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1、 本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：基于单片机酒精浓度 测试仪设计学 院：职业技术学院 专 业：电子信息工程 班 级：电信061 学 号：062002110169 学生姓名：熊福辉 指导教师：张 均 2010 年 3 月 15 日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书 本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 目 录摘要IVABSTRCTV前言1第一章 传感器的基础知识22.1传感器的定义22.2传感器的分类22.2.1按输入
2、量分类22.2.2按测量原理分类22.2.3按结构型和物理型分类22.3传感器的基本组成22.4传感器的选择32.5传感器的发展方向32.5.1传感器的固态化32.5.2传感器的集成化和多功能化42.5.3传感器的图象化42.5.4传感器的智能化4第二章 酒精浓度测试仪总体方案设计52.1酒精浓度测试仪实现功能52.2测试原理与电路原理方框图52.2.1酒精浓度测试原理52.2.2原理方框图6第三章 酒精浓度测试仪的硬件设计73.1 主控制电路的硬件设计73.1.1 AT89S52简介73.1.2酒精传感器信号采样及处理电路123.1.3阈值保存及温度测试163.1.4矩阵键盘和LCD1602
3、显示电路163.2语音播报及报警电路的硬件设计193.2.1 APR9600简介193.2.2语音播报电路233.2.3音频放大电路243.3电源供电电路的硬件设计253.3.1电池或交直流电供电电路253.3.2电源自动关闭开关电路263.3.3电源欠压报警电路27第四章 酒精浓度测试仪的软件设计284.1软件系统各子程序284.1.1液晶显示程序设计284.1.2 A/D转换程序设计284.1.3 报警程序设计294.1.4语音播报程序设计304.1.5矩阵键盘识别程序设计304.2系统总程序设计32第五章 测试仪的PCB板设计制作335.1电路图的绘制335.2 手工PCB板的制作335
4、.2.1打印335.2.2转印345.2.3蚀刻345.2.4钻孔34第六章 测试仪的元件安装与系统调试366.1元件的识辩与测试366.2元器件安装的基本要求与原则366.2.1元器件的安装要求366.2.2元器件的安装原则376.3元器件的焊接376.3.1对焊点的基本要求376.3.2焊接前的准备376.3.3焊接操作386.4系统调试与分析386.4.1硬件调试396.4.2软件调试396.4.3软、硬件联调396.4.4调试故障及原因分析39结论及进一步设想40参考文献41致谢42附录43附录一 测试仪部分程序清单43附录二 酒精测试仪总原理图58附录三 酒精测试仪的PCB图59附录
5、四 元器件安装图61基于单片机酒精浓度测试仪设计摘要酒精浓度测试仪是基于单片机的可编程的仪器。本论文介绍了采用MQ-3酒精气敏传感器和单片机系统实现酒精浓度测试仪的设计。本测试仪通过人性化的语音提示和播报功能，实现了该测试仪一定程度上的智能化。能通过LCD液晶实时显示。可用键盘设定阈值，并具有超阈值报警和建议提示功能。本论文大体上分为两部分：硬件设计部分和软件设计部分。硬件部分利用MQ-3气敏传感器测量呼气或空气中的酒精浓度，并转化为电压信号经A/D转换后传给单片机系统，由单片机及外围电路进行信号处理，显示和浓度值的超阈值进行声光报警。软件部分用C语言进行编程，程序采用模块化设计思想。该测试器
6、仪在于简洁的硬件结构、高效的软件设计和较高的性价比，可用于测试驾驶员是否饮酒过度，具有一定的市场前景和实用价值。关键词：酒精浓度测试, 单片机, 气敏传感器, 语音Design of an Alcoholicity Tester Based on MCUAbstrctAlcohol tester is programmable device based on MCU. This paper describes the use of MQ-3 ethanol gas sensor and MCU system implementation alcohol tester design. A cer
7、tain intelligence is realized，through speechplay function by the tester。real-time display through LCD liquid crystal. And the keyboard can be used to set thresholds, and has value alarm and recommendations of the prompts. This paper is divided into roughly two parts: the hardware design and software
8、 design part of the section. Hardware compo-nents using Gas Sensor MQ-3 measured breath alcohol concentration, or in the air, and converted into voltage signal by the A / D converted MCU systems passed by the MCU and peripheral circuits for signal processing, display and concentration of the super s
9、ound and light alarm threshold value. Software components using C programming language, procedures, modular design. In conclusion，the tester is charactered with compact hardware configuration，efficient software design and high performance price ratio，and it can be used to test whether a driver drink
10、ed too moreFor its practical value，optimistical market foreground can be expectedKey words：Alcoholicity Test，MCU，Alcohol Sensor ，Speech前言近年来，随着我国经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频频发生。资料显示，我国近几年发生的重大交通事故中，有将近三分之一是由酒后驾车引起的1。酒后驾车引起的交通事故是由于司机的过量饮酒造成人体内酒精浓度过高，麻痹神经，造成大脑反应迟钝，肢体不受控制等症状。少量饮酒并不
11、会有上述症状，即人体内酒精浓度比较低时，而人体内酒精超过某一个值时就会引起危险。为此，需要设计一智能仪器能够测试驾驶员体内酒精含量的多少，以确保驾驶员的生命财产安全。酒精浓度测试仪,是指在规定的温度、湿度和压力条件下,对呼出的肺泡气体中乙醇含量进行定量分析的仪器。随着中华人民共和国道路交通安全法的颁布实施,交管部门进一步加强了对酒后驾车的查处力度,GB19522 - 2004驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验对饮酒驾车和醉酒驾车作了定量的规定:血液中乙醇含量大于20mg/100mL驾驶机动车为酒后驾车,血液中乙醇含量大于80mg/100mL时驾驶机动车为醉酒驾车2。从理论上说,判断是否酒后驾
12、车最准确的方法是测试驾驶人员血液中的酒精含量。但在执法过程中,要现场抽取驾驶人员血液进行测试并不现实,而事后测试无疑会与现场事实结果不符,故目前我国交管部门普遍使用酒精测试仪进行执法取证,通过现场测量驾驶人员呼出气体中的酒精含量来判定驾驶人员是否为酒后驾车18。此外，酒精浓度测试仪还能测试某一特定环境中的酒精浓度。如食品加工、酿酒生产车间可避免发生起火、爆炸及工业场地酒精中毒等恶性事故，确保环境安全。由此可见，酒精浓度测试器具有巨大的潜在用户群，市场前景十分广阔。本设计课题研究的是一种以气敏传感器和单片机为主，能测试人体或环境中的酒精含量，并具有语音播报、声光报警、欠压提示及LCD显示功能的酒
13、精浓度测试仪。其根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警，来提示危害，同时用语音给予相应的建议；当测试仪达到4分钟不用时自动关机，与负载断开，以达到节能、延长电池寿命的目的。第一章 传感器的基础知识2.1传感器的定义3国家标准传感器通用术语中，对传感器的定义作了这样的规定：“传感器是指能感受（或响应）规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。”广义上说，传感器是指在测量装置和控制系统输入部分中起信号测量作用的器件。狭义上把传感器定义为能把外界非电量信息转换成电信号输出的器件或装置。2.2传感器的分类 传感器的分类方法很多，比较常见的有下列几种。2.2.1按输入量分
14、类如输入量分别为温度，压力，位移，速度，加速度，湿度等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器，压力传感器，位移传感器，速度传感器，加速度传感器，湿度传感器等。2.2.2按测量原理分类现有传感器的测量原理主要基于电磁原理和固体物理学理论。如根据变电阻的原理，相应的有电位器式，应变式传感器；根据变磁阻的原理，相应的有电感式，差动式，电涡流式传感器；根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏，热敏，光敏，气敏等固态传感器。2.2.3按结构型和物理型分类所谓结构型传感器，主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻，电感，电容等物理量的变化，从而测试出被测信号，这种传感器目前
15、应用得最为普遍。物理型传感器则是某些材料本身物理性质的变化而实现测量，它是以半导体，电介质，铁电体等作为敏感材料的固态器件。2.3传感器的基本组成传感器一般由敏感元件，转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源，用方块图表示，如图1.1所示。图1.1传感器的基本组成敏感元件：在完成非电量到电量的转换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换为电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于转换成电量的非电量，然后再变化为电量。因此又称为预变换器。转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，例如压电晶体，热电偶等。需要指出的是，并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件，如热
16、敏电阻，光电器件等。而另外一些传感器，其敏感元件和转换元件合二为一，如固态压阻式压力传感器等。测量电路：将转换元件输出的电量变成便于显示，记录，控制和处理的有用信号的电路称为测量电路。测量电路的类型视转换元件的分类而定，经常采用的有电桥电路及其他特殊电路，如高阻抗输入电路，脉冲调宽电路，振荡回路等。2.4传感器的选择传感器的选择是根据传感器的线性度、灵敏度、分辨率、温度稳定性等特性来确定的。2.5传感器的发展方向 近年来，由于半导体技术已进入了超大规模集成化阶段，各种制造工艺和材料性能的研究已达到相当高的水平。这为传感器的发展创造了极为有利的条件。从发展前景来看。它具有以下几个特点。、2.5.
17、1传感器的固态化物理型传感器亦称为固态传感器，目前发展很快。它包括半导体，电介质和强磁性体三类。其中半导体传感器的发展最引人注目。它不仅灵敏度高，响应速度快，小型轻量，而且便于实现传感器的集成化和多能化。如目前最先进的固态传感器，在一块芯片上可同时集成差压，静压，温度三个传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿功能。2.5.2传感器的集成化和多功能化随着传感器的应用领域不断扩大，借助半导体的蒸镀技术，扩散技术，光刻技术，精密细微加工及组装技术等，使传感器从单个元件，单一功能向集成化，就是将敏感元件，信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导体技术将其制作在同一芯片，如集成压力传感器，集成温度传感器
18、，集成磁敏传感器等。多功能化则意味着传感器具有多种参数的测试功能，如半导体温度湿敏传感器，多功能气体传感器等。2.5.3传感器的图象化目前，传感器的应用不仅限于对某点物理量的测量，而开始研究从一维，二维到三维空间的测量问题，现已研制成功的二维图象传感器，有MOS，CCD，CID型全固体式摄像器件等。2.5.4传感器的智能化智能传感器是一种带有微型计算机兼有测试和信息处理功能的传感器。它通常将信号测试，驱动回路和信号处理回路；等外围电路全部集成在一块基片上，使它具有自诊断，远距离通信，自动调整零点和量程等功能。使传感器向智能化方向前进了一大步。第二章 酒精浓度测试仪总体方案设计本章重点论证酒精浓
19、度测试仪总体方案设计。包括酒精浓度测试仪的基本功能、测试原理和电路原理方框图。2.1酒精浓度测试仪实现功能本论文重点阐述的是一种采用MQ-3酒精气敏传感器和单片机系统实现酒精浓度测试仪的设计。此测试仪能测试人体或环境中的酒精含量，并具有语音播报、声光报警、欠压提示及LCD显示功能的酒精浓度测试仪。其根据不同的环境可用键盘设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警，来提示危害，同时用语音给予相应的建议；当测试仪达到4分钟不用时自动关机，与负载断开，以达到节能、延长电池寿命。2.2测试原理与电路原理方框图2.2.1酒精浓度测试原理判断驾驶员是否饮酒过度，最直接的方法是测试其血液酒精含量(Blood
20、Alcohol Content，BAC)，但由于测试BAC时需对驾驶员采取血样，操作复杂且耗时较长，交警使用起来不太现实，更无法应用于驾驶员的自测。因此，通常采用测量呼出气体酒精浓度(Breath Alcohol Content，BrAC)的方法来代替BAC的测量。人体喝人酒后，酒精被胃和小肠的毛细血管吸收，通过肺动脉进入肺，血液在肺泡中完成气体交换，含有酒精的气体被呼出体外。呼出气体中的酒精含量与血液酒精浓度存在着一定的线性关系。一般认为，血液酒精浓度(BAC)与呼出气体酒精浓度(BrAC)的比例为2100：14，即由于BrAC会受到环境温度、湿度以及被测试者个体差异等多方面影响，其测试结果
21、不如直接测试BAC准确，但是该结果仍可作为判断饮酒程度的重要参考。我国于2004年5月1日开始实施的中华人民共和国道路交通安全法对酒后驾车的处罚做了修改，但仍没有明确的饮酒驾车、醉酒驾车认定标准。目前我国大多数省市把0.02BAC(即每100 mL血液中含有20mg酒精)规定为“饮酒”的下限，把0.10BAC规定为“醉酒”的下限5。根据上面的换算关系，将BAC换算成BrAC，则当呼出气体的酒精浓度超过0.09 mgL，即可判定为“饮酒”；超过0.48 mgL，即可判定为“醉酒”。这样，利用酒精传感器，可将呼出气体中的BrAC值转换为电信号，供单片机处理，从而实现对测试者饮酒程度的测试。2.2.
22、2原理方框图根据设计要求和测试原理，确定测试仪的总体设计方案。其设计方案的硬件设计框图如图2.1所示。硬件电路主要由控制部分电路、测试部分电路、语音播报电路和电源电路等组成。图2.1系统结构框图该测试仪为一种手持设备，可由干电池、直流电和带变压器的交流电供电，接通电源后，首先语音提示“预热中，请等待”，预热30s，按“确认”键后，语音提示“欢迎使用”，并进入模式选择等待状态。此时若要测试浓度，按下“浓度检测”键，则语音提示被测试者对进气口吹气。单片机对来自酒精传感器的模拟电压信号作AD转换，经相应的数据处理后，和事先设定的警戒值进行比较，最后在LCD上显示测试结果数值，同时以语音播报测试结果数
23、值，并提示酒精浓度是否超标。此外，警戒值可以通过按键重新设置，以满足不同使用者或外部环境变化后的使用需要，更具体的阐述，将在后续的相应内容中展开。第三章 酒精浓度测试仪的硬件设计为使酒精浓度测试仪能够具有更好的实用性，并且具有更高的性能，需对该测试仪的硬件进行完整的设计。该测试仪的硬件设计采用了模块化的设计方法。按实现的功能来分，可分为以下几个单元部分。其中，AT89S52单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完成各种功能。附录二就是酒精浓度测试仪的总体电路图。在本章下面的几个小节中，我们根据附录二所示的硬件设计图，对各个模块的主要的一些电路进行详细的设计和分析。3.1 主控制电路的硬件设计
24、主控电路的硬件主要包括单片机及外围的测试电路、键盘和LCD显示电路等。3.1.1 AT89S52简介6781）AT89S52功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看
25、门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。外形及引脚排列如图3.1所示。图3.1 AT89S52引脚排列图2）主要管脚说明AT89S52的主要管脚说明如下：VCC：电源。GND：地。P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写
26、“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如
27、表3.1所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口:P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。表3.1 P1口管脚第二功能引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输
28、出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3.2所示。表3.2 P3口管脚第二功能引脚号第二功能P3.0RXD (串行口输入端)P3.1TXD (串行口输出端)P3.2(外部中断0请求输入端，
29、低电平有效)P3.3（外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4T0（定时器/计数器0脉冲输入端）P3.5T1（定时器/计数器1脉冲输入端）P3.6（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（）也用作
30、编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。：访问外部程序存储器
31、控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。为了执行内部程序指令，应该接Vcc。在flash编程期间，也接收12伏Vpp电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。3）时钟电路的设计单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如下图3.2所示。图中，电容器C1，C2起稳定振荡频率、
32、快速起振的作用，一般石英晶振C1,C2=30pF10pF，陶瓷谐振器C1,C2=40pF10pF。晶振频率的典型值为12MHz，采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式的外部电路如下图3.3所示。图3.2内部振荡电路连接图 图3.3外部振荡电路连接图由上图可见，XTAL1接地，外部振荡信号由XTAL2引入。为了提高输入电路的驱动能力，通常将外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相门后接入XTAL2。4）复位电路的设计在51系列单片机中，在振荡
33、器运行时，RST引脚上保持到少两个机器周期的高电平输入信号，复位过程即可完成。为响应这一不定期程，CPU发出内部复位信号。内部复位操作是在发现RST为高电平后的第二个周期进行的，并且此后每个周期都重复进行复位操作，直到RST变成低电平为止。针对复位电路对时间的需要，我们对上电复位电路进行设计。一般来讲，Vcc电源的上升时间不超过1ms，片内振荡器启动时间在10ms之内。在这种情况下，把RST引脚通10uF电容接到Vcc并同时经过10K电阻和地相连，就可获得上电自动复位的结果。其具体的复位电路如图3.4所示。 图3.4单片机复位电路接通电源后，Vcc便对电容通过电阻进行充电。RST脚的电压等于V
34、cc与电容两端电压之差。在充电过程中，随着电容电压逐步趋于Vcc，RST引脚上之电压最终将接近于0。此过渡过程之长短取决于电阻和电容值的大小。10uF电容足可使RST脚上的电压在振荡器启振后尚有两个机器周期以上的时间保持高于施密特触发器的低门槛电平，从而使整个复位过程得以完成。3.1.2酒精传感器信号采样及处理电路考虑到酒精测试仪的精度要求不是很高，本系统采用MQ-3型半导体酒精传感器，其价格低廉，可满足呼出气体酒精浓度的测量需要910。1）MQ-3型气敏传感器基本结构11MQ-3型气敏传感器的敏感部分是是由金属氧化物（二氧化锡）的N型半导体微晶烧结层构成。但其表面吸附有被测气体酒精分子（乙醇
35、，）时，表面导电电子比例就会发生变化，从而起表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化。由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。MQ-3型气敏传感器外形和符号如图3.5所示。它有6个针状引脚，其中2个引脚F提供加热电流，其余4个引脚用于信号取出。使用时将传感器A的2个引脚、B的的2个引脚各自并接在一起，相当A、B只有2个引脚与外电路相连。传感器顶部有一个不锈钢网的的圆孔，固定在腔内的敏感元件与大气相通。（a）外形 （b）符号图3.5气敏传感器外形和符号敏感元件有微型三氧化二铝（）陶瓷管、二氧化锡（）敏感层、测量电极和加热器构成，将它固定在塑料外壳和不锈钢网制成的腔体内。加热是为了加速反应，给气敏元件
36、提供必要的工作条件。2）标准测试回路MQ-3气敏传感器的标准测试回路如图3.6所示。图3.6气敏传感器的标准测试回路该测试回路有两部分组成。一个为了加热回路，加热器的电阻为，由稳定的交流或直流电源供电，电源电压。另外一部分为信号输出回路，它由传感器的表面电阻（即电极A、B之间的电阻）和外接负载电阻以及电源串联而成，规定,也要求用稳定的交流或直流电压。信号从的两端输出，它可以准确反映传感器表面电阻的变化。其关系为： 式中 传感器标准回路输出信号电压，V； 回路电压，V； 负载电阻，； 传感器表面电阻，。MQ-3型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用MQ-3型气敏元件时，
37、灵敏度的调整是很重要的。厂家建议用0.4mg/L(约200ppm)浓度的乙醇蒸气校准传感器。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。为了设计简单，这里标准测试回路输出信号与被测气体浓度关系的粗略曲线如图3.7所示（ppm等于m）。 图3.7 标准回路输出信号与气体浓度关系曲线3）化简的工作电路在本设计中，选用比标准测试回路较为简单的工作回路，将信号输出回路的电源用加热回路电源取代，2个回路会用一个电源。电路连接方式如图3.8所示。图3.8气敏传元件化简的工作电路4）标准工作条件和环境条件气体传感器MQ-3的标准工作条件如表3.3所示。环境条件如表3.4所示。这些条件是选择MQ-3型气敏传
38、感器的依据。环境温度和湿度的变化对气敏传感器的灵敏度有一定的影响。当环境温度较高时，气敏传感器的灵敏度也较高；当环境湿度较低时，气敏传感器的灵敏度较低。在标准工作条件下，MQ-3型气敏传感器测试酒精气体浓度范围为，其浓度上限为。表3.3 MQ-3的标准工作条件符号参数名称技术条件备注回路电压10V交流或直流加热电压5V交流或直流负载电阻可调加热器电阻室温加热功耗表3.4 MQ-3标准的环境条件符号参数名称技术条件备注使用条件推荐使用范围储存温度相对湿度氧气浓度(标准条件)最小值5）测试信号采样及处理电路酒精浓度是由传感器MQ-3把非电量转换为电量，传感器输出的是V的电压值且电压值稳定，外部干扰
39、小。因此，可以直接把传感器输出电压值经过ADC0832采样数据送入单片机进行处理。其采样及处理电路与单片机的硬件接口如图3.9所示。图3.9采样及处理电路与单片机的硬件接口3.1.3阈值保存及温度测试由传感器MQ-3标准工作条件可知，环境温度和湿度的变化对气敏传感器的灵敏度有一定的影响。为了反映在一定温度下酒精浓度的具体值，测试仪增加了DS18B20温度测试功能。其电路如图3.10所示，1K上拉电阻R8是为了提高信号线的驱动能力。同时，为了测试仪的使用方便，只需输入一次酒精浓度阈值，将其保存在AT24C02中，以后再相同的测试环境中，就不再需要设置浓度阈值，这样给使用带来很大的方便。保存阈值电
40、路很简洁，如图3.11所示。图3.10浓度阈值保存电路 图3.11温度测试电路3.1.4矩阵键盘和LCD1602显示电路1)矩阵键盘独立按键编程简单但占用口多,不适合在按键较多的场合应用。在本测试仪中, 经常要按数字键和功能键,用独立按键显然太浪费端口资源, 为此引入了矩阵键盘。矩阵键盘又称行列键盘, 它是用若干个I/O口作行线、若干个I/O口作列线, 并在行线和列线的每个交叉点上设置一只按键组成的键盘。如果行线和列线均为4条, 则键盘上的按键的个数就有44个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。常见的键盘一般由16只按键组成, 正好可以用单片机的一个P口实现, 这也是
41、在单片机系统中最常用的一种形式, 44矩阵键盘的内部电路如图3.12所示。其工作原理：当无键按下时，P10P13与P14P17之间开路；当有键闭合时，与按下键相连的两条I/O口线之间短路。判断有无按键按下的方法是：图3.12矩阵键盘内部电路图首先，置列线P14P17为输入状态, 并将行线P10P13置为低电平, 然后读列线数据, 若某一列线为低电平, 则说明该列线上有键闭合。其次，行线轮流输出低电平,并读入列线P14 P17数据, 若某一列为低电平, 则说明对应行线上有键按下。最后，综合上述检查结果, 便可可确定所按键的编号。考虑到按一次键只应进行一次对应功能操作, 因此须等到按键释放后,再进
42、行键功能操作, 否则按一次键有可能连续进行多次同样的键操作。2)LCD1602显示电路液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，而各种液晶厂家均有提供几乎都是同样规格的1602模块或兼容模块，尽管各厂家的对其各自的产品命名不尽相同；1602字符型LCD模块最初采用的LCD控制器采用的是HD44780，在各厂家生产的1602模块当中，基本上也都采用了与之兼容的控制IC，所以从特性上基本上是一样的。通常所见到的1602模块的规格基本如表3.5所示： 目前字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。LCD16
43、02液晶显示模块可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。一般的LCD1602模块的结构尺寸示意图如图3.13所示。 表3.5 1602模块的规格显示容量16*2芯片工作电压4.5 5.5V工作电流2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95*4.35mm 图3.13 1602模块结构及引脚示意图 1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位
44、器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。 第1516脚：分别为背光源正极和背光源负极。当然，有的模块是不带背光的，这时候15和16脚是没有意义的。1602字符型LCD模块和单片机的接口电路如图3.14所示。图3.14 LCD模块和单片机的接口
45、电路3.2语音播报及报警电路的硬件设计12133.2.1 APR9600简介17台湾公司最新推出的60秒语音录放芯片APR9600，是继美国ISD公司以后采用模拟存储技术的又一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路，单片电路可录放32-60秒，串行控制时可分256段以上，并行控制时最大可分8段。与ISD同类芯片相比它具有：价格便宜，有多种手动控制方式，分段管理方便、多段控制时电路简单、采样速度及录放音时间可调、每个单键均有开始停止循环多种功能等特点，同时保留了ISD2500芯片的一些特点，都是DIP28双列直插塑料封装，在管脚排列上也基本相同。管脚如图3.15所示，其管脚功能如表3.6所示。在APR9600芯片的内部，录音时外部音频信号通过话筒输入和线路输入方式进入，话筒可采用普通的驻极体话筒，在芯片内话筒放大器（Pre-Amp ）中自带自动增益调节（AGC），可由外接阻容件设定响应速度和增益范围。如果信号幅度在100mV左右即可直接进入线路输入端，音频信号由内部滤波器、采样电路处理后以模拟量方式存入专用快闪存储器FLASHRAM中。由于FLASHRAM是非易失器件，断电等因素不会使存储的语音丢失。
