酒精Watchdog.docx
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酒精Watchdog.docx
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酒精Watchdog
酒精Watchdog
山东大学物理学院
徐晓雷张满弓卞一凡
摘要:
该设计作品基于AVRmega16单片机,利用MQ3气敏传感器,实现空气中危险气体浓度实时测量,通过LED数码管实时显示,当浓度超过设定的阈值时,触发声光报警装置,实现浓度监测报警功能,并开启排气风扇进行初步调节。
关键字:
AVRmega16单片机,MQ3气敏传感器,声光报警
一、前言
设计目的:
利用酒精Watchdog能监测某一特定环境(如酒精生产车间,煤矿)的危险气体浓度,避免发生起火、爆炸等工业事故,确保环境安全。
设计用途及功能:
本课题采用MQ3气敏传感器,AVRmega16单片机实现空气酒精浓度实时测量,通过LED数码管实时显示。
检测环境中的酒精浓度,当浓度超过阈值时,具有声光报警功能,来提示可能存在的危险情况,而且MQ3型传感器对其他危险气体也有效,可以用与检测煤气,CO等气体。
二、总体设计方案:
1、基于MQ3气敏传感器的酒精浓度监测报警仪的硬件方案
传感器的选择:
本课题选用的是MQ3型气敏传感器。
其有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。
MQ3型气敏传感器由微型Al2O3,陶瓷管和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。
传感器的标准回路有两部分组成。
其一为加热回路,其二为信号输出回路,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。
二者之间的关系表述为:
Rs/RL=(Vc-VrL)/VrL,其中Vc是回路电压为5V。
负载电阻RL可调为0.5-200K。
加热电压Uh为5V,正常工作时温度为300℃以上。
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如图1所示:
图1
单片机选择:
AVRmega16单片机是一款功能十分强大,集成度非常高的数字处理系统。
它集成了ADC与DAC的模块,因而此作品设计中可以直接将MQ3型酒精气敏传感器的探测信号输入单片机中,然后在单片机内进行A/D模数转换,数据处理。
其引脚图如图2所示。
图2
数码管选择:
选择4位共阳极数码管,型号为:
LG3641BH。
该数码管具有工作稳定,亮度高,反应灵敏,质量可靠等特点。
如图3、图4所示:
图3
图4
硬件设计时,考虑酒精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送入单片机进行处理。
此外,还需接入LED数码管显示,声光报警电路等。
其总体框图如图所示:
图5 硬件方案总体框图
图6 传感器标准回路图
图7 报警电路图
图8 风扇驱动电路图
图9 总体电路连接图
2、基于MQ3气敏传感器的酒精浓度监测报警仪的软件方案
软件方案主要包括数据采集、数据处理、显示、声光报警等子程序。
仪器开机后经初预热阶段后测量结果。
测量时数据采集程序把数据送入到AVRmega16单片机中的A/D转换器,进行A/D转换。
由数据处理程序完成数据间的转换和数制间转换。
当测量数据超过阈值时报警子程序启动,发出声光报警。
软件主程序流程图如图10所示:
图10 软件方案总体框图
数据采集及处理子程序流程:
图11
数据采集及处理函数关系图如下:
图12
LED显示子程序:
本作品显示为LED显示。
显示子程序分为预热阶段显示程序,测量结果显示程序。
流程如图13:
图13
声光报警、风扇驱动子程序:
传感器输入值经A/D转换后,调用比较程序,再经过数据处理后显示的测量值与程序中设定的报警阈值比较,小于等于阈值则继续执行显示程序,大于阈值则将单片机PC7端口输出高电平进行声光报警,并驱动风扇。
如图14所示。
图14 声光报警、风扇驱动子程序流程框图
软件方面的具体程序见附录。
三、系统测试
调试分析包括硬件调试分析和软件调试分析及软、硬件联调。
由于硬件调试分析和软件调试分析是独立进行的,所以可以先调硬件再调软件。
在调试中找出错误、缺陷,判断各种故障,并做出软硬件的修改,直至设计作品能够正确体现其功能。
1、硬件调试
硬件调试包括传感器电路、显示电路、单片机外围电路、声光报警电路等。
下面主要介绍传感器电路、报警电路的调试。
首先把MQ3型气敏传感器按照说明书介绍,接上+5伏工作电源和+5伏加热电源,进行预热20-30分钟。
由于气敏传感器里已经集成了放大电路,而用万用表测量可证实传感器输入电路中输出是一稳定的0-5V的电压信号,符合单片机的输入条件,因此此信号可以直接接人单片机进行A/D转换而不需要放大、滤波等。
其次对于声光报警电路的调试分为蜂鸣器和LED的调试。
经试验可知蜂鸣器在高电平时正常工作,LED为共阳极。
2、软件调试
软件调试为利用ICCAVR,CVAVR,AVRStudio软件进行模块化调试。
调试过程中观察各个变量的变化,查找所写程序的错误,并改正。
3、软、硬件联调
利用AVRStudio软件和硬件电路板进行软硬件联合仿真,首先将软件程序下载到AVRStudio中,然后运行一下,确认无误后,再把程序写入硬件之中。
对调试过程中出现的错误要仔细分析,然后不断修正,直至达到理想效果为止。
在软硬件联调时,根据在程序中设定的阈值,用酒精渐渐接近传感器来模仿酒精浓度的增大,显示结果良好,报警结果十分精确,在到达阈值时能够准确发出报警声。
4、技术指标、参数
经过对系统的测试,我们认为该系统工作稳定,结果准确,报警及时准确,达到初始设计要求。
在程序中设定阈值为:
2000。
测试中当浓度达到2000时,即刻报警,响应时间极短。
四、硬件资源与开销
MEGA16单片机:
13元×1个(实验室免费借用)
四位共阳极数码管:
3元×1个
MQ3型气体传感器:
10元×1个
5V驱动蜂鸣器:
0.5元×1个
5V驱动LED管:
0.2元×1个
430欧姆保护电阻:
0.1元×8个
0~200千欧电位器:
2.5元×1个
滤波0.1微法电容:
0.1元×1个
稳压电感:
0.2元×1个
连接用导线:
5.5元×0.5米
风扇:
5元×1个
三极管:
0.2元×1个
基极偏置电阻(1千欧):
0.1元×1个
串口转USB接线:
25元×1个(外接调试设备,不属于作品的一部分)
5V电源变压器:
13元×1个
总开销:
76.35元
作品制作成本:
38.35元(除去单片机、串口转USB接线)
五、对课程的总结
本课题主要任务是设计一个基于单片机的酒精浓度监测报警仪。
通过软、硬件联调,使得实验结果满足设计的基本要求,达到设计的指标。
实现实时测量酒精浓度,用LED数码管显示,并在其超过阈值时触发声光报警。
本设计过程包括了硬件电路设计和软件程序的编写两部分。
硬件电路部分结构简单,使用方便,适合大众化使用。
软件部分采用模块化设计思想,各个子程序的功能相对独立,便于调试和修改。
此作品可以进一步改进,可以加入键盘设定阈值,同时在报警之时可以利用报警信号触发补救措施装置,有效制止危险的发生,使之成为智能家居,保障我们生活环境中空气质量安全。
应用单片机编写不同的程序嵌入各种仪器中也可形成不同功能的智能仪器,作为广泛应用于工程中的智能仪器将有更大的运用空间。
现代社会有害气体越来越多,此作品设计具有很强的移植性,只要稍作改动便可测量各种其他气体。
类似酒精浓度监测报警仪的各种仪器将越来越深入的运用到普通人民的生活中。
在制作整个作品时,我们组三个组员都付出了很大的努力。
我们在其中犯了很多错误,板子焊了好多遍,程序也是改了又改,最终经过我们的艰辛努力,经过我们不断的摸索,终于及时将课程完成,心里面也感觉有点小小的成就感。
现在回顾整个过程,深深觉得整个小组的协作精神、坚韧意志是保证及时完成本课程的关键。
当经过那么多次的努力都没有进展的时候,队友的支持是最好的鼓励,我们就是靠着这样协作进取的精神才能够坚持把课程完成,并最终做出令自己较为满意的作品。
我们每一位组员都做出了自己应有的贡献,都尽了自己最大的努力,成果是属于我们组这个整体的。
以上就是关于这次《AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践》课程我们组所做项目的全部资料。
附录:
1、作品整体外观:
2、软件程序:
//ICC-AVRapplicationbuilder:
2008-5-317:
55:
57
//Target:
M16
//Crystal:
4.0000Mhz
#include
eepromunsignedintyu=1000;
flashunsignedcharled_7[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};
flashunsignedcharposition[4]={0x01,0x02,0x04,0x08};
unsignedchardis_buff[4]={0,0,0,0},posit;
unsignedintadc;
bitzhongduan;
interrupt[TIM0_COMP]voidtimer0_comp_isr(void)
{
zhongduan=1;
}
voidadc_to_disbuffer(unsignedintadc)
{
unsignedchari;
for(i=0;i<=3;i++)
{
dis_buff[i]=adc%10;
adc/=10;
}
}
interrupt[ADC_INT]voidadc_isr(void)
{
unsignedintadc_data,adc_v;
adc_data=ADCW;
adc_v=((unsignedlong)adc_data*10000/1024)^3/13;
adc_to_disbuffer(adc_v);
}
voidsaomiaobaojing(void)
{
PORTD&=0xf0;
PORTB=led_7[dis_buff[posit]];
if(posit==3)
PORTB|=0x80;
PORTD|=position[posit];
if(++posit>=4)
posit=0;
if(dis_buff[3]>=2)
PORTD.7=1;
elsePORTD.7=0;
}
voidmain(void)
{
DDRB=0xff;
PORTB=0xff;
DDRD=0x8f;
PORTD=0x00;
TCCR0=0x0B;
TCNT0=0x00;
OCR0=0x7C;
TIMSK=0x02;
SFIOR|=0x60;
ADCSRA=0xAD;
ADMUX=0x47;
SFIOR&=0x1F;
#asm("sei")
while
(1)
{
if(zhongduan)
{
saomiaobaojing();
zhongduan=0;
}
}
}
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
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