【正文】 計(jì)了用于測(cè)量酒精濃度的探測(cè)儀，主要研究工作包括以下 3個(gè)方面。 (2)軟件方面，標(biāo)準(zhǔn)的確定是該部分要做的主要工作。通過多個(gè)樣品的測(cè)量確定多個(gè)濃度區(qū)間的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，并將每個(gè)區(qū)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系近似線性化處理，然后通過軟件編程的方法來實(shí)現(xiàn)。一是外界環(huán)境流動(dòng)空氣對(duì)傳感器的影響和對(duì)氣體樣品的稀釋，二是樣品的穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量帶來的誤差，三是水蒸氣對(duì)測(cè)量的影響。 測(cè)量樣品時(shí)，將探頭盡量放入塑料瓶?jī)?nèi)，可以在一定程度上消除流動(dòng)空氣的影響，同時(shí)應(yīng)選擇空氣流動(dòng)較小的室內(nèi)環(huán)境來測(cè)量。用相同容量的塑料瓶配制好不同濃度的酒精溶液后，將它密封并放置一段時(shí)間，待其穩(wěn)定后再測(cè)量。 10 2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)開發(fā)流程 (1)可行性調(diào)研。進(jìn)行這方面的工作，可參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料，看是否有人進(jìn)行過類似的工作。 (2)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。工作的重點(diǎn)應(yīng)放在該項(xiàng)目的技術(shù)難度上，此時(shí)可參考這一方面更詳細(xì)、更具體的資料，根據(jù)系統(tǒng)的不同部分和要實(shí)現(xiàn)的功能，參考國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能，提出合理而可行的技術(shù)指標(biāo)，編寫出設(shè)計(jì)任務(wù)書，從而完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 。一旦總體方案確定下來，下一步的工作就是將該項(xiàng)目細(xì)化，即需明確哪些部分用硬件來完成，哪些部分用軟件來完成。在確定軟硬件功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者的工作 就開始涉及到具體的問題，如儀器的體積及與具體技術(shù)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案，軟件的總體規(guī)劃等。 (4)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)研、總體設(shè)計(jì)、硬件軟件設(shè)計(jì)、制版、元件安裝后，在系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器中放入編制好的應(yīng)用程序，系統(tǒng)即可運(yùn)行。由于單片機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)人工是無法控制的，為了能夠調(diào)試程序，檢查硬件、軟件運(yùn)行情況，這就需要借助某種開發(fā)工具模擬用戶實(shí)際的單片機(jī)，并且能隨時(shí)觀察運(yùn)行的中間過程而不改變運(yùn)行中有的 數(shù)據(jù)性能和結(jié)果，從而進(jìn)行模擬現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)調(diào)試。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊用來把采集到得模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換位可以用單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。報(bào)警模塊是對(duì)設(shè)定值提供報(bào)警功能，該功能用發(fā)光二極管顯示。 11 圖 1 系統(tǒng)總框圖 信號(hào)采集電路 氣體傳感器的選擇 根據(jù)被檢測(cè)氣體的不同，氣敏傳感器可分為以下三類 : （ 1）可燃性氣體氣敏傳感器。 （ 2） CO 和 H2氣敏傳感器。由于我國(guó)管道煤氣中 H2 含量很高，而氫敏元件較氧化碳元件價(jià)格低，靈敏度高，因此，用氫敏元件做城市管道煤氣泄露報(bào)警更為適宜。毒性氣體傳感器又稱為環(huán)境有毒有害氣體傳感器，主要用于檢測(cè)煙氣、尾氣、廢氣等環(huán)境污染氣體，雖然 SnO2氣敏傳感器對(duì) CO， H2S等有毒有害氣體敏感，但應(yīng)用最多的仍是電解式化學(xué)傳感器。 一個(gè)新型的氣體檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該包括： 酒精 氣敏傳感器 LM3914 發(fā)光二極管 ADC0809 單片機(jī) 數(shù)碼管 12 （ 1）基于一種或幾種傳感技術(shù)的氣體傳感器。 （ 3）配有人機(jī)接口軟件的中心監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)中的酒精氣體傳感器采用河南漢威電子有限公司的 MQ3 型 ,它屬于MQ系列氣敏元件的一種。 圖 2 MQ3 特點(diǎn) :檢測(cè)范圍為 10ppm～ 2020ppm ； 靈敏度高，輸出信號(hào)為伏特級(jí)；響應(yīng)速度快 ， 小于 10秒；功耗 小于 ，尺寸： D17*H10。當(dāng)其表面吸附有被測(cè)氣體酒精分子時(shí)，表面導(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)氣體濃度的變化而變化。 MQ3 的 靈敏度特性曲線如 圖 3所示。 S接通，則 f， f之間電流由開始時(shí) 155mA 降至 153mA 而 13 穩(wěn)定。此時(shí)如果將酒精溶液樣品靠近 MQ3傳感器，我們立即可以看到數(shù)字萬(wàn) 用表顯示值馬上由原來大于 120KΩ 降至 10KΩ 以下。這種反應(yīng)可以重復(fù)試驗(yàn)，但要注意使空氣恢復(fù)到潔凈狀態(tài)。 圖 4 MQ3檢測(cè)電路 信號(hào)采樣電路 信號(hào)的采樣模塊電路如圖 5 所示。 MQ3 的兩個(gè) A 引腳相連，作為敏 感體電阻的一個(gè)電極。將電極斷 A接到電源正極，電極端 B 接兩個(gè) 270Ω 并聯(lián)的電阻。MQ3 型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物 SnO2的 N 型半導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。對(duì)酒精氣體濃度的采樣就可以轉(zhuǎn)化為對(duì)電位器分壓的采樣。負(fù)載電阻要根據(jù) MQ3實(shí)際的技術(shù)參數(shù)而選擇阻值合適的電阻。 14 圖 5 采樣模塊 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路 單片微機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的譯名簡(jiǎn)稱，在國(guó)內(nèi)也常稱為“單片微機(jī)”或“ 單片機(jī)”?，F(xiàn)在，單片微機(jī)已不僅指單片計(jì)算機(jī)，還包括微計(jì)算機(jī)，微處理器，微控制器和嵌入式控制器，單片微機(jī)已是它們的俗稱。它集 Flash 程序存儲(chǔ)器，既可在線編程也可以用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8位微 處理器于單片芯片中，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 根據(jù)實(shí)際需要，本次設(shè)計(jì)選用的是以 8051 為核心單元 Atmel 公司的低耗AT89S51 單片機(jī)。下面說明各引腳功能。 GND：接地。 XTAL2：反相放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。使用片外存儲(chǔ)器時(shí)，作低八位地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用，能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) LSTTL 上拉電阻。 P2 口： 8位、準(zhǔn)雙向 I/O 口?？梢则?qū)動(dòng) 4個(gè) LSTTL 負(fù)載。 —— RXD 串行口輸入口， —— TXD串行口輸出口， —— INT0 外部中斷0輸入， —— INT1 外部中斷 1輸入， —— T0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 的外部輸入， —— T1定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1的外部輸入， —— WR 低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器寫選通， —— RD 低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器讀選通。在振蕩器工作時(shí)，在 RST 上作用兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，將器件復(fù)位。高電平時(shí)選擇片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，低電平時(shí)程序存儲(chǔ)器全部在片外而不管片內(nèi)是否有程序存儲(chǔ)器。 ALE 以 1/6 的振蕩頻率固定速率輸出，可作為對(duì)外輸出的時(shí)鐘或用作外部定時(shí)脈沖。這是使單片機(jī)正常工作的必要外圍電路部分。對(duì)于選用的 AT89S51 單片機(jī)，根據(jù)美國(guó) ATMEL 公司提供的技術(shù)資料，可以對(duì)它的最小系統(tǒng)作恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì) ，如圖 8所示。因此，單片機(jī)的引腳 40 對(duì)應(yīng)的 VCC 接到 +5V 電源的正極，引腳 10對(duì)應(yīng)的 GND 接到 +5V 電源的接地端，為 AT89S51 單片機(jī)提供正常的工作電壓。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。石英晶體的兩端分別接到引腳 XTAL1 和引腳 XTAL2，同時(shí)石英晶體的兩端分別接一個(gè)電容 C1 和 C2，電容的另一端接地。根據(jù)技術(shù)資料的推薦，使用石英晶體推薦電容容量為 30pF177。10pF 。 對(duì)于復(fù)位電路部分， AT89S51 技術(shù)資料給出，當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位、按鍵電平復(fù)位和外部脈沖復(fù)位三種方式，本設(shè)計(jì)選用按鍵電平復(fù)位方式。設(shè)計(jì)中選用的石英晶體大小為 ,但復(fù) 位鍵按下后，電容和電阻選用的參數(shù)值能夠保證給復(fù)位端 RST 提供大于 2個(gè)機(jī)器周期的高電平復(fù)位信號(hào)。因此， ADC0809 可處理 8 路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨(dú)工作。 圖 8 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 18 ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 9 所示。 圖 9 ADC0809芯片 IN0~IN7： 8路模擬量輸入端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路。 ALE： 地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（ 轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。當(dāng) A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHZ。 Vcc：電源，單一 +5V。 ADC0809 的工作過程是：首先輸入 3位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。直到 A/D轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。 當(dāng)檢測(cè)到酒精氣味時(shí)，氣體傳感器的 AB間電阻變小，則 ADC0809 的模擬輸入端 IN0 的電壓變大。 表 1 ADC0809 通道地址 ADDC ADDB ADDA 選通通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 ADC0809 芯片內(nèi)部沒有時(shí)鐘脈沖源，可以用單片機(jī)提供的地址鎖存控制輸入信號(hào) ALE 經(jīng) D觸發(fā)器二分頻后，作為 ADC0809 的時(shí)鐘輸入。單片機(jī)的時(shí)鐘頻率是 ，則 ALE 端輸出信號(hào)的頻率為 ， 再二分頻后為 ，符合 ADC0809 對(duì)時(shí)鐘頻率的要求。地址選通端 ADDA， ADDB， ADDC 分別與單片機(jī)地址總線的低三位 A0， A1，A2相連，用于選通 IN0IN7 中的某一通道。在讀取 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)， OE 產(chǎn)生的正脈沖信號(hào)用于打開三態(tài)輸出鎖存器。 ADC0809 與 AT89S51 單片機(jī)的接口電路如圖 10所示 [11]。單片機(jī)的 RD 端 與 進(jìn)過或非門后于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的 OE端子用導(dǎo)線相連接，作為單片機(jī)讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀信號(hào)。單片機(jī)的 ALE端口接到 D 觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)輸入端 CK， D觸發(fā)器的反相輸出端與觸發(fā)信號(hào)輸入端用導(dǎo)線相連， D觸發(fā)器的清零和復(fù)位端為低電平有效，分別接高電平， D觸發(fā)器的正向輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的 CLK 端子用導(dǎo)線相連接，為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片提供正常的時(shí)鐘信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的 IN0 端子用導(dǎo)線與信號(hào)采樣部分的負(fù)載電阻端相連，作為要模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端。地址鎖存芯片 74LS373 的輸入端低三位分別與單片機(jī)引腳 － 連接，用于鎖存選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的地址。 其內(nèi)部的緩沖放大器最大限度的提高了該集成電路的輸入電阻（ 5腳），電壓輸入信號(hào)經(jīng)過緩沖器（增益為零）同時(shí)送到 10 個(gè)電壓比較器的異相（ ）輸入端。因?yàn)榕c串聯(lián)回路相接的內(nèi)部參考電壓為 ，所以相鄰分壓端之間的電壓差為。同理，要使 LED2 發(fā)光，異相端輸入電壓應(yīng)大于 *2=；要使 LED10 發(fā)光，異相端輸入電壓應(yīng)大于 *10=。本系統(tǒng)采用條狀顯示方式，即將引 腳 9和引腳 3都接到電源的正極。 當(dāng)檢測(cè)到酒精氣味時(shí)，氣敏傳感器的 AB 間電阻變小， LM3914 的 5 端電位升高，通過比較放大，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管依次發(fā)光，從而區(qū)分出酒精含量的高低，直觀 的看出所測(cè)的酒精濃度達(dá)到了哪個(gè)水平值，起到報(bào)警的作用。改變 7腳與 8腳之間電阻的阻值可以調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的顯示亮度，當(dāng)阻值增加亮度減弱，反之加強(qiáng)。數(shù)碼管是由若干發(fā)光二極管組合而成的，有共陰極和共陽(yáng)極兩種結(jié)構(gòu)形。把 8個(gè) 發(fā)光二極管的陰極連接在一起構(gòu)成共陰極端，接進(jìn)電路時(shí)，共陰極端接地，給要發(fā)光顯示的二極管的陽(yáng)極端接高電平可使該發(fā)光二極管導(dǎo)通點(diǎn)亮。 圖 13 8 段共陰數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示，靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就 可以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù) ，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時(shí)再傳送一次新 的 數(shù)據(jù) 就可以了。動(dòng)態(tài)顯示需要時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的 CPU 時(shí)間多。 設(shè)計(jì)選用 3個(gè)單位 8 段共陰數(shù)碼管來顯示輸出的數(shù)據(jù)，因?yàn)殡娐酚布鄬?duì)較簡(jiǎn)單，所以選擇靜態(tài)顯示方法。電路連接如圖 14 所示。移位寄存器 74LS164 串行數(shù)據(jù)輸入端與前一位的并行輸出最高位相連，第一位移位 寄存器的數(shù)據(jù)輸入端與單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出端 連接。因?yàn)槊课粩?shù)據(jù)串行輸出先輸出的是低位，所以數(shù)碼管引腳 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dg應(yīng)順序與對(duì)應(yīng)位的移位寄存器并行輸出端的 Q Q Q Q Q Q Q Q0連接。 24 圖 15 整體電路圖 25 3 軟件編程 開發(fā)環(huán)境 選用的開發(fā)平臺(tái)為 MedWin單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境，只需在 PC機(jī)上安裝 MedWin軟件，然后在 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，形成輸入輸出口實(shí)驗(yàn)十六進(jìn)制 .HEX 文件。初始化器件后，將經(jīng)過編譯生成的 .HEX 十六進(jìn)制文件下載到單片機(jī)。本設(shè)計(jì)軟件編程部分選用匯編語(yǔ)言來寫程序代碼。因?yàn)?ADC0809 的模擬輸入端 IN0 與負(fù)載電阻的一端用導(dǎo)線連在了一起。利用單片機(jī)豐富的 I/O 口可以采用查詢方式來檢測(cè)模數(shù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，當(dāng)單片機(jī)引腳 為1 時(shí)轉(zhuǎn)換未結(jié)束等待，當(dāng)查詢到