【文章內(nèi)容簡介】 51 單片機如圖 21 所示。如果按功能劃分，它由如下部件組成。中央處理器 CPU：8 位，運算和控制功能。內(nèi)部 RAM：共 256 個 RAM 單元，用戶使用前 128 個單元，用于存放可讀寫數(shù)據(jù)，后 128 個單元被專用寄存器占用。內(nèi)部 ROM：4KB 掩膜 ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)和表格。定時/計數(shù)器：兩個 16 位的定時/計數(shù)器，實現(xiàn)定時或計數(shù)功能。并行 I/O 口：4 個 8 位的 I/O 口 P0、PP2 、P3。串行口：一個全雙工串行口。中斷控制系統(tǒng)：5 個中斷源（外中斷 2 個，定時/計數(shù)中斷 2 個，串行中斷 1個） 。時鐘電路：可產(chǎn)生時鐘脈沖序列，允許晶振頻率 6MHZ 和 12MHZ。振蕩器及時序8052CPU串行口定時計數(shù)器擴展控制器 I/O 口RAMROM中斷外部計數(shù)器外時鐘源控制 串行通信并行口 圖 31 80C52 單片機功能結(jié)構(gòu)框圖單片機有一個 8 位的 CPU，與通用的 CPU 基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向?qū)ο蟮奶幚砟芰Γ粌H可以處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進行位變量的處理。例如：位處理、查表、狀態(tài)檢測、中斷處理等。數(shù)據(jù)處理器，片內(nèi) 128B（52 子系列的為 256B） ，片外最多可擴展 64KB。數(shù)據(jù)處理器用來存儲單片機運行期間的工作變量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文）23等。程序存儲器（ROM、EPROM ）用來存儲程序，片內(nèi)程序存儲器容量不夠可進行片外擴展。單片機中斷系統(tǒng)具有五個中斷源，兩級中斷優(yōu)先權(quán)，片內(nèi)有兩個16 位定時器計數(shù)器，一個全雙工串行口，都具有有 4 種工作方式。四個準雙向I/O 口有 P0、P1 、P2 、P3 和特殊功能寄存器 SFR[6]。掌握單片機，首先要了解單片機的引腳。80C51 單片機一般采用雙列直插DIP 封裝，共 40 個引腳。40 個引腳按功能大致可分為 4 類：電源、時鐘、控制和 I/O 引腳 [4]。P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2 口送出高八位地址。在這種應用中，P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。在 flash 編程和校驗時，P2口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。P3 口： P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P3 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3 口亦作為 STC12C5A32AD 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 flash 編程和校驗時， P3 口也接收一些控制信號。如下表為 P3 口第二功能：：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存/ALEPROG低 8 位地址的輸出脈沖。在 flash 編程時，此引腳（ ）也用作編程輸入脈PROG沖。在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE 脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位置“1”，ALE 操作將無效。這一位置“1”，ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC 指令時有效。否則 ALE將被微弱拉高。這個 ALE 使能標志位（地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。表 31 P3 口第二功能引腳號 第二功能 RXD（串行輸入） TXD（串行輸出）東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文）24 INT0（非） （外部中斷 0） INT1（非） （外部中斷 1） T0（定時器 0 外部輸入） T1（定時器 1 外部輸入）（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）WR（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）D 單片機引腳接口STC89C52 單片機作為控制核心，通過 P0 口來實現(xiàn)液晶顯示的功能。單片機的 I/O 口控制圖 [5]如下圖 32 所示：圖 32 STC89C52 的接口控制圖、 和 用于控制 ADC0804 的工作，P1 口用于連接外部存儲芯片ADC0804， ， 口為外部中斷控制口，由它來控制酒精閾值的設定，P1 口的輸出為酒精傳感器的數(shù)字電壓信號，可以根據(jù)乙醇氣體濃度直接輸出報警信號，P1 口為酒精傳感器的檢測電壓信號，經(jīng) ADC0804 將電壓信號轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字量傳給單片機， 口為蜂鳴器的控制端， 口為高于設定閾值時的燈光報警。東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文）25 酒精濃度檢測的設計酒精濃度的準確檢測是決定該設計成功與否的關鍵因素，而酒精的檢測依靠酒精傳感器來實現(xiàn)信號的采集。在本設計中選用靈敏度高、穩(wěn)定性好的 MQ3 氣敏傳感器，該傳感器對乙醇蒸汽有很高的靈敏度和良好的選擇性，快速的響應和恢復特性，長期的壽命和可靠的穩(wěn)定性，以及簡單的驅(qū)動電路。它的工作原理是在確定的環(huán)境條件下，環(huán)境中的酒精濃度變化將會引起電阻值的變化，且這兩種變化存在著線性關系。 MQ3 氣敏傳感器的外形 機構(gòu)圖MQ3 氣敏元件的外形如圖 33 所示：圖 33 MQ3 氣敏元件結(jié)構(gòu)外形圖在上圖中，由微型 AL2O3 陶瓷管、SnO 2 敏感層，測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔管內(nèi)，加熱器為敏感元件提供必要的工作條件 [10]。封裝好的氣敏元件有 6 只針狀管腳，其中 2 只用于信號提取，4 只用于提供加熱電流。東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文）26 MQ3 靈敏度特性曲線圖 34 MQ3 氣敏元件的靈敏度特性曲線在圖 34 中給出了 MQ3 氣敏元件的靈敏度曲線，其中：溫度 20℃；相對濕度：65% ；氧氣濃度：21%； RL：200K；Rs：氣敏元件在不同氣體、不同濃度時的電阻值；R 0：氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值。 MQ3 標準工作條件和環(huán)境條件為了更好地使用酒精傳感器 MQ3，現(xiàn)將 MQ3 的標準工作條件和環(huán)境條件 [9]進行介紹，分別如表 34 和表 35 所示：表 32 工作條件符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注VC 回路電壓 ≤15V AC or DCVH 加熱電壓 177。 AC or DCRL 負載電阻 可調(diào)RH 加熱電阻 31Ω177。3Ω 室溫東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文）27PH 加熱功耗 ≤900mW表 33 環(huán)境條件符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注Tao 使用溫度 10℃~50℃Tas 儲存溫度 20℃~70℃RH 相對濕度 ＜95%RHO2 氧氣濃度 21%（標準條件）氧氣濃度會影響靈敏度特性 最小值大于 2% 酒精濃度信號的采集詳細的酒精濃度采集電路見下圖 35 所示：圖 35 酒精濃度采集電路在上圖中傳感器將環(huán)境中的酒精濃度轉(zhuǎn)化電壓信號，輸出引腳直接輸出電壓信號模擬量，該模擬量將送到模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過單片機控制最終得出環(huán)境中酒精的含量，同時可以通過對電位器的調(diào)節(jié)來改變輸出的靈敏度。 酒精檢測的原理當具有 N 型導電性的氧化物暴露在大氣中時，會由于氧氣的吸附而減少其內(nèi)部的電子數(shù)量而使其電阻增大。其后如果大氣中存在某種特定的還原性氣體，它將與吸附的氧氣反應,從而使氧化物內(nèi)的電子數(shù)增加，導致氧化物電阻減小。半導體氧化物傳感器就是通過該阻值的變化來分析氣體濃度。 酒精傳感器的外接電路酒精傳感器 MQ3 的外接電路 [10]如圖 36 所示：東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文）28圖 36 傳感器的接口電路酒精傳感器 MQ3 的 3 引腳接電源高電平，5 引腳接地，6 引腳接ADC0804 的 6 引腳，ADC0804 的數(shù)據(jù)引腳接單片機的 P1 口相連接。酒精傳感器檢測到的酒精濃度由 6 引腳輸入到單片機，在 ADC0804 內(nèi)部完成 A/D 轉(zhuǎn)換后，經(jīng)單片機進行數(shù)據(jù)處理在 LCD 顯示器中顯示出酒精濃度。 按鍵設定閾值及閾值存儲電路的設計 獨立按鍵按鍵電路為了適應對不同環(huán)境中酒精濃度的檢測和監(jiān)控，必須調(diào)整該儀器的酒精濃度閾值以符合既定的工作要求。同時為了節(jié)省硬件資源的消耗，于是在此通過外部中斷的按鍵操作來改變酒精濃度的不同閾值，獨立按鍵電路見下圖 37 所示：圖 37 外部中斷按鍵電路東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文）29當按下開關 S2 鍵時進入報警限設置狀態(tài)，按下開關 S3 酒精濃度閾值加 1，按下開關 S4 酒精濃度閾值減 1，按下 S5 鍵確定報警限設置，這樣的設計可以滿足該系統(tǒng)在不同檢測環(huán)境中的應用條件，也可按增加了可用本系統(tǒng)檢測酒精濃度使用的環(huán)境，在未來的社會生活中更具有競爭力。 A/D 轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的功能是將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量，是架起模擬系統(tǒng)跟數(shù)字系統(tǒng)之間連接的橋梁。對于本系統(tǒng)而言，就是用于快速、高精度地對輸入的酒精濃度信號進行采樣編碼，將其轉(zhuǎn)換成單片機所能夠處理的數(shù)字量。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是本系統(tǒng)的關鍵部分，其性能的好壞直接影響整個系統(tǒng)的質(zhì)量。模數(shù)轉(zhuǎn)換采用ADC0804,對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。ADC0804有20個引腳，其中1118管腳為數(shù)字信號輸出端，與單片機P1口相連；cs為片選端，當cs接低電平時ADC0804開始工作，當WR變?yōu)榈碗娖皆偬優(yōu)楦唠娖胶髥覣/D轉(zhuǎn)換，當RD由低電平跳變?yōu)榈碗娖綍r，單片機讀走 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號。CLK 為時鐘輸入信號線, 因 ADC0804 的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為 500KHZ，VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。INTR 為中斷控制信號，接單片機外部中斷端口，當A/D 轉(zhuǎn)換完后向單片機發(fā)出中斷信號，等待讀走數(shù)字信號，INTR 也空可置不接，因為當啟動 A/D 后一段時間后模數(shù)轉(zhuǎn)換完后，等待一段時間后單片機也可以讀走數(shù)字量。圖 38 ADC0804 存儲電路東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文）30 液晶接口電路的設計LCD 技術(shù)是把液晶灌入兩個列有細槽的平面之間。這兩個平面上的槽互相垂直(相交成 90 度) 。也就是說，若一個平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子東西向排列，而位于兩個平面之間的分子被強迫進入一種 90 度扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經(jīng)過液晶時也被扭轉(zhuǎn) 90 度。但當液晶上加一個電壓時，分子便會重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發(fā)生任何扭轉(zhuǎn)。LCD 正是由這樣兩個相互垂直的極化濾光器構(gòu)成，所以在正常情況下應該阻斷所有試圖穿透的光線。但是，由于兩個濾光器之間充滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個濾光器后，會被液晶分子扭轉(zhuǎn) 90 度，最后從第二個濾光器中穿出。另一方面，若為液晶加一個電壓，分子又會重新排列并完全平行，使光線不再扭轉(zhuǎn)，所以正好被第二個濾光器擋住?？傊?，加電將光線阻斷，不加電則使光線射出。然而，可以改變 LCD 中的液晶排列，使光線在加電時射出，而不加電時被阻斷。但由于計算機屏幕幾乎總是亮著的，所以只有“加電將光線阻斷”的方案才能達到最省電的目的。 酒精濃度的顯示采用 1602 液晶 [6]，LCD1602 可顯示兩行英文字符，且內(nèi)帶ASCII 字符庫。LCD1602 模塊內(nèi)部可完成顯示掃描，單片機只要向 LCD1602 發(fā)送命令和顯示內(nèi)容的 ASCII 碼。具體的接口電路見圖 39 所示：圖 39 液晶接口電路圖控制信號 RS、R/W 和 E 分別由單片機 、GND、 口實現(xiàn)，要顯示的信息通過 P0 口實現(xiàn)。 聲光報警電路的設計當酒精濃度超過所設定標準時，通過控制單片機的 口的電平來實現(xiàn)聲音警報功能，通過控制單片機 口的電平來實現(xiàn)發(fā)光報警。其蜂鳴器驅(qū)動電路 [7]東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文）31見圖 310 所示：圖 310 聲音報警電路如上圖所示，酒精濃度超過設定的閾值時，給單片機的 口低電平，則三極管導通，同時蜂鳴器工作，發(fā)出聲音報警。否則，單片機的 口維持在高電平，三極管截止，蜂鳴器不工作。如上圖所示，當酒精濃度超過設定的閾值時，單片機使 口變?yōu)榈碗娖?，L2 warn1 發(fā)光