圖2. 1整體框架圖無線發送上位機監控2.2工具平臺的選擇2.2.1KeilUvision4集成開發環境。KeilUvision4可以說是最好的51單片機集成開發系統，能同時兼容C語言和匯編語言的單片機開發。Keil是由美國Keil軟件公司出品的，提供了包括C編譯器、宏匯編器、鏈接器、庫管理和調試仿真器等在內的完整開發方案。Keil對操作

16、系統、計算機要求很低，適宜在各種計算機上運行。利用C語言對單片機進行編程，Keil差不多就是工程師的不貳之選。采用C語言編寫軟件系統，直觀易理解，便于移植調試分析。本系統選用KeilUvision4和C語言完成單片機軟件的設計制作。2. 3.2Protel99se集成開發環境Protel99se是一款得到廣泛使用的、用于印刷電路板(PCB)設計的電子設計自動化(EDA)軟件。Protel99se選用設計庫管理方式，具有強大的數據管理能力，可以設計電路原理圖、印刷電路板與可編程邏輯器件。制作的印刷電路板最高可以達到32層信號層，16層電源-地層和16層機加工層。本系統選用Protel99se設計

17、電路原理圖和印刷電路板(PCB)o3. 3.3MicrosoftVisualC+6.0集成開發環境MicrosoftVisualC+6.0簡稱VC,乂被稱作VC6.0,是美國Microsoft公司出品的一款C+編譯器。VisualC+6.0是一個用途非常廣泛的可視化軟件開發環境，自誕生以來受到了廣泛應用，專業程序員無人不知。VisualC+6.0不光是一個C+語言編譯器，還是一個Windows系統下的可視化軟件集成開發環境。VisualC+主要由以下三個部分組成：DeveloperStudioAMFC(微軟基礎類庫)和PlatformSDK。其中MFC已經成為被廣泛采用的上位機編程工具。MFC

18、是由微軟出品的，用于使用C+語言編寫軟件時的一個引擎和框架，是微軟封裝后的windows接口函數。用MFC進行上位機編程，工作量小，過程簡單易于上手。本裝置選用MicrosoftVisualC+6.0實現上位機軟件設計。3硬件設計4. 1主控模塊的選型與設計用作本裝置的微控制器應盡量有如下特點：運行速度快、集成AD轉換功能、AD轉換速度快、集成EEPROM（電可擦除可編程存儲器）、引腳數量豐富、內部集成上拉電阻（引腳狀態可編程）價格便宜、驅動能力強、編程簡單、適應于各種應用。鑒于以上要求，本裝置選用宏晶科技出品的增強型8051內核1T單片機STC12c5A60s2,它能滿足裝置的所有要求。ST

19、C12C5A60S2具備以下主要特點。（1）增強型8051內核，單機器周期/時鐘，指令集兼容傳統8051,工作電壓：5.5V-3.3v功耗低；工作溫度范圍寬：-40-+85（工業級）/0-75（商業級）；（2）最高工作頻率可達35MHz,等效于普通8051單片機的420MHz：（3）內部集成容量為1KB的EEPROM,讀寫可達十萬次；內部集成8路10位的高精度ADC,速率可達250K/S（每秒鐘25萬次）；Flash存儲空間64k,片上集成1280B高速內存；具備在系統可編程和在應用可編程功能，能通過串口（P3.0/P3.1）直接高速下載用戶程序；擁有4個16位計數器，包括兩個與傳統8051單

20、片機兼容的計數器和16位技術器TO、T1；具有7路外部中斷輸入口，電平下降沿或低電平觸發；還增加PCA模塊，支持電平上升沿觸發中斷；還可由外部中斷退出掉電模式；STC12C5A60S2的引腳圖如圖3.1所示。CLK.OUT2 ?1.0 P1.1ECIP1 2 CCP0 ?1.3SS CCP1 P1.4 MOSF P1 5 MKO ?1 6 SCLK.P1.7EM.7RST RXD P3 0 TXDP3.1 INT0P3.2 TKT1P3.3CLKOLTO ?3 .4 CLK.OUT2 ?3.5 WRP3.6 RDP3.7 XTAL2 XTAL1GNDJI40239338437536635734

21、S3393210 PDIP-40 311130122913281427152(51625r24IS2319222021(、J J1l po i: “i:Ii ； U 1；7 FU_J1 PO - AD-i dq a inspn 6 AD6_| pi)比i rX L D P4 0 Ko J1?- .2'iP4.4I P2,n Aor-一】6 .A .-I D、：1I p '、1 >J p、；、1 r ！ a._A oJ r-.U .Ao圖 3. 1STC12C5A60S2 引腳圖STC12C5A60S2共有4組通用I/O口，可以作為基本的輸入輸出口來使用。每個I/O口都可以

22、被設定為四種模式，包括標準8051模式、開漏輸出模式、強推挽輸出、高阻四種狀態。每個引腳都能拉出或灌入20mA電流。除此之外，根據引腳說明，每個引腳還可以在軟件里設置為第二功能，包括SPI接口、ADC輸入、中斷輸入、串口等功能。除了通用I/O口，還有以下引腳。 VCC,供電電源，GND,接地； RSTo復位輸入。ALE/PR0G：當讀寫外存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用來鎖存地址的低位字節。在FLASH編程期間，此管腳用來輸入編程脈沖。平時ALE端以振蕩器頻率的1/6的頻率輸出正弦脈沖，可用于脈沖輸出或定時。 PSENo外程序存儲器的使能信號。EA/VPP：EA為低電平，讀取外部ROM：加密

23、方式1,EA將內部固定為RES為；當EA為高電平時,讀取內部ROM。在FLASH編程時,此腳用來施加12V編程電源。 XTAL1：反向振蕩放大器及內部時鐘信號工作電路的輸入。XTAL2：反向振蕩器的輸出。為使單片機工作起來，必須首先搭建單片機的最小系統。其最小系統包含復位電路和時鐘信號輸入電路。時鐘電路。雖然STC12c5A60s2內部集成可作為時鐘的RC振蕩器,但由于其速度低、精度低等缺點，不常被使用。這里選用外部高精度石英晶體振蕩器和電容構成的并聯諧振回路作為時鐘信號電路。晶體采用最常用的1L0592MHZ晶振，電路對電容值的要求不高，但它對振蕩頻率輸出的大小可靠性、起振速率有一定影響。這

24、里采用22pf的電容。復位電路。復位方式有上電復位和按鍵復位兩種。一般的上電復位是對外部復位電路中的電容充電，只要VCC的上升時間小于1ms,就能實現上電自動復位。這里設計的是外部按鍵復位電路，RST引腳通過一個電阻連接至高電平保持兩個機器周期時間時，單片機復位。電源接VCC(5v),電源用10uF電容濾波，電阻R7取220歐保護引腳，R8取10K,按鍵采用微動開關。按鍵不按下時RST引腳被下拉到地，按下時RST接近高電平。完成的單片機最小系統電路圖如圖3.2所示。圖3.2單片機最小系統3.2酒精傳感器的選型及設計酒精傳感器是本系統的一個核心元件。本系統的傳感器采用MQ3氣敏酒精傳感器。MQ3

25、是一種半導體型傳感器，它的以下特點決定了其很適用于本系統，包括對酒精蒸汽有很高的靈敏度和極佳的選擇特性。響應復原極速、可靠性好壽命長，電路簡易。MQ-3半導體型酒精氣敏傳感器的構造和形狀如圖3.3所示。它是將微型氧化鋁陶瓷管、二氧化錫敏感區、金屬電極和加熱電絲成的敏感元件放置在鋼制外殼內。封裝好后有6只針型引腳，其中4個輸出信號，2個為加熱電壓輸入。圖3.3MQ3引腳圖簡易酒精檢測儀的設計與實現新簡易酒精檢測儀的設計與實現新MQ3測量回路如圖3.4所示。圖3. 4MQ3測量回路10 / 44在溫度20C、相對濕度65樂氧氣濃度21%、RL阻值為200K的條件下MQ3的靈敏度特性如圖3.5所示。

26、其中Rs是不同氣體和濃度下氣敏元件的電阻值，Ro是氣敏元件在潔凈氣體中的電阻值。圖3. 5MQ3的靈敏度特性MQ3元件的濕度特性如圖3.6所示。其中R。是20C,33%RH條件下，200ppni的酒精氣體中元件電阻值，Rs是不同溫濕度下，200ppm的酒精氣體中氣敏元件電阻值。圖3. 6MQ3濕度特性MQ3傳感器的應用電路如圖3.7所示。MQ3的2腳接至電源，加熱電絲的另一端即5腳接地，讓電源對加熱電絲供電使其發熱，進而對敏感氣體進行加熱。MQ-3的1、3引腳相接（當作電極A）,作為氣體電阻的一極，MQ-3的4、6引腳接到一起（當作電極B）,作為敏感氣體電阻的另一極。將電極A連到電源正極，電極

27、B通過電阻連到電源地。這樣，當敏感氣體來到時，根據酒精氣體濃度的不同氣體電阻的大小也就不一樣，然后由于電阻分壓，B電極上的電壓也就不一樣。這樣就實現了模擬電壓信號的輸出。GNDGND圖3. 7MQ3應用電路簡易酒精檢測儀的設計與實現新獲得的信號電壓是一個模擬量，是不能直接被單片機運算處理的，它必須經過AD（數模）轉換后變為數字信號才能被單片機所接受。STC12c5A60s2單片機內部集成高速逐次逼近式ADC,其P1口可以設置為引腳第二功能作為AD轉換的模擬量輸入引腳,其AD轉換的參考電壓為單片機電源電壓VCC。這里采用Pr0口作為輸入。AD轉換電路如圖3.8所示。4 3 2 14 HEADER

28、CVCOUNDASQ-Q-IO-O3王王工P10/CLKOU P11 P12/ECIP13/CPP0 P14/CPP1/S P15/M0SI P16/MIS0 P17/SCLK12 / 44圖3.8AD轉換電路3.3顯示模塊的設計顯示模塊米用LCD1602液晶屏。它是一種能顯示英文字母、數字等符號的液晶屏模塊。它由若干個5*7或者5*11的點陣構成，每個點陣都能顯示一個字符，共可以顯示兩行，每行可顯16個字符。一般為14針或16針，16針的多余2根是背光線。外形圖如圖3. 9所示。LCD 1602圖3. 9LCD1602外形圖其引腳介紹如下。VSS,電源地。VDD,5V正電源。V0,對比度調節

29、引腳，可接一電源到地的可變電壓來調節對比度。對比度過高可能會產生鬼影，建議接一個10K的電位器。簡易酒精檢測儀的設計與實現新 RS,選取內部寄存器，5V時為數據寄存器，Ov時為指令寄存器。RW為讀寫控制線,高電平時為讀，低電平時進行寫。E為使能端。當E腳由5V下降成Ov時，液晶屏執行指令。 DOD7,8位雙向數據線。LCD1602有如下特點。3.3V或5V的供電電壓，對比度可調，功耗很低；顯示數據存儲器DDRAM為80B：內部集成192個和ACSII碼對應的5*7點陣字符存儲器CGR0M；8個可自行設定的5*7的字符存儲器CGRAMo當LCD1602要顯示某一個字符時，可以直接找到字符對應的A

30、SII碼，便可以方便的直接顯示出來，無需再為字模困擾。LCD1602的顯示電路如圖3.10所示。電位器JP1LCD1LCD1602vccPOO/ADO P01/AD1 P02/AD2 P03/AD3 P04/AD4 P05/AD5 P06/AD6P07/AD7LCD 160239 DB038 DB137 DB236 DB35- 4- 3- 23- 3- 3- 34 5 6 7 B B B B D-D-D-D.P O .NDOsm 伯笆仙8%©>匚二二出色aqqaaaaaxpoi e s 寸 m 9 o oo 6 o z m 寸 m21RSP20/A8P21/A9P22/A10P

31、23/A11*至廠二W1E不75圖3.10LCD1602顯示電路如圖11,LCD1602的8位數據線和單片機的P0I/0口按順序相連，V0端接一電位器調對比度，RS、RW、E三條控制線分別接單片機的P2P、P21P2-2三個引腳。3.4鍵盤模塊的設計本系統主要用到兩個按鍵來調節醉酒報警的閾值。其中一個按鍵為上調閾值，一個按鍵為下調閾值。其電路如圖3.11所示。簡易酒精檢測儀的設計與實現新3.11按鍵電路如電路所示，兩個按鍵分別接單片機的P2'5腳和P2'6腳。R5和R6都取1k或560歐。當按鍵未被按下時，單片機兩個引腳通過R5和R6被上拉至VCC,引腳獲得一個高電平。當按鍵按

32、下時，單片機的引腳就被下拉到地，單片機就獲得一個輸入的低電平。通過檢測這個低電平，就能夠了解按鍵是否按下，單片機就可以做出相應的處理。值得注意的是，R5、R6兩個電阻不宜取值過小，否則會造成按鍵按下時電流過大，造成功耗過大和系統不穩定。3.5聲光報警模塊的設計本系統設置兩級報警。首先當檢測到的酒精濃度值大于酒后閾值時，第一個LED燈亮。當檢測到的濃度值高于醉酒閾值時，第二個LED燈同時被點亮，同時蜂鳴器鳴響。聲光報警電路如圖3.12所示。3.12聲光報警電路14 / 44簡易酒精檢測儀的設計與實現新如電路所示，報警的LED發光二極管采用灌電流驅動方式，STC12C5A60S2的灌電流可達20m

33、AJ兩個LED二極管分別連到單片機的P2'5和P2飛引腳。當引腳輸出低電平時,LED二極管克。R3、R4可取1k或560歐，起到限流和保護作用，防止灌電流過大損壞單片機和燒毀LED二極管。蜂鳴器的輸入腳為單片機的P2-7腳。由于STC12C5A60S2的拉電流和灌電流都不足以驅動蜂鳴器，故采用型號為2N3904的NPN三極管作為開關管來驅動蜂鳴器。2N3904集電極發射極最大耐壓為40V,集電極電流最大200mA,封裝為TO-39-3,足夠使用。當P2-7引腳輸出為高電平時，三極管處于飽和區，蜂鳴器導通并鳴響；當其輸出低電平時，三極管位于截止區，蜂鳴器斷開不發聲。Rbl為限流電阻，可取

34、值560歐或1k。3. 6無線收發模塊的設計本系統要求將測得的數據無線發送到上位機，上位機進行監控處理。本系統采用NRF24L01無線模塊作為無線收發模塊。NRF24L01無線模塊是由挪威的NORDIC公司出品的，工作在2.4GHz2.5GHz頻段的單片無線收發射頻芯片nrf24101開發而成。NRF24L01無線模塊具有如下特點。 工作于2.4GhzISM頻段免許可證使用，內置2.4Ghz天線，體積小巧。 最高工作速率為2Mbps,抗干擾能力強。統共126個頻段，能實現多點通信和跳頻通信的需求。內部集成硬件CRC錯檢和點對多點通訊控制。 低功耗，1.9-3.6V電壓可工作，工作電流很低，待機

35、是僅為22uA,掉電時僅為900nAo 模塊可軟件設地址，可直接連接各類單片機使用，可采用中斷通知單片機。軟件編寫方便。內置特定穩壓電路，使用各種電源均有良好的通訊效果。 1：作于ESB(EnhancedShockBurst)模式，具備可選的內置包答復機制，可極大的降低丟包率。NRF24L01模塊電路圖如圖3.13所示。-2- 鄉 QQ>B >0 妾圖3.13NRF24101模塊內部電路圖NRF24L01使用SPI協議接口完成寄存器讀寫工作。引腳如下。 VCCo電源，一般使用3.3V電壓。GNDo電源地。 MOSI、MISO、SCK、CSNoSPI協議的四根引腳。SCK為SPI協議

36、的時鐘線，CSN是SPI協議的使能端，低電平時SPI模塊工作。其余兩根引腳為數據輸入和輸出引腳。 CE,無線模塊工作模式切換引腳，此引腳配合模塊CONFIG寄存器的狀態決定模塊的工作狀態。IRQ,中斷引腳，無線模塊在完成發送或接收后將此引腳電平置低來通知單片機，通常接單片機的中斷輸入引腳。沒有硬件SPI接口的單片機也能夠將I/O口用軟件模仿SPI協議來完成對模塊的控制工作。必須警惕的是，此模塊的推薦工作電壓為3.3v,不能直接連5V單片機，不然會燒毀模塊。除了電源引腳，其余引腳是可以直接和單片機引腳相連的。NRF24L01無線模塊與單片機的連線電路如圖3.14所示。單片機的Pr3-P1-7依次

37、連NRF24L01模塊的CSN、CE、MOSI、MISO、SCK引腳,IRQ接單片機的中斷輸入引腳P3'3。單片機用軟件模擬SPI協議。同樣的，數據接收端也需要一個單片機控制的NRF24L01無線模塊。接收端的單片機接收到數據后，將數據通過串口發送到上位機。單片機一般都帶有串口模塊，但如今帶有串口的計算機已經不多見。為了解決這個問題，這里采用了CP2102,USB轉串口模塊。它能把計算機的USB口通過驅動程序轉換成串口通信達到擴展目的。CP2102模塊具有如下特點。 符合USB2.0規范，支持將USB狀態掛起。內含USB收發器、時鐘電路，無需外界電路器。集成上電復位電路，片內集成穩壓器

38、可輸出3.3V電壓。 異步串行數據總線可兼容所有的握手和調制調節器接口協議，支持8位數據位、1-2位停止位、校驗位的串行數據。 內建512字節接收緩沖區和512字節發送緩沖區。本系統的采用由CP2102、單片機和NRF24L01組成的模塊作為數據接收端。接收端的電路如圖3.15所示。16 / 44圖3.15數據接收端電路圖3.7電源模塊的設計本系統采用電池供電。為了獲得恒定充足的電源，這里采用18650鋰離子可充電電池。18650一般是指電池直徑為18毫米、長度為65毫米的電池，其電壓一般為3.7v-4.2v,容量最大可做到3400mAh,可滿足本系統使用。本系統需要兩個電源電壓來供電。其中單

39、片機、液晶屏、聲光報警裝置等需要5V電壓，而NRF24L01需要3.3v電壓供電。整個系統最大工作電流估計在300ma。因此,這里需要合適的電壓轉換芯片來供電。AMS1117是一款低壓差線性穩壓器，有多種固定電壓輸出的型號，輸出電流最大可達1A,輸出電壓精度可達1%,壓差最低可至Iv。其內部還集成過熱和過流保護電路，可作為電池供電設備的一個良好選擇。本系統同時選用AMS1117-5.0和AMS1117-3.3兩款芯片來獲得5v和3.3v電壓。AMS1117-5.0參數如下。輸入電壓最高18V；輸出電流可達1A；輸出電壓5.0V；輸入電壓最低6.2V；SOT-223封裝;工作溫度范圍-40。C至

40、懺120°C：AMS1117-3.3參數如下。輸入電壓最高12v；輸出電流可達1A17 / 44簡易酒精檢測儀的設計與實現新18 / 44;輸出電壓3.3v；輸入電壓最低4.75v。SOT-223封裝；工作溫度范圍TO*C到+125°C；電源電路如圖3.16所示。圖3.16電源電路根據芯片的規格書說明，AMS1U7的輸入和輸出端都需要加10uf電容濾除雜波。電路中D1為電源指示燈，R2為指示燈的限流電阻。BT1和BT2為兩節18650電池，VCC為5v電壓輸出，VCC_3.3v為3.3v電壓輸出。AMS1117-3.3電源由AMS1117-5.0輸出的VCC提供。兩個電壓都

41、能提供足夠電流。S1自鎖開關是系統主開關，按下時電路導通，非按下時無電壓輸出，整個系統關閉。3. 8印刷電路板的設計印刷電路板設計前首先要設計電路原理圖。電路原理圖采用PR0TEL99SE的原理圖設計功能設計。設計原理圖時可能要根據需求個人設計元件庫。根據之前的各硬件模塊的設計，得到的系統檢測發送端整體硬件原理圖如圖3.17所示。簡易酒精檢測儀的設計與實現新Kg Y7CCDLNil的 QHWP52CLKWTM5GLKOUY 四D1WCLKOVTO DU PlilCC PWCPPD PWCPPDSS F1TN0SI PIWXOX RD75CLKI小7CCJJV AM工&CK三二三BIJO

42、VI4 皿:，EF.vcci-vcc-j.yv.gC：:CZ.WC'-am b*2u。切 “aw E一 既功!，N6XT AL)XT ALO WLC& 162LCD .mirnjNWACO 的 UADI NRAm R)少必 PH JAW POX必 FOB必 FORMn)(MPAIO P»/All P加小12P2VAI3P 綺A14P27MI5a 2A n m 二 $( s-r 3-JGKDao胸 TMWJGl AWNSKA“SrCUCSAtDfJ!d麗出31五圖3.17整體硬件原理圖設計好原理圖后，并且元件封裝等都檢查無誤后就可以生成網絡表導入PCB文件進行PCB設計

43、了。印制電路板的設計是以原理圖為依據，完成硬件電路的實物搭建，涵蓋電子元件的優化安放、金屬連線的安放和通孔的優化安放。電磁兼容、散熱等各種因素都是要設計時權衡的。PCB設計主要分為兩部分，一是元器件的布局，二是元器件的布線。電子元器件的布局主要注意以下幾點。一般情況下，全部電子元件均應放在電路板的相同面，只有此面元件過于密集無法擺放時，才將一些比較低并且發熱量小的元件，如貼片電阻等放在另一層。 熱敏元件要與發熱元件分開，高頻元器件的連線應盡量短。電路要分模塊進行布局，方便信號流通和后期檢查錯誤。預留出支架孔等孔的位置，制作物理邊框，即是板子的輪廓，元器件的布局要考慮到后期的焊接方便。 自行設計

44、PROTEL中沒有的封裝。布線是PCB設計工作中的重中之重，要考慮的因素非常多，關系到整個板子的成敗。元器件的布線主要考慮到以下因素。 當輸入輸出端是高速信號時，導線應盡量不要相鄰平行，盡量加上導線間地線，防止產生反饋藕合。簡易酒精檢測儀的設計與實現新 布線的最小寬度主要由導線與底板間的粘合強度和流經的電流強度決定。 印制導線拐角處通常取鈍角，如果取直角或銳角會對電氣性能有不良影響。 本系統還采用了大面積覆銅。敷銅可以減小地線阻抗、提高抗干擾能力、降低壓降、提高電源效率。3. 18所示。本系統的PCB設計完成后如圖圖3. 18PCB布局布線完成后圖完成后的PCB大概為50mm*70mm大小。等

45、工廠打樣完成后就可以進行焊接調試等后期工作了。24 / 444軟件設計3.1 整體軟件流程圖整體軟件程序主要包括AD轉換程序、顯示程序、無線發送程序、按鍵程序、閾值調節程序、閾值保存讀取程序、報警程序。整體流程圖如圖4.1所示。圖4.1整體軟件流程圖首先加電開機，先是單片機初始化，設定引腳狀態，對特殊功能寄存器進行賦值,其次初始化LCD屏幕，再初始化無線模塊。然后液晶屏上顯示必要字符，稍作延時，顯示工作界面一些必要字符。緊接著讀取單片機內部EEPROM保存好的醉酒閾值。開始AD轉換，檢測閾值調節按鍵，重新保存閾值后同時刷新濃度、閾值顯示。最后報警檢測后無線發送閾值和濃度數據。這時完成一個完整的

46、主循環。接下來就是乂開始AD轉換，進入下一個主循環，周而復始。由于單片機運行速度很快，液晶屏上的數據更新給人的感覺就像實時的。如此就完成了整個系統所需的功能。3.2 模數轉換子程序的設計AD轉換是使用的STC12c5A60S2內置的ADC,參考電壓為單片機電源電壓，其流程圖如圖4.2所示。圖4.2AD轉換流程圖首先初始化AD轉換器，設定好輸入引腳及轉換方式，其次啟動轉換，再采用查詢法等待AD轉換完成。最后讀出轉換完成的值。在主循環里循環執行此程序，做到傳感器輸出電壓的實時AD轉換。4. 3顯示子程序的設計顯示模塊的流程圖如圖4.3所示。開始液晶屏初始化顯示歡迎界而顯示工作界而更新數據顯示圖4.

47、3顯示模塊流程首先初始化液晶屏，設定液晶屏為5X7點陣顯示、不顯示光標、開顯示。然后顯示歡迎字符，稍微延時，再顯示工作界面。最后進入主循環，循環執行此程序，根據實時濃度和閾值的不同，實時更新屏幕上顯示的數據。這樣就完成了顯示功能。4.4無線收發子程序的設計無線模塊的數據發送端軟件流程圖如圖4.4所示。.4無線數據發送端流程圖首先初始化無線發送端NRF24101,設定好發送、接收地址、數據包大小、通信頻率、是否自動應答、自動重發設定等，然后單片機向裝載要發送的數據，并命令將數據發送出去。最后在主循環里循環執行此程序，隨著實時濃度和閾值的不同，幾乎實時裝載數據并將數據發送出去，使接收端收到。無線模

48、塊的數據接收端流程圖如圖4.5所示。N圖4. 5無線數據接收端流程圖首先初始化無線接收端NRF24L簡易酒精檢測儀的設計與實現新01,設定好本機地址，要接收的數據包大小、通信頻率等，然后等待接收到數據包。接收完成后，單片機讀出數據，并將數據通過串口發送到上位機，上位機進行實時曲線的繪制工作，然后再去重新等待數據接收，完成循環。4. 5鍵盤掃描子程序的設計按鍵采用查詢法進行輸入，在主循環里每次循環完成一次對按鍵狀態的查詢輸入。為了消除按鍵抖動的影響，采用軟件方法消除抖動。鍵盤掃描流程圖如圖4.6所示。N圖4. 6鍵盤掃描流程圖如果有按鍵按下，相應引腳就檢測到一個低電平。當此低電平保持10ms以上

49、時,單片機就認為對應按鍵確實被按下，就會按相應按鍵來調節閾值，實現閾值上調或下調。同樣的，在主循環里循環執行此程序，就可以做到幾乎實時的檢測按鍵。4. 6閾值保存讀取子程序的設計本系統使用STC12C5A60S2內部的容量為1KB的EEPR0M儲存醉酒閾值，實現掉電存儲閾值的功能。閾值讀取流程如圖4.7所示。25 / 44簡易酒精檢測儀的設計與實現新圖4.7閾值讀取流程圖閾值保存的流程圖如圖4.8所示。讀取閾值時可以直接從EEPROM中讀取，但進行字節編程時必須先對整個存儲扇區執行扇區擦除后才能寫入數據。因為STC12c5A60s2內部EEPROM只能完成送T'到'0'

50、的編程，不能反向編程。扇區擦除是為了將扇區全部寫'1',才能無誤的寫入數據。同樣的，在主循環里循環執行此程序，不斷保存閾值防止丟失數據。4.7聲光報警子程序的設計本系統的聲光報警設置兩級報警。當檢測到的濃度值大于酒后閾值時，一個指示燈亮；當濃度值大于醉酒閾值時，兩個指示燈同時亮，同時蜂鳴器鳴響報警。這里酒后閾值設為醉酒閾值的一半。聲光報警子程序流程圖如圖4.9所示。圖4.9聲光報警程序流程同樣的，在主循環里循環執行此程序，完成實時的報警檢測。4. 8上位機程序的設計本系統中，接收端的無線模塊收到數據包后，中斷提示接收端的單片機把數據包讀出,然后單片機將數據包通過串口發送到上位機

51、。上位機收到數據后繪制曲線圖，實現對酒精濃度的監控功能。上位機程序選用VisualC+6.0的MFC（微軟基礎類庫）設計。設計過程中主要用到MicrosoftCommunicationsControl控件（簡稱MSComm控件）和TeeChart5控件。 MicrosoftCommunicationsControl控件。MSComm控件是美國Microsoft公司為了方便Windows環境下串行接口通信編程而出品的ActiveX控件。它提供了標準通訊命令的接口。它在高級語言的串行通信應用和計算機的串行口之間架起了一座橋梁。有了此控件，開發串口通信程序的復雜程度就被大大簡化了。簡單的初始化控件的

52、幾個屬性，然后編寫控件的事件響應程序，就能夠使串口高效的實現所需的功能。 TeeChart5控件。TeeChart是西班牙的Steema公司研發的圖表控件。它不僅能川來繪制多達上白種二維和三維圖形風格的圖表，還包括了四十種數學和統計功能，再加上幾十種調色板組件，可謂最厲害的圖表控件。除此之外，TeeChart還提供了一個完整功能齊全的編輯對話框，可以用來方便快捷的設計繁瑣的圖表程序。但是VC中沒有自帶此控件,需要另外下載并在系統中注冊即可使用。上位機整體軟件流程圖如圖4.10所示。N圖4. 10上位機軟件流程圖上位機軟件中，首先設計軟件界面。其次初始化兩個控件，而后MSComm控件就會監視指定的串口。當串口有數據到來時，控件讀出消息，經過運算處理后在TeeChart控件上把相應的點繪制出來，同時曲線右移一個點。這樣不斷接收數據，曲線就會不斷移動，達到實時動態曲線的效果。這里繪制了兩條曲線，一條是酒精濃度值的曲線,一條是報警閾值的曲線。上位機軟件設計完后的界面如圖4.11