杭电单片机I论文.docx
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杭电单片机I论文
基于单片机的酒精浓度测试仪
黎峻恺1,田昕煜2,李倩3
(1.通信工程,13083124;
2.通信工程,13081405;
3.通信工程,13081403)
摘要:
以当下社会普遍关注的酒驾问题为研究背景,设计了便携式酒精浓度检测仪。
采用MSP430单片机、MQ-3型气体传感器、LED显示等模块实现了对酒精浓度的测量并对测量数据进行显示,兼有报警功能。
经实验证明,该系统具有功耗低、体积小、应用范围广、反应灵敏、便携等优势。
关键词:
MSP430单片机;MQ-3气体传感器;酒精浓度检测。
DesignofalcoholconcentrationtestingsystembasedontheMCU
LiJunkai1,TianXinyu2,LiQian3
(1.CommunicationEngineering,13083124;
2.CommunicationEngineering,13081405;
3.CommunicationEngineering,13081403)
Abstract:
Thisthesisputthealcoholdrivingissueofcommonconcerntosocietyasresearchbackgroundanddesignsthealcoholconcentrationtestsystem.Thealcoholconcentrationtestsystemdesignedbyusi-
-ngMSP430F5529micro-controller,MQ-3alcoholconcentrationsensor,LEDdisplaymoduleinthispap-
-erhasboththeconcentrationtestingandmonitoringfunctions,combinedwithalarmfunctions.Theexpe-
-rimentshowsthatthesystemhastheadvantagesoflowpowerconsumption,smallvolume,broadappliedrange,sensitivereaction,portabilityandsoon.
Keywords:
MSP430F5529micro-controller;MQ-3sensor;thealcoholconcentrationtestsystem
1引言
随着交通业的发展及车保数量的增加,汽车在给人类带来舒适和便携的同时,也给人类带来了频繁的交通事故,如酒后驾驶、违规驾驶等[5],严重威胁着人生命和财产安全。
从工厂企业到居民家庭,酒精泄露的检测、监控以及对高空作人员和酒后驾车的监测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必不可少的。
目前,可以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型[2]。
考虑到价格和实用性,常用的是燃料电池,但其酒精传感器的结构要求非常精密,制造难度相当大,材料成本高,价格相当昂贵,是半导体酒精传感器的几十倍。
现如今,对于呼出气体中酒精含量的检测仪中,国内普遍采用半导体型酒精传感器[2]。
鉴于国内行情,本论文旨在设计一款新型的便捷式酒精检测仪,使人们自我检查、提高安全意识,在学术、技术和应用上都有很大的意义。
采用MSP430F5529作为主控芯片,其凭借低功耗、高集成度、运算性能强大,抗干扰能力强等特点[4],在低功耗、便携式仪器仪表等领域得到了很好的应用和发展。
1酒精测试仪总体设计
1.1酒精浓度检测仪设计要求
设计的酒精浓度测试仪特点:
(1)单片机是采集系统的重要部分,其电路周围有LCD显示电路和键盘电路,不用连接其他计算机,可以直接用于显示工作,完成数据的采集、存储、计算、分析等过程。
(2)系统具有低功耗、高稳定性、功能强、小型化、性价比高等特点。
(3)各个零件都选用方便,便于携带,小等特点,如数码管显示器,单片机最小系统,小键盘等。
主要通过操作单片机控制的键盘和LED显示,操作界面简单,方便,清晰。
(4)软件设计简单明了,模块分明,独立性强。
1.2酒精浓度检测仪设计方案
刚开始,注意到是把酒精传感器检测到的非电量转换成电量,而且传感器输出电压不到5伏,电压也稳定,扰外部干扰能力强等,所以传感器输出电压不需加稳压、放大,直接传给A/D转换器进行相应处理,处理后得到的数据再传给单片机。
除此之外,液晶显示,键盘,报警装置等也必不可少。
如图1-2所示:
图2-1系统设计方框图
2硬件设计
2.1传感器的选择
MQ-3气敏元件的结构和外形如图2-1所示,由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内,加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装好的气敏元件有6只针状管脚,其中4个用于信号取出,2个用于提供加热电流,表2-1对各个部件进行了详细的描述。
图2-1MQ-3气敏元件的结构外形图
表2-1MQ-3气敏元件的组成材料表
部件
材料
1
气体敏感层
二氧化锡
2
电极
金(Au)
3
测量电极引线
铂(Pt)
4
加热器
镍铬合金(Ni-Cr)
5
陶瓷管
三氧化二铝
6
防爆网
100目双层不锈钢(SUB316)
7
卡环
镀镍铜材(Ni-Cu)
8
基座
胶木
9
针状管脚
镀镍铜材(Ni-Cu)
MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线如图2-2所示,其传感原理为气敏电阻的输出阻值随乙醇气体等浓度变化而变化。
图2-2MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线
2.2MQ-3传感器电路
MQ-3乙醇气体传感器及其调理电路原理如图2-3所示。
经过调理,检测信号由电阻值转变成电压值,便于后续电路进行A/D转换和处理。
图2-3传感器及调理模块原理图
该传感器模块具有如下特点,方便与单片机系统接口组成检测仪器。
●具有信号输出指示。
●双路信号输出(模拟量输出及TTL电平输出)
●TTL输出有效信号为低电平。
(当输出低电平时信号灯亮,可直接接单片机)
●模拟量输出0~5V电压,浓度越高电压越高。
2.3LCD显示电路设计
LCD1602有11个控制指令,见表2-2。
其中,DDRAM:
显示数据RAM,用来寄存待显示的字符代码;CGROM:
字符发生存储器;CGRAM:
用户自定义的字符图形RAM。
表2-2LCD1602控制指令表
指令
功能
清屏
清DDRAM和AC值
归位
AC=0,光标、画面回HOME位
输入方式设置
设置光标、画面移动方式
显示开关控制
设置显示、光标及闪烁开、关
光标、画面位移
光标、画面移动,不影响DDRAM
功能设置
工作方式设置(初始化指令)
CGRAM地址设置
设置CGRAM地址。
A5~A0=0~3FH
DDRAM地址设置
DDRAM地址设置
读BF和AC值
读忙标志BF和和地址计数器AC值
写数据
数据写入DDRAM或CGRAM
读数据
从DDRAM或CGRAM数据读出
1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”,具体寄存器的选择控制表2-3有操作说明。
因为LCD1602识别的是ASCII码,试验可以用ASCII码直接赋值,在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值,如'A’。
表2-3LCD1602寄存器选择控制表
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器(清除屏等)
0
1
忙标志以及读取位址计数(DB0~DB6)值
1
0
写入数据寄存器(显示各字型等)
1
1
从数据寄存器读取数据
与单片机接口电路如图2-4所示。
其中J2的3脚为背光引脚,R9和R10电阻用于调节背光亮度。
J2的4、5、6引脚分别接液晶的RS、E/W和E控制引脚,J2的7—14引脚为数据引脚。
图2-4LCD与单片机接口电路
2.4报警功能电路设计
本系统采用LED灯和蜂鸣器进行声光报警。
当酒精浓度检测值超过设定的标准值时,便会通过单片机控制灯光和声音报警电路,发出报警信号。
电路设计如图6所示。
2.5键盘电路
电路图的键盘一端连接的是地,另一端连接输出高电平的单片机,如果按下按键,连接单片机的端口就接地,变为低电平,改变信号,从而达到按键的作用。
单片机键盘可以划分为两大类,一类是独立键盘(本课题选择),另一类是矩阵式键盘。
由于原理电路复杂,编程不易,所以没有选择矩阵键盘,即使只需要几个I/O口。
独立键盘就要简单的多,易编程,容易理解,与单片机I/O端口连接呈一一对应关系,条理清晰,系统也稳定,初学者最好的选择。
独立式键盘的工作原理也不复杂,键盘一端连接的是地,另一端连接输出高电平的单片机,如果按下按键,连接单片机的端口就接地,变为低电平,改变信号,简单的说就是对I/O端高低电平的检测。
开关又可以分为自锁开关和常开开关,键盘常用常开。
当单片机正常运行时I/O变为高电平,然后一直保持,如果按下键盘,I/O端就接地,从而转成低电平,随后,放开按键,I/O端又会恢复高电平,这是由于单片机里面含有上拉电阻。
所以编写程序的时候,只需要检测I/O端电平的高低就能知道有没有按下键盘。
值得注意的是键盘有两个抖动过程,刚开始按下与刚放开的时候,放开时的抖动可以不用管,因为要检测的是按下,所以主要是针对刚按下时的抖动进行去抖。
抖动是由于刚按下时电压不稳定造成的,抖动间隙大约为10ms(89C51),属于机械抖动。
虽然抖动间隙时间看起来很短,但是运算速度很快的单片机处理时就会等待很长的时间。
去抖操作又可以通过专用去抖电路和专用去抖芯片,最好的方式是通过程序软件延时,程序简单,易于操作,不用再往单片机上加其他电路,使其复杂化。
当检测到I/O口出现低电平,立即调用延时函数,等待抖动消失,延时完成后会再次检测I/O口是否还是低电平,如果是,则表示按下按键,接着执行编写好的程序。
其电路如图2-5:
图2-5按键电路
2.6MSP430单片机系统
MSP430F5529单片机配置集成的USB层和物理层支持USB2.0,四个16位定时器,一个高性能的12位模拟数字转换器(ADC),两个通用串行通信接口(USCI),硬件乘法器、DMA、实时时钟模块与报警功能,和63I/O口线。
MSP430的CPU是高效的16位RISC体系结构。
所有指令操作,包括七种源操作数的寻址模式和四种目的操作数的寻址模式。
CPU集成提供的16个寄存器减少指令执行时间,其中寄存器到寄存器的操作执行时间是一个CPU时钟周期。
R0-R3四个寄存器,是专用程序计数器,状态寄存器和堆栈指针、常数发生器,剩下的寄存器是通用寄存器。
外围设备连接到CPU使用数据,地址和控制总线,可以处理所有指令,指令集包含原51种,三种格式和七个地址扩展模式和额外的指令地址范围,每条指令可以操作的字和字节数据。
MSP430的有一个活跃的模式和六个软件可选的低功耗模式的操作。
一个中断事件可以唤醒设备。
RAM内存由n个扇区。
每个扇区可以完全关闭以节省泄漏,然而所有数据丢失。
有8个8位的I/O端口实现:
80引脚封装包括,P1,P2,P3,P4,P5、P6和P7,P8是3个IO口线。
•所有I/O位独立编程。
•允许任何组合的输入、输出和中断条件。
•所有端口上拉或下拉在是可编程的。
•在所有端口是可编程驱动能力。
3软件设计
3.1主程序流程设计
本设计软件主程序流程图如图3-1所示。
当检测到酒精气味时,气体传感器MQ-3两个电极端A-B间电阻将变小,对应与气体传感器负载电阻的分压将变大,输出电压也将变大。
图3-1主程序流程图
4测试结果及结论
4.1调试
这是一个很简单又很复杂的过程,最开始要检测硬件设计能不能行,再仿真看可不可以达到预期效果。
焊接时注意各端口之间连接是否正确,焊接好后用万用表检测是否出现虚焊。
调试过程是模块化进行,先对各模块一一进行检测,从局部到整体,更容易检测到问题所在并调试,有针对性,使调试更加简单化。
各模块化的程序编写,通过老师的帮助,查资料学习最后进行相应的修改。
实验结果如图4-1所示:
致谢
组员分工:
黎峻恺(代码、测试、搜集资料)
田昕煜、李倩(论文、搜集资料)
非常感谢徐晓荣老师总是不厌其烦的给我们讲解实验过程中的不懂之处以及课下在实验室的指导。
这次实验从什么都不懂到做出成果其中有不少曲折,真心感谢徐老师的耐心和支持,不断的给我们鼓励,并提出板子的不足,使我们能有进一步改进设计的正确方向。
衷心祝愿徐老师工作顺利,心想事成!
参考文献
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京:
中国科学院电子学研究所,
[2]丘睿.警用呼气式酒精传感器的研究进展[J].化学传感器,
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[4]沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应
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清华大学出版社,
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M(II)EthylenediphosphonatesandaMn(II)Ethylenediphosphonatophenanthroline[J].Inorg.Chem,2007(46):
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附录
主程序:
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*MSP430codeexamplesareself-containedlow-levelprogramsthattypically
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