毕业论文 便携式酒精检测仪的设计

Southwest university of science and technology 本科毕业设计（论文）便携式酒精检测仪的设计学院名称信息工程学院专业名称电子0802学生姓名李 伟学号20084705指导教师邓 琥二一二年六月 酒精检测仪的设计摘 要：酒精气体检测仪是当前应用较为广泛的气体检测设备之一。基于美国TI公司的新型超低耗单片机MSP430的酒精检测仪，采用传感器MR513做检测探头、T218010段式液晶做显示，文中分析了酒精检测仪的工作原理及过程，提出了酒精检测仪设计的整体方案，对各个子模块设计进行了详细的方案论证与比较。硬件设计采用Altium Designer 6.6软件，完成了系统的时钟电路，电源电路，报警电路，传感器信号调理电路等模块的设计与实现。软件完成了程序模块规划、主程序模块和各个子程序模块的设计与编程，给出了传感器信号线性化LCD数据显示软件设计详细流程；采用IAR公司研发的单片机软件开发平台EW430V4.11，实现了酒精浓度信号的采集、处理、显示的编程和调试。通过USB型MSP430仿真器连接PC机和MSP430嵌入式系统主板，将程序下载到目标芯片的FLASH中，运行调试。通过系统软硬件联机调试，完成了酒精检测仪的设计，并给出了设计过程中运到的问题的分析与处理结果。关键词：酒精检测；MSP430FE427；OPA2251 Design of the Portable alcometer Abstract：Alcohol gas detector is widely used in gas detection equipment. The alcometer based on the new ultra low power MSP430 microcontroller of TI company, using the MR513 sensor as detection probe, the T218010 as display. This paper gives analysis of the work principle and the testing process. Put forward the whole scheme and the detail of demonstration and comparation in every module. The software of Altium Designer 6.6 is used to circuit design, which completes the system clock circuit, the power supply circuit, alarm circuit, sensor signal circuit module design and implementation. The software design is used to mark out the program, complete the program modules and plan each subroutine module design and programming, sensor signal linearization, data and the detailed software design of LCD display. Via using the monolithic chip software workbench of IAR company, realized the alcohol concentration signal collection, processing, show the programming and debugging. Through the type of USB connection MSP430 simulators connected the PC motherboard with MSP430 embedded system, and download programe to the target FLASH chips, operation and debugging. Through using the system hardware and software, completed online adjustment, and the design of alcometer is given to the problem in the design process of the analysis and processing results. Key words: Alcohol test, MSP430FE427, OPA2251目 录第1章 绪 论11.1 选题背景及意义11.1.1 国内外研究现状11.1.2 选题的目的及意义11.2 论文的主要内容2第2章 酒精检测仪设计的方案比较与选择32.1 酒精检测仪的总体方案设计32.2 酒精检测仪的器件选择32.2.1 控制器的选择32.2.2 显示模块器件的选择42.2.3 传感器的选择42.3 小结5第3章 酒精浓度信息检测原理63.1 酒精浓度信息检测原理63.2 酒精传感器信号输出模块73.3 小结7第4章 酒精检测仪的硬件设计84.1 硬件设计工具平台简介84.2 MSP430核心小系统的硬件设计9电源电路设计94.2.2 复位电路的设计104.2.3 时钟电路的设计104.3 LCD显示电路的设计104.4 JTAG接口设计114.5 酒精传感器检测酒精浓度信号的接口电路设计124.5.1 酒精传感器检测酒精浓度信号的接口电路设计124.5.2 信号调理电路的设计134.6 报警电路的设计144.7 小结15第5章 酒精检测仪的软件设计165.1 IAR EW430软件开发平台简介165.2 酒精检测仪的主程序设计165.3 系统子程序设计175.3.1 时钟选择程序设计175.3.2 初始化SD16模/数转换程序设计175.4 酒精浓度信号处理的程序设计185.5 显示程序设计205.6 小结21第6章 酒精检测仪调试过程与结果226.1 系统硬件电路测试与分析226.1.1 测试仪器和内容226.1.2 系统硬件电路测试分析226.2 系统的软硬件联合调试与分析226.3 存在的不足266.4 小结26结 论27致 谢28参考文献29附录1：英文参考文献.附录2：中文参考文献.附录3：系统总原理图31附录4： MSP430的便携式酒精检测仪的设计PCB图32附录5：器件清单34附录6：段式液晶T218010段和显存位的对应关系35附录7：主要程序36附录8：MSP430FE427引脚功能40第1章 绪 论1.1 选题背景及意义 气体检测仪表是工矿企业、社会公用事业、环境保护等领域必备的安全装备，本课题的提出顺应了气体浓度检测的发展趋势。1.1.1 国内外研究现状酒精气体检测仪是当前应用较为广泛的气体检测设备之一，目前全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者体内酒精含量的多少，以确保驾驶员的生命财产安全。由于价格和使用是否方便等因素所决定，普遍使用的只有半导体型和燃料电池型（电化学型）两种。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，它对外呈现的电阻值就降低，半导体型呼气酒精测试仪就是利用这个原理做成的。这种半导体在不同工作温度时，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温度，在该温度下，该传感器对酒精具有最高的敏感度。电化学类型，采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满了特种催化剂，它能使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在二个电极上产生电压，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、抗干扰性好的明显优点。但遗憾的是由于燃料电池型酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，目前世界上只有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产。因其材料成本高（相当于半导体酒精传感器的几十倍），所以价格相当昂贵，导致燃料电池型酒精测试仪的价格是半导体型酒精测试仪好几倍的事实。现如今，呼出气体中酒精含量检测仪中国内普遍采用半导体型酒精传感器，国外使用燃料电池型较多，精度高但价格昂贵。MSP430是TI公司推出的16位单片机系列产品，凭借其低功耗、高集成度、运算性能强大、抗干扰能力强等特点，以其卓越的性能和较高的性价比在低功耗、便携式仪器仪表等领域得到了很好的应用和发展。1.1.2 选题的目的及意义近年来，我国经济高速发展，人民的生活水平也迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，酒后驾车引起的交通事故也频频发生。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，造成大脑反应迟缓，肢体不受控制等症状。少量饮酒并不会有上述症状，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，设计一款轻巧便携的酒精浓度测试仪可以让人们随身携带，并在饮酒之后自我约束，可大量减少交通事故的发。另外，由于人们安全意识增强，对环境安全性要求的提高，再加上气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展，因此，酒精浓度检测仪具有十分广阔的现实市场和潜在的市场要求。 1.2 论文的主要内容论文将介绍酒精检测仪设计的方案选择与硬件实现。全文共分为六章，本章介绍了酒精检测仪设计的研究现状和本课题的选题目的与意义；第二章介绍酒精检测仪设计的总体方案设计，并对每个方案进行论证比较与选择；第三章介绍酒精浓度信息检测原理，以及酒精传感器模块的工作原理；第四章介绍硬件设计工作平台和各个模块的硬件电路设计与实现；第五章介绍软件开发平台及酒精检测仪各个部分的软件设计与实现，并给出总体和各个部分的流程图；第六章介绍系统的调试过程和调试结果，总结设计中有待改进的地方。第2章 酒精检测仪设计的方案比较与选择2.1 酒精检测仪的总体方案设计设计采用了德州仪器的MSP430XE42X系列16位MCU，它配置有模数转换器和液晶显示LCD驱动模块。系统主要由微控制器（虚线框内）、电源、JTAG接口、数据采集与预处理、LCD显示和报警部分组成，系统原理框图如图2-1所示。传感器SD16模块信号调理LCD显示LCD驱动MCU处理单元电 源JTAG接口报警图2-1 系统原理框图电源为整个系统提供能源，可通过微控制器对其进行电源模式的管理。JTAG 接口主要实现PC机与MSP430程序下载与交互调试功能。传感器用于采集酒精浓度信息并转换为电信号。信号调理电路使转换的电信号被调整为微控制器能够处理的信号。MCU处理单元控制SD模块对该信号进行模数转换。MCU处理单元还进行数据的处理和存储，控制LCD驱动模块驱动LCD实现酒精浓度信息的显示和超过某一阈值的报警。2.2 酒精检测仪的器件选择 控制器的选择酒精检测仪需要一块单片机来控制检测系统的工作，同时计算采集到的数据并对数据进行处理，在目前应用的主流单片机中，主要有一下几种：8位：51、AVR、PIC，用于小型的、简单的控制系统，处理速度简慢，同时内部资源不够丰富。16位：MSP430、凌阳，用于大中型控制系统，如医器械产品、便携式电子产品等领域，其工业性质较强。32位：ARM，用于较大型的控制处理系统，如图像和声音信号的处理、无线通信系统等领域。由于本系统考虑到便携式、低功耗，TI公司的MSP430正是基于低功耗开发的产品，所以选取TI公司的MSP430作为便携式酒精检测仪的控制部分。 在MSP430系列中，考虑到功能的扩展性要求并不高，同时该系统需要进行模数转换和液晶显示，所以基于MSP430的便携式酒精检测仪的设计微控制器选用TI公司的单片机MSP430FE427，其主要特点如下：丰富的内部资源32KB+256B的Flash，1KB的RAM；超低功耗，五种省电模式从待机到唤醒模式响应时间不超过6S；频率锁相环FLL+；16位精简指令系统，指令周期125ns；带有3个捕获/比较寄存器的16位定时器（Timer_A）；集成128段LCD驱动器；带可编程电平检测的电源电压管理/监控；串行在线可编程，无需外部编程电压；可编程的安全熔丝代码保护措施；FLASH器件有自举装载程序；64脚方形扁平封装（QFP）；JTAG接口。 显示模块器件的选择单片机应用中，显示器可以反映系统工作状态和运行结果，是人机对话的重要输出设备，因此显示是一个不可缺少的部分。常用的显示有LED和LCD。LED显示的硬件电路设计简单、价格便宜，但是体积大，在便携式仪器很少使用。LCD从显示方式上主要有段式、字符型和图形液晶三种。字符型与图形液晶使用简单，显示灵活，自带驱动，体积较大，软件设计较复杂，需要提供5V电压；段式液晶使用简单，体积小，需要LCD驱动电路，编程设计方法相对简单。MSP430FE427单片机内部集成LCD驱动模块，LCD驱动器产生驱动液晶显示器的段信号和公共端信号。LCD控制器具有专用数据存储器保持段驱动信息。公共信号和段信号按照定义的模式产生。外围模块支持静态、二偏置、三偏置和四偏置电压模式。因此，本设计中显示部分采用段式液晶（T218010），它具有体积小、功耗低等特点，可以显示7个字符，工作电压为3V，在显示不复杂的便携式仪器中具有很强的实用性。 传感器的选择目前应用较广泛的酒精浓度传感器有一下几种：（1）MQ-3：高灵敏度，外形小巧，工作电压较高；（2）SB-30：高灵敏度，反应时间快，测量浓度范围较小；（3）TP-3C：快速响应恢复，优异的稳定性，温湿度影响小，低功耗，脉冲供电，供电方式复杂；（4）MR513：高灵敏度，大信号输出；初期稳定时间短，响应速度快；良好的重复性，工作稳定可靠；功耗低，微型化设计。工作电压合适，能达到测试浓度所需范围。MR513的优点使其被广泛应用于民用、工业现场的便携式酒精探测器和汽车点火控制系统等。综上所述，选择MR513作为传感器检测探头，实物图如图2-2所示。图2-2 传感器MR513实物图2.3 小结本章介绍了酒精检测仪设计总体方案的设计以及器件的比较与选择。主要介绍微控制器的特点和选择、液晶显示和传感器的比较和选择。第3章 酒精浓度信息检测原理3.1 酒精浓度信息检测原理MR513型气敏元件通过气体吸附在金属氧化物半导体表面而产生热传导变化及电传导变化的原理，由白金线圈电阻值变化测定气体浓度。MR513由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻（）减少，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度增大而成比例增大，补偿元件（）起参数比及温度补偿作用，如图3-1所示。 BEADC图3-1 桥路输出电路当负载趋于时，电桥的输出电压应为： （式3-1）若，则得 （式3-2）由式（3-2）可知，与成线形关系，电桥无非线性误差。3.2 酒精传感器信号输出模块本设计中，根据酒精浓度信息检测原理采用板桥差动电路作为基本测试电路，如图3-2所示。其中D、C为传感器MR513引脚的标识。传感器输出供DC图3-1酒精传感器基本测试电路3.3 小结本章详细介绍了酒精检浓度信息的检测原理，桥路输出电压的推导过程，以及酒精传感器的基本测试电路。第4章 酒精检测仪的硬件设计4.1 硬件设计工具平台简介Altium Designer 6.x是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，是业界第一款，而且是惟一完整的板级设计解决方案。是业界首例设计流程、集成化PCB设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。Altium Designer 6.x除了全面继承包括Protel 2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多高端功能。Altium Designer 6.x拓宽了板级设计的传统界限，全面集成FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。它是一款Windows NT/XP的电子设计系统，主要由以下四大部分组成。（1）原理图设计系统（schematics）：它主要用于电路原理图的设计，为印制电路板的制作进行前期的准备工作，主要表现了电路的原理连接，相对比较直观。（2）印制电路板设计系统（PCB）：这部分系统则主要用于印制电路板的设计，印制电路板的生产车间就是根据由它生成的PCB文件进行PCB板的生成的。（3）FPGA系统：用户可以用它进行可编程逻辑器件的设计。将设计完成之后的熔丝文件烧录到逻辑器件中，就可以制作具备特定功能的元器件了。（4）VHDL系统：主要用来进行硬件的编程工作。本课题使用Altium Designer 6.6设计印刷电路。首先设计原理图，电路原理图的设计很关键，只有原理图编译完全通过后才能生成正确的PCB。然后设计PCB，需要将原理图和新建的PCB放置在同一个工程中才能将原理图导入到PCB中。在设计中需要注意一下几点：（1）原理图设计中：放置网络标签处要确保连接正确，保证电气连接正确；每一个元器件在原理图上的名称不要随便删除。（2）PCB设计中：元器件尽量按模块（相同功能的）集中在一处；晶振尽量靠近主芯片，接口尽量靠边，能集中一边最好；正反面布线，能走粗线，尽量走粗线，晶振中间不要走线，插件封装的尽量集中在一面，泪滴等技术处理；元器件封装正确，总体美观大方。4.2 MSP430核心小系统的硬件设计电源电路设计低电压供电，本系统显示部分、传感器部分、报警部分都电源实现供电，为了实现便携式采用电池供电和USB供电两种方式，通过开关对其进行切换。（1）电池电源由纽扣电池经滤波输出3V电压。这种方法实现比较简单，电压、电流容易稳定。（2）USB电源考虑到设计的便携式，需将其尽量小型化。采用MiniUSB接口直接由电脑引出5V电源经过稳压芯片（如AMS1117）实现输出，可以这种方法实现方便、简单。实现电路如图4-1所示。图4-1 电源电路设计 图4-1中，该电源点亮发光二极管指示电源工作状态，C6、C7进行滤波，使输出电压工作稳定。 复位电路的设计复位电路利用RC充电原理实现。当开始上电时，电容C两端等电位，则复位信号保持低电平；随着对电容C的充电，当电容上极板的电压到达RST/NMI的阈值电压时，复位信号随即输出高电平，复位过程结束。充电周期为T=RC，T一般选为单片机的电平复位时间的35倍，经验值一般为R=100k，C=100nF。复位电路设计如图4-2所示。图4-2 复位电路 时钟电路的设计MSP430系列单片机的时钟模块由高速晶体振荡器、低速晶体振荡器、数字控制振荡器DCO、锁相环FLL以及锁频环增强版本FLL+等部分组成，不同系列单片机所包含的时钟模块不完全相同。在MSP430FE427中，只需低速晶体振荡器即可。其设计电路如图4-3所示。图4-3 时钟电路的设计本设计采用32768Hz低频模式，32768Hz晶振通过XIN和XOUT两个引脚连接，所有保证工作稳定的元件和移相电容都集成在芯片中，这样可降低系统成本和系统功耗。XIN和XOUT两个引脚外接10pF电容，与片内放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。 LCD显示电路的设计由于MSP430FE427单片机内部集成128段LCD驱动器，LCD段输出引脚共32个，S24S31作为复用端口，LCD公共输出端4个。显示电路设计如图4-4所示。本设计用的T218010段式液晶作为显示输出，共60段，驱动电压是大小为3V,频率为64HZ的交流电压。采用引脚占用量最少的4MUX驱动方式驱动，则总的液晶引脚数为 （式4-1）由式4-1知，总的引脚数为19个。图4-4 显示电路设计图4-4中，需要加在R33，R23，R13，R03引脚上的模拟信号由外部提供。一般都是通过接在这些引脚上的梯形等值电阻分配器产生的，R的阻值可以根据LCD的需要在100 1 范围内任选，本设计选用其典型值680 。R33是开关输出，控制梯形电阻网络的能量供给，当LCD不用时，关闭R33可以降低电流的损耗。根据LCD段和显存位的对应关系直接连接引脚，LCD上的14脚分别接单片机上的COM3COM0，5脚接S14，619脚分别接S0S13，20脚接COM0。4.4 JTAG接口设计MSP430内部集成了遵循边界扫描故障诊断协议（IEEE1149）的电路，通常称为JTAG。芯片内部JTAG对外的端口成为JTAG端口，该端口是一个双向串行端口。通过它可以控制MSP430的运行、读写内部寄存器的值、刷新FLASH的内容，它还是向MSP430内部下载程序的通道。标准的JTAG接口是4线：TMS、 TCK、TDI、TDO，分别连接MSP430FE427的对应引脚，如图4-5所示。TMS，边界扫描测试模式选择；TCK，边界扫描时钟；TDI，串行边界扫描输入数据；TDO，串行数据边界扫描输出数据。此外，RESET为测试复位输入，VCC为电源，GND接地。图4-5 JTAG接口设计MSP430芯片中设计的JTAG端口包含一根熔丝，通过特殊的时序和电压即可以将其熔断。熔断后的熔丝无法恢复，属于物理性不可逆转的毁坏，以此防止CPU内的程序被仿制者盗用。熔断熔丝后的CPU也无法再通过仿真器进行调试。4.5 酒精传感器检测酒精浓度信号的接口电路设计 酒精传感器检测酒精浓度信号的接口电路设计设计若将传感器直接插在目标板上，在进行酒精浓度信息检测时很不方便。为了能方便使用探头进行检测，将传感器引脚接在三芯耳机接口上。传感器接口如图4-6所示。 DC传感器图4-6 传感器接口将传感器D、C端上面的两个引脚连接在一起再接入耳机插头一根线，另外两端分别和耳机插头其他两根线相接。在设计中配以耳机插座，于是在使用酒精传感器时就可以直接将耳机插入插座，不需要再对照传感器测试电路再将传感器的各个引脚接入电路。传感器接口电路如图4-7所示。图4-7 传感器接口电路图4-7中，test socket即为耳机插座，从6脚和500滑动变阻器两脚输出的差分电压就是传感器的输出。 信号调理电路的设计传感器在基本测试电路中由半桥差动电路输出的电压反映酒精浓度信息变化情况。在实际应用中，此时输出的电压并不能直接进行A/D转换，在这之前需要对电桥输出电压进行调理。设计采用差分电路实现信号的调理，由于传感器输出为大信号，故不对该信号进行放大，只进行求差处理。如图4-8所示。pn图4-8 求差电路利用虚短、虚断的概念，有（）0，0，对节点n和p的电流方程为 n: ,即 （式4-1） p: ,即 （式4-2）由，由式（4-1）解得，然后代入式（4-2），可得 （式4-3）当选取阻值满足的关系时，输出电压可简化为 （式4-4）由式4-4可得输出电压与两输入电压之差成比例，即实现了求差功能，比例系数为电压增益，即 （式4-5） 本设计采用OPA2251运算放大器设计求差电路。由前面提到的桥路输出电路知，当桥路负载趋于时才能满足设计要求，故在信号调理电路中接入阻值为100k,使其相对与桥路电路负载趋于。信号调理电路如图4-9所示。图4-9 信号调理电路在求差电路后接电压跟随器，它在电路中常做阻抗变换器或缓冲器，可消除负载变化对输出电压的影响。4.6 报警电路的设计报警电路由一个发光二极管、一个蜂鸣器组成。对酒精浓度阈值进行设定，当酒精浓度超过阈值时进行声光报警，LED灯亮，蜂鸣器发出声音报警。如图4-9所示。图4-9 报警电路图4-9中，当P2.0为低电平时，电路不工作；当P2.0为高电平时，LED被点亮，三极管导通，在CON2接通时，蜂鸣器发声。4.7 小结本章介绍了酒精检测仪的硬件设计，包括小系统板的设计，酒精传感器接口电路，信号调理电路和报警电路的设计。第5章 酒精检测仪的软件设计 IAR EW430软件开发平台简介MSP430系列单片机的开发工具比较多，有IAR Embdeded Workbench、AQ430以及MSPGCC等。本设计采用使用得比较广泛的IAR Embedded Workbench集成开发环境。Embedded Workbench 采用创建项目（Project）的方式来进行软件的开发和管理。Embedded Workbench包含的实用工具有：具有语法突出显示的文本编辑器；编译器；汇编器；连接器；函数管理器；Make工具；调试器C-SPY。用户可以使用集成开发环境的文本编辑器编写程序源代码。在编辑完成程序代码后，用户可以对程序代码进行编译连接；编译连接成功后，可以运行程序，并且可以对程序进行调试。使用Embedded Workbench集成的C-SPY工具对程序进行运行和调试。 酒精检测仪的主程序设计在酒精检测仪整个系统中，需要实现的是对酒精浓度信息的采集、量化、显示、以及设定酒精浓度的阈值和超过阈值时报警功能。主程序流程图如图5-1所示。图5-1 主程序流程图软件方案采用了模块化结构程序设计方法，主要包括数据采集、数据处理、显示、声光报警等子程序。软件将通过差分电路来的传感器信号进行A/D转换，并把转换后的数字量进行一定处理，计算多次采样内浓度信息的平均值，最后送液晶显示器显示。在软件中设定酒精浓度阈值，当浓度值超过阈值时，报警子程序启动，进行声光报警。5.3 系统子程序设计 时钟选择程序设计时钟信号是定时操作的基本信号。在系统的时钟作用下，单片机内各部件可以有条不紊地工作。在数字系统中，系统功耗与频率成正比，所以实际应用中常希望系统能够具有满足节能要求的低频系统时钟，也能够具有快速响应事件请求的高频系统时钟。MSP430采用一个低频晶体振荡器，并将其倍频至标称的工作频率范围，即 （式5-1）MSP430通过锁频环FLL以及增强锁相环FLL+等部件，将晶振频率倍频至系统频率。FLL+通过比较ACLK和DCOCLK/（N+1）的大小在频率积分器产生一个10位的频率偏差，频率积分器的输出控制DCOCLK，DCOCLK会以这个偏差来调整频率，形成一个调整反馈环。精度可达到10位即1024。本设计采用增强锁相环FLL+以及系统时钟控制寄存器的默认值N=31。故系统时钟为：SMCLK=（N+1）32768=1.048576MHz。由时钟电路知，XIN和XOU两个引脚连接10pF电容，所以选择振荡器电容为10pF。 初始化SD16模/数转换程序设计 SD16模块是一个多通道16位，模/数转换器。SD16模块含三个完全独立的模/数转换器和一个内部基准电压发生器。该模块有3路独立的模/数转换通道，每个输入通道含有8个多路差分模拟输入及一个内置的温度传感器。其中模数转换通道中，通道0、通道1为电流转换通道，通道3为电压转换通道。SD16模块有一个内置1.2V的参考电压可用于SD16的每个通道， 每对模拟电压输入范围由每个通道的可编程增益放大器的增益值确定，最大的全量程范围为，由式5-2决定： （式5-2）当参考电压是1.2V，增益为1时，最大输入电压为。SD16转换结果存储器是寄存器SD16MEMx。图5-2所示为到的全范围内输入电压与转换结果的关系，数值通过两种数据格式表示。图5-2 输入电压与输出数字量的关系本设计中由于需要转换电压，所以选择模数转换通道2，且输入的电压值不能超过0.6V。通过设置SD16控制寄存器，对SD16时钟源进行选择以及控制参考电压的开启与关闭。设置SD16CCTLx选择模数转换通道与信号转换模式。 酒精浓度信号处理的程序设计用一次软件插值法对酒精传感器MR513的输出、输入特性曲线进行处理。MR513灵敏度特性曲线如图5-3所示。图5-3 MR513灵敏度特性曲线在实际检测中，检测量必定会落在某一段，即。用直线段近似代替每段的实际曲线，然后通过近似公式计算出酒精浓度值。通过和两点直线的斜率为： （式5-3）输出值的计算公式则为： （式5-4）对酒精传感器进行线性化软件实现方法流程图如图5-4所示。图5-4 酒精浓度信息线性化将MR513输入、输出特性曲线转换为横坐标为传感器输出电压，纵坐标为酒精气体浓度值的坐标图，如图5-5所示。图5-5 MR513灵敏度特性曲线图5-5曲线用MATLAB软件实现，图中将灵敏度曲线分为4段，可得到分段点的坐标为：， ，。5.5 显示程序设计采用段式LCD显示酒精浓度信息，在初始化LCD时需要设置控制LCD定时发生器和R33的开闭，设置LCD驱动模式以及LCD控制寄存器选择输出段或端口信息的组合。初始化程序流程图如图5-6所示。本设计采用4MUX驱动方式，S0-S15段显示，LCD模块频率为FLCD=ACLK/128。图5-6 LCD初始化程序流程图 在LCD显示子程序中，先为需要显示的内容分配存储空间，再设置显示的位数及小数位的位数，然后将每位数字再液晶上显示，最后两位显示单位。LCD显示程序流程图如图5-7所示。图5-7 LCD显示程序流程图5.6 小结 本章介绍了酒精检测仪的软件设计方法。包括主程序的设计，系统时钟的选择，酒精浓度数据的处理以及显示功能的实现。第6章 酒精检测仪调试过程与结果6.1 系统硬件电路测试与分析 测试仪器和内容（1）在系统的硬件电路的测试过程中主要使用的测试仪器有：UT30D数字万用表，TDS1002数字示波器，DF1641B1函数发生器。（2）系统硬件电路的测试主要包括以下几个方面：PCB板的原理检查和电气检测，单片机小系统各个子模块的测试，JTAG接口的测试，信号调理模块，显示模块的调试。 系统硬件电路测试分析（1）PCB板的原理检查和电气检测：在焊接元器件之前一定要仔细检查PCB板，检查板子在设计上有无原理错误和短路、开路之类的电气问题。原理错误的检查主要查看PCB上的连线是否与原理图相符，通过检查发现单片机上一个连接LCD的引脚未接通，滑动变阻器的三个引脚上连线有错误。于是通过飞线来修正这些错误。然后检查电气问题，此过程使用万用表的通路检测档来检查相关的点是否连通。（2）单片机小系统各个子模块的测试：首先测试电源电路，在测试无误后再将主芯片焊上，避免主芯片被烧坏；其次测试单片机小系统时钟模块、复位模块能否正常工作。（3）JTAG接口测试：将JTAG用双排插针引出，编写一个空函数将其配置好进行下载，测试能否下载成功。（4）信号调理模块：先在万用板上搭建一个信号差分电路，对它进行测试，满足电路设计要求，再将对应的器件焊接在电路板上再进行测试，发现电路电压输出对用倍数不正确。于是再检查了焊接后的电路，在一段短接线处虚焊。将其焊牢后出现正确的结果。（5）LCD显示模块：LCD的封装与单排插针相似，焊接比较简单。在焊接后用万用表对其进行检查避免出现虚焊。6.2 系统的软硬件联合调试与分析程序下载线采用14芯电线做数据传输线，PC端采用USB与PC相连，下载端采用JTAG接口与目标板相连。由于JTAG接口已经提供了电源，所以下载时可以不再需要添加额外的外部电源。（1）IAR开发平台的参数设置打开IAR Embedded Workbench，选创建一个工作平台，然后单击提示图选项中的Creat new project in new workbench创建项目文件，此时会出现新建项目向导，设计采用C语言编程实现，所以此处选择为C-main。将项目类型选择为C后，点击OK，将项目保存到指定路径后就可以编辑程序了。源程序编辑完成后选中项目名称，点击右键(或在菜单栏单击Project)选择Options进入参数设置界面，参数设置完后，单击Debugger，在界面中选择为FET Debugger或Simulator，当使用电脑进行模拟软件仿真时，选择Simulator，其参数设置如图6-1：图6-1 仿真调试参数设置单击Simulator，其参数设置如图6-2所示。图6-2 IAR并口参数设置单击General Options，在界面中Device下选择芯片型号为MSP430FE427。其参数设置如图6-3所示。图6-3 芯片型号选择在设置完项目参数设置后，就可以编译、调试源程序代码了。程序的编译和仿真，以及程序的烧写都在IAR Embedded Workbench中完成，当软件编辑完成后，编译生成目标文件后就可以进行下载设置了。在同一对话框设置Debugger（调试方式），如果要在下载前仿真，就选择Simulator（仿真），如果要下载到目标板上去，就选择FET Debugger（FET调试），如图6-4所示。图6-4 设置调试方式在参数设置合理后就可以进行程序的编译、下载和调试了。程序下载完成后进入的是程序的调试界面，调试程序一般操作步骤有：单步运行、多步运行、设置断点、取消断点、全速运行、复位等。在调试环境中，可以通过view菜单打开调试程序所需的窗口，可以观察程序中的变量、特殊功能寄存器等窗口，如图6-5所示。图6-5 调试窗口参数设置（2）显示部分调试通过对酒精浓度的检测，在LCD上观察浓度值的变化。在调试过程中，从AD输入端，直接输入转换电压，输入电压与液晶显示对应的值如表6-1所示。表6-1 输入电压与液晶显示的对应关系电压值（mV）液晶显示值（ppm）显示理论值（ppm）电压值（mV）液晶显示值（ppm）显示理论值（ppm）423236339940024518540059960026219941988090428524324442091892032532032443810001000由表6-1知，当输入电压为0-400mV时，液晶显示值与理论计算值基本一致；当输入电压为大于400mV小于425mV时，液晶显示存在一定的偏差，这是由传感器的输入输出特性决定的，此时函数关系的斜率为16，当输入有微小变化时，输出变化较大，所以在调试时显示值变化较大；当输入电压大于425mV时，设定液晶显示值一直为1000ppm。将传感器探头接入进行测试，当探头渐渐接近酒精液体表面时，液晶值显示逐渐增大，直至1000ppm。此外，还对其他气体进行的检测，以测试酒精传感器的识别能力。如表6-2所示。表6-2 测试气体显示情况测试气体酒精水胶水松香气体显示情况正常无反应无反应无反应测试气体茶饮料丁烷直接呼气香烟显示情况无反应显示数值显示数值显示数值通过实验，在测试丁烷、香烟燃烧气体时，LCD显示也出现浓度显示，甚至还超过了阈值，这是由传感器制作所选材料决定的，传感器对可燃气体都有反应。在直接呼出气体时，液晶也显示数值，但一般不会超过阈值。从两个角度分析这种情况：一方面是残留在传感器内的测试气体在吹入氧浓度的增加的继续反应的影响，另一方面是半导体应变片受吹气的力的影响而发生微小的变化。6.3 存在的不足 本设计虽然基本完成了设所要求实现的功能，但是也存在不足的地方。一方面，由于传感器技术的瓶颈，测试气体的不完全准确是无法避免的。另一方面，在传感器的选择上，由于测试桥电路的电压太大使得系统耗能很严重。6.4 小结本章对系统硬件、软硬件联机调试做了介绍。主要介绍了软件调试的方法和软硬件联机调试中出现的问题以及设计存在的不足。结 论在交通运输业、高空作业、矿井作业或其他企事业单位等高危险性领域职业通常需要对员工体内的酒精浓度进行检测。目前，酒精检测仪已经是一种应用比较广泛的检测设备。随着传感器技术、集成电路的发展以及单片技术的日趋成熟，在新型气体检测仪器的开发设计中采用单片机技术，以单片机为处理核心单元实现数据的采集、处理已经成为一种趋势。MSP430系列单片机以其低功耗的特点手持式测量仪表中得到很好的应用。设计提出的采用热线型半导体传感器采集酒精浓度信息，整个系统体积小巧，检测方便 ，便于携带。由此可见，本文提出的便携式酒精检测仪设计方案具有很好的应用前景。通过一学期的学习，完成了酒精检测仪的设计。设计满足了任务书中的基本要求，软、硬件设计已达到预期效果。主要完成的工作有：板图，熟练掌握了一般的贴片焊接技术。完成了单片机小系统的设计、调试。完成了酒精检测仪的各个功能模块的硬件设计和调试。掌握了单片机开发、仿真软件IAR EW430 4.11的使用。完成了程序模块规划、主程序模块和各个接口模块的程序设计及软件调试。已经通过系统的软硬件联合调试，检测到的酒精浓度信息通过LCD显示出来。由于时间和能力有限，本次设计还有一些不足之处，有待下一步工作的完善。主要有一下几方面：相对整个系统而言，目前采用的酒精传感器测试输出电压较大，耗能比较严重。由于采用模拟传感器在信号调理电路设计，对传感器输出的标定和校准的处理使测量精度有所影响。在此处可以进一步改善。致 谢感谢西南科技大学。在这里，我开阔了眼界，增长了见识，收获的知识，锻炼了能力。大学四年的亲身体验让我更增加了对学校的热爱。感谢我的指导老师邓琥对我的辛勤培育。从论文的立题到实验的设计以及论文的撰写整个过程无不浸透着老师的心血。他广博的学识、严肃的科学态度、严谨的治学精神，灵活的思维方式，对学生耐心细致的指导深深感染激励着我，将使我终身受益。导师不但在学习上给予我很大的指导，在生活上也给了莫大的关怀，在这里向邓老师表示衷心的感谢。感谢大学四年所有指导过的老师。在学习的过程中给了我很多指导，化解我在学习上的迷惑，让我在理论知识和动手能力上都有很大的提高。感谢龚景超、董海、朱海洋、韩海涛等同学在完成毕业设计和毕业论文中给予我的帮助。感谢父母二十多年来的养育之恩，让我顺利的完成了四年的大学学业，并让我获取了一定的知识并最终走向社会，为社会贡献自己。最后，我要向在百忙中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢！参考文献1 贾建气体传感器智能测试系统和便携式酒精检测仪的研究D北京：中国科学院电子学研究所，200329. 2 丘睿警用呼气式酒精传感器的研究进展J化学传感器，2006，26（3）：6-11.3 李成章基于LCD显示的空气酒精浓度监视仪设计J电子测试，2007（12A）：74-80.4 李丽华，黄秋野，王琦基于单片机的酒精浓度检测仪设计J科技广场，2009,（3）：166-168.5 张艳丽，张绍楠，张猛基于MSP430F149的酒精浓度检测仪的设计J自动化技术与应用，2009，28（10）：112-114.6 钱显毅传感器原理与应用M南京：东南大学出版社，2008，7：68-69.7 杨平，王威MSP430系列超低功耗单片机及应用J应用天地，2008，27（12）：48-50.8 安家文，刘玉平，李娜.一种轻巧灵便的酒后驾车监测仪J河南机电高等专科学校学报，2004，12（5）：54-57.9 李自珍，郭宝安MSP430系统应用结构设计与选型J单片机与嵌入式系统应用，2007,07：11-13.10 赵建南，金美兰酒后驾车与呼气酒精含量检测J计量技术，2004，11：42.11 林吉申，黄文风，武建珊手持式乙醇测试仪的研制J传感器技术，2009，19（2）：41-43.12 黄贤武，郑筱霞传感器原理与应用M第二版北京：高等教育出版社，2004217-219.13 曹磊.14 李智奇，MSP430系列超低功耗单片机原理与系统设计M.80-82.15 沈建华，杨艳琴，翟骁曙MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计M北京：清华大学出版社，2005，4.16 秦龙MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲M.17 谭浩强C程序设计M第三版.18 康华光电子技术基础模拟部分M.第五版，北京：高等教育出版社，2006，34-35.19 赵志刚，吴海彬Protel DXP实用教程（修订本）M北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社，2007.20 沈建华，杨艳琴，翟骁曙MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用M北京：清华大学出版社，2004.21 MSP430FE42X/F42X中文数据手册M利尔达单片机技术 .22 姜志海，黄玉清，刘连鑫等单片机原理及应用M北京：电子工业出版社，2005.23 .24 Wenhua GaoDesign of an Electronic Alcohol Nose Based on MSP430.25 Tang Yawei,Jiang Kai,Fu Xiuquan,Li Dingli.Low Power dual-core Holter Systerm Based on MSP430 and ARM7C.In：Bioinformatics and biomedical Engineering.Beijing:20091-3.26.附录3：系统总原理图附录4：基于MSP430的便携式酒精检测仪的设计PCB图附录5：器件清单序号器件名称器件型号单位数量封装形式原理图中编号备注1单片机MSP430FE4271片QFP_64U12下载器MSP-FET430UIF1只3传感器MR5131只直插4晶振32768HzHz1个插件Y15LCDT2180101块单排直插U36电阻680k3只0805R5、R6、R77电阻100k5只0805R14、R15、R20、R22、R248电阻10k2只0805R10、R179电阻2k2只0805R18、R1910电阻1k1只0805R1311滑动变阻器5001只直插R2112电容470uF1只贴片C813电容220uF1只贴片C1414电容10uF4只贴片C1、C、7C9、C1115电容uF5只贴片C2、C10、C12、C13、C1516电容10pF2只贴片C4、C517电压转换芯片AMS11171片贴片U218运算放大器OPA22511片直插19USB接口1只贴片20发光二极管2只贴片21开关2个22按键1个