酒精浓度测试仪设计详解
药品不良反应-
酒精浓度测试仪设计报告
目
录
酒精浓度测试仪设计报告
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1
一、
设计意义
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............................
3
二、
硬件设计
.
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..................................................
............................
3
1
、设计框图
.
.....................................
..................................................
.....................................
3
2
、乙醇信号检测及调理电路
.
..............................
..................................................
................
4
3
、单片机电路
.
....................................
..................................................
..................................
7
4
、显示电路
.
.....................................
..................................................
.....................................
8
5
、供电及程序下载电路
.
................................
..................................................
......................
9
三、
Protel
硬件开发软件
....
..................................................
..................................................
....
10
1
．
Protel
软件组成
.<
/p>
........................................
..................................................
..................
10
2
．
PCB
板设计
.
..............................
..................................................
................................... 11
四、
软件编程
.
..................................................
..................................................
..........................
13
1
、软件流程图
.
....................................
..................................................
........................................
13
2
、主程序
................................................ .................................................. .....................................
14
五、
下载与调试
.
.................................................
..................................................
.......................
20
1
、
USB
转串口驱动安装
.
.................................
..................................................
................
20
2
、
下载程序
.......................
..................................................
...............................................
21
参考文献
..........
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..................................................
...........................
22
程序
.........................
..................................................
..................................................
...................
22
一、
设计意义
自《刑法修正案
(
八
)
》和修改后的《道
路交通安全法》正式实施，“醉酒驾
驶”正式入刑。
不仅交警部
门，
而且很多车主都期盼能够有便携仪器方便地测量
气体酒精浓
度，为安全驾驶提供保障，有效减少重大交通事故的发生。
本
研究设计的酒精浓度测试仪是一款实用性强、
安全可靠的气体乙醇浓度检
测工具，采用高精度
MQ-3
乙醇气体传感器对空气中
的乙醇浓度进行检测，利用
宏晶公司高性能低成本单片机
STC
89C52
对检测信号进行
A/D
转换
和处理，最后
通过液晶屏显示输出。本研究设计的酒精浓度测试仪还具有醉酒阈值设定功
能，
可以根据法律法规或用户需要设定修改醉酒阈值，并进行保存。
二、
硬件设计
1
、设计框图
本研究设计的酒精浓度测试仪框图如图
1
所示。
MQ-3
乙醇气体传感器输出
信号经信号调理电路处
理，
输出随乙醇浓度变化的电压信号，
该电压信号送入单
片机系统，经
AD
转换，与设定的醉酒阈值进
行比较，并显示或报警。
MQ-3
传
感器模块
MQ-3
气体传感器
信号调理
电路
模拟电压信号
STC12C5A16AD
< br>单片机
模
/
数转换
电压
/
酒精浓度
转换
醉酒阈值
阈值比较
外部
EEPROM
酒精浓度显示
过阈报警
图
1
酒精浓度测试仪方框图
2
、乙醇信号检测及调理电路
MQ-3
乙醇气体传感器可以应用用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后
作业人
员的现场检测，也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。其技术特点为：
对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性
快速的响应恢复特性
长期的寿命和可靠的稳定性
简单的驱动回路
主要技术指标：
< br>MQ-3
乙醇气体传感器灵敏度曲线如图
2
所示，其传感原理为气敏电阻的输
出阻值随乙醇气体等浓度变化而变化。
图
2
MQ-3
乙醇气体传感器灵敏度曲线
MQ-3
乙醇气体传感器管脚与测试电路如图
3
所示。
(a)
管脚图
(b)
测试电路
图
3
MQ-3
乙醇气体传感器管脚及测试电路
MQ-3
乙醇气体传感器及其调理电路原理如图
4
所示。其外形如图
5
所示。
经过调理，
检测信号由电阻值转变成电压值，
便于后续电路进行
A/D
转换和处理。
图
4
传感器及调理模块原理图
该传感器模块具有如下特点，方便与单片机系统接口组成检测仪器。
具有信号输出指示。
双路信号输出（
模拟量输出及
TTL
电平输出）
TTL
输出有效信号为低电平。
(
当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机
)
模拟量输出
0~5V
电压，浓度越高电压越高。
3
、单片机电路
本设计选用宏晶公司高性能单片机
STC89C52
，其管
脚如图
6
所示。
图
6
STC89C52
单片机管脚图
该芯
片为
52
内核
8
位单片机，
适用于常用检测电路。
由
STC89C52
组成的单
片机系统原理图如图
7
所示。
图中
AOUT
为
MQ-3
传感器模块输出的检测电压信号，
送入
ADC0832
采集芯片端口进行
处理，
该信号可以根据乙醇气体浓度直接输出报
警信号，报警阈
值通过模块上的电位器进行调节。
图
7
单片机系统原理图
图
7
中，按键
K2
和
K3
为醉酒阈值调整键，其中
K2
为“增加”，
K3
为“
减
小”按键。
L2
和
< br>L3
为报警指示灯，分别可以进行酒后和醉酒两级报警。
4
、显示电路
显示部分采用
SMC
1602
液晶屏进行数据显示，其主要技术参数为：
表
1
液晶屏技术指标
< br>接口信号说明如表
2
所示。
表
2
液晶屏接口信号说明
与单片机接口电路如图
8
所示。其中
J2
的
3
脚为背光引脚，
R9
和
R10
电阻
用于调节背光亮度。
J2
的
4
、
5
、
6
引脚分别接液晶的
RS
、<
/p>
E/W
和
E
控制
引脚，
J2
的
7
—
14
引脚为数据引脚。
图
8
LCD
与单片机接口电路
5
、供电及程序下载电路
本设计采用电池盒接口供电，
电源电压
5V
。
同时，
其电路原理如图
10
所示。
图
10
供电及程序下载电路
三、
Protel
硬件开发软件
Protel
是目前国内最流行的通用
EDA<
/p>
软件，它是将电路原理图设计、
PCB
板
图设计、电路仿真和
PLD
设计等多个实用工具软件组合后构成
的
EDA
工作平台，
是第一个将
EDA
软件设计成基于
Windows
的普及型产品。
它集成了软件界面、仿真功能和
PLD
设计和信号完整性分析，在此基础
上
< br>Protel 99SE
又增加了一些新的功能，用户使用更加方便灵活。
Protel
的功能十分强大，在电子电路设计领域占有极其重要的地
位。它以其强大
功能和实用性，逐渐获得广大硬件设计人员的青睐，是目前众多
EDA
设
计软件中用户最多的产品之一。
1
．
Protel
软件组成
Protel
软件主要由电路原理图设计模块、印制电路板设计模块（
PCB
设
计模块）
、电路信号仿真模块和
< br>PLD
逻辑器件设计模块等组成，各模块具
有强大的功能
，可以很好的实现电路设计与分析。
(1)
原理图设计模块（
Schematic
模块）
电路原理图是表示电气产品或电路工作原理的重要技术文件，电路原
理图主要由代表各种电子器件的图形符号、线路和结点组成。图
4.1
所示
为一张电路原理图。该原理图是由
< br>Schematic
模块设计完成的。
Schemati
c
模块具有如下功能：丰富而灵活的编辑功能、在线库编辑及完善的库管理
功能、强大的设计自动化功能、支持层次化设计功能等。
(2)
印制电路板设计模块（
PCB
设计模块）
印制电路板（
PCB
）制板图是由
电路原理图到制作电路板的桥梁。设
计了电路原理图后，需要根据原理图生设计成印制电
路板的制板图，然后
在根据制板图制作具体的电路板。印制电路板设计模块具有如下主要
功能
和特点：可完成复杂印制电路板（
PCB
< br>）的设计；方便而又灵活的编辑功
能；强大的设计自动化功能；在线式库编辑及完
善的库管理；完备的输出
系统等。
(3)
电路信号仿真模块
电路信号仿真模块是一个功能强大的数字
/
模拟
混合信号电路仿真器，
能
提
供
连
续
的
模
拟
信
号
和
< br>离
散
的
数
字
信
号
仿
真
。
它
运
行
在
Protel
的
EDA/Client
集成环境下，与
Protel
Advanced
Schematic
原理图输入程序协
同工作，作为
Advanced Sche
matic
的扩展，为用户提供了一个完整的从设
计到验证仿真
设计环境。
在
Protel
中进行仿真，只需从仿真用元器件库中放置所需的元器件，
连接好原理图
，加上激励源，然后单击防真按钮即可自动开始。
2
．
PCB
板设计
(1)
定元件的封装
①
打开网络表（可以利用一些编辑器
辅助编辑）
，将所有封装浏览一
遍，确保所有元件的封装都正确
无误并且元件库中包含所有元件的封装，
网络表中所有信息全部大写，一面载入出问题，
或
PCB BOM
不连续。
②
标准元件全部采用公司统一元件库中的封装。
③
④⑥⑤元件库中不存在的封装，应自己建立元器件库。
(2)
建立
PCB
< br>板框
①
根据
PCB
结构图，或相应的模板建立
PCB
文件，包括安装孔、禁
布区等相关信息。
②
尺寸标注。在钻孔
层中应标明
PCB
的精确结构，且不可以形成封
闭尺寸标注。
(3)
载入网络表
①
载入网表并排除所有载入问题，具
体请看《
PROTEL
技术大全》
。<
/p>
其他软件载入问题有很多相似之处，可以借鉴。
②
如果使用
PROTEL
，网表须载入两次以上（没有任何提示信息）
才可
以确认载入无误。
(4)
布局
①
首先要确定参考点。
一般参考点都设
置在左边和底边的边框线的交点（或延长线的交点）
上或印制板的插件的第一个焊盘。<
/p>
②
一但参考
点确定以后，元件布局、布线均以此参考点为准。布局
推荐使用
25MIL
网格。
③
根据要求先将所有有定位要求的元件固定并锁定。
④
布局的基本原则
A.
遵循先难后易、先大后小的原则。
B.
布局可以参考硬件工程师提供的原理图和大致的布局，根
据信号
流向规律放置主要原器件。
C.
总的连线尽可能的短，关键信号线最短。
D.
强信号、弱信号、高电压信号和弱电压信号要完全分开。
E.
高频元件间隔要充分。
F.
模拟信号、数字信号分开。
⑤
相同结构电路部分应尽可能采取对称布局。
⑥
按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准来优化布局。
(5) PCB
设计遵循的规则
①
地线回路规则：
图
11
地线回路规则
环路最小规则，即信号
线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积
要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少
，接收外界的干扰也越小。针
对这一规则，在地平面分割时，要考虑到地平面与重要信号
走线的分布，
防止由于地平面开槽等带来的问题；在双层板设计中，在为电源留下足够<
/p>
空间的情况下，
应该将留下的部分用参考地填充，
且增加一些必要的过孔，
将双面信号有效连接起来，对一些关键信号尽量采用地
线隔离，对一些频
率较高的设计，
需特别考虑其地平面信号回路
问题，
建议采用多层板为宜。
②
窜扰控制
窜扰
（
CrossTalk
）
是指
PCB
上不同网络
之间因较长的平行布线引起的
相互干扰，主要是由于平行线间的分布电容和分布电感的作
用。克服窜扰
的主要措施是：
A.<
/p>
加大平行布线的间距，遵循
3W
规则。<
/p>
B.
在平行线间插入接地的隔离线。
C.
减少布线层与地平面的距离
③
屏蔽保护
图
12
屏蔽保护
对应地线回路规则，实际上
也是为了尽量减小信号的回路面积，多用
于一些比较重要的信号，如时钟信号，同步信号
；对一些特别重要，频率
特别高的信号，应该考虑采用铜轴电缆屏蔽结构设计，即将所布
的线上下
左右用地线隔离，而且还要考虑好如何有效的让屏蔽地与实际地平面有效
结合。
④
走线方向控制规则
相邻层的走线方向
成正交结构，避免将不同的信号线在相邻层走成同
一方向，以减少不必要的层间窜扰；当
由于板结构限制（如某些背板）难
以避免出现该情况，特别是信号速率较高时，应考虑用
地平面隔离各布线
层，用地信号线隔离各信号线。
⑤
电源与地线层的完整性规则
对于导通
孔密集的区域，要注意避免孔在电源和地层的挖空区域相互连
接，形成对平面层的分割，
从而破坏平面层的完整性，并进而导致信号线
在地层
的回路面积增大。
四、
软件编程
1
、软件流程图
本设计软件主程序流程图如图
13
所示。
< br>
数据初始化
定时器初始化
A/
D
转换初始化
显示初始化
进入后台
while
循环
触发
A/D
转换
换算酒精浓度
酒精浓度显
示
超过阈值吗？
否
酒精浓度显示
是
报警
有键按下吗？
否
是
按键处理
图
13
主程序流程图
2
、主程序
下面介
绍
main.c
主程序编写，其他程序略。
(1)
头文件和一些宏定义
#include
//
调用单片机头文件
#define uchar unsigned char
//
无符号字符型
宏定义
变量范围
0~255
#define
uint
unsigned int
//
无符号整型
宏定义
变量范围
0~65535
#include
//#include
sbit
CS=P2^4;
//CS
定义为
P2
口的第
4
位脚，连接
ADC0832CS
脚