【正文】 (3)設(shè)計(jì)方案細(xì)化，確定軟硬件功能。在確定人員分工、安排工作進(jìn)度、規(guī)定接口參數(shù)后，就比須考慮硬件軟件的具體問(wèn)題了。 硬件系統(tǒng)框圖 基于 AT89S51 單片機(jī)用 MQ3 型氣體傳感器實(shí)現(xiàn)酒精氣體濃度的檢測(cè)，需要信號(hào)采集模塊用于對(duì)酒精濃度信號(hào)的采集，該信號(hào)是通過(guò) MQ3 氣體傳感器和負(fù)載電壓得到分壓電信號(hào)。根據(jù)各功能模塊的設(shè)計(jì)，可得到它的 系統(tǒng)總框圖，如圖 1所示。 CO氣敏元件可用于工業(yè)生 產(chǎn)、環(huán)保、汽車、家庭等 CO 泄露和不完全燃燒檢測(cè)報(bào)警； H2氣敏元件除應(yīng)用于工業(yè)等領(lǐng)域外，主要用于家庭管道煤氣泄露報(bào)警。 傳感器的分類方式有很多種，以上是根據(jù)被檢測(cè)氣體的性質(zhì)進(jìn)行的分類，也有根據(jù)元件的物理特性進(jìn)行分類的。 （ 4）在一些應(yīng)用中，與其它安全系統(tǒng)和儀器的接口。 MQ3型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物（二氧化錫）的 N型半導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。 圖 3 MQ3靈敏度特性曲線 檢測(cè)電路如 圖 4 所示， 當(dāng)電源開關(guān) S 斷開時(shí)，傳感器加熱電流為零，實(shí)測(cè) A， B 之間電阻大于 20MΩ 。移開小瓶過(guò) 1分鐘左右后， A， B之間電阻恢復(fù)至大于 120KΩ 。 MQ3 的加熱電阻兩端即 H引腳接至 +5V 直流穩(wěn)壓電源，用于電阻絲對(duì)敏感體電阻的加熱。 MQ3 型氣敏傳感器與電位器串聯(lián)構(gòu)成分壓電路，采樣點(diǎn)為電位器的分壓。 當(dāng)氣敏傳感器的敏感體電阻阻值發(fā)生改變時(shí)，對(duì)應(yīng)的電位器的分壓值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的 變化，即一個(gè)電壓值對(duì)應(yīng)著一個(gè)被測(cè)酒精氣體濃度。應(yīng)為實(shí)驗(yàn)所用的 MQ3 在預(yù)熱 5 到 10 分鐘后，它的敏感體電阻只有 120KΩ ，所以負(fù)載電阻選用兩個(gè) 270Ω 并聯(lián)，構(gòu)成采樣部分的分壓電阻。 AT89S51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含 4K 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。 AT89S51 芯片有 40條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 6 所示。 XTAL1：輸入到單片機(jī)內(nèi)部振蕩器的反相放大器。 P1 口： 8位、準(zhǔn)雙向 I/O 口。 P3 口： 8位、準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電路，提供各種替代功能。 EA /VCC：片外程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許信號(hào)，低電平有效。 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括電源，晶振和復(fù)位電路三個(gè)部分。 對(duì)于電源部分，技術(shù)資料中性能參數(shù)里給出的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓是 ～ 。如圖 8所示，石英晶體及電容 C1 和 C2接在放大器的反饋 回路中構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。10pF ，使用陶瓷諧振器推薦電容容量為 40pF177。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，可以按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)，所以復(fù)位電路的設(shè)計(jì)很有必要。 14 圖 7 AT89S51 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路 ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 8所示，它由 8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8位開關(guān)樹型 A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。下面說(shuō)明各引腳功 15 能。如 表 1所示 。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 REF（ +）、 REF（ ）：基準(zhǔn)電壓。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。當(dāng) OE 輸 入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 ALE 端信號(hào)的頻率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的 1/6。由于 ALE 和 START 連在一起， ADC0809 在鎖存通道地址的同時(shí)啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換。單片機(jī)引腳 與 進(jìn)過(guò)或非門后于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的 ALE 端和 START 端子用導(dǎo)線相連接，用于對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片寫入數(shù)據(jù)的寫信號(hào)。把模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的 A2﹑ A1﹑ A0 端分別用導(dǎo)線連接到地址鎖存器的低三位，用于選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換的通道。 圖 10 ADC0809 與單片機(jī) AT89S51 接口電路 發(fā)光二極管顯示報(bào)警電路 發(fā)光二極管集成驅(qū)動(dòng)芯片 LM3914 的管腳圖如圖 11所示。為了驅(qū)動(dòng) LED1 發(fā)光，集成電路 LM3914 的 1 腳輸出應(yīng)該為低電平，因此要求電壓比較器異相（ ）端的輸入電壓應(yīng)大于 。 18 圖 11 LM3914 管腳圖 如圖 12 所示， LM3914 的 3和 9引腳接電源正極，使發(fā)光二極管成柱狀顯示， 7和 8引腳接一個(gè) 2K的電阻，控制發(fā)光二極管的亮度， 5引腳為采樣信號(hào)的輸入端， 10 到 18引腳和 1 引腳分別接發(fā)光二極管的負(fù)極端， 4 和 2 引腳與發(fā)光二極管的正極間接一個(gè)10μF 的電容，作為發(fā)光二極管的虛電源，驅(qū)動(dòng)要反光的二極管點(diǎn)亮。 圖 12 發(fā)光二極管顯示 19 數(shù)碼管顯示電路 發(fā)光二極管一般是砷化鎵半導(dǎo)體二極管，在發(fā)放光二極管兩端加上正向電壓，則發(fā)光二極管發(fā)光。如圖 13 所示。這兩種顯示方式各有利弊；靜 態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的 CPU 時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的硬件較多；動(dòng)態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的 CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。移位寄存器在電路中一是驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管點(diǎn)亮，二是對(duì)輸入的串行數(shù)據(jù)并行輸出，起到串并轉(zhuǎn)換的作用。 20 圖 14 數(shù)碼管顯示電路 系統(tǒng)整體電路圖 信號(hào)采樣模塊電路的輸出接到發(fā)光二極管顯示 LM3914 的輸入端，同時(shí)也將采樣信號(hào)輸出端接至 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的輸入端，再加上單片機(jī)最小系統(tǒng) 電路、單片機(jī)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的連接和單片機(jī)與數(shù)碼管顯示的連接，即可作出它的整體電路圖，如圖 15所示。 對(duì)于 8051 系列單片機(jī)，現(xiàn)有四種語(yǔ)言支持，即匯編、 PL/M、 C 和 BASIC。所以單片機(jī)在啟動(dòng)測(cè)試模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片之前要選擇通道 0，寫入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，并將用 作查詢的單片機(jī)引腳 置位，然后啟動(dòng)對(duì)通道 IN0 端輸入的采集電壓信號(hào)作模數(shù)轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換的結(jié)束。程序流程圖如圖 16 所示。于是，對(duì)于程序的初始化程序代碼可以相應(yīng)寫出。模擬電壓的輸入端接在模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的 IN0 通道，再根據(jù)單片機(jī)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的連接，單片機(jī)在選擇讀寫地址時(shí)應(yīng)該為 7FF8H。 ADC0809 中模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出標(biāo)志位是 EOC，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平有效。 TEST:MOV DPTR,7FF8H SETB MOVX DPTR,A JB ,$ MOVX A,DPTR RET 把轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字電壓值讀取到單片機(jī)后，因?yàn)?實(shí)際的電壓值范圍在 0～ +5V 之間，而 ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)應(yīng)的是 8位精度的處理，即從 00000000B 到 11111111B，所以單片機(jī)還要對(duì)它作個(gè)除 51 的處理工作。相除后對(duì)應(yīng)的每一位分別送到地址為 7DH， 7EH， 7FH 的存儲(chǔ)單元保存，以供顯示或后續(xù)處理用。即首先，單片機(jī)要對(duì)采集到 的數(shù)據(jù)在哪個(gè)區(qū)間作個(gè)判斷跳轉(zhuǎn)，然后再根據(jù)該區(qū)間的線性關(guān)系作轉(zhuǎn)換，得到對(duì)應(yīng)的酒精濃度值。單片機(jī)對(duì)每次移出的位通過(guò) 輸入到移位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，移位寄存器的時(shí)鐘脈沖通過(guò)單片機(jī) 模擬的時(shí)鐘信號(hào)提供。除法運(yùn)算是按位進(jìn)行的，每一位是一個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)中要作三件事，一是被除數(shù)左移一位，二是余數(shù)減除數(shù)，最后根據(jù)是否減來(lái)置商位為 1 或 0。打開實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái) MedWin單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境，在 MedWin軟件代碼編輯器編輯程序代碼，經(jīng)匯編，修改，產(chǎn)生代碼。 打開 MedWin 軟件，將寫好的調(diào)試程序代碼在計(jì)算機(jī)上輸入、匯編、修改、產(chǎn)生代碼，形成輸入輸出口實(shí)驗(yàn) .HEX 文件。先把氣體傳感器探頭用一個(gè)阻值為 20kΩ的電阻替代，復(fù)位單片機(jī)，觀察數(shù)碼管上的顯示數(shù)據(jù)和發(fā)光二極管的點(diǎn)亮情況。測(cè)量數(shù)據(jù)與數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)基本一致，說(shuō)明電路數(shù)碼管顯示部分連接正確。當(dāng)把不同濃度的酒精溶液樣品靠接氣敏傳感器時(shí)，各自對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的數(shù)據(jù)顯示，說(shuō)明整體電路已經(jīng)完全正確。 圖 17 調(diào)試電路圖 30 濃度與顯示之間的關(guān)系 傳感器的定標(biāo) 在系統(tǒng)電路調(diào)試正確以后，要作改進(jìn)工作，使數(shù)碼管上正確顯示所測(cè)的酒精氣體濃度值。根據(jù)曲線圖的走向可以看出傳感器的酒精濃度檢測(cè)大致范圍，然后根據(jù)這個(gè)范圍選擇 7 個(gè)合適的濃度值，多次測(cè)量電壓值，再取平均值作為最后電壓值，把 6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間范圍定下來(lái)，如表 3所示。根據(jù)編寫的數(shù)據(jù)處理程序，數(shù)碼管最終顯示的是酒精濃度值小數(shù)部分的前 3 位數(shù)字。因此，對(duì)設(shè)計(jì)的傳感器可以在定標(biāo)上作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，就可以 用于檢測(cè)酒后駕車。當(dāng)傳感器的敏感部分吸附有酒精分子時(shí)，表面的導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而其表面電阻會(huì)隨著被測(cè)酒精氣體濃度的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化，且這種變化是可逆的，可重復(fù)使用。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)由單片機(jī)作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，得到 3 位 BCD 碼并將 3位送送數(shù)碼管顯示。當(dāng)駕駛者按下遙控器上的開門按鈕，酒精 探測(cè)儀 也隨之啟動(dòng)，然后駕駛者對(duì)著小管口吹氣， 酒精濃度 會(huì)經(jīng)由感應(yīng)器上的小綠燈或小紅燈顯示出來(lái) 。 33 參考文獻(xiàn) [1] 司士輝．生物傳感器 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The program permits citizens from 51 countries and regions including the United States, Australia, Canada and Japan who have valid visas and flight tickets to a third country to spend three days in the city. The capital of Sichuan province is the first city in the western region of China to offer foreign tourists a threeday visa and the fourth nationwide to adopt the policy following Shanghai, Beijing and Guangzhou. Li Zhiyong, deputy dean of the tourism institute at Sichuan University, said the move contribute