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正文內(nèi)容

便攜式酒精檢測儀的設(shè)計(編輯修改稿)

2025-01-09 14:34 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 酒精檢測儀 設(shè)計的方案比較與選擇 酒精檢測儀的 總體方案設(shè)計 設(shè)計 采用了德州儀器的 MSP430XE42X 系列 16 位 MCU,它配置有模數(shù)轉(zhuǎn)換器和液晶顯示 LCD 驅(qū)動模塊。 系統(tǒng)主要由微控制 器 (虛線框內(nèi)) 、電源、 JTAG 接口、 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、 LCD 顯示和報警 部分組成, 系統(tǒng) 原理 框圖如圖 21 所示 。 圖 21 系統(tǒng)原理框圖 電源 為整個系統(tǒng)提供能源 , 可通過微控制器對其進行電源模式的管理。 JTAG 接口主要實現(xiàn) PC 機與 MSP430 程序下載與交互調(diào)試功能。 傳感器 用于 采集 酒精濃度信息 并轉(zhuǎn)換 為電信號 。 信號調(diào)理電路 使轉(zhuǎn)換的電信號 被調(diào)整為 微控制器能夠處理 的 信號 。 MCU處理單元 控制 SD 模塊 對 該 信號 進行 模數(shù) 轉(zhuǎn)換 。 MCU 處理單元 還 進行數(shù)據(jù)的處理和存儲, 控制 LCD 驅(qū)動模塊 驅(qū)動 LCD 實現(xiàn) 酒精濃度信息的顯示 和 超過某一閾值的報警。 酒精檢測儀的器件選擇 控制器的選擇 酒精 檢測儀需要一塊單片機來控制檢測系統(tǒng)的工作,同時計算采集到的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理, 在目前應(yīng)用的主流單片機中,主要有一下幾種: 8 位: 5 AVR、 PIC, 用于小型的、簡單的控制系統(tǒng),處理速度簡慢 ,同時內(nèi)部資源不夠豐富 。 16 位: MSP4凌陽 , 用于大中 型控制系統(tǒng),如醫(yī)器械產(chǎn)品、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域,其工業(yè)性質(zhì)較強。 傳感器 SD16 模塊 信號調(diào)理 LCD 顯示 LCD 驅(qū)動 MCU處理 單元 電 源 JTAG接口 報警 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 32 位: ARM, 用于較大型的控制處理系統(tǒng),如圖像和聲音信號的處理、無線通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。 由于本系統(tǒng)考慮到 便攜式、低功耗, TI 公司的 MSP430 正是基于低功耗開發(fā)的產(chǎn)品,所以選取 TI 公司的 MSP430 作為便攜式酒精檢測儀的控制部分。 在 MSP430 系列中,考慮到功能的擴展性要求并不高,同時該系統(tǒng)需要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和液晶顯示 ,所以基于 MSP430 的 便攜式酒精檢測儀的設(shè)計 微控制器選用 TI 公司的單片機 MSP430FE427,其主要特點如下:豐富的內(nèi)部資源 32KB+256B 的 Flash, 1KB的 RAM; 低電源電壓范圍 ;超低功耗, 五種省電模式從待機到喚醒模式響應(yīng)時間不超過 6181。S; 頻率鎖相環(huán) FLL+; 16 位精簡指令系統(tǒng),指令周期 125ns; 帶有 3 個捕獲 /比較寄存器的 16 位定時器( Timer_A) ; 集成 128 段 LCD 驅(qū)動器 ; 帶可編程電平檢測的電源電壓管理 /監(jiān)控 ; 串行在線可編程,無需外部編程電壓 ; 可編程的安全熔絲代碼保護措施 ; FLASH 器件有自舉裝載程序 ; 64 腳方形扁平封裝( QFP) ; JTAG 接口 。 顯示模塊器件的選擇 單片機應(yīng)用中,顯示器可以反映系統(tǒng)工作 狀態(tài) 和運行 結(jié)果 ,是人 機 對話的 重要 輸出設(shè)備, 因此顯示是一個不可缺少的部分 。 常用的顯示有 LED 和 LCD。 LED 顯示的硬件電路設(shè)計簡單、價格便宜, 但是體積大,在便攜式儀器很少使用。 LCD 從顯示方式上 主要有段式、字符型和圖形液晶三種 。 字符型與圖形液晶使用簡單,顯示靈活,自帶驅(qū)動,體積較大 , 軟件設(shè)計較復(fù)雜,需要提供 5V電壓;段式液晶使用簡單,體積小,需要 LCD 驅(qū)動 電路 ,編程設(shè)計方法相對簡單 。 MSP430FE427 單片機內(nèi)部 集成 LCD 驅(qū)動模塊 , LCD 驅(qū)動器產(chǎn)生驅(qū)動液晶顯示器的段信號和公共端信號。 LCD 控制器具有專用數(shù)據(jù)存儲器保持段驅(qū)動信息。公共信號和段信號按照定義的模式產(chǎn)生。外圍模塊支持靜態(tài)、二偏置、三偏置和四偏置電壓模式。 因此,本設(shè)計中 顯示部分采用段式液晶( T218010),它具有體積小、功耗低等特點, 可以顯示 7 個字符,工作電壓為 3V, 在顯示不復(fù)雜的便攜式儀器中具有很強的實用性。 傳感器的選擇 目前應(yīng)用較廣泛的酒精濃度傳感器有一下幾種: ( 1) MQ3:高靈敏度,外形小巧,工作電壓較高; ( 2) SB30:高靈敏度,反 應(yīng)時間快,測量濃度范圍較?。? 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 ( 3) TP3C:快速響應(yīng)恢復(fù),優(yōu)異的穩(wěn)定性,溫濕度影響小,低功耗,脈沖供電,供電方式復(fù)雜; ( 4) MR513: 高靈敏度,大信號輸出;初期穩(wěn)定時間短,響應(yīng)速度快;良好的重復(fù)性,工作穩(wěn)定可靠;功耗低,微型化設(shè)計。 工作電壓合適,能達到測試濃度所需范圍。 MR513 的優(yōu)點使其被廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)現(xiàn)場的便攜式酒精探測器和汽車點火控制系統(tǒng)等。 綜上所述,選擇 MR513 作為傳感器檢測探頭, 實物圖如圖 22 所示。 圖 22 傳感器 MR513 實物圖 小結(jié) 本章介紹了酒精檢測儀設(shè)計 總 體 方案的 設(shè)計以及器件的 比較與選擇。 主要介紹微控制器的 特點和 選擇 、液晶顯示和傳感器的 比較和 選擇。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 第 3 章 酒精濃度信息檢測原理 酒精濃度信息檢測原理 MR513 型氣敏元件通過氣體吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面而產(chǎn)生熱傳導(dǎo)變化及電傳導(dǎo)變化的原理,由白金線圈電阻值變化測定氣體濃度。 MR513 由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂,遇可燃性氣體時檢測元件電阻 ( 2R ) 減少,橋路輸出電壓變化,該電壓變化隨氣體濃度增大而成比例增大,補償元件 ( 1R ) 起參數(shù)比及溫度補償作用 ,如圖 31 所示 。 圖 31 橋路輸出電路 當(dāng)負載趨于 ∞時,電橋的輸出電壓 OU 應(yīng)為 : 3111 1 2 2 3 4()ORRRUE R R R R R R????? ? ? ? ? ? ( 式 31) 若 12RR? ?? , 12RR? , 34RR? ,則得 1112O RUER?? ( 式 32) 由式( 32)可知, OU 與 11RR? 成線形關(guān)系,電橋無非線性誤 差 。 OU 11RR?? B E 22RR?? A D C 4R 3R 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 酒精傳感器 信號 輸出 模塊 本設(shè)計中,根據(jù)酒精濃度信息檢測原理采用 板橋差動電路作為 基本測試電路 , 如圖32 所示。 其中 D、 C 為傳感器 MR513 引腳的標(biāo)識。 圖 31 酒精傳感器基本測試電路 小結(jié) 本章 詳細 介紹了酒精檢濃度信息 的 檢測原理 ,橋路輸出電壓的推導(dǎo)過程, 以及酒精傳感器的基本測試電路 。 傳感器 輸出 供 電電壓 D C 1R 2R 500? 2K? 2K? 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 第 4 章 酒精檢測儀的硬件設(shè)計 硬件設(shè)計工具平臺簡介 Altium Designer 產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的一個新版本,是業(yè)界第一款,而且是惟一完整的板級設(shè)計解決方案 。 是業(yè)界首例設(shè)計流程、集成化 PCB 設(shè)計、可編程器件(如 FPGA)設(shè)計和基于處理器設(shè)計的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在一起的產(chǎn)品,一種同時進行 PCB 和 FPGA 設(shè)計以及嵌入式設(shè)計的解決方案,具有將設(shè)計方案從概念轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K成品所需的全部功能。 Altium Designer Protel 2021 在內(nèi)的先前一系列版本的功能和優(yōu)點以外,還增加了許多高端功能。 Altium Designer 拓寬了板級設(shè)計的傳統(tǒng)界限,全面集成 FPGA 設(shè)計功能和 SOPC 設(shè)計實現(xiàn)功能,從而允許工程師能將系統(tǒng)設(shè)計中的FPGA 與 PCB 設(shè)計以及嵌入式設(shè)計集成在一起。 它 是一款 Windows NT/XP 的電子設(shè)計系統(tǒng) ,主要由以下四大部分組成 。 ( 1)原理圖設(shè)計系統(tǒng)( schematics):它主要用于電路原理圖的設(shè)計,為印制電路板的制作進行前期的準(zhǔn)備工作,主要表現(xiàn)了電路的原理連接,相對比較直觀。 ( 2)印制電路板 設(shè)計 系統(tǒng)( PCB):這部分系統(tǒng)則主要用于印制電路板的設(shè)計, 印制電路板的生產(chǎn)車間就是根據(jù)由它生成的 PCB 文件進行 PCB 板的生成的。 ( 3) FPGA 系統(tǒng): 用戶可以用它進行可編程邏輯器件的設(shè)計。 將設(shè)計完成之后的熔絲文件燒錄到邏輯器件中,就可以制作具備特定功能的元器件了。 ( 4) VHDL 系統(tǒng):主要用來進行硬件的編程工作。 本課題 使用 Altium Designer 設(shè)計印刷電路 。 首先設(shè)計原理圖, 電路 原理圖 的設(shè)計很關(guān)鍵 ,只有原理圖 編譯 完全 通過 后才能生成正確 的 PCB。 然后設(shè)計 PCB,需要將原理圖和新建的 PCB 放置在同一個工程中才能將原理圖導(dǎo)入到 PCB 中。 在設(shè)計中需要注意一下幾點: ( 1) 原理圖設(shè)計中 : 放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽處 要確保 連 接正確 ,保證電氣連接正確 ; 每一個元 器件在原理圖上的名稱不要隨便刪除。 ( 2) PCB 設(shè)計中: 元器件盡量按模塊(相同功能的)集中在一處; 晶振盡量靠近主芯片, 接口盡量靠西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 邊,能集中一邊最好; 正反面布線, 能走粗線,盡量走粗線, 晶振中間不要走線, 插件封裝的盡量集中在一面 ,淚滴等技術(shù)處理; 元器件封裝正確, 總體美觀大方。 MSP430 核心小系統(tǒng)的硬件設(shè)計 電源電路設(shè)計 MSP430FEX系列混合信號微控制器采用 - , 本系統(tǒng) 顯示部分、傳感器部分、報警部分都 設(shè)計用 3V或者 電源 實現(xiàn)供電 ,為了實現(xiàn)便攜式采用電 池供電和 USB 供電兩種方式,通過開關(guān)對其進行切換。 ( 1)電池電源 由 紐扣電池經(jīng)濾波輸出 3V電壓 。這種方法實現(xiàn)比較簡單,電壓、電流容易穩(wěn)定。 ( 2) USB 電源 考慮到設(shè)計的便攜式,需將其盡量小型化 。 采用 MiniUSB 接口 直接由 電腦引出 5V電源 經(jīng)過 穩(wěn)壓芯片(如 AMS1117)實現(xiàn) 電源 輸出, 可以 這種方法實現(xiàn)方便、簡單。實現(xiàn)電路如圖 41 所示。 D110KR1012P3POWERC610uFC7GNDGND1OUT2IN3U2 AMS1117470uFC8220uFC14100nFC12231S2VCC+5vGNDGNDGNDGND 圖 41 電源電路設(shè)計 圖 41 中, 該電源點亮發(fā)光二極管指示電源工作 狀態(tài) , C C7 進行濾波,使 輸出電壓工作穩(wěn)定。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 復(fù)位電路的設(shè)計 復(fù)位 電路利用 RC 充電原理實現(xiàn)。 當(dāng) CCV 開始上電時,電容 C 兩端等電位,則復(fù)位信號保持低電平;隨著 CCV 對電容 C 的充電,當(dāng)電容上極板的電壓到達 RST/NMI 的閾值電壓時,復(fù)位信號隨即輸出高電平,復(fù)位過程結(jié)束。 充電周期為 T=RC, T 一般選為單片機的電平復(fù)位時間的 3~5 倍,經(jīng)驗值一般為 R=100k? , C=100nF。 復(fù)位電路設(shè)計如圖 42 所示。 100KR14100nFC15VCCS3RESETGND 圖 42 復(fù)位電路 時鐘電路的設(shè)計 MSP430 系列 單片機的時鐘模塊由高速晶體振蕩器、低速晶體振蕩器、數(shù)字控制振蕩器 DCO、鎖相環(huán) FLL 以及鎖頻環(huán)增強版本 FLL+等部分組成 , 不同系列單片機所包含的時鐘模塊不完全相同 。在 MSP430FE427 中,只需低速晶體振蕩器即可 。其設(shè)計電路如圖 43 所示。 圖 43 時鐘電路的設(shè)計 本設(shè)計采用 32768Hz 低頻模式, 32768Hz 晶振通過 XIN 和 XOUT 兩個引腳連接,所有保證工作穩(wěn)定的元件和移相電容都集成在芯片中,這樣可降低系統(tǒng)成本和系統(tǒng)功耗。 XIN 和 XOUT 兩個引腳外接 10pF 電容 , 與片內(nèi) 放大器 構(gòu)成 一個振蕩器 ,它提供單片機的時鐘控制信號 。 LCD 顯示電路的設(shè)計 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 由于 MSP430FE427 單片機內(nèi)部集成 128 段 LCD 驅(qū)動器, LCD 段輸出引腳共 32 個,S24~S31 作為復(fù)用端口, LCD 公共輸出端 4 個。 顯示電路設(shè)計如圖 44 所示。 本設(shè)計用的 T218010 段式液晶作為顯示輸出 , 共 60 段, 驅(qū)動電壓是 大小 為 3
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