基于STM32的便携式酒精浓度检测仪设计与实现 毕业论文

萌到你眼炸
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2021年02月17日 17:26
最佳经验
本文由作者推荐

护肤品排行榜前十名-

2021年2月17日发(作者：爱了散了第二部)







成


都


信


息


工


程


大


学



学


位


论


文





基于


STM32

的便携式酒精浓度检测仪设计与实现








论


文


作


者


姓


名


：



申


请


学


位

< br>专


业


：



申


请


学


位


类


别


：



指


导


教


师


姓


名


（


职称


）

< p>
：



论


文


提


交


日


期

：




测控技术与仪器



工学学士




2015


年


06


月

10


日










基于


ST M32


的便携式酒精气体浓度检测仪设计与实现



摘



要


< /p>


近年来，


随着我国经济快速发展，


给人们 也带来了很多利益。


人们的生活和


消费水平迅速提高，


制造业也在快速地发展。


现在，


私家车对于很多 人来说已经


不再是奢侈品了。


但是交通事故发生概率也大大增加 了，


尤其是由于酒后驾车而


引起的。


如 果饮酒过多，


会造成体内酒精浓度过高，


给饮酒者带来不良的生 理反


应。例如，麻痹神经、肢体不受控制、大脑反应迟钝等等。所以

,


过量饮酒者开


车是一件非常危险的事情，


但是少量饮酒并不会有上述症状。


因此，


我们需要设< /p>


计一个能够检测驾驶员体内酒精含量的智能仪器。


目前，


许多国家采用呼气酒精


检测仪来检测驾驶员体内的酒精含量。

< p>
在本课题中使用


MQ-3


气体传感器采集数


据，经过


STM32


单片机处理，如果浓度值 超过标准，系统将给予声光报警，并


液晶显示浓度。



关键词


:


酒驾；


MQ- 3


气体传感器；


STM32


单片机；酒 精含量；声光报警
















Design of Portable Alcohol Concentration Detection Instrument


Based on STM32


Abstract


In recent years, With the rapid development of China's economy , it has brought


people


a


lot


of


benefits.


People's


life


and


consumption


level


increase


rapidly,


and


manufacturing industry is also


developing quickly. Now, the private car for a lot of


people


have


is


no


longer


a


luxury.


But


the


traffic


accident


probability


has


greatly


increased,


especially


due


to


drunk


driving.


If


excessive


drinking,


the


alcohol


concentration


will


raise


in


body,


bring


the


adverse


physiological


responses


to


the


drinkers. For example, nerve paralysis, body out of control, the slow response of the


brain and so on. So, drive after excessive drinking is a very dangerous thing. But


a


small amount of alcohol does not have these symptoms. At present, in many countries,


the breath alcohol detector is used to detect alcohol content in the driver's body. In this


paper,


the


MQ-3


gas


sensor


is


used


to


collect


data,


the


data


is


processed


through


STM32 MCU. If the concentration exceeds the standard, the system will give sound


and light alarm, and display concentration through liquid crystal monitor.


Key words


: drunk driving; MQ-3 alcohol concentration sensor; STM32 MCU;


alcohol content; sound and light alarm



目



录



论文总页数：

31


页



1


引言


......................... .................................................. .................................................. .................


1


1.1


课题研究背景及意义



.


............................................. .................................................. .......


1


1.2


国内外研究现状



.

< br>............................................... .................................................. .............


1


1.3


课题研究思路



.

................................................ .................................................. ................


2


2


系统方案设计



.

................................................ .................................................. ............................


3


2.1


技术指标


< br>.


................................... .................................................. .....................................


3


2.2


总体设计方案



.


................................. .................................................. ...............................


3


3


硬件电路设计


< br>.


................................... .................................................. .........................................


4


3.1


元器件选择



.


................................................. .................................................. ...................


4


3.1.1


酒精气体传感器



.

< br>............................................... .................................................. .


4


3.1.2


单片机介绍



.


................................................. .................................................. .......


6


3.1.3


充电芯片



.


.................................................. .................................................. ........


1


0


3.1.4


低压差调节器



.

................................................ .................................................. ..


1


2


3.1.5


显示屏



.


. .................................................. .................................................. ...........


1


2


3.2


主要功能模块电路图



.


.............................. .................................................. ....................


1


3


3.2.1


充电及稳压电路模块


< /p>


.


............................ .................................................. ..........


1


3


3.2.2


传感器及信号调理电路模块



.


.......................................... ..................................


1


4


3.2.3


声光报警电路模块



.


.............................................. ..............................................


1


4


3.2.4


显示屏模块电路



.

< br>............................................... .................................................


1


5


3.3


硬件成品展示



.

................................................ .................................................. ..............


1


5


4


软件编程设计


< br>.


................................... .................................................. .......................................


1


6


4.1


软件整体设计



.

................................................ .................................................. ..............


1


6


4.1.1


整体设计方案



.


............................... .................................................. ...................


1


6


4.1.2


主程序流程图



.


............................... .................................................. ...................


1


6


4.1.3


主程序设计


< p>
.


................................ .................................................. ......................


17


4.2


数据采集模块程序设计



.


............................. .................................................. .................


1


8


4.3


液晶显示模块程序设计



.


............................. .................................................. .................


1


9


4.4


报警模块程序设计



.


............................... .................................................. .......................


20


4.5


A/D


转换模块程序设计


< p>
.


................................ .................................................. ..............


2


1


5


系统调试


........... .................................................. .................................................. ......................


2


2


5.1


各模块调试



.


.................................. .................................................. ................................


2


2


5.1.1


传感器测试



.


................................................. .................................................. .....


2


2



5.1.2


充电电路测试



.


............................... .................................................. ...................


2


2


5.1.3


报警电路测试



.


............................... .................................................. ...................


2


3


5.1.4


系统整体调试



.


............................... .................................................. ...................


2


3


5.2


调试结果分析



.


................................. .................................................. .............................


2


3


5.2.1


测试数据



.


.................................................. .................................................. ........


2


3


5.2.2


误差分析



.


.................................................. .................................................. ........


2


3


5.3


调试中的问题及解决方案



.


........................................... .................................................


2


4


6



结论


......................... .................................................. .................................................. .............


25


参考文献


.............................................. .................................................. .........................................


26


致






谢


... .................................................. .................................................. .................................. 27


声






明


............... .................................................. .................................................. ......................


2


8


附






件


............... .................................................. .................................................. ......................


2


9



1


引言



1.1


课题研究背景及意义



据统计，


2011


年我国共生产了白酒约


1026


万吨，排除重复统计的数据，实


际 的消费量为


800


万吨。如果把消费群体定位在


15


岁以上的成人，当时我国约


有

11.5


亿


15


岁以上的成人，那 么可以计算出当时我国成人人均消费的白酒为


6.96


升。另外 ，还有啤酒，洋酒，红酒的消费，当时我国人均消费的啤酒约为


36

升、洋酒约为


1.2


升、红酒约为


1.24


升。如果按照白酒的酒精含量


65%

< br>、红


酒的酒精含量


10%


、洋酒 的酒精含量


40%


、啤酒的酒精含量


4 %


来计算，那么当


时我国人均纯酒精消费量约为


6.566


升。但是随着我国的经济快速发展，人们的


生活、


消费水平也逐渐提高，


酒精的消费量也再快速的增长，< /p>


由于饮酒过多而造


成的社会安全问题也频频发生。比如由于酒驾引 起的交通事故等等。



当酒精在人体血液里达到一定浓度的时候 ，


会导致驾驶者神经麻痹、


触觉能


力降 低、


判断能力和操作能力也会降低。


并且会使驾驶员视力暂时受 损，


分辨颜


色的能力下降，


视像不稳等 ，


这些症状会使驾驶者不能发现或正确领会标志、


标

< p>
线、交通信号灯所要表达的意思，在这种情况下，驾驶员几乎失去了驾驶能力，

发生交通事故的概率极限增加。


据世界卫生组织调查，


由于 酒后驾车造成的交通


事故的数量非常庞大，


大约占所有交通事故 的


50%


—


69%

，


而且由酒驾造成的交


通事故后果一般都非常严重，所以酒 后驾车已经被认为是车祸致死的主要原因。


在中国，


每年都有数 万起交通事故是由于酒后驾车而造成的，


因此交通事故的第


一“ 杀手”被认为是酒后驾车。



1.2


国内外研究现状



目前，


电化学性质的酒精检测仪在全世界是使用得最多的。


酒精检测仪根据


显示方式的不同主要分为两种：


其中一种是发光管显示。


最常见的发光管显示是


三段式显示，其中未饮酒区为第一段，饮酒区为第二段， 酗酒区为第三段。并且


每一段都有一个不同颜色的


LED


灯，


根据测试的结果，


来点亮对应那一段的< /p>


LED


指示灯。


另一种酒精测试仪是数码 管显式，


它是以数字的形式来显示检测的结果。


而这两年出现了 一种新型的半导体酒精检测仪，


它就是一种拥有高可靠性、


高精


度、呼吸式等特点的酒精浓度检测仪


ca2000


。新型高科技微变氧化物半导体是


它的核心部件，


可 以非常准确的检测气体的酒精含量，


而且不会受非酒精类气体


的 干扰，比如烟味、可乐、咖啡等等。


ca2000


拥有小巧轻便 ，操作简单等特点，


所以它是便携应用的最佳选择


[1,2]< /p>


。



如果驾驶员喝了酒，


那么他呼出的气体中就含有酒精气体，


所以为了检查酒


驾，


便携式的酒精检测仪得到了交警的广泛使用。


而目前使用的 酒精检测仪检测



第



1



页



共



31


页



驾驶 员是否饮酒只能够初步的判断，


最终还需要通过血检来检测驾驶员体内的酒


精含量，


来判定驾驶员是不是构成了酒驾。


为了检测 更方便，


一种超级酒精呼吸


检测仪诞生了，

它是由英国内政部推出的。


这种酒精检测仪不仅仅是通过驾驶员

体内的酒精含量来判断驾驶员是否酒驾，


它还根据驾驶员的体温，

< br>呼吸频率等多


方面的因素当场判断驾驶者是否酒驾


[3]


。



受


20< /p>


世纪信息技术快速发展的影响，传感器技术已经发展到了一个非常高


的地步了，


在各个领域都得到了广泛的使用，


扮演着非常重要 的角色。


因此酒精


浓度检测仪应该向着高精度，高可靠性，高稳 定性与微型化的方向发展。



到目前为止，

检测酒精气体含量的设备主要分为


5


种类型，


它们分别是：


燃


料电池型（电化学）、气体色谱分析 型、比色型、半导体型和红外线型。其中燃


料电池和半导体型这两种类型的酒精含量检测 仪在价格这方面比起其他类型的


较便宜，


而且使用起来非常方便 。


所以这两种类型的酒精含量检测仪使用得比较


多。

< p>


环保型能源燃料电池可以直接把可燃气体转变为电能，

< br>而在整个过程中却不


产生污染，


所以全世界都在广泛的研 究。


而酒精传感器只是研究燃料电池的一个


小小的分支。


因此燃料电池型酒精传感器诞生，


它的原理是：


使用贵金属铂金作


为电极，


在燃烧室内燃烧酒精，

< p>
在燃烧的过程中使用了特种催化剂，


使酒精充分


燃 烧。


并且转变成电能，


也就是在两个电极上产生了电压，


由此转换来的电压与


在燃烧室内燃烧的气体的酒精浓度是成正比的，< /p>


在外部通过接入负载来消耗电能


[4,5]


。



燃料电池型酒精浓度检测仪与半导体型的相比，它具有以 下几个优点



1)


稳定性好



2)


精度高



3)


抗干扰能力强的优点



但是燃料电池型 酒精传感器也存在一些致命缺点，


比如说在制造过程中对传


感器 的结构要求非常精密，


制造难度非常大等。


所以目前能够生产燃 料电池型酒


精传感器的只有少数几个国家，比如美国、英国和德国等，再加上制造成本高 ，


所以成品的价格较贵，


与半导体型酒精传感器比起来贵几十倍 。


所以在日常生活


中用得最多的还是半导体型酒精传感器


[6]


。



1.3


课题研究思路



伴随着单片机（


MCU


）技术的快速发展和日益完善，单片机在我们的日常

< p>
生活中已经是屡见不鲜了，我们将它应用于各个领域。从智能控制到监测方面，

与其他技术相比，


单片机的优越性是非常的明显。


本课题研 究的是一种以酒精浓


度传感器和


STM32

单片机为主，对空气中的酒精浓度值进行检测，并且将浓度



第



2



页



共



31


页



值通 过


LED


显示屏显示出来，最终对超过阀值的浓度值进行声光报 警。其可检


测出人体呼出的气体和空气环境中的酒精浓度


,


只要浓度值大于阈值就进行声光


报警，这个阈值是根据要求和环境的 不同来设定的。



在本课题设计中使用


MQ-3


酒精传感器采集数据，


它将采集到的信号转换为


电信号，


电信号经过处理后传给


STM32< /p>


单片机，


STM32


单片机内嵌有


A/D


转换


器，它将电信号转换成数字信号， 然后


STM32


单片机再对数字信号进行分析处


理，


转换为酒精浓度值，


最后通过显示屏将浓度值显示 出来。


在程序编写的过程


中设置了一个阀值，当被检测空气中的 酒精浓度值大于阀值时，单片机会控制


LED


灯亮和蜂鸣器响来 实现报警的功能。



综上所述，


本课题 研究的主要思路是：


以空气中酒精浓度为感知量，


设计酒


精气体传感电路，传感器负责采集信号，然后将采集的模拟信号经过


A /D


转换


器，


转换成数字信号后，


再由单片机分析处理转换成浓度值以完成空气中酒精浓


度的测量。如 果浓度值大于了阀值，就进行声光报警。



2


系统方案设计



2.1


技术指标



中国大陆地区血液中酒精浓 度（


BAC


）与呼气酒精浓度（


BrA C


）的比值采


用


2200


，


即两种单位之间的换算关系为


BAC=BrAC* 2200


。


判断是否酒驾以及醉


驾的标 准如表


2-1


所示：



表


2-1


是否构成酒驾或醉驾参考标准



行为类别



饮酒驾车



醉酒驾车



报警浓度



血液酒精含量（

< p>
BAC


）



0.2g/L-0.8g/L


>0.8g/L


0.5g/L


呼气酒精含量（


BrA C


）



0.0909mg/L-0.3636mg/L


>0.3636mg/L


0.24mg/L


根据酒精气体浓度检测仪的测量结果，


来看结果是落在哪个区域，


从而判断


驾驶员是否酒驾。同时判断是否报警。



2.2


总体设计方案



总体设计方案如图


2-1


所示，由

< br>MQ-3


酒精气体传感器负责采集数据，采集


的信号通过 调理电路处理后，再输入给单片机，单片机内嵌的


A/D


转换模 块对


其进行转换，


转换后变成数字信号，


然后单片机再对数字信号进行分析处理转换


成酒精浓度值，


再 通过显示屏将浓度值显示出来。


同时将酒精浓度值与阀值进行


比 较，对于超过阀值的进行声光报警。







第



3



页



共



31


页





酒



精


气



体


传



感


器




声光报警模块



信

号


调


理


模


块


单


片


机



液晶显示模块






图


2-1


总体设计方案框架图



3


硬件电路设计



3.1


元器件选择



3.1.1


酒精气体传感器



1)MQ-3


传感器工作原理



MQ-3


酒精气体传感器中使用了气敏材料二氧化锡，该传感器是半导 体气敏


元件。


它的电导率会根据空气中酒精气体浓度的不同而不 同，


酒精气体的浓度越


大，电导率也就越大。那么它输出的电压 值就会随着酒精浓度的增加而增大


｡


在


外部使用简单的电路就可以通过电压值的变化将电导率的变化表现出来，


并且该


电压值是与酒精气体浓度值相对应的，最后将该信号与预先设定的阀值进行比

较，如果大于阀值就进行报警


[7]


。


2)


传感器的管脚分布及外形



MQ-3


酒精气体传感器由以下几部分组成：

< br>


(1) SnO2


敏感层



(2)


微型


AL2O3


陶瓷管



(3)


加热器



(4)


测量电极构成的敏感元件



它被固定在 不锈钢或塑料制成的腔体内，


由于传感器工作前必须要预热，


所


以它的内部有一个加热器专门用来加热传感器。


封装好的


MQ-3


酒精气体传感器


有

< br>6


只针状管脚，


读取信号的引脚有


4


个，


另外


2


个引脚专门提供电流来加热传


感器。


MQ-3


的管脚分布如图


3-1


所示，


A


脚和


B


脚是用来读取信号的；提供加


热电流的是


2


个


f


引脚，电阻丝的阻值为


30Ω


，当 电流经过电阻丝时，电阻丝会


被加热。


MQ-3


的引脚分布如图


3-2


所示。




第



4



页



共



31


页




图


3-1



MQ-3


的引脚




图


3-2 MQ-3


传感器实物图



3)MQ-3


气体传感器的特点



(1)


灵敏度高



(2)


快速响应恢复特性



(3)


使用寿命长



(4)


稳定性可靠



(5)


驱动回路简单



(6)


可以抵抗其他气体的干扰



(7)


具有信号输出指示



(8)


双路信号输出，并具有信号输出指示



(9) TTL


输出有效信号为低电平



(10)


输出电压范围为


0-5V


< p>
4)MQ-3


气体传感器对酒精气体浓度的标定




第



5



页



共



31


页



传感 器内部的气敏电阻的输出阻值与酒精气体浓度有关，


它随着酒精浓度的

< br>变化而变化。如图


3-3


所示，其中

:


R


s


是


MQ-3


酒精气体传感器的输出阻值，它


在不同气体以及不同 浓度下是不同的；


R


0


是


MQ-3


酒精气体传感器在洁净空气


中的电阻值。从 图中可以看出


R


s/


R


0


的值与酒精浓度成某种关系，而


V

< br>s


与


R


s


、


V


0


与


R


0


也都成正比，所以


V


s/


V


0=


R


s/


R


0


，所以


Vs/V0


与酒精浓度也成同样的关


系。通过查看手 册，找出了这种关系。如公式


3-1


所示：


alcometer = (


V


0/


V


s-1.12)/(-0.101)-1.1







(3-1)



在环境不变的情况下


V0


是一个定值，所以只需要算 出


MQ-3


气体传感器在


酒精气体环境 下的输出电压值，就可以算出酒精气体的浓度。


V


s

< p>
是根据公式


3-2


算出的。



V


s= Adc_avg * 3.34 / 4 096










(3-2)


式中的


Adc_avg< /p>


是


A/D


转换器输出的平均值，


V


s


是传感器在有酒精气体环

< br>境中的输出电压。



图


3-3< /p>


中的


Rs/R0


与酒精浓度的关系是建立 在如下环境中的：



温度：


20°


C



相对湿度：


65%




图


3-3 MQ-3


的灵敏度特性曲线



3.1.2


单片机介绍


< p>
在本课题中选用的单片机型号是


STM32F103VCT6


，它的管脚分布如图


3-4


所示。

< br>STM32 F103xxx


系列单片机的功能以及外部设备配置如表

< p>
3-1


所示。




第



6



页



共



31


页




图


3-4 STM32F103VCT6


单片机管脚分布



表


3-1 STM32F103xx


系列单片机功能及外部设备配置



外设



闪存（


K


字节）



SRAM

< br>（


K


字节）



定时


器



通信


接口



通用



高级控制



SPI


I


C


USART


2


STM32F103Tx


64


20


STM32F103Cx


64


20


128


STM32F103Rx


64


20


128


STM32F103Vx


64


20


128


3


个（


TIM2


、

< p>
TIM3


、


TIM4


）< /p>



1


个（


TIM 1


）



1


个（


SPI1


）



1


个（


I


C1


）



2


个


< /p>


（


USART1


、


USART2


）



2


2


个（


SPI1


、

< p>
SPI2


）



2


个（


I


C1


、


I


C2


）



2


个



（


USART1


、


USART2


、


USART3


）



1


个（


USB2.0


全速）



1


个（


2.0B


主动）



2


2


USB


CAN


GPIO


端口



12


位


ADC


模块

< br>


（通道数）



CPU


频率



工作电压



26

2


（


10


）



37


2


（


10


）



51

2


（


16


）



80


2


（


16


）



72MHz


2.0-3.6V


工作温度



封装




环境 温度：


-40


℃


-+80


℃



VFQFPN36


LQFP48


第



7



页



共



31


页



LQFP64


LQFP100


1) STM32F103VCT6


的主要特点



(1)


核心处理器是


ARM Cortex M3



(2)


缩减的引脚数目



(3)


系统功耗低



(4)


计算性能优越



(5)


高级的中断系统响应



(6)


程序存储器


256KB


(7)


数据随机存储器


48KB



(8)


工作电压：


2.5V


或


3.3V



(9)


工作温度：


-40°


C


-


+85°


C


(10)


内嵌


2


个


12 bit


的


A/D


转换器，


可用


A/D


通道


16


个，


转换范围为


0V-3.3V



(11)


一共有


100


个引脚，其中


80


个为


I/O


端口。绝大部分端口都可以接受


5V

< p>
信号



(12)


拥有< /p>


7


个定时器



2)


低功耗模式



(1)


睡眠模式：在睡眠模式时，只有


CPU


停止，其他的外部设备都处于工


作状态，可以通过中断 或事件来唤醒


CPU


。



(2)


待机模式：


在待机模式下会关 闭内部的电压调压器，


电能消耗达到最低。


并且此时内部所有由


1.8V


供电的部分将被断开；


并且< /p>


RC


振荡器也都会被关闭；


在待机模式下 ，待机电路仍然在工作，但是，寄存器和


SRAM


的内容将会消 失，


后备寄存器的内容仍会保留。


只需要满足

< br>NRST


上的外部复位信号或者是


WKUP


管脚上的一个上升边沿这两个中的任意一个条件，就可以从待机模式中退出。



(3)


停机模式：在停机模式下，内部由

1.8V


供电的部分将不能工作，并且


RC


振荡器也都会被关闭，可以把调压器设置成低功耗和普通模式这两种模式。


把< /p>


CPU


从停机模式中唤醒的前提条件是配置一个

< br>EXTI


的信号，这个信号的来


源有很多方式，比如说可 以由


16


个外部


I/O


端口中的任意产生，也可以是


PVD


的输出，也可以是


RTC


闹钟和


USB

< br>的唤醒信号


[8,9]


。



3)I


2


C


总线< /p>



有多达


2


个< /p>


I


2


C


总线接口 ，它们的特点如下



(1)


支持标准和快速模式



(2)


支持


7


位或


10


位寻址



(3)


可以使用


DMA


操作



(4)


支持


SMBus


和


PMBus


总线



4)


定时器




第



8



页



共



31


页



ST M32F103VCT6


中包含


7


个定 时器，它们分别如下：



(1)


高级 控制定时器


1


个，特点如下



①



可以被当成是完整的通用定时器



②



可以被当成是三相


PWM


发生器



③



具有带死区插入互补


PWM


输出



④



拥有四个独立通道，它们都可以用 于单脉冲输出、输入捕获、输出比较


以及产生


PWM

< p>


⑤



计数器可以被冻结，用于调试



(2)


通用定时器（


TIMx


）



有


3


个可以同步运行的标 准定时器，特点如下



①


< p>
拥有一个


16


位自动加载递加计数器，也可以用作 递减计数器



②


拥有一个


16


位预分频器



③



拥有


4< /p>


个独立的通道，可以用于单脉冲模式输出、输入捕获以及输出比


较



(3)


独立看门狗定时器


1


个



它的时钟是由一 个内部独立的


40KHz


的


RC


振荡器来提供的，


并且这个


RC


振荡器独立于主时钟，


所以它可以在待机模式和停机模式之间切换。


它的特点如


下：



①



可以复位整个系统



②



可以为应用程序提供超时管理



③



可以通过硬件或者软件启动



④



有一个


1 2


位的递减计数器



⑤



有一个


8


位的预分频器



(4)


窗口看门狗定时器


1


个，特点如下

< br>


①



有一个

< br>7


位的递减计数器



②



可以被配置为自由运行



③



可以复位整个系统



④



有早期预警中断的功能



(5)


系统时基定时器


1


个



它既可以用于实时操作系统，


也可以用作是一个标准的递减 计数器。


它具有


以下四个特点：



①



24


位的递减计数器



②



可编程时钟源



③



当计数器为


0


时能够产生一个可屏蔽系统的中断




第



9



页



共



31


页



④



自动重加载功能



5)


通用输入输出接口（


GPIO


）



每一个


GPIO


引脚都能够通过软 件来配置，可以将它们设置成输入、输出或


复用端口。除了那些具有模拟输入功能的端口 ，其余的


GPIO


引脚都能够通过大


电 流。如果想要将


I/O


引脚的外设功能锁定，那么只需要进行一 个特定的操作就


可以了，这样就可以防止意外写入


I/O


寄存器。



6)ADC



STM32F103VC T6


单片机内部嵌有


2


个


12


位的模拟


/


数字转换器 ，


这两个转


换器有以下几个特点：



(1)


每一个


ADC


都拥用


16


个外部通道



(2)


可以实现单次或扫描转换



(3)


在扫描模式下，可以自动切换为选定的模拟输入中的任何一个



ADC


接口上其它的逻辑功能还包括



(1)


交叉采样和保持



(2)


同步采样和保持



(3)


单次采样



3.1.3


充电芯片



1)


工作原理



整个设计使用锂电池来供电，


当锂电池电能用完时，


就要对它 进行充电。


在


本设计中选择了


TP40 54


这块充电芯片，它是一款采用恒定电压


/

< br>电流的单节锂


电池线性充电器，它能够提供


800mA< /p>


的充电电流，它采用的是


SOT-25


封 装，


并且外部元件数目较少，因此


TP4054


是便携式应用的最佳选择，它可以通过


USB


电源和适 配器电源对锂电池进行充电，并且它的内部有防倒充电路，所以


没有必要在外部单独设计 检测电路和隔离二极管。它的输出电压稳定于


4.2V


，


而且充电电流是可以进行设置的，


只需要在外部设计一个电阻器就可以 了。


让一


个充电循环开始的条件有


3< /p>


个，它们分别是



(1) Vcc


引脚的电压大于


UVLO


门限电压

< p>


(2) 5


引脚与地之间连接一个设定电阻器



(3) 3


引脚连接一块电池



2)


工作模式



(1)


涓流充电模式



TP4054


进入涓流充电模式的条件是


3


引脚的电压小于


2.9V


。在该模式下，


TP4054


提供的电流只有设定充电电流的


1/10


，当电流电压大于安全的电平时，


就可以达到满电流进 行充电。




第



10



页



共



31


页



(2)


恒定电流模式



TP4054


进入恒定电流模式的条件是


3


引脚的电压大于


2.9V


，在此模式下向


电池提供稳定的电流进行充电。



(3)


恒定电压模式



TP4054


进入恒定电压模式的条件是


3


引脚的电压达到最 终浮充电压


4.2V


，


在此模式下充电 电流开始慢慢地减小。当充电电流小于设定值的


1/10


的时候 ，


整个充电循环就结束了。



当输入电 压被断开的时候，


TP4054


自行变成低电流的状态，将电流 下降至


2uA


以下。也可以将


TP40 54


设置为停机模式，在此模式下供电电流为


45uA


。



3)TP4054


的特点



(1)


高达


800mA


的可编程充电电流



(2)


恒定电流


/


电压操作



(3) C/10


充电终止



(4)


自动再充电



(5)


软启动限制了浪涌电流



(6)


待机模式下的供电电流为


45uA


(7)


精度达到


±

< br>1%


的


4.2V


预设充电电压< /p>



(8)


充电电流监视器



(9)


欠压闭锁



(10)


表示充电结束或是输入电压接入的状态引脚


< br>4)TP4054


引脚如图


3-5


所示




图


3-5



TP4054


引脚图



5)


引脚介绍




第



11



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共



31


页



引脚


1


（


CHRG


）：漏极开路状态下的输出



引脚


2< /p>


（


GND


）：接地



引脚


3


（


BAT


）：该引脚向电池提供充电电流



引脚


4


（


VCC

）：该引脚接入正电源电压。


Vcc


的值在


4.25V


至


6.5V


之间，


并通过一个电容器进行旁路，这个电容器的值至少为


1uF



引脚


5


（


PROG


)


：该引脚的作用是对充电电流进行 监控


/


设定和停机。在该


引脚与地之间 连接了一个电阻器


P


PROG


，通过它 来进行充电电流的设定。当在稳


定电流模式下充电的时候，该引脚的电压可以保持在


1V


左右。并且在所有的模


式下，充电电流 都可以通过该引脚上的电压来计算，如公式


3-3


所示：



I


BA


T


=


（


V


PROG


/


R


PROG


）


*1 000


















(3-3)

PROG


引脚还可以用来关断充电器。断开设定电阻器与地的连接，


PROG


引


脚通过内部一个


2 .5uA


的电流件将电压升至高电平，


充电器启动停机模式，< /p>


此时


停止充电，并且将输入电流降至


45 uA


。只需要将


R


PROG

< p>
与地相连，就可以让充


电器恢复正常操作状态。



3.1.4


低压差调节器



由于整个设计的供电电压是


3.3V


，但是锂电 池的输出电压是


3.7V


，所以必


须要 选择一款能稳定输出


3.3V


的低压差调节器。


KV5033


芯片是由


SIPEX

公司


生产的，它是一款低功耗、低电压调节器。它很适合用于某些电池供电的系统，


比如无绳电话、


便携式电子设备和一些无线控制系统等。


其拥有低压差、


低静态


的电流等特性，


而且具有非常小的初始容限，


极低的线路调节率以及良好的负载


等特性，


并且拥有很低的温度系数，


所以适用 于当做低功耗电源。


错误的标志输


出模块还能够对系统的电压进 行监控，


当系统电压不足或者是输入的电压下降等


情况时，逻辑 关断模块能够改变调节器的开、关状态。



它具体的一些特点如下



1)


输出电压：


5.0V


及


3.3V



2)


极低静态电流



3)


过热保护和过流保护



4)


极低温度系数



5)


仅需


1us


即可稳定输出



6)


极低的线路调节率以及负载调节率



3.1.5


显示屏



1)


对


12864


液晶显示屏 的概述



设计采用


12864OLED


液晶显示屏来显示数据，


由于它的内部自带中文字库，


所以它能够显示中文字符。


12864


液晶显示 屏拥有多种接口方式，比如


4/8


位并



第



12



页



共



31


页



行以 及


2/3


线串行等，


它的内部还包含有 国标一级和二级简体中文字库的点阵图


形液晶显示模块；


其低电 压低功耗的显著特点，


再加上分辨率高的特点，


让它在


电子产品的设计中得到了广泛的应用。


而且它的显示方案与同类型液晶显 示模块


相比，在硬件电路的结构设计以及程序的编写方面都要简单很多。



2)12864


液晶显示器的特点



(1)


低电源电压（


VDD


：


+3.0V


至


+5. 5V


）



(2)

显示分辨率：


128*64


点



(3)


内置


128

< br>个


16*8


点阵字符



(4)


内置汉字字库



(5) 2MHz


时钟频率



(6)


不需片选信号，方便软件设计



(7)


不用外加负压



(8)


工作温度：


0°


C


至


+55°


C


(9)


存储温度：


-20°


C


至


+60°


C



3.2


主要功能模块电路图



3.2.1


充电及稳压电路模块



充电及稳压电路 模块设计如图


3-6


所示，


3-6


（


A


）中


+5V< /p>


电压是


USB


电源


提供，


通过


TP4054


充电芯片的


3


引脚输出电压给锂电池充电，


通过拨 动


3-6


（


B


）


中的


S1


开关来控制锂电池给整个系 统供电，


锂电池输出


3.7V


电压，< /p>


但是系统的


其它模块都需要


3.3V


的工作电压，所以使用了


3-6


（


C


）中的


KV5033


低差调节


器，将电压降至


3.3V


稳定 输出，给整个系统供电。



A


C


B


图


3-6


充电及稳压电路




第



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共



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