【文章內(nèi)容簡介】 傳感器大多都是為了其它控制系統(tǒng)服務(wù)的并不能夠自主進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等工作，如果傳感器內(nèi)部可以集成某種特殊功能的芯片，就可以感器可以獨(dú)立的完成特定的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)一定程度的智能化。所以說智能化是傳感器發(fā)展的一個必然的方向。第二，傳感器功能的多樣化，在一個復(fù)雜的系統(tǒng)上可能需要很多種不同的傳感器，如果有一種傳感器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能，那么將會極大的減少有限的物理空間的占用和簡化外圍電路。那么，傳感器功能的多樣化也是一個十分有意義的研究方向。第三，為了滿足傳感器多功能的開發(fā)和智能化拓展的需要，傳感器的固態(tài)化是必要的條件 ，目前物理型傳感器因其反應(yīng)靈敏便于集成等優(yōu)點(diǎn)發(fā)展的十分迅猛。 目前傳感器產(chǎn)業(yè)將進(jìn)一步向著生產(chǎn)規(guī)?；?、專業(yè)化和自動化方向發(fā)展。隨著新型敏單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 7 感材料的加速開發(fā)和各種新技術(shù)的綜合運(yùn)用 ,同時(shí)伴隨著電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展 ,傳感器行業(yè)近幾年的發(fā)展速度較快 ,其中氣敏傳感器作為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展 的重點(diǎn)產(chǎn)品之一 ,廣泛應(yīng)用于建材、化工、建筑、環(huán)保、療、家電等領(lǐng)域 ,已獲得長足 的進(jìn)步。要體現(xiàn)在 : 第一，目前用于工業(yè)上的氣敏傳感器的主要產(chǎn)品包括可燃性氣敏傳感器、 CO、 N H 3 、 NO 等毒性氣敏傳感器、氧傳感器、溶氧傳感 器等。此外氣敏傳感器還廣泛應(yīng)用于居民家庭 ,如氣體泄漏檢測、人工嗅覺等等。第二，隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的應(yīng)用 , 氣敏傳感器的性能更趨完善 ,使傳感器的小型化、微型化和多功能化具有長期穩(wěn)定性好、 使用方便 、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。具有微處理器的氣敏傳感器實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。第三，氣敏傳感器將在充分利用微機(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、傳感技術(shù)、故障診斷技術(shù)、智能技術(shù)等多學(xué)科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。第四，生物芯片的開發(fā)和數(shù)據(jù)處理能力的提高將大大推動 “聞” 、“嘗” 、“觸”這三種感覺傳感器的發(fā)展和 性能的提高 ,從而使我們對周圍世界的認(rèn)識進(jìn)人更深的層次 ,同時(shí)也將在諸。多領(lǐng)域?yàn)槲覀兲峁┓奖愣行У墓ぞ?。第五，隨著納米技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展， 納米傳感器和藍(lán)牙傳感器將獲得巨大的發(fā)展。第六，氣敏傳感器具有十分廣闊的現(xiàn)實(shí)市場和潛在的市場需求 [14]。 傳感器的原理 傳感器是一種能夠感受被測量并按照一定的規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，它是獲取信息的重要工具，在現(xiàn)代測控系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中占有重要的地位。早在 20 世紀(jì) 30 年代人們就已發(fā)現(xiàn)金屬氧化物具有氣敏效應(yīng)，而半導(dǎo)體氣敏元件則是在 60 年代初期研制成功的，最先研制的 ZnO 薄膜元件，它是利用 ZnO 薄膜電阻接觸的可燃性氣體濃度增加而下降，實(shí)現(xiàn)對可燃性氣體檢測。繼而又發(fā)現(xiàn)在 SnO2 中添加 Pt或 Pd 等貴重金屬做增感劑能提高其靈敏度。 電化學(xué)氣體傳感器利用氣敏電極或者氣體擴(kuò)散電極等構(gòu)成一系列電池測量各種氣體含量 , 其中氣敏電極測量一些溶解在溶液中氣體的含量或者用于環(huán)境監(jiān)測 , 如 O CO SO NH HCN、 HF 等氣體 ,尤其是固體電解質(zhì)氣敏傳感器能適應(yīng)高溫、 高 壓等惡劣環(huán)境和高濃度的場合。這些氣體傳感器結(jié)構(gòu)簡單 ,選擇性好 ,而且能快速響應(yīng) , 便于自動測量和控制。 氣敏傳感器的發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)水平 在應(yīng)用方面，目前最廣泛的是可燃性氣體氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，從 工廠企業(yè)到居民家庭，應(yīng)用十分廣泛。僅以用于安全保護(hù)家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器為例，日本早在 1980 年 1 月開始實(shí)行安裝城市煤氣、液化石油氣報(bào)警器法規(guī)，1986年 5月日本通產(chǎn)省又實(shí)施了安全器具普及促進(jìn)基本方針。美國目前已有 6個州立法，單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 8 規(guī)定家庭、公寓等都要安裝 CO 報(bào)警器。報(bào)警器種類也相當(dāng)繁多，有用于一般家庭、集體住宅、飲食餐店、醫(yī)院、學(xué)校、工廠的各種氣 體報(bào)警器和系統(tǒng)，有單體分離型報(bào)警器、外部報(bào)警系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)、遮斷連動系統(tǒng)、防止中毒報(bào)警防護(hù)系統(tǒng)等。結(jié)構(gòu)型式有袖珍型便攜式、手推式、固定式報(bào)警等；工業(yè)用固定式報(bào)警又有壁掛式、臺放式、單臺監(jiān)控式、多路巡檢式等。氣體檢測技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。美國工業(yè)科學(xué)公司（ ISC）一臺攜帶式氣體監(jiān)控儀可實(shí)現(xiàn) 4 種氣體監(jiān)測，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實(shí)現(xiàn)對特定氣體監(jiān)測。美國國際傳感器技術(shù)（ IST）公司應(yīng)用一種“ MegaCas傳感器和微程序控制單元，可檢測 100 種以上毒性氣體和可燃性氣 體，通過其“氣體檢索”功能掃描，能很快確定是哪一種氣體。 國外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識增強(qiáng)，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。因此，國外氣體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)猜測，美國 1996 年 — 2020 年氣體傳感器年均增長率為（ 27～ 30）％?？偟目磥?，我國氣敏元件傳感器及其應(yīng)用技術(shù)有了較快進(jìn)展，但與國外先進(jìn)水平仍有較大的差距，主要 是產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用等方面的差距，與日本比較仍要落后 10 年。 單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 9 3．硬件設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)的過程中難免會遇到一些理論上或者是技術(shù)上的問題。例如，對知識點(diǎn)的掌握不夠透徹。這就需要再回歸參考資料，仔細(xì)琢磨，實(shí)在不懂就請教指導(dǎo)老師。再比如，制板過程中，由于操作失誤，燒壞了元器件。這要求我們必須細(xì)心地按照準(zhǔn)確的方法一步一步地完成對應(yīng)步驟，盡量避免技術(shù)錯誤。而在這之前，最好先準(zhǔn)備多幾份材料，以防萬一。由于本人知識掌握的有限，所以在設(shè)計(jì)中難免會出現(xiàn)一些紕漏。但是在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中本人一定會本著認(rèn)真、仔細(xì)的態(tài)度積極主動的去完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)的最終目的是通過單片機(jī)配合酒精傳感器完成一 臺酒精濃度檢測儀的設(shè)計(jì)與制作。期望能夠完成以下幾項(xiàng)目標(biāo)：第一，制作出功耗低、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的實(shí)物；第二，能夠精確采集到酒精濃度的信號，測量精確反映迅速；第三，可以通過 SPI端口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸通信；第四，制作出體積小便于攜帶操作簡單的酒精濃度測試儀；第五，程序設(shè)計(jì)簡單易懂，可移植性和改進(jìn)性強(qiáng)。 本設(shè)計(jì)可分為四個系統(tǒng)模塊，即 MQ3 氣敏酒精傳感器外圍電路模塊、單片機(jī) AD識別采集模塊、 SPI 端口雙機(jī)通信模塊，數(shù)碼管顯示模塊。如圖 所示，即系統(tǒng)框圖。 圖 系統(tǒng)框架圖 單片機(jī)的最小系統(tǒng) 單片機(jī)的最小系統(tǒng)是保證單片機(jī)正常運(yùn)行的基本條件，單片機(jī)的最小系統(tǒng)應(yīng)該包括電源電路、時(shí)鐘電路，復(fù)位電路。電源電路的作用是給單片機(jī)提供工作的電壓源，給單片機(jī)供電。時(shí)鐘電路，是單片機(jī)工作時(shí)的時(shí)間基準(zhǔn)，在很大程度上影響著單片機(jī)的運(yùn)行單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 10 速度，單片機(jī)在進(jìn)行程序或者指令的操作時(shí)必須要有序的進(jìn)行，必須保證時(shí)間上的先后順序以防止發(fā)生沖突。時(shí)鐘可以分為內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘兩種。復(fù)位電路可以保證單片機(jī)的初始工作狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位形式可以分為上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種形式，無論哪種的復(fù)位形式，都必須保證單片機(jī)的復(fù)位引腳上連續(xù)保持超過兩個 機(jī)器周期的高電平。如圖 所示， PIC16F877 單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖。 圖 最小系統(tǒng) AD 模塊 本設(shè)計(jì)中使用的 PIC16F877單片機(jī)集成了 A/D轉(zhuǎn)換芯片，精確度是 10位。 PIC16F877單片機(jī)擁有 8 條 A/D 轉(zhuǎn)換的通道，有很多基準(zhǔn)原可供選擇。 10 位分辨率的 A/D 轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后可以輸出數(shù)字量的范圍是 0x0000（ 0）到 0x03FF（ 1023）。要實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換的功能，主要就是對 AD 相關(guān)的寄存器進(jìn)行設(shè)置，以達(dá)到讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果寄 存器 ADRESH 和ADRESL 中的數(shù)據(jù)的目的。接下來介紹一下 AD 相關(guān)的主要寄存器。 表 寄存器 地址 寄存器 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 0x1f ADCON0 ADCS1 ADCS0 CHS2 CHS1 CHS0 GO/DONE X ADON Bit0 ADCON： A/D 轉(zhuǎn)換器開關(guān)位。 Bit0 等于 1 的時(shí)候， A/D 轉(zhuǎn)換器開始工作。 Bit0等于 0 的時(shí)候， A/D 轉(zhuǎn)換器停止工作，當(dāng)前的 A/D 轉(zhuǎn)換寄存器并不會耗費(fèi)任何的電能。Bit1 為空閑位，并不會進(jìn)行賦值，可以讀取數(shù)值并且為 0。 Bit2 GO/DONE： A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動位和狀態(tài)位，只有當(dāng) Bit 等于 1，開啟 A/D 轉(zhuǎn)換器的時(shí)候才會發(fā)揮作用。當(dāng) Bit2等于 0 的時(shí)候， A/D 轉(zhuǎn)換器當(dāng)前正在進(jìn)行工作中，并且 A/D 轉(zhuǎn)換器會開啟另一次 A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng) Bit2 等于 0 的時(shí)候，表示 A/D 轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成工作，并且由硬件進(jìn)行自動清零的工作。 Bit5： Bit3 CHS2： CHS0 ： A/D 轉(zhuǎn)換器模擬通道選擇位。分別為 0 0 0 的時(shí)候AN0 開啟，表示著這時(shí)候模擬通道 0 已經(jīng)選通。為 0 0 1 的時(shí)候 AN1 開啟， 表示著這時(shí)候模擬通道 1 已經(jīng)選通。為 0 1 0 的時(shí)候 AN2 開啟，表示著這時(shí)候模擬通道 2 已經(jīng)單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 11 被選通。為 0 1 1 的時(shí)候 AN3 開啟，表示著這時(shí)候模擬通道 3 已經(jīng)被選通。為 1 0 0 的時(shí)候 AN4 開啟，表示著這時(shí)候模擬通道 4 已經(jīng)選通。為 1 0 1 的時(shí)候 AN5 開啟，表示著這時(shí)候模擬通道 5 已經(jīng)選通。為 1 1 0 的時(shí)候 AN6 開啟，表示著這時(shí)候模擬通道 6 被選通。為 1 1 1 的時(shí)候 AN7 開啟，表示著這時(shí)候模擬通道 7 已經(jīng)選通。 Bit7 和 Bit6：ADCS1:ADCS0， A/D 轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘的選擇位。為 0 0 時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí) 鐘是單片機(jī)主頻的二分頻。為 0 1 時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘是單片機(jī)主頻的八分頻。為 1 0 時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘是單片機(jī)主頻的三十二分頻。為 1 1 時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘是 A/D 轉(zhuǎn)換器自帶的 RC 振蕩器。 表 ADCON1 寄存器 地址 寄存器 Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 0x9E ADCON1 ADFM X X X PCFG3 PCFG2 PCFG1 PCFG0 Bit3 到 Bit0 是 A/D 端口的配置維，具體的相關(guān)內(nèi)容將會在表 中詳細(xì)給出。 Bit6到 Bit4，并未使用，不需要進(jìn)行設(shè) 置。 Bit7 ADFM： A/D 轉(zhuǎn)換格式的選擇位。 ADFM 等于 1 時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存數(shù)據(jù)的低 8 位在 ADRESL 寄存器中，保存數(shù)據(jù)的高兩位在 ADRESH 寄存器當(dāng)中，并將這種保存方式稱作左對齊模式。當(dāng) ADFM 等于 0時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存數(shù)據(jù)的高 8 位在 ADRESH 寄存器中，保存數(shù)據(jù)的低兩位在 ADRESL 寄存器當(dāng)中，并將這種保存方式稱作右對齊模式。表 中給出了 A/D相關(guān)端口配置位功能的詳細(xì)信息 [5]。 表 PCFG3 PCFG0 RE2 AN7 RE1 AN6 RE0 AN5 RA5 AN4 RA3 AN3 RA2 AN2 RA1 AN1 RA0 AN0 H L 0000 A A A A A A A A Vdd Vss 0001 A A A A H A A A RA3 Vss 0010 D D D A A A A A Vdd Vss 0011 D D D A H A A A RA3 Vss 0100 D D D D A D A A Vdd Vss 0101 D D D D H D A A RA3 Vss 011x D D D D D D D D Vdd Vss 1000 A A A A H L A A