毕业论文_酒精测试仪

毕业_酒精测试仪 摘 要 酒后驾车造成交通事故不计其数，带来很大危害。各国都在采取各种方法来解决这个问题，但最终没有找到一个很好的解决方法。 酒后驾车控制器就是因此而设计的。在这之前，同类产品国内外已有，但都因为成本、可靠性、方便性等原因没有得到推广。 本设计就是在前人基础上，使其有效、可靠的控制酒后驾车，并将完善其他功能。最终目的是使它能够得到广泛应用，最大限度的限制和杜绝酒后驾车现象。 设计采用半导体酒精探头，其特点是灵敏度高、稳定、可靠;控制器采用89C2051单片机，其具有体积小、功耗低和带有电位比较器;设计上采用发射和接收分离的无线传输技术，使其设备体积小、使用方便、易操作、易安装等特点。此外发射端发送信息码，接收端检验接收码正确性，从而增加了电子锁的功能;整体来说，该设计有成本低、结构简单、可靠性强、易于使用的特点，将会成为汽车上不可或缺的安全工具。 关键词:酒后驾车控制器;酒精探头;89C2051;无线传输技术; 信息码;电子锁 I Abstract Causing the traffic accident to be countless by car after drinking, bring and endanger greatly. Various countries are taking various kinds of methods to solve this problem. But has not found a very good solution finally. The controller is what is designed because of this to drive after drinking. Before this, there are the like products have both at home and abroad, but because of the cost, dependability , the reason of helping etc. is not popularized . It is to make its effective , reliable control drive after drinking on the basis of forefathers to originally design, and will perfect other functions. The final purpose is to make it used widely, maximum restriction and phenomenon of stopping to drive after drinking. Designing and adopting the semiconductor alcohol sensor, its characteristic is that sensitivity is high , and steady , reliable ; The controller adopts 89C2051 one-chip computer, it has small , low power dissipation and having electric potential comparators; Adopt launching and receive the wireless transmission technology separated on the design , make its equipment small , easy to use , easy to install, in addition launch the end to send the information yard , receive the end to examine and receive one yard of exactness, thus the function increasing electron locking; Come wholly to say , this design is with low costs of simple structure, will become a tool which indispensable II on the automobile with. Keywords: Drive the controller after drinking; alcohol sensor; 89C2051; wireless transmission technology; information yard; the electron locking III 目 录 错误～未找到引用源。摘 要 ............................ I Abstract ............................................ II 第1章 绪论 ......................................... 1 1.1课题背景 ........................................................................... 1 1.2目前采取方法 ................................................................... 2 1.2.1呼气酒精测试 ............................ 2 高智能汽车............................. 3 1.2.2 1.2.3 驾驶员酒后开车控制器................... 4 1.3设计要求 ........................................................................... 4 第2章 设计 .................................. 5 2.1选择 ................................................................... 5 2.2.1发射部分 ................................ 9 2.2.2 接收部分.............................. 10 2.2.3整体设计过程 ........................... 11 2.3可行性分析 ..................................................................... 12 2(4本章小结 ....................................................................... 13 第3章 硬件设计 .................................. 14 3.1发射部分 .......................................................................... 14 3.1.1 89C2051单片机 ........................ 14 3.1.2酒精含量检测模块 ....................... 15 3.1.3吹气判断模块 ........................... 19 3.1指示灯模块 ....................................... 20 3.1.5发射装置模块 ........................... 21 3.1.6发射总体部分 ........................... 22 3.2接收部分 .......................................................................... 23 3.2.1接收装置模块 ........................... 23 3.2.2报警语音模块 ........................... 24 3.2.3稳压降压模块 ........................... 25 3.2.4执行模块 ............................... 26 3.2.5接收总体部分 ........................... 27 3.3本章小结 ......................................................................... 28 第4章 软件设计 .................................. 29 4.1 程序流程图 .................................................................... 29 4.2 本章小结 ........................................................................ 39 第5章 安装调试 ................................... 39 5.1 安装调试过程 ................................................................ 40 5.2 调试方法 ........................................................................ 41 5.2.1硬件调试 ............................... 41 5.2.2软件调试 ............................... 41 5.3 本设计具体调试用例 ..................................................... 42 5.3.1黄灯忽亮忽灭 ........................... 42 5.3.2语音电路的喇叭不响 ..................... 42 5.3.3接收部分不工作 ......................... 43 5.4 本章小结 ........................................................................ 43 结 论 ............................................... 44 致 谢 ............................................... 45 参考文献 ........................................... 46 附录1 外文文献及中文翻译 ............................ 47 RC 模拟数字变换器 .................................. 55 附录2电气原理图..................................... 61 第1章 绪论 1.1课题背景 交通事故已成为对人类生命安全威协最大的“第一公害”。全球每年有50万人因车祸丧生。引起交通事故的基本因素有人、车、路、环境与管理等,其中驾驶员本身因素占70%。而酒后驾车是驾驶员驾驶事故重要因素之一。世界各国统计,30%,50%的交通事故由饮酒后驾车所至。我国交通部门报道,酒后驾车的交通事故率比平常人高出至少5,6倍。在1989,1990年中,因酒后驾车引起的交通事故平均每年高达3万余起。我国交通法规定:禁止酒后驾车。在我们的调查中,驾驶员承认有酒后驾车者达11.99%,且有2.43%的驾驶员经常酒后驾车。酒后驾车与车祸的关系是无可辩驳的。美国近46%的交通事故与酒精有关,且酒后驾车是美国车祸的三种主要危险因之一。联邦德国有70%的交通事故与酒后开车有关。美、日等国的研究表明，血液中酒精浓度为0.03%、0.09%、0.15%时,驾驶能力分别可下10%、25%、30%。饮酒可致驾驶员视觉功能、触觉敏感度、判断能力、注意力等下降,从而致交通事故的发生。目前，我国对于酒后驾车行为的监控主要采取出动警力，不定期抽查的方式。但由于人员有限等原因，管理仍存在一定的难度，交管部门对此也非常苦恼。由于酒后驾车的危害，交管部门加大处罚力度。车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于20mg/100mL小于80mg/100mL的驾驶为。属于 1 饮酒驾车，车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于80mg/100mL 的驾驶行为属于醉酒驾车。由公安机关交通管理部门约束至酒醒，15日以下拘留和暂扣3个月以上6个月以下机动车驾驶证。现行道路交通安全法还规定，一年内醉驾被处罚两次以上的，吊销机动车驾驶证，5年内不得驾驶营运机动车。在英国，酒后驾车等于失去工作,因为他们上班的主要的交通工具就是汽车。 酒后驾车造成的交通事故对国家、他人、自己产生了难以估计的后果。为了减少这种现象的出现，世界各国都在想办法来解决这个问题。 1.2目前采取方法 1.2.1呼气酒精测试 目前全世界几乎所有国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者是否是酒后驾驶。主要有燃料电池型呼气酒精测试仪和半导体型呼气酒精测试仪。可以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型，即:燃料电池型(电化学)、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型。但由于价格和使用方便的原因，目前常用的只有燃料电池型(电化学型)和半导体型两种。这两种能够制造成便携型呼气酒精测试器，适合于现场使用半导体型采用氧化锡半导体作为传感器，这类半导体器件具有气敏特性，当接触的气体中其敏感的气体浓度增加，对外呈现的电阻值就降低。这种半导体在不同工作温度时， 2 对不同的气体敏感程度是不同的，因此半导体型呼气酒精测试仪中都采用加热元件，把传感器加热到一定的温度，该传感器对酒精具有最高的敏感度。燃料电池型呼气酒精测试仪采用燃料电池酒精传感器作为气敏元件，它属于电化学类型，因此又称为电化学型。燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染，酒精传感器只是燃料电池的一个分支。燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满特种催化剂，使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比。与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性好，精度高，抗干扰性好的优点。但是由于燃料电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，目前只有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产，加上材料成本高，因此价格相当昂贵，是半导体酒精传感器的几十倍。半导体型酒精测试仪的最大优点是价格低廉，只有燃料电池型的几分之一，但性能远比燃料电池差，所以通常用在自我检测或一般性测试。对于作为执法或者处罚依据的人体酒精含量检测，就应该使用燃料电池型酒精测试仪。 1.2.2 高智能汽车 据报道，英国最近发明了一种高智能汽车，可以自动拒绝司机酒后驾驶。这款崭新设计的高智能坐骑，装有一套名为“个人警察”的监察系统，由红外线摄像机、感应器和带有电脑分析功能的“小黑箱”组成。“小黑箱”会把摄像机录制的司机眼球活 3 动情况以及感应器侦察到的方向盘扭转动作集中起来进行分析。若司机是在头脑清醒的情况下驾车，通常在扭动方向盘之前，会先审视一下行车方向。司机喝得愈醉，审视的时间愈短。“个人 系统将根据司机审视时间的长短，来判定司机的醉酒程度，警察” 决定是否响起警铃，或使汽车无法启动。 1.2.3 驾驶员酒后开车控制器 市面上存在很多这种仪器。主要通过吹气，酒精检测设备检测酒精含量，若含量超标切断汽车点火器，使其无法开动，以达到控制作用。但是其中总存在一些弊端。如可靠性、实用性、成本等因素而没有得到推广。 1.3设计要求 目前市场上有多种警用酒精测试仪，随着技术的发展功能越来越多、灵敏度越来越高，它能协助交警定点抽查驾驶员是否饮酒,但实施面太窄,为给交通管理部门提供科学的管理手段,提出了酒后驾车控制器。 设计要求: (1) 安装在汽车上，不用交警和其他人员就能判断司机是否酒后驾车，以确保了司机的安全，又减少了交警等人员的工作量。 (2) 酒精传感器灵敏度高，控制器体积小、功耗低、具有电压比较功能。 (3) 能够检测到酒精含量是否超标，超标则切断点火器，使汽车无法开动，以达到控制酒后驾车。 4 (4) 这种设备成本要比呼气酒精测试仪低。 (5) 实现和使用方法简单、可靠性强、易推广等特点。 第2章 方案设计 2.1设计方案选择 对酒后驾车控制，存在的可设计方案很多，并且能实现其他附加功能。但鉴于成本、可靠性、实用性等因素考虑，提出以下几种方案。 方案一:智能监控器。驾驶员一旦饮酒，其呼出的乙醇气体被捕捉到，监控器立即作出反应，其功能有:显示被测对象的乙醇浓度;振荡式声、光报警;累计记录驾驶员酒后开车的次数;由控制开关强行切断汽车点火装置的驱动电源。设计图如图2-1所示:显示一:该显示窗共有4位显示，采用数码管直接显示当前时刻驾驶员呼出的气体中乙醇气体的含量，因酒敏元件本身存在一定的非线性，监控器采用软件处理后，显示较为准确。显示二:该显示窗也有4位，它实际上是累计记录驾驶员酒后开车的===单独采用了带有计算功能的电子表作为显示记录器。静态时,记录器的正、负端之间的电压很低(约60mV)，它被锁住在一个记录状态，监控器在报警的同时，产生一个尖脉冲信号，记录器自动加1。为避免记录器受电路其它部分的影响，中间接有光、电隔离管。于是交通管理部门可定期通过“显示”对驾驶员酒后开车情况进行检查。报警:所接收到的乙醇信号达到报警点时，监 5 控器经软件处理后，立即控制红、绿发光二极管交替闪烁，作出光报警信号(静态时，仅有绿灯恒亮，作为电源指示)，同时，由外接晶振断续发出声音报警信号。控制:由于种种原因，有些驾驶员饮酒后仍会强行开车，这样很容易造成事故。为此，在充电电瓶(DC12V)与点火装置之间，设计了一继电器开关。一旦驾驶员酒后强行开车，监控器则切断点火装置的电源，禁止汽车启动或运行，此时汽车可能会停止在交通要道上，为避免交通堵塞，监控器报警后延时20s，再发控制信号，而待报警解除后5s内控制信号即消失，汽车便可重新启动。该监控器仅适用于有驾驶室的汽油车，不适用于摩托车，对于柴油车，仅有显示、报警和记录功能，没有控制功能。 图2-1 方案一设计图 方案二:汽车智能控制。此设计是对驾驶员驾车进行全面控制。酒后驾车是其中一部分。此设计将驾驶员和交管部门构成一个系统。交管部门纪录驾驶员详细资料;之后将驾驶证转变为与 6 IC卡类似的电子驾照。卡内存有驾驶员的姓名、身份证号码、允许驾驶的车辆类型、每年考核的情况、违章纪录等内容;最后在汽车上安装无线通讯设备。汽车将和交通部门设置的管理系统形成一个无线网络。驾驶员开车时，先要插入正确的电子驾照，卡内的信息通过无线网络传到交通部门的管理系统。交通部门将检查其信息是否正确、有没有违章行为、酒后驾车的次数是否超过一定数目，如这些信息都达到安全行车的才能启动。行驶时，安装在汽车上的检测空气中酒精含量系统会自动启动，开始检测。若发现驾驶员是酒后驾车，汽车会发声，提醒驾驶员不能开车，汽车自动熄灭。如果汽车再次启动，智能控制系统会再次作出提示，自动熄灭。如果驾驶员连续三次启动，系统将会将其信息传到交通管理系统，交通部门将会通知附近交警迅速赶到事发地，对酒后驾车者进行相应处理。如送到医院等。除外，电子驾照上还会增加酒后驾车的次数，当次数超过一定规定将会在很长一段时间不能驾车，接受管理部门教育。 方案三:采用驾驶员主动吹气方法，进行判断驾驶员是否是酒后开车。方案设计图如2-2所示:这个装置放在驾驶室司机右手位置，当司机发动汽车时，报警装置将会响起，提醒你使用酒精控制器。酒精控制器一般要加热到1分钟左右，该设备绿灯会亮，说明可以吹气。向酒精探头吹气，必须发出声音，这样才能保证测试准确。话筒作用判断是否吹气。当吹气确认后，发送到单片机，开始对气体信号进行检测。酒精含量和电压信号有一定关系——含量越高，电压越高;温度越高，灵敏度越高。检测信号经过了放大、检波电路，进行信号放大和对噪声的过滤。之后， 7 通过A/D电路转换为数字信号，由单片机对此信号进行处理判断，假设酒精含量没有超标，指示灯亮起，可以启动汽车，继电器不起作用，酒精控制器停止工作。反之，超标指示灯亮起，报警装置同时响起，说明不能行驶，若司机强行启动，单片机开始控制继电器，30秒后继电器开关切断点火装置电源，汽车无法行驶，从而实现酒后控制驾车行驶的功能。 图2-2 方案三设计图 优缺点比较: 方案一优缺点:智能化，自动检测到驾驶员呼气体酒精含量。若驾驶员强行开车，自动切断点火装置电源使车无法启动或行驶。但由于车内除了驾驶员还有乘客，乘客呼出的气体对检测装置干扰。这种方法可靠性不强。 方案二优缺点:采用电子驾照而系统化。有利于对驾驶员进 8 行管理。此外每个人的电子驾照不同，发动汽车时，必须插入，具用防盗功能。但是空气中的干扰很多，检测不准确，并且建立这么大的网络系统人力物力投入很大，实现困难。 方案三优缺点;设计简单，有效可靠实现酒后驾车控制。但司机需主动进行检测，不够智能化。 根据以上方案的优缺点比较、设计的要求及实际情况，采用方案三为基础进行设计。 2.2采用方案 该装置设计分两个部分:发射部分和接收部分。 2.2.1发射部分 发射部分主要是检测酒精含量，判断是否含量超标，向接收部分发出信号。图2-3是其结构框图。将其分几个模块介绍。 (1) 酒精含量检测:吹气时，根据气体中酒精含量不同，酒精探头输出的电压也发生明显变化。电压随酒精含量的升高而增大。当电压增到一定的值时，说明酒精含量超标，反之不超标。将输出电压送到单片机进行判断，检测驾驶员呼出气体中酒精含量是否超标。 (2) 吹气判断:话筒判断驾驶员是否吹气。若无话筒，驾驶员不吹气，酒精探头无法判断驾驶员是否吹气而检测不到呼出气体中的酒精含量，而做出错误判断。使用话筒吹气时，话筒必产生一个脉冲信号，单片机判断驾驶员吹气，再检测酒精探头送来的信号。 (3) 指示灯:指示灯有红绿黄三个。红灯是电源指示灯，工 9 作时亮;绿灯是吹气提示灯，酒精探头需要一定时间加热，才能达到理想的灵敏度。加热时间到，绿灯亮，表示可以吹气;黄灯表示吹气有效，当黄灯不亮，表示吹气不充分，直到黄灯亮，单片机才开始检测酒精探头送来的信号。 (4) 单片机:单片机用来判断驾驶员是否吹气，检测气体中的酒精含量是否超标，并生成相应的码传给发射设备。 (5) 发射设备:发射设备将单片机生成的信息码调制后无线发送给接收部分。 图2-3 酒后驾车控制器发射装置 2.2.2 接收部分 接收部分主要是对收到的码信号进行判断，做出相应操作。收到错误码，不做任何操作;收到超标码，报警音提示，点火装置断开，汽车大灯亮，喇叭响;收到不超标码，发出可行驶提示音，点火装置打开。图2-4是其结构框图，将其分几个模块介绍。 (1) 接收设备: 接收发射部分的信号，调制后把码送到单片机。 (2) 工作指示灯: 开电源后，工作指示灯亮表示接收部分开 10 始工作。 (3) 单片机: 收到接收设备送来的码，根据不同码进行不同操作。其控制工作指示灯、继电器、语音装置。 (4) 继电器: 受单片机控制，相当于开关，控制点火装置开闭、车灯的亮灭和喇叭的响与不响。 (5) 报警语音装置: 当酒精含量超标，它发出警告音;当不超标，它发出提示音。 图2-4 酒后驾车控制器接收置 2.2.3整体设计过程 图2-5为总体设计图，发射与接收是分离的。发射器很小，驾驶员可随身携带，所需电源5V。接收装置固定装在汽车上，与汽车上引出12V电压、点火装置、大灯、喇叭相连。驾驶员在发动汽车时，首先开发射器，红灯亮说明发射器开始工作;之后绿灯亮说明酒精探头温度适宜，可以吹气;吹气后(真正吹气)， 11 黄灯亮，单片机判断酒精含量是否超标，生成的码信号由串口发给发射设备，其以无线电方式发给接收部分。接收设备收到后解调为码信号通过串口传给单片机，其根据不同码做出相应操作。若超标，报警音提示、点火装置断开、汽车大灯亮、喇叭响;反之发出行驶提示音、点火装置开。 图2-5 总体设计图 2.3可行性分析 采用这种设计方法主要是从以下角度考虑: (1) 从零器件角度看:酒精探头选用QM-J3气敏元件，是以 复合金属氧化物为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触乙醇蒸汽时，其电导率随气体浓度增加而迅速升高。其对汽油蒸汽又抗干扰能力，灵敏度高，响应速度好，寿命长，工作稳定可 12 靠等特点。发射设备选用F04E发射模块，接收设备选用配套J04H接收模块。它是一种性价比较好的设备，灵敏度高，发射距离50米以内，低功耗。单片机选用89C2051芯片。低功耗，体积小，有两个特殊引脚，可作电压比较器直接使用。 (2) 从设计结构上看:使用元件少，实现简单。 (3) 从设计要求上看:它满足设计要求，有效可靠检测驾驶员 是否酒后驾车。 (4) 从功能角度上看: 它除了起到控制酒后驾车功能外，在 传输码时，增加码的个数。安装在不同汽车上的设备，发 送不同码，这就要求发射设备与接收设备必须一一对应， 这辆车的发射器用在其他车上就无效，这样控制器起到防 盗锁功能。 (5) 上述各个元件成本低、使用方便、安装简单、易推广。 2(4本章小结 本章介绍了三种设计方案，比较了之间的优缺点。根据实际情况、设计要求，阐述自己最终设计方案。其中详细介绍了本方案的结构框图，各模块的功能及大致工作过程，最后论证了此方案的可行性。 13 第3章 硬件设计 3.1发射部分 3.1.1 89C2051单片机 89C2051单片机属于MCS-51系列，功能介绍:2K可擦写闪存，工作电压2.7~6V，工作频率0~24MHZ，128BIT内部RAM，15个I/O口，2个时间计数器，6个中断源，可编程串口通信，直接LED驱动输出。它是低压、低功耗、高性能、体积小，只有20个引脚单片机，除了具有51系列单片机通用功能外，还带有模拟比较器。 单片机基本电路如图3-1所示，P3口除了作I/O口使用，带有特殊功能。P3.0为RXD——串口输入口，将信息由此口传给单片机;P3.1为TXD——串口输出口，将单片机要传信息由此口传 INT1INT0出;P3.2为——外部中断0，产生中断操作;P3.3为——外部中断1;P3.4为T0——时间0中断，用于计时或计数;P3.5为T1——时间1中断。P1口除作I/O口使用，P1.0和P1.1具有特殊功能。在芯片内部有一个电压比较器，对两口输入的信息进行比较，比较结果放在特殊寄存器中。XTAL1为晶振放大输入和内部时钟运行电路输入。 XTAL2为晶振放大输出。它和外部晶振，电容构成了外部时钟的电路。Reset为复位输入，它和外部电解电容，电阻构成了复位电路。当此口置高两个机器周期，单片机将置为初值。单片机的主要功能将在下一章讲述。 14 图3-1 单片机最小系统 3.1.2酒精含量检测模块 酒精探头选用QM-J3气敏元件，是以复合金属氧化物为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触乙醇蒸汽时，其电导率随气体浓度增加而迅速升高。其对汽油蒸汽有抗干扰能力、灵敏度高、响应速度好、寿命长、工作稳定可靠等特点。 技术指标: V加热电压() AC或DC 5?0.2V H V回路电压 () 最大DC 24V C ,R负载电阻() 4KΩ(或可调) L 15 ,R清洁空气中电阻() 2000 KΩ a ,CHOH灵敏度() 5(在100ppm蒸汽SRR,/25adg 中) ,分辨率() 3(在100ppm汽油蒸汽中) DRR,/igdg ,恢复时间 (tres) 30S ,元件功耗 0.7W 监测范围 50—5000ppm 使用寿命 2年 使用方法和注意事项: (1) 元件开始通电工作时，没有接触检测气体，其电导率也急剧增加，约1分钟后达到稳定，这时方可正常使用，这段变化在设计中电路时可采用延时处理解决。基本酒精测试电路如图3-2 VV所示: 为电源电压，为给酒精探头加热电压。 CH (2) 加热电压的改变会直接影响元件的性能，所以在规定的电压范围内使用为佳。 CHOH(3) 元件在接触标定气体100ppm10秒钟以内负载25 电阻两端的电压可达到()差值的80%(即响应时间);VV,dga CHOH脱离标定气体]100ppm30秒钟以内负载电阻两端的电压25 下降到()差值的80%(即恢复时间)。 VV,dga (4) 负载电阻可根据需要适当改动，不影响元件灵敏度。 (5) 使用条件:温度,15,35?;相对湿度45,75%RH;大气 16 压力80,106KPa。 (6) 环境适度的变化会给元件电阻带来小的影响，当元件在精密仪器上使用时，应进行温度补偿，最简便的方法是采用热敏电阻补偿之。 (7) 避免腐蚀性气体及油污染，长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网。 (8) 元件六脚位置可与电子管七脚管座匹配使用。 符号说明: 检测气体中电压, 检测器体中电阻,VRdgdg 干扰气体中电阻, 干扰气体中电压, RVigig 与的关系: VRRRVV,,(/1)dgdgdgLCdg 与的关系: RVRRVV,,(/1)igigigLCig 图3-2 基本酒精测试电路 酒精含量测试电路设计分析: 酒精含量测试电路图如图3-3，电路设计要求是将气体中的 V酒精含量转化成测试电压。参考电压是酒精含量超标与不VSdg V超标的门限。若,，说明酒精含量超标，反之不超标。 VSdg 17 VR6与R7之间输出的就是参考电压。VCC电压为5V，两S V个电阻阻值相等，=2.5V。根据实验所得，如表3-1所示气体S CHOH中100ppm相当于酒精探头输出的测试电压=2.5V左V25dg右。根据驾驶员驾车时酒精含量的规定呼出气体中酒精含量超过100ppm，则不能再开车。通过单片机上的电位比较器，比较与Vdg VV的大小就能判断驾驶员是否酒后驾车。控制电压和三极管DS VQ3对酒精探头加热起到了控制的作用。当为高电平，Q3导通，D 酒精探头开始加热，反之，Q3截止，停止加热。稳压管D2和电容C5，C7起到稳压保护作用。若输入电压有抖动，电容相当短路而滤出，若电压超过5V，稳压管使其控制在5V左右，从而保证电源电压稳压直流。 表3-1 酒精浓度和输出电压关系图 浓度/ppm 电压/V 浓度/ppm 电压/V 0 0 1000 6.842 100 2.503 1500 8.752 500 4.714 18 图3-3 酒精含量测试电路图 3.1.3吹气判断模块 设计要求:吹气时，输出端产生一个脉冲信号，能够被单片机识别。 电路图分析:如图3-4当对话筒吹气时，话筒将产生低频脉冲信号。经由R13到三极管Q2，Q2起到信号放大的作用。脉冲 V信号经Q2放大，输出，其与单片机的外部中断0相连，由单P 片机判断是否吹气。因为三级管的放大电路是共发射极，放大具 VV有反相作用。将会减小。W1电位器，它是用来调整变化灵PP敏度的。它的变化导致话筒静态电压从0.14V到5V变化，满足三极管Q3在截止和放大区工作。C6是用来滤出高电频。C6遇到高电频电压，阻抗变小，相当于短路而被滤出。当频率高于500K时，电容阻抗变为几欧，对高频信号有很大衰减。 19 图3-4 吹气判断电路 3.1指示灯模块 设计要求:能控制三个灯的亮灭。 电路分析:如图3-5 VCC=5V，R1、R2、R3起到限流作用。VV当为高电平时，黄灯LED1两端电压不能满足其工作，当为11低电平，黄灯正常工作。采用同样的方法控制绿灯、红灯。 20 图3-5 指示灯电路 3.1.5发射装置模块 发射装置说明:F04E是技术成熟发射模块，工作电压:3-12V，发射电流:0.2-10mA，发射功率:10mW，工作温度范围-40--+70 ,4度，发射频率:433M，频率稳定度:，F04E顶部的镀金震10 荡电感兼发射天线，出厂时频点调在433M?5M误差，调整此电感高度可调整发射频率。但调整不当易引起更大偏移及停振，使用时以调整接受频率对准收发频点即可。输入信号幅度不应高出F04工作电压，输入信号频率应在0.5-5K合适，低于0.5K发射效果下降而高于5K接受解调效果下降，收发距离变近。F04E输入端内置限流电阻，将输入端接到正电源，从正电源测出电流约为3V 5mA左右，12V约20mA左右即正常，在使用时应在输入端串一支电阻调整发射电流，以免过调制。 电路设计分析:如图3-6所示，1端接5V电源、2端接地、3端是发射信号输入端，其与单片机的P3.0相连。 21 图3-6 发射装置电路 3.1.6发射总体部分 发射部分主要实现吹气判别，酒精含量检测，单片机把判断结果通过发射设备发送到接收部分。 电路设计分析:如图3-7，向话筒吹气，产生的信号经三极管Q2流向单片机的P3.2，单片机判断是否吹气。单片机P1.4控制酒精探头加热，P1.4为高电平，三极管Q3集电极和发射极导通，酒精探头开始加热，反之停止加热。检测到的酒精含量电位传到P1.0口，参考电压传到P1.1口。通过单片机的电位比较器，判断两电位高低，做出相应操作。P1.5，P1.6，P1.7分别与红，绿，黄灯相连。当其置低，灯亮;反之，灯灭。P3.1与发射器的3端相连，单片机要发射的信号由此口传给发射器。单片机内部操作，将在下一章具体说明。发射部分的总体电路图见附录2 22 3.2接收部分 3.2.1接收装置模块 本装置采用的是J04H接收模块。作如下说明: 性能说明:J04H采用独特的电路结构，SMT工艺树脂封装，内含放大整形，输出为数据信号直接解码器，使用极为方便，是一种性价比较好的超再生的模块。J04H无信号时输出为零电平状态(无噪声干扰)可适合于单片机输入端接口，J04H采用条状镀金电感及优化电路，无需外接天线，接受灵敏度高采用一定的硬度的镀金电感调整接受频点比采用微调电容调频率的接收电路性能稳定，即使强烈的震动也不用担心频点偏高，J04H具有较宽的接受带宽，出厂时以调在433M，与F04配套基本免调试，只要电源馈电及引线没有太大的分布参数即可处于正常地接受状态，镀金电感约有?5M可调范围，安装时保持原状不要轻易的变动以免频点偏高，J04H具有极低功耗，3V时只消耗0.2mA电流，可长期处于守机状态。 新版J04H可外接天线提高接受灵敏度。 使用说明:J04H最低工作电压为2.6V，灵敏度下降，收发距离变近。J04H接通电源用示波器AC50mV/1mS档在3脚应能看到一条约50 mV<最大杂波为100mV>的噪声带，噪声带应在1.5V，即1/2VDD处，J04H处于正常接收状态。接通发射电源，收发开2米，应能看到码信号，如果3脚无噪声带应检查电压及电流是否正常，过长的临时接线会引入分布参数使LC震荡停振，如图3-8。如果噪声带正常而收不到码信号，可将收发靠近，若 23 仍无信号应仔细检查F04输入端码脉冲是否正常，发射电流是否正常，如果信号及发射电流正常，可将F04输入端电阻增大至47K，调整天线长度，同时观察J04H测试端应出现编码脉冲，F04输入电阻小于10K易引起过调制，甚至停振。如果信号正常不解码，应仔细检查编解码地址码是否一致，码脉冲中间是否有干扰及宽窄脉冲比是否正确，震荡电阻是否正确。解码正常后，收发离开几十米，用示波器观察J04H第3脚信号，调整J04H顶部条状镀金电感(与印板间距)即可调整接受频率使信号最大，即可获得最大收发距离(注意调整量不宜大于1mm)。 电路设计分析:接收电路如图3-8，1端接电源、2端接地、4端信息输出，与单片机的P3.1口相连。接收到的信息直接传到单片机接收串行口。 图3-8 接收电路图 3.2.2报警语音模块 功能说明:此语音模块可以发出两种不同的语音提示。 24 电路说明:报警语音电路是一个专门的模块如图3-9所示，芯片IC起到控制作用，1端接地、2端接电压VCC=3V、3端、4端是话音选择方式。当脉冲信号通过电容C13传到3端，喇叭将响起报警提示音，说明是酒后驾车;同理，通过C14传到4端，喇叭将响起可以行车提示音。对于直流信号，C13,14起到隔直作用。6端输出脉冲信号，引起喇叭发音。控制话音方式的电压由单片机产生。 图3-9 报警语音电路 3.2.3稳压降压模块 由于接收部分是安装在汽车上，电源是由汽车提供，汽车输出电压是12V，而接收部分其他模块的工作电压需要5V、3V，因此设计了此电路。 稳压降压电路如图3-10，此电路主要有LM337和MC7805两个稳压片构成。LM337是一个三端可调输出电压的变压器，其内部具有过载保护电路。1端为可调端、2端输出电压为3V。MC7805具有如下特点:输出电压为5V，终端具有过载保护电路， 25 短路保护，输出安全保护。 电路分析:X1、X2为汽车上电源输出线，X2接地，X1接，12V，经由稳压保护电路接到MC7805，LM337。稳压保护电路由电容和稳压管构成。和酒精含量测试电路中稳压电路相似，这就不再说明。 如图3-10 稳压降压电路 3.2.4执行模块 该模块对汽车进行控制操作——汽车点火、车灯亮灭、车喇叭响与不响和工作指示灯亮灭。 电路设计分析:继电器在上电时，开关被推开;断电时，开关被吸合。如图3-11，P3与汽车的点火开关相连，当三极管Q1为高电位时，继电器上电，开关接通P3，12V电压传到P3;反之，继电器吸合，断开与P3的连接，P3无电压。P4与汽车大灯相连，当三极管Q3为高电位时，大灯接通12V，点亮;反之熄灭。P5与汽车喇叭相连，当三极管Q4为高电位时，喇叭响;反 26 之不响。与继电器相连的二极管起到保护继电器的作用，防止电压反相。P2与外部指示灯灯相连作为工作指示灯。P1与机车的发动钥匙相连，当发动车时，P1为高电平。 图3-11 执行电路 3.2.5接收总体部分 接收部分根据收到的不同信号作出相应控制，以实现酒后驾车控制。 电路设计分析:电路设计如图3-12，外围电路中，变压模块提供5V和3V电压，与其它模块相连。接收装置收到信号，从4端传到P3.0，单片机内部根据信号作出不同外部操作。P3.4，P3.5与语音芯片的3端、4端相连。当这两个引脚任意一个发出脉冲信号，喇叭都会发声。不同引脚发出不同声音。P1.2、P1.6、P1.7分别控制继电器J1、J2、J3。当P1.2置低，12V电源线与P3断开;反之，接通。同理P1.6、P1.7。P3.7控制P2端口，置高时， 27 与P2相连的外部灯亮;反之，灭。P1.5与P1端口相连，当发动汽车瞬间，一个高电位信号由P1端传到单片机内，单片机由此判断驾驶员是否在发动汽车。具体单片机实现的控制，在下面一章进行说明。接收部分电路见附录2 3.3本章小结 本章首先介绍电路中的各个模块的功能，电路设计，再整体分析总体电路。通过对电路设计分析，来说明硬件是如何实现对该控制器要求。 28 第4章 软件设计 4.1 程序流程图 通过程序流程图来对软件设计进行说明，最终实现设计要求。 如下图4-1 T0计时中断子程序流图，选择的工作方式1，16位的计时器。计数初值为TH0=3CH，TL0=B0H，每50ms中断一次，中断1200次为1分钟。计时一分钟的标志位初始值置位1200，当计时一分钟的标志位为0时，停止计时中断。 T0中断入口 T0停止计 TR0=0 T0重置初值 T0溢出标志位清“0“ TF0=0 计时一分钟标志位减一 T0开始计数 TR0=1 T0中断返回 图4-1 T0中断程序流图 29 开 始 红灯亮发射器工作酒精探头发热一分钟后 绿灯亮表示可以吹气 启动外部中断0，启动定时器T0 判断计时是否一分钟 no no yes 判断外部中断否停止 yes 停止倒计时TRO=0 判断吹气标志位是否为1 是否为 yes no 吹气后操作 延时30秒 酒精探头停止加热，红绿黄灯灭 结束 图4-2 主程序流图 如下图4-3 外部中断0程序流图。选择的外部下降沿引起外 部中断。对于各控制位如何设定，上一节讲过，在这不重复。流 图中有个吹气标志位，当为1时，说明已吹气;为0时，则没吹 30 气，没有进入外部中断0。 外部中断入口 黄灯亮说明吹起有效 吹气标志位为1 停止外部中断 中断返回 图4-3 外部中断程序流图 如下图4-4 吹气后的程序流图，串口传输选择工作方式三， 存在 31 开始 连续三次检测酒精含量电位，生成7个信息码， 启动串口传输，启动T0 判断计时一分钟标志位收否为0 no 发射7个信息码 判断检测酒精含量电位与参考电位大小 不超标 超标yes 发射不超标控制码 发射超标控制码 停止计时 TR0=0 图4-4 吹气后操作子程序流图 结束 T1溢出率问题。根据接收器要求，选择1K波特率，T1计时器选择工作在方式二，经计算，TL1=0xF3，TH1=0xF3。因为该单片机具有一个电压比较器功能，参考电位和酒精含量检测到的电位，经比较后，结果存到单片机特殊位AOUT中。超标控制码和 32 不超标控制码，可自己设定。 信息码的产生，是这个设计的亮点。信息码的主要是让该设备具有电子锁功能。首先每台设备都有个编号，由编号产生信息码。我们把编号分成35位二进制。每五位放入信号码的高五位，后三位根据信号本身发射顺序编排。这样产生七个信息码。由于每台设备的编号都不同，因此这台的发射器用在其他任何一台接收器上都不能让汽车发动，这样就起到电子钥匙作用。如图4-5就实现这一功能。 图4-5 信息码产生子程序流图 33 如图4-6为串口传输子程序流图，串口传输，把信号送到SBUF中，开始传送，当TI=1说明信息传送完毕。串口工作在方式三，它具有第九位TB8，这一位可作为奇偶校验位。对接收到信息进行奇偶校验。 开始 发送中断标志位清“0“ TI=0 把信号赋给寄存器 SBUF 将信号放入累加器A中 把奇偶校验位放入TB8 no TI==1, yes 图4-6 串口传输子程序流图 结束 接收部分程序流程图 首先判断信息是否正确，若正确，判断酒精含量是否超标，若超标，执行超标控制;反之，执行不超标控制。若接收不到正确信息，则不停接收，直到正确为止。信息码的接收用一次接收3次8个信息码，接收完毕再判断是否正确。 34 如图4-8为串口接收子程序流图。其选择工作方式三，存在T1溢出率问题，根据接收器要求，选择1K波特率，T1计时器选择工作方式二，经计算，TL1=0xF3，TH1=0xF3。若RI=1说明这个信息接收完毕。先把这些信息存在特定地址，每次连续存3次8个码，再比较，如不正确，在重复以上过程。 35 开始 初始化操作,外部指示灯亮 启动串口接收,生成7个信息码 no 连续接收三次8个码no 判断第一个信息码的后三位是否为0 no yes 接收到信息码与生成信息码是否相等 yes 接收控制码与超标控制码是否相等no yes接收控制码与不超标控制码是否相等 执行超标控制 yes 执行不超标控制 图4-7 接收部分主程序流图 结束 36 开始 no 判断RI是否等于1 yes 存储接收信号 判断奇偶校验位是否正确 yes 将信号存在特定地址内 no RI清“0“ 结束 图4-8 串口接收子程序流图 如图4-9酒精含量超标子程序流图，发出报警提示音后，当 车钥匙发动车时会出现无法启动、车大灯亮起和喇叭响起。 37 开始 发出语音 P3.5产生脉冲信号no 判断汽车是否打火 P1_5==1, yes 汽车大灯亮，汽车喇叭响 P1_7=1 P1_6=1 延时30S 汽车大灯灭 汽车喇叭停 P1_7=0 P1_6=0 结束 图4-9 酒精含量超标子程序流图 如图4-10为酒精含量不超标子程序流图，先发出提示音可以行 驶。 38 开始 发出语音 P3.4产生脉冲信号 no 判断汽车是否打火 P1_5==1, yes 启动点火装置 P1.2=1 延时30s 关掉P1.2=0 图4-10 酒精含量不超标子程序流图 结束 4.2 本章小结 首先简要讲述软件设计上用到的一些单片机原理——中断 系统、定时/计数器和串行口，然后用发射和接收两部分的程序 流程图对软件方面进行具体介绍，最终说明该设备是如何实现所 要求的功能。其中特别介绍检测信息码设计。 第5章 安装调试 安装调试工作是本课题一个重要环节，主要检测该设计是否 39 可行。从安装调试过程、调试方法、实际遇到问题进行说明。 5.1 安装调试过程 安装调试是先根据电路设计图，把各零器件焊接在电路板上，对其进行硬件和软件上的调试，最终使其能实现设计要求。 安装时注意端点的虚焊、漏焊、错焊等常见问题。 文中重点对调试进行说明。首先对各个模块进行调试，保证各个模块能够实现自身功能;然后对整体进行调试，先硬件调试，在软件调试，但对硬件调试时，需要运行程序，因此硬件调试和软件调试同时进行。 本设计调试过程为: 发射部分调试，第一调试指示灯红绿黄是否能正常工作。通过程序让红绿黄灯依次相隔10秒亮;第二调试吹气话筒在吹气时是否能被单片机检测到。采用第四章将的外部中断程序，吹气后产生一个下降沿信号，单片机响应外部中断，执行外部中断程序，让黄灯亮。若黄灯亮吹气判断调试成功;第三调试酒精探头是否能正常工作。程序设置为当酒精含量超标红灯亮，反之绿灯亮。加热酒精探头一分钟后，进行含酒精和不含酒精两次测试，观察两次结果是否正确，若正确调试成功。 接收部分调试，第一检测变压模块输出的电压是否正确。采用示波器观察其输出端电压是否正确;第二调试继电器是否能正常工作。编程，让继电器不停开闭;第三调试语音电路是否正常工作。由报警语音模块知，分别向两个控制端发送脉冲信号，看是否发出正确语音;第四调试五个输出端输出是否正确。根据继 40 电器与输出端连接情况，用示波器观察其输出电压是否符合设计要求。 传输调试，第一将发射的串行输出口直连在接收的串行输入口，调试发送接收是否正确。用示波器观察输出、输入信号波形是否正确;第二采用无线发送接收装置，调试发送接收是否正确，和导线直连方法相同。 整体调试，将编写的总程序烧录芯片，对整个装置进行调试，看是否能够完整实现设计要求，达到酒后驾车的控制。 5.2 调试方法 调试的方法有很多，分为硬件调试和软件调试。 5.2.1硬件调试 (1) 检查连接线是否连接正确，有没有短路、断路。 (2) 检查各个零器件是否能够工作正常，工作电压是否 正确。 (3) 存在可调电阻、电容，要进行调整，使其相关设备工作在最佳状态。 (4) 对于特殊的零器件要采用特殊的设备进行调试。如单片机内部工作状态用仿真器调试。 5.2.2软件调试 (1) 编写程序先要编译通过，用编译软件观察每条指令的工作过程。要保证程序正确，再调试。 41 (2) 烧录芯片的程序，看是否按照预先设计的思路运行，如不能正常运行，可在程序里加入测试点，检测程序出错处。 (3) 加入程序过大，而找不到出错的地方，可将程序分解，程序进行调试，直到找到出错地方。 以上方法是调试中的一些常用方法。 5.3 本设计具体调试用例 在调试过程中，出现一些问题。在下文中分析。 5.3.1黄灯忽亮忽灭 在进行发射部分指示灯调试时，出现了黄灯忽亮忽灭情况，有时不亮。首先检查两端电压是否正常，发现电压比设计要求的低。在检查与黄灯的相连的电阻，阻值正确。接触电阻，黄灯亮，说明电阻焊接不稳。重焊后，黄灯工作正常。 在接受部分调试语音电路时，出现喇叭不响。首先检测喇叭两端的电压，电压正常。然后检测语音片子的电压，正常。接着检测语音片子输出端是否有脉冲信号(在电路设计模块设计中介绍过该电路)，正常。最后检测这个电路各连接线是否导通，发现有一处连接线断开。连接好，喇叭还是不响，在检查喇叭一端引脚时，发现接触不良，重焊后，喇叭响。 5.3.2语音电路的喇叭不响 在接受部分调试语音电路时，出现喇叭不响。首先检测喇叭两端的电压，电压正常。然后检测语音片子的电压，正常。接着 42 检测语音片子输出端是否有脉冲信号(在电路设计模块设计中介绍过该电路)，正常。最后检测这个电路各连接线是否导通，发现有一处连接线断开。连接好，喇叭还是不响，在检查喇叭一端引脚时，发现接触不良，重焊后，喇叭响。 5.3.3接收部分不工作 当进行整体软件调试时，发射器发射信号，接收端也接收到信号，可是接收部分不工作。加了一个测试点——在信号检测正确时，接收端的外部指示灯灭。可是检测到的指示灯都是亮，说明接收到的信息是错的，为了检测接收到的信息正确性，首先调试发送一个信息是否正确，然后发送两个，最后发送全部信息，检测出错位置，最后查找到检测信号的程序编写出错。 5.4 本章小结 本章介绍了一般的安装调试过程，方法。重点介绍了本设计的调试过程，结合调试过程中出现的问题及解决方法。 43 结 论 酒后驾车控制器是根据实际交通事故发生情况而设计。本文设计是为了有效控制酒后驾车。 首先介绍三种设计方案，比较之间优缺点。根据实际情况、设计要求，阐述自己最终设计方案。其中详细介绍本方案结构框图、各模块功能及大致工作过程，最后论证此方案的可行性。 其次对电路中的各个模块功能、电路设计及整体总电路进行分析。分析十个模块，及发射和接收两个部分总电路，说明硬件是如何实现该控制器要求。 然后讲述软件设计。其中生成信息码，检测信息码是设计的一个亮点。信息码采用设备编号，具有唯一性。检测时，进行一个一个数据包检测。文中用程序流程图对软件方面进行具体介绍，最终说明该设备是如何实现要求功能。 最后介绍安装调试过程，说明在实际过程中有效可靠控制酒后驾车。 发射部分加热酒精探头一分钟，判断是否吹气一分钟，发送信息码及设备停止工作一分钟。接收部分开始工作也不会超过30秒。整个工作不超过四分钟，工作具有有效性。 因为发射部分很小，并与接收部分分离，它可随身携带。驾驶员只要打开电源一分钟后，向其吹气就可，没有任何复杂操作。 44 接收部分安装在汽车上，不易卸载该设备方便，简易，易推广，在实际应用中有其价值。 致 谢 在杨婕老师悉心指导和帮助下，完成了酒精测试仪的设计和论文的撰写。本论文从选题，实验，到论文的写作，整个过程得到杨婕老师的精心指导和细心帮助，在此表示衷心的感谢。 大学四年学习生涯即将告以段落，在此要感谢四年以来一直对教学和指导工作认真负责，孜孜不倦的所有老师们，同时还要感谢跟我一同学习的同学，他们给了我帮助、支持和动力，让我度过了一个美好的大学生活。 45 参考文献 1 杨素行. 模拟电子技术基础简明.高等教育出版社，1997:613-99 2张玉仙等.第三届全国敏感元件与传感器学术会议论文集，北京.1933: 122-124 3 李群芳 张士军 黄建等.单片微型计算机与接口技术.电子工业出版社， 2005 4 徐爱钧等.单片机高级语言C51应用程序设计.电子工业出版社，1999: 17-73 清华大学出版社，2001:108-212 5 陈龙三.C语言控制与应用. 6 周立功等.增强型80C51单片机速成与实践.北京航空航天大学出版社， 2003:114-266 7 胡汉才.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社，2001:193-351 8 沈庆阳.8051单片机实践与应用.清华大学出版社，2002:50-110 9 BartonJS etal.Intrinsic Optical Fibre Sensor for Monitoring Acoustic Emission.Sensorsand Actuators,1992,31(3):110-114 10 C2H5OH Gas Sensor.Micro Chemical Systems Preliminary Data Sheet.1-4 11 MC78XX/LM78XX/MC78XXA 3-Terminal 1A Positive Voltage Regulator.Fairchild Semiconductor.1-28 46 附录1 外文文献及中文翻译 Analog-to-Digital Conversion Utilizing the AT89CX051 Microcontrollers The Atmel AT89C1051 and AT89C2051.microcontrollers feature on-chip Flash,low pin count, wide operating voltage,range and an integral analog comparator.This application note describes two low-cost analog-to-digital conversiontechniques which utilize the analog comparato r in the AT89C1051 and AT89C2051 microcontrollers. RC Analog-to-Digital Converter This conversion method offers. An extremely low component count at the expense of accuracy and conversion time. In the example presented below,resolution is better than 50 millivolts, accuracy is somewhat less than a tenth of a Volt and conversion time is seven milliseconds or less. As shown in Figure 1, the RC analog-todigital. conversion method requires only two resistors and a capacitor in addition to the AT89CX051 microcontroller. A microcontroller output (pin 11), which swings from approximately ground to VCC, alternately charges and discharges the capacitor connected to the 47 non-inverting input of the internal comparator (pin 12). The microcontroller measures the time required for the voltage on the capacitor to match the unknown voltage applied to the inverting input of the internal comparator (pin 13).The unknown voltage is a function of the measured time. The HP5082-7300 LED displays shown in Figure 1 are not required for the conversion, but are utilized by the software to implement a simple two-digit voltmeter.The result of the analog-to-digital conversion is displayed in volts and tenths of a volt on the two displays. The voltmeter application does not utilize the full resolution of the RC conversion software,but serves to demonstrate the method as well as providing a tool for debug. The waveformfor a typical capacitor charge/discharge cycle is shown in Figure2. The discharge portion of the curve is identical to the charge portion rotated about the line VC = VCC/2. The equations and discussion below apply to the charge portion of the cycle, except where indicated. The voltage on the capacitoras a function of time is given by the exponential equation: VC=VCC(1-e-t/RC) (1) where VC is the voltage on the capacitor at time t, VCC is the supply voltage and RC is the product of the values of the resistor and capacitor. Note that voltage is expressed in Volts, time in seconds, resistance in Ohms and capacitance in Farads. The product RC is also known as the “time constant” of the network and affects the shape of the waveform. The waveform is steepest when capacitor charging or discharging begins and flattens with time. 48 The first problem with the RC conversion method is the difficulty of solving the exponential equation without utilizing floating point calculations and transcendental functions. On a compressed time scale, the exponential curve appears straight over much of its length, suggesting that it might be approximated by a line. This scheme fails due to the continuous variation in slope over the length of the curve, which produces significant error. It also does not address the problemwhere the curve rolls off severely near the asymptote at VCC. The microcontroller need not solve the exponential equation in real time if a lookup table is used to map pre-calculated values to each sampled time interval. This scheme allows the data to be encoded and formatted as required by the application while simplifying the conversion software. Symmetries in the data may be exploited to reduce the size of the table. The second problem with the RC conversion method is the substantial error which results from variations in component values. Figure 3 shows an exaggerated view of the variation in the voltage on the capacitor due to variations in the values of the resistor and capacitor. As shown in the figure, the variation in the voltage on the capacitor decreases as the voltage on the capacitor decreases. The symmetry of the capacitor charge/discharge cycle can be exploited to reduce the effect of variations in component values on conversion accuracy. This is done by utilizing the charge portion of the cycle to measure voltages less than VCC/2 and the discharge portion to measure voltages greater than VCC/2. The worst case error is reduced to the error at VCC/2. 49 Before component values can be assigned, the time interval at which the comparator output is to be sampled must be determined. The sample interval should be as short as possible to maximize converter resolution and minimize conversion time. The sample interval is limited by the time required to execute the requisite code, which is determined by the clock rate of the microcontroller. In the voltmeter application, the microcontroller operates with a 12-MHz clock, resulting in a sample interval of five microseconds. The time constant (RC) affects the shape of the capacitor charge/discharge waveform. The value of the time constant must be chosen so that the steepest parts of the waveform are resolvable to the desired resolution. The steepest part of the charge portion of the waveform occurs near the origin, while the steepest part of the discharge portion occurs near VCC. Due to the symmetry of the waveform, the same time constant may be used for measurements made on either portion of the waveform. Figure 4 shows an expanded view of the relationship between voltage and sample time near the origin. In the figure, V is the desired voltage resolution of the converter and t is the sample interval determined previously. The curve labeled ’VC’ represents the voltage on the capacitor, which appears linear at this scale. In the figure, the slope of the curve is ideal, causing sampling to occur near the center of the voltage intervals. The slope of the curve may be less than shown, but may not be greater, or resolution ,twill be lost. Note that the first sample is offset from the origin by1/2to center the sample in the first voltage interval. To obtain the minimum value of 50 the time constant which will produce the required slope at the first sample, solve Equation 1 for RC: RC=-t/1n(1-VC/VCC) (2) ,V,tThen set to the minimum desired resolution (0.05-volt), to the sample interval determined previously (five microseconds), and calculate RC at the first sample point, where ,V,tVC = 1/2 and t = 1/2 : ,8(1/2)(1/2)(510),,,,t,4RC,,,,4.9910minminln[1(1/2)/[1(1/2)(0.05)/,,,,VVInVCCCC The product of the values of R and C must not be less than the calculated minimum time constant. Utilizing a resistor with a one percent tolerance and a capacitor with a five percent tolerance (Rnorm-1%)(Cnorm-5%)>4.99*10-4 In the voltmeter application, the selected values of R and C are 267 kilohms and 2 nanofarads, respectively, yielding a minimum time constant of approximately 5.02•10-4. An additional constraint is placed on the value of R. Referring again to Figure 1, note the 5.1 kilohm pullup resistor connected to pin 11 of the microcontroller. This resistor is present to supplement the microcontroller’s weak internal pullup, but has the detrimental effect of changing the time constant of the RC network during the charge portion of the capacitor charge/discharge cycle. This produces an asymmetry in the charge/discharge waveform, which contributes to conversion error. To 51 minimize the effect of differences in the capacitor charge and discharge paths, the value of R should be chosen to be much greater than the value of the pullup resistor. In the voltmeter application, the selected value of R is 267 kilohms, which exceeds the value of the pullup resistor by more than an order of magnitude. The time constant (RC), which is a function of the desired converter resolution, determines the duration of the capacitorcharge/discharge cycle. The more time required for the capacitor to charge and discharge, the greater the number of samples required in the measurement loop and the greater the number of entries in the lookup table. Figure 1. Typical Capacitor Charge/DIscharge Cycle Figure 2. Capacitor Voltage Variation as a Function of RC Variation Figure 1. Figure 2 Cto the symmetry of the capacitor charge/discharge waveform, the determined sample count may be used for measurements made during either portion of the cycle. From Equation 3: tmax = -RmaxCmax•ln(1-(1/2)VCC/VCC) = -(Rnom+1%)(Cnom+5%)ln(1/2) 52 = -(1.01)(267•103)(1.05)(2•10-9)ln(1/2) =393 s. The minimum number of samples for half the cycle is: tmax/ t = (393•10-6)/(5•10-6) = 79 To maximize accuracy, voltages from zero to VCC/2 are measured during the charge portion of the capacitor charge/discharge cycle and voltages from VCC to VCC/2 are measured during the discharge portion of the cycle. As a result, the total number of entries in the table is twice the number of samples calculated previously for each half cycle. The lookup table contains application-specific values corresponding to the calculated voltage at each sample. For each half cycle, the Nth entry in the table corresponds to the voltage at t = (N- For the charge half cycle, the voltage at each sample is calculated by solving Equation 1 for the time elapsed since the capacitor began to charge. For the discharge half cycle, the voltage at each sample is calculated by solving the following equation for the time elapsed since the capacitor began to discharge: VC=VCC•e-t/RC (3) The size and contents of the table may vary from application to application depending on the sample interval and conversion resolution. As the resolution increases, the number of entries in the table grows. In the voltmeter application, with resolution equal to 0.05 Volt, the lookup table contains 158 entries, which is twice the number of samples per half cycle calculated above. 53 Voltages corresponding to samples taken during the charge half cycle are sample number (0- microseconds, R to 267 kilohms, C to 2 nanofarads, and VCC to 5.00-volts, Equation 1 becomes: V = 5(1-e-N (.0093633)) Voltages corresponding to samples taken during the discharge half cycle represents the sample number (0-78). Using the same values as for the charge half cycle, Equation 4 becomes: V = 5•e-N(.0093633)) An abbreviated list of the voltages calculated for the capacitor charge/discharge cycle is shown below. The ordering of the voltages, increasing in the first half, decreasing in the second, tracks the voltage on the capacitor and defines the ordering of the table entries. As shown by the list, the number of samples in each half cycle is greater than required to reach the midrange value of 2.500-volts. This allows for “fast” cycles which overshoot the nominal midrange value before the last sample is taken in each half cycle. Note that the difference between the calculated voltages at samples N=0 and N=1 is within the desired resolution of 0.050-volt, but the difference in voltage between adjacent samples decreases as N increases. This reflects the non-linear relationship between voltage and time in the circuit. The calculated voltages shown in the list are not entered into the lookup table, but are used to determine the values of the table entries. In the voltmeter 54 application, the calculated voltages are rounded to tenths of a volt and the result stored in the table in packed-BCD form, two digits per byte. Example: the table entry corresponding to 2.523-volts is 25 hex, which displays as 2.5-volts. The worst case conversion error may be further reduced by utilizing components with tighter tolerances. Conversion accuracy and linearity are also affected by the characteristics of the capacitor. The capacitor used in the voltmeter prototype is a polystyrene film type, which not only provides good accuracy, but analog-to-digital conversion method. Even using minimizes error due to dielectric absorption and other effects. Error sources which have not been examined include: comparator limitations; asymmetries between the charge and discharge portions of the cycle; failure of the voltage on the capacitor to reach ground or VCC; variations in VCC. The contributions to conversion error made by these sources can be expected to increase error to somewhat more than the value due to component tolerances alo. 中文翻译: AT89CX051微控制器的模拟-数字变换器应用 Atmel AT89C1051和AT89C2051微控制器是具有低引脚数和宽 工作电压范围的单片闪光器(Flash)和不可缺少的比较器。这篇应 用手册描述了这两种低成本的数字化变换技术。它们被用于Atmel AT89C1051和AT89C2051微控制器的比较器中。 RC 模拟数字变换器 这种变换方法组成简单，但准确性下降和变换时间长。在下列 提到的例子中分辨率超过50毫伏，准确性低于0.1volt或是更少。 55 变换时间为7毫秒或是更少。 如图一所示，如果采用RC模拟数字转换方法只需要一个AT89CX051微控制器，两个电阻器和一个电容器。微控制器的输出(11脚)大约从零和V间变化。它交替为电容充放电。这个电容CC 器与内部比较器的非反向输入相连(12脚)。微控制器计算电容器电压达到与内部变换比较器输入电压的时间。比较器电压要和未知输入电压相匹配(13脚)。未知电压是所测时间的函数。 HP5082-7300 LED 所显示不需要变化，但是要用软件来实现简单二进制电压作用。模数变换器在两个显示屏上显示伏特和0.1伏特。电压分辨率不利用RC转换软件的判别，它在提供调试工具的同时也给出了一个方法。 典型电容器充放电周期波形如图二所示。放电部分曲线和充电部分曲线相同，大约都在V=V=2线上。除了已给出的说明的地CCC 方，放电部分周期运用了下面的方程和讨论: 下列指数方程中，电容器的电压是时间的函数: ,tRC/ VVe,,(1)CCC 其中VC是t时刻的电容器电压，VCC是给定电压，RC是电容器和电阻器值的乘积。电压单位为伏，时间单位为秒。电阻为欧姆，电容为法拉。乘积RC为时间恒量，影响网络的波形。当电容器充放电开始时波形最陡，并随时间变化。不能用浮点计算和超函数来求解指数方程是RC变换方法的首要问题。在一个压缩的时间范围里，指数曲线呈现远远超出其宽度的陡升趋势，近似为垂线。曲线在横向的持续变化超过了横向变化，产生了很大的误差。是这种方法失败的原因。而且它不能解决曲线在渐近线VCC附近剧烈震动的 56 问题。如果每一次取样时间间隔里使用查表绘出计算初值，微型控制器不需要适时解决指数方程。这种方法在简化变换软件时，可以根据应用需要把数据编码和格式化。可能使数据对称以减小表的大小。 RC转换方法的第二个问题是方程各项值变化引起的固有误差。图三是电阻电容积值的变化导致电压变化的放大图。如图所示，随着电容电阻乘积中电压减小，电容电压随之减小。 电容器充放电周期的对称减小了电容电阻乘积值变化带来的影响，提高了变换准确性。这是通过周期充电部分的计算电压小于VCC/2而放电部分的计算电压大于VCC/2。误差在VCC/2达到最小 在RC被赋值之前，比较器输出采样时间间隔必须确定。采样间隔应尽可能小以缩短变换时间和增大变换分辨率。采样间隔受执行必要编码所需时间限制。编码时间由微控制器的时钟速度决定。在伏特计应用中，由于微控制器在12MHZ时钟下运行，每五微秒为一个采样间隔。 时间恒量RC影响着电容器充放电的波形。时间恒量必须选择合适的值以使波形最陡部分达到所需的分辨水平。充电部分的波形最陡出现在原点附近，而放电部分则出现在VCC附近。由于波形的对称，两个部分的波形可能用同一时间恒量来计算。 ,V,t计算时是变换器达到所需分辨率的所需电压。是先前所定的采样间隔。曲线坐标VC表示电容电压，在曲线中呈直线。在图中，由于采样在电压间隔中心进行，所以曲线的斜面是理想的。实际可能要小一些。也有可能大。或者分辨率会减小。将采样时间 57 间隔从原点偏移1/2t以后，其中心点对应第一次电压间隔采样点。 为了求得第一次采样所需斜面，要获得时间恒量的最小值，解方程一得RC RCtVV,,,/ln(1/)CCC ,V然后设为所需分辨率得最小值(0.05volt),时间为先前确定 ,V的采样间隔(5毫秒)。在第一个采样点,1/2计算RC。其中 ,V,tVC=1/2,t,1/2 ,8(1/2)(1/2)(510),,,,t,4RC,,,,4.9910minminln[1(1/2)/[1(1/2)(0.05)/,,,,VVInVCCCC R和C的乘积不能小于计算出的时间恒量最小值。 用带1,公差电阻和5,公差的电容:(Rnorm-1%)(Cnorm-5%)>4.99*10-4 在伏特计中，R和C的值选择分别为267欧姆和2毫微法。得到一个最小时间恒量大约5.02*10-4 另外一个约束条件是R的值。再提到图一，5.1欧上拉电阻连接微控制器的11脚。这个电阻是微控制器内部上拉。但是在电容器充放电周期的充电过程中对网络RC的时间恒量有决定性影响。它产生不对称的充放电波。能造成变换误差。为减小电容器充放电通道差异的影响，R的值应选得比上拉内阻值大得多。在伏特计应用中，R的值选择为267欧姆，此值远远大于上拉内阻。 时间恒量(RC)决定了电容器充放电周期的持续时间。它是所需变换分辨率的函数。电容器充放电所需时间越多，在计算周期所 58 需的采样量越多，查找表个数越多。 电容器充放电所需的时间通过计算电容电压从渐近线上升到最小可晰电压间隔一半所需的时间来近似得到。波形的充电部分，渐近线在VCC。由于波形的对称，定值同时用在周期充电和放电部分。 tRCInVV,,,,(1/)CCC解方程1得到时间: 若VCC =0.5，所需电压为:VC=VCC-(1/2)(0.05)=VCC-0.025 tRCInVV,,,,,(1(0.025)/maxmaxmaxCCCC ,，，(1%)(5%)(0.026/)RCInVnormnormCC 39,,,,,(1.01)(26710)(1.05)(2.10)(0.025/5.0)3Inms 所需测量回路采样最小值通过计算电容器电压达到VCC/2得到，根据不同采样间隔划分。如果电容电压上升缓慢，而电容电阻值很大，时间常数用最大值计算。由于电容器充放电波形的对称，采样数将同时在周期的两个部分代入计算。 tRCInVV,,,,(1(1/2)/maxmaxmaxCCCC ,,，，(1%)(5%)(1/2)RCInnormnorm ,39,,,,,(1.01)(26710)(1.05)(2.10)(1/2)393Ins 半周期最大采样周期为: ,,66ttmax/(39310)/(510)79,,,,, 为了提高准确性，在周期充电部分电压计算从0到VCC/2，而 59 放电部分从VCC到1/2VCC。在表中总个数是先前每半周期计算采样数的二倍。 查表包含软件专门值。它和每次采样计算电压值相对应。对每 ,t,t半个周期，平台第N个值对应t,(N,1)时的电压。是先前确定的采样间隔。对充电半周期，通过求解方程一得到电容器开始充电起消耗时间，来求得每次采样的电压。对放电半周期，通过求解下列方程得到电容器开始放电起消耗时间，求得每次采样电压。 ,tRC/VVe,,CCC ,t,t放电半周期采样对应电压通过在方程4中用N代替t计算。其中N表示采样数，在充电半周期中也用同一个值。方程4变成:V=5e-N(.0093633) 电压在前半周期中上升，在后半周期中下降。它变化轨迹决定了表数的排列。如表所示，每半周期的采样数大于所需中等大小值2.500v。它可以在每次半周期最后采样前实现比一般中间值更快的周期。在所需分辨率0.050v。记下N,0，N,1时采样计算电压的差值。但是临近采样的电压随着N的递增而下降。在一个周期中。电压和时间表现非线性关系。 表中所列计算电压没有加入查找表。但用来确定表数。在伏特计应用中，计算电压在0.1伏周围，结果储存在PACDED-BCD式的表中，两个数字一比特。 最差的变换误差可以通过用较小公差元件来进一步减小。变换准确性和线性受电容器特性的影响。伏特计元件中使用的电容器是聚苯乙烯薄膜，虽然准确性不好，但因隔绝了吸收和其他影响而减 60 小了误差。 没有被测试的误差源包括:比较器的局限性，充放电周期的不对称性，电容器电压达不到起点或是VCC,VCC的变化。这些因素造成的变换误差比单独的元件误差值大。 附录2电气原理图 61 R12R?R1R2R318K300W1RES1300 33KQ2M1R13901418KMICROPHONE2C6334 123456.ddbDrawn By:张乃杰 \MyDesign 网络通讯部DD 321P3.019CON3181716R?15RES114VCC1312CCRES1 C?VCCCAPD?C?R?ZENER2ELECTRO1RES1 LED3红 LED2绿300 BBLED1黄 ))AIN1AIN0((P1.0P1.789C2240P1.6))P1.5))RXDTXDT0T1((((P1.4P3.1P3.2P3.5XTAL2P3.3p1.3P3.4AAP1.2TitleP1.1XTAL1SizeNumberRevision11BGNDC14Date:10-Jun-2011Sheet of RESFile:E:\12345612MHz C253 C3Vcc 20PR4R8241K2K1 89C2051Q39014 62 D11VinD3 .ddbDrawn By:接收 \MyDesign123456网络通讯部 DDU2U3LSC6OUTOSCSPEAKERTG2104TG1Q4VCCC5NPNGNDR4R2104CC NCDOUTTESTGNDV+3VoutC72104GNDR3C5C8220UF/25V104 R1R5VCCBBC65220UF/25V432U1131VoutVCCVin2C2GNDC4104220UF/25VVOLTREGU?J?R6Q1C7J?NPNCONNECTOR COAX-MR7D1R8220UF/25VCONNECTOR COAX-M31VoutVinVCC2C1GNDC3104R9R10R11R12AA220UF/25V2P3.0P1.719Title3P3.1P1.618D1D2D3K36P3.2P1.517DIODEK1DIODEK2DIODERELAY-SPDT7P3.3P1.416SizeNumberRevisionRELAY-SPDTRELAY-SPDTJ?8P3.4P1.3159P3.5P1.214BJ?11p3.7P1.113Date:10-Jun-2011Sheet of P1.012CONNECTOR COAX-MFile:E:\4XTAL212MHzQ2Q3123456CONNECTOR COAX-MXATL1NPNNPN5XTAL1C1C220P20P1RES C3 VCC2.2UFJ?R41KCONNECTOR COAX-M 63