汽車電子鼻系統(tǒng)設計

摘要

該汽車電子鼻系統(tǒng)的核心處理元件是單片機AT89C52。它是包含氣體及溫/濕度傳感器的檢測系統(tǒng)。對于模擬信號采集使用了四種傳感器，其中有DS18B20型數字式溫度傳感器，SMC-2型濕敏傳感器，QMNJ-9型酒精傳感器還有AF30L/38L型煙霧傳感器。車內溫度由溫度傳感器檢測，其檢測結果用LCD進行顯示；濕度傳感器可以快速準確地采集車廂內濕度，防止后窗結霧結霜影響乘車人員及司機的視線；由酒精傳感器采集車廂內部的酒精含量，之后把結果送給單片機，經處理后與設定值進行比較，結果超過設定值，則此時不能開車，系統(tǒng)也會隨之發(fā)出報警提示；煙霧傳感器具有監(jiān)控車內煙霧含量及濃度的作用，一旦出現火況，報警電路能夠及時發(fā)出報警信號。考慮到當車內濕度過低時，車內會過于干燥，會影響乘車人員的舒適感，所以設計了車內自動通風系統(tǒng)，當濕敏傳感器檢測到濕度低于設定值時，自動啟動通風系統(tǒng)進行車內氣體循環(huán)。本設計使用四種傳感器，可以實現把車體內的所有模擬量信息進行采集處理，具有測量精度高，操作準確，運行可靠的特點。

關鍵字：單片機；氣體檢測；傳感器；信號處理；報警電路

A system design about Automobile

electronic nose

Abstract

The core processing component of the automotive electronic nose system is the single chip microcomputer AT89C52. It is a detection system that contains gas and temperature / humidity sensors. For analog signal acquisition and processing using four kinds of sensors, including DS18B20 type temperature sensor, SMC-2 type humidity sensor, QMNJ-9 alcohol sensor and AF30L/38L type smoke sensor. The temperature inside the car is detected by a temperature sensor, the detection results with LCD display; temperature / humidity sensor can fast accurately collected inside wet / temperature, to prevent the rear window fogging frosting effect of passengers and the driver's line of sight, the alcohol content of the interior is collected by the alcohol sensor, after the results by the MCU. After treated with the set value are compared, the results of more than set value, at this time can not drive, the system will immediately send alarm; smoke sensor is monitoring the car smoke content and concentration of the role, if there is a fire condition, alarm circuit to send out alarm signals in time. And, when the temperature or the vehicle is detected in the smoke gas content exceeds the set value, automatically start the ventilation system to carry out the car gas cycle. This design uses four kinds of sensors, can realize the car body of all analog information collection and processing, with high measurement accuracy, accurate operation, reliable operation.

Key words: single chip microcomputer; gas detection; sensor; signal processing; alarm circuit

目錄

1 緒論

1.1 課題的提出

1.2 國內外傳感器研究的背景和現狀

1.3 本設計的主要內容

    1.4 本章小結

2 傳感器的基礎理論

2.1 電子鼻的特點和用途

2.2 電子鼻原理及組成

2.2.1嗅覺信號的傳遞處理

2.2.2電子鼻系統(tǒng)的結構

2.2.3傳感器陣列的組成

2.3 測量方法的介紹

2.4 本設計使用的傳感器類型

2.4.1 溫度傳感器

2.4.2 濕度傳感器

2.4.3 氣敏傳感器              9

2.4.4 煙霧傳感器

3系統(tǒng)的硬件設計

3.1 整體系統(tǒng)的設計思想

3.2 系統(tǒng)電路硬件的選擇

3.3 單片機簡介

3.4 系統(tǒng)硬件設計

3.4.1 信號采集與調理電路

3.4.2 AD轉換電路

3.4.3 單片機與AD轉換器的連接

3.4.4 單片機的輸出外圍電路

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 單片機初始化程序設計

4.2 數據采集程序設計

4.3 LCD數碼管顯示程序設計

結論

致謝

參考文獻

附錄

氣體傳感器及其相關的電路可以實現多種易燃，易爆，有毒，有害氣體的檢測和報警。對于檢查工廠礦山，家庭，機動車，公共場所的氣體成分，氣體報警器，空氣凈化器等檢測儀器已經開始普及了。車用氣體報警裝置，就采用氣敏傳感器，當可燃性氣體濃度增加時氣敏器件接觸到可燃性氣體而電阻值降低，這樣流經測試回路的電流增加，可直接驅動蜂鳴器報警器報警。對于甲烷這樣的可燃性氣體，報警器的響應界限一般選用其爆炸下限的濃度的1/10，一般調整電阻來調節(jié)[2]。

   在過去的幾十年里，很多科研大家都嘗試過構建仿生物嗅覺系統(tǒng)，這種概念設計存在多年。1964年，外國的科學家模擬生物嗅覺系統(tǒng)制作成電子設備，這是電子鼻的最早原型。這時電子鼻主要兩個部分組成，即模式識別部分和氣敏傳感器陣列部分，其陣列由三個半導體傳感器構成，該簡單的系統(tǒng)可以檢測分析植物油在內的多種揮發(fā)性物質。1994年，科學家終于詳細定義了“電子鼻”，即“電子鼻是一種具有部分選擇性的化學傳感器陣列和適當的模式識別系統(tǒng)組成，能夠識別簡單或復雜氣體的電子儀器”。

    隨著新世紀的到來，科學材料，和高新制造業(yè)的發(fā)展，經過英國，法國，德國的多所大學的十幾年努力，電子鼻的研究發(fā)展進入了一個新的高峰。

    本設計基于汽車內部舒適度和安全性的要求，設計了一套集溫度，濕度，煙霧和酒精濃度傳感器于一體的傳感器陣列及其信號處理系統(tǒng)。此系統(tǒng)用于分析汽車內部的溫度指標，并將其顯示。另外所設計的系統(tǒng)將對汽車的安全起到保障，用于汽車內部火災報警以及對于酒駕的制止和提醒。本系統(tǒng)附加后窗玻璃除濕裝置，解決由于后窗玻璃結冰影響視線的問題。同時，考慮到當車內濕度過低時，會影響乘車人員的舒適感，所以設計了車內自動通風系統(tǒng)。

    本設計系統(tǒng)小巧靈便，安裝方便，易于控制，非常實用。

    本章簡單介紹了傳感器在汽車內部的使用，并說明了其重要意義。簡單說明了本次設計的主要內容。本系統(tǒng)將全面保護汽車的安全與舒適，必定會得到普遍推廣。系統(tǒng)設計基于靈巧、方便，易于使用和安裝的標準，適合大眾化的使用，最大程度滿足用戶的需求。

    當代電子鼻技術主要方向集中在以下幾個方面：

   （1）器件研究

    包括多種感應材料，目前已經研發(fā)了多種陣列結構和敏感性材料。

   （2）模式識別方法研究

    統(tǒng)計模式識別是模式識別常用方法：聚類分析，函數分析，程序分析等；人工神經網絡：BP網絡Kohoken網絡等方法。表2.1是經常用到的模式識別方法，人工神經網絡的模式識別較統(tǒng)計模式識別具有以下的優(yōu)點：它的工作原理是模擬信號整合和傳輸機理，類似生物的嗅覺系統(tǒng)。自適應能力良好和強大的容錯性都是它的優(yōu)勢；較強的環(huán)境適應能力和強大的學習能力也是極其重要的；同時網絡還具有快速的學習能力。

    （3）應用研究

     在航天科工，環(huán)境保護，食品安全等方面的研究，電子鼻被用來分析蔬菜水果，肉類等食品的新鮮度，各種氣體的成分含量及濃度等。

    （4）前沿科技

     從1995年，電子鼻就逐步推向了商品化，表2.2列出了部分的商品化電子鼻。

表2.2 常見的商品化電子鼻

    嗅覺指生物嗅覺系統(tǒng)對揮發(fā)性氣體做出的生理感應，人類嗅覺感應系統(tǒng)傳輸通路與人類嗅覺系統(tǒng)相近，動物的鼻腔具有絨毛，可以增加氣體分子的粘附性，與絨毛相連的嗅覺皮下細胞可以感受嗅覺信號，信號由嗅束傳輸到中樞神經。

生物的嗅覺識別過程分為3個過程，（1）具有揮發(fā)能力的氣體分子在空氣中擴散，之后進入鼻腔，與具有感知能力細胞上的絨毛受體結合，產生神經信號。(2)信號在神經網絡內經過信號放大加工處理后傳輸給大腦皮層。(3)神經信號刺激大腦皮層做出相應反應，依靠著已有的記憶存儲對信號做出判斷，其判斷結果取決于長期的生活經驗和累積。                                    

電子鼻作為一種仿生技術，完全是模仿人類的整個嗅覺識別的過程，其原理可以簡述如下，包含三個部分：（1）傳感器，產生信號。（2）生成信號，信號處理。（3）處理后的信號，使用系統(tǒng)的模式識別算法進行判別，分析[2]。

嗅覺感受器是以低頻率進行脈沖信息傳輸，一部分氣體會使脈沖數量增加，也有少量的氣體會起抑制作用，氣味較大的氣體可以提升脈沖頻率最大可增加到40個以上。有研究表明，在沒有強烈氣味的時候，氣體信號所引起的電位變化并不明顯，甚至處于一種“持續(xù)狀態(tài)”，當在有揮發(fā)性氣體的影響下就會有電位信號的顯著變化。

通常研究人員把嗅覺信號看做為準數字信號，所以使用構造為表面波傳感器的傳感器陣列更加貼合生物系統(tǒng)。

信號沿著感受器軸突傳輸到神經元的神經纖維球中，處理完成之后輸入到神經中樞。嗅球有大量的傳入神經元和傳出神經元組成，這種高度集成的整合神經元對于信號具有恐怖的計算能力，當然也具有很強大的容錯性[4]。

典型電子鼻系統(tǒng)結構組成為：傳感器陣列部分，信號處理部分，模式識別系統(tǒng)部分，由單片機或計算機作為中央處理器實現計算控制，數據輸入輸出。

    電子鼻系統(tǒng)的設計重點是氣敏傳感器陣列的設計，提高系統(tǒng)性能，在大多數情況下很大程度取決于傳感器陣列是否合適。陣列大多是多個分立模塊組成，也可單片集成。

在本課題中對實際量的測量，是以確定被測量值和獲取測量的結果為目的的一些操作。所以，就是將被測量與同種性質標準量比較，確定被測量與標準量的倍數[5]。它們由式2.1示：

                                                     （2.1）

式中  x——被測量

      u——標準測量單位

     n——比值，含誤差

把被測量標準量比值進行比較得出的的方法，就是測量方法。

    傳感器常由敏感元件組成，敏感元件受熱后阻值會改變，進而可以轉換成電流或電壓信號，傳輸給單片機進行信號處理。

    本設計使用DS18B20溫度傳感器。

    考慮到是汽車內部使用的溫度傳感器，又綜合成本性能，所以使用DS18B20數字式的溫度傳感器。它無需任何外圍硬件即可方便地進行溫度測量，與單片機交換信息僅需要一根I/O口線。其供電電源可來源于單片機I/O口數據線，而無需額外電源。

    AT89C52的RD端用來與DS18B20通信，接5k的上拉電阻以增加該I/O的驅動能力，只需一片AT89C52就可實現DS18B20的溫度讀取。簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性而且還大大地降低了系統(tǒng)的硬件成本[6]。

    在AT89S52對DS18B20發(fā)出轉換溫度值命令初始化后，等待750ms(DS18B20最長轉換時間)，從RD口讀出溫度值，對讀的溫度值做相應的數據處理。

    雙列直插式DS18B20引腳，如圖2.1。

                            圖2.1 DS18B20引腳圖

    本設計使用DS18B20型數字式溫度傳感器，其引腳功能如表2.3。

表2.3 DS18B20引腳說明

   DS18B20是數字式溫度傳感器，采用單總線型式接口，不用進行A/D轉換。其測溫電路原理圖如圖2.2所示。

圖2.2 DS18B20測溫電路原理圖

    1．濕敏傳感器介紹

   濕度傳感器就是能夠感受到環(huán)境濕度變化的傳感器。由于濕度傳感器是檢測空氣中水分子的含量的傳感器，所以必須直接暴露在空氣中。基于這樣的情況，濕敏器件應具有穩(wěn)定性好，壽命長的特點。

2．本設計的濕敏傳感器

采用濕敏傳感器進行車體內濕度檢測及顯示，并有后窗除濕電路。本設計使用的是半導體陶瓷濕敏電阻組成的SMC-2型濕敏電阻。其內部為多孔半導體陶瓷組成的金屬氧化物半導體MgCrO4，它的導電率隨著水蒸氣的脫附吸附而發(fā)生變化[7]。其特性曲線如圖2.3。

                     圖2.3 SMC-2 濕敏元件特性曲線

圖2.3為40℃時的SMC-2濕敏元件的特性曲線，輸出電壓較小，在0～10mV范圍內，而ADC0809接受的電壓范圍是0～5V，因此半導體濕敏傳感器需要電壓放大。在實際測量時為了保證測量的精度，需要對器件進行清洗。SMC-2型濕度傳感器具有很寬的測試范圍。表2.4列出來SMC-2傳感器的技術規(guī)格。

表2.4 SMC-2傳感器技術規(guī)格表            

2.4.3 氣敏傳感器

氣敏傳感器指能將各種氣體信息（成分，濃度）變成電信號的裝置，可簡稱為氣敏元件，在針對某種氣體信息檢測時又可被稱為氣敏傳感器。根據工作原理將氣敏傳感器分為電學類，光學類，可見光吸收光度式，光干涉式，化學發(fā)光式和試紙光電度式和光離子化式，電化學式等。另外，還有聲表面波式和光纖式等新型氣敏傳感器，以及微型氣敏傳感器，與一體化、智能化和圖像化結合的新型或專用氣敏傳感器[8]。

氣敏傳感器的參數與特性各不相同，主要有靈敏度，響應時間，選擇性，穩(wěn)定性等。

    根據其特性選取合適的傳感器非常重要。具體的分類及工作原理如表2.5所示。

表2.5 氣敏傳感器的分類

    2．本設計使用的氣敏傳感器

系統(tǒng)是檢測車內酒精氣體的含量，采用QMNJ-9型半導體酒精傳感器。

由于SNO2氣敏元件不僅對酒精敏感，而且對汽油、香煙也敏感，經常造成檢測駕駛員是否飲酒的報警器發(fā)生誤動作而不能普遍推廣使用。所以必須選用對酒精敏感的QMNJ-9型酒精傳感器，它可以有高度的靈敏性。

QMNJ-9型酒精氣體傳感器能夠完成對酒精氣體的檢測，而且具有很高的精度。由于它具有很高的精度，所以QMNJ-9氣體檢測傳感器常用于公共安全、警用和民用對酒精氣體的檢測。                 

                             圖2.4 QMNJ-9氣敏傳感器的測試電路

    QMNJ-9型酒精氣體傳感器接觸到酒精味A、B兩端電阻值減小，B點電位升高，酒精越濃，B點電位越高。QMNJ-9氣敏傳感器的測試電路如圖2.4所示。

    QMNJ-9主要性能指標：

   （1）氣體：酒精氣體

   （2）原理：半導體

   （3）回路電壓：(VC)5～24V

   （4）電阻：(RL)0.5～10KΩ

   （5）加熱電壓：（VH）5±0.1V

   （6）加熱功率：（P）約750 MW

   （7）靈敏度：R0(air)/RS (100ppmC2H5OH)＞5

   （8）響應時間：小于10秒

   （9）恢復時間：小于30秒

圖2.5 QMNJ-9氣敏傳感器的特性曲線

由于氣敏傳感器的特殊性，在工作前進行加熱，因為QMNJ-9需要在300℃才正常工作，所以要設計加熱電路。其加熱電路如圖2.6。

圖2.6 QMNJ-9傳感器加熱電路

傳感器電路設計的基本思想：電路由三端穩(wěn)壓管1C7808輸出8V的穩(wěn)定電壓，供給傳感器的檢測電路和加熱電路。加熱電路需要電壓達到5V的才能正常工作，所以傳感器的加熱電路上串聯(lián)一個電阻，這樣有歐姆定律可知能夠分到更多電壓，使加熱電路能夠得到5V的正常工作電壓。檢測電路由QMNJ-9，R29和滑動變阻器W5組成，輸出電壓是R30和W5的壓降輸出[9]。                                                                          2.4.4 煙霧傳感器

1．煙霧傳感器介紹

煙霧傳感器是通過檢測煙霧濃度來實現火情預警。

    2．本設計使用的煙霧傳感器是AF30L/38L半導體煙霧傳感器。

檢測方式：敏感元件表面的氧化還原反應。電源電壓：4.5V～5.5V

    溫度：-10～50℃  最大-10～60℃  濕度95%

    輸出電壓：3V～6V

    靈敏度：0.6+0.1V

AF30L/38L半導體煙霧傳感器，敏感元件阻值隨著煙霧濃度增加而減小 [10] 。輸入+8V電壓，經過電路中的穩(wěn)壓器7805提供給傳感器+5V穩(wěn)定電壓。AF30L/38L半導體煙霧傳感器測試電路如圖2.7所示。

圖2.7 AF30L/38L煙霧傳感器測試電路

AF30L/38L輸出電壓為3V到6V，但電壓范圍不適合ADC0809的電壓輸入范圍，所以要經電壓轉換。

系統(tǒng)整體設計思想含以下幾個部分組成：傳感器陣列，系統(tǒng)信號采集，信號調理及放大電路，單片機處理系統(tǒng)以及LCD顯示器。

首先，傳感器陣列（溫度，煙霧，酒精，濕度）經過信號采樣及調理電路，在到單片機處理，之后由LCD進行數據顯示和報警提示。

    系統(tǒng)的整體工作程序為：系統(tǒng)上電，單片機先自動開始各項參數初始化。傳感器陣列感受外界變化，進行信號采集，信號不能直接被單片機接收，須經信號調理電路以及信號轉換電路才能傳到單片機。單片機對采集信號進行處理，將溫度信號和濕度信號顯示在LCD顯示器，并將檢測到的煙霧，酒精濃度信號與設定值進行比較，若超過最初設定值，則發(fā)出警示信號，告訴相關人員撤離或采取補救措施。同時附加了后窗除濕電路系統(tǒng)和車內自動通風系統(tǒng)，濕度傳感器檢測到的信號判斷后窗的濕度到達結霧結冰時，系統(tǒng)將啟動除濕電路。當車外天氣干燥時，濕度低于到設定值時，可以自動打開通風系統(tǒng)。

整個設計電路主要是傳感器陣列部分，信號調理，信號轉換，單片機信號處理以及LCD信號顯示。

（1）四組傳感器組成傳感器陣列：陣列中含溫度，濕度，煙霧，酒精傳感器。其中，溫度傳感器采用DS18B20型溫度傳感器，濕度傳感器采用SMC-2型濕度傳感器，煙霧傳感器采用AF30L/38L煙霧傳感器，酒精氣敏傳感器使用QMNJ-9酒精氣敏傳感器。

（2）信號調理部分使運放電路進行輸入信號調理，調理后信號送到A/D轉換器進行模擬量到數字量進行轉換。

（3）信號轉換，指把模擬量轉換成數字量，A/D轉換器為ADC0809轉換器。經處理后轉換成數字量的信號送到單片機進行信號的再處理。

（4）單片機使用AT89C52型單片機，它是系統(tǒng)控制元件核心，系統(tǒng)的調控，數據的整理都由單片機完成。

（5）LCD顯示器：LCD顯示模塊采用實用的LCD1602模塊，實時顯示實時采集的數據，顯示出溫/濕度數值[11]。

AT89C52型單片機有40個管腳，是當前常用的單片機。AT89C52單片機的引腳見圖3.1。

    圖3.1 AT89C52單片機管腳圖

本設計中四組傳感器輸出信號各異，組成了傳感器陣列。但不滿足A/D轉換器的輸入電壓范圍，為提高數據精度，防損傷A/D轉換器，經過信號的調理過程傳感器陣列采集的信號才能送進A/D轉換器。

本設計采用OP07構成三級反相放大器，每一級的放大倍數以不超過10倍為宜，總的放大倍數可按實際信號大小確定。每一級的反相輸入端串入一個隔直電容使放大電路呈現高通特性；同時利用運放自身的低通特性，使二者結合構成所需放大器。

    OP07是高精度低失調電壓的精密運放集成電路，用于微弱信號的放大，如果使用雙電源，能達到最好的放大效果。廣泛應用于穩(wěn)定積分、比較器，絕對值電路、及微弱信號的精確放大，尤其適應于宇航、軍工的應用。可和uA741，uA709，LM301，LM308，LF356，OP07，OP37，MAX427這些運放來直接代換。OP07是高精度低失調電壓的精密運放集成電路，用于微弱信號的放大，如果使用雙電源，能達到最好的放大效果下面介紹一下它的引腳圖資料。

圖3.2 OP07引腳圖

     通常，傳感器的輸出是很小的電壓、電流、電阻等電信號變化，而非數字信號。因此，數據必須進行調理。調理電路輸出為合適傳輸，記錄，顯示的數據或者能更好地滿足后續(xù)標準設備或裝置要求的信號。

    例如傳感器的輸出電信號如果不在-10V到+10V范圍內，那么在接入數模轉換器時，首先要要經過信號調理電路。信號調理電路通常具有放大，電平移動，阻抗匹配，濾波，調制，解調等功能。溫/濕度傳感器采用集成的溫濕度模塊，信號可直接獲取[12]。

本設計采用的AD轉換器為ADC0809，此芯片的工作電壓為+5V，為了更好的滿足ADC0809的工作要求，需要經過電壓轉換。OP07放大電路如圖3.3。

圖3.3 信號放大電路

R1，R2定值電阻，A為放大倍數。

并且阻值可以成比例的增加。放大電路中的電壓阻值選擇見表3.1[8]。                              

                                                    （3.1）

表3.1 信號放大電路對應得電阻阻值

本電路采用的A/D轉換器為ADC0809，8位逼近式A/D模數轉換器。其內多路通道開關，根據地址碼鎖存譯碼后的信號，選通8路模擬輸入信號中的一路進行A/D轉換[13]。

ADC0809芯片包括28條引腳，有8個輸入、輸出，采用雙列直插式封裝，管腳如圖3.4所示。下面說明各引腳功能。

IN0～IN7：8路模擬量輸入端

　　第1～8位：8位數字量輸出

　　ADDA、ADDB、ADDC：3線地址輸入，用于選通8模擬輸入線路的一路

ALE：地址鎖存允許，高電平輸入時有效。

圖3. 4 ADC0809管腳圖

　　START： 模/數轉換啟動脈沖，輸入一個正脈沖（不小于100ns）使其啟動（脈沖上升沿使AD0809復位，下降沿開始啟動模/數轉換器）

　　EOC： 模/數轉換結束輸出，當模/數轉換結束，輸出高電平（轉換期間一直為低電平）

　　OE：允許數據輸出，高電平輸入有效。當模擬量轉換成數字量時，該端輸入一個高電平，輸出三態(tài)門才能打開，接著輸出數字量

　　CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率小于640KHZ

　　REF（+）、REF（-）：基準電壓

　　Vcc ：電源，+5V

　　GND：地

圖3.5 ADC0809模數轉換電路

ADC0809與調理變換后的信號連接電路如圖3.5所示，ADC0809的地址由P2.0～P2.2決定。

ADC0809將各路輸入信號轉換成8位數字信號，之后傳遞給單片機的P0.0～P0.7輸入輸出端口。A、B、C三路地址輸入引腳來決定具體進行哪一路信號的A/D轉換。圖A、圖B、圖C分別接到單片機的P2.2口、P2.1口、P2.0口，每個輸入端口的地址范圍如表3.2。

表3.2 ADC0809的輸入端口地址

    1. 單片機與液晶顯示器的連接

本系統(tǒng)用的是1602型LCD顯示模塊，它具有體積小，功耗低，顯示內容豐富等特點。可顯示2行16個字符，有8位數據總線D0-D7和RS，R/W，EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且具有字符對比度調節(jié)和背光功能[4]。

LCD1602主要技術參數如下：

    顯示容量：16×2 個字符；

    芯片工作電壓：4.5—5.5V；

    工作電流：2.0mA(5.0V) ；

    模塊最佳工作電壓：5.0V ；

    字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm。

    LCD1602管腳封裝如圖3.6所示

圖3.6 LCD1602 顯示器的芯片引腳圖

LCD1602各引腳接口說明如表3.3所示。

表3.3 LCD1602 接口信號說明

LCD1602采用標準的 14腳（無背光）或 16腳（帶背光）接口。

    圖3.7給出了它和AT89C52單片機的接口原理圖。

圖3.7 單片機與LCD1602顯示屏的連接電路

2．單片機與報警電路的連接

本設計內含煙霧，酒精濃度傳感器，工作前將設定初始值，當被測量超過設定值時，系統(tǒng)就會報警，提醒人員采取措施。圖3.8為單片機與報警電路的連接圖。

圖3.8 單片機與報警電路的連接電路

在P2.4輸出高電平后，導通三極管，喇叭放出報警信號。

    3．汽車內部智能通風裝置

該換氣扇自動控制電路如下。電路主要完成濕度檢測，之后進行換氣處理。電路主要由汽車電源VCC，濕敏傳感器 SMC-2電路組成。這時，時基電路555為雙穩(wěn)態(tài)的工作模式。當濕敏傳感器檢測到的車內干燥，濕度情況低于最初的設定值時，P2.5處于高電平狀態(tài)，所以VT1導通。從而555電路6腳輸入的值低于閥值電平的1/3，555電路的8腳為高電平。VD3導通，SCR也導通，電機M開始工作。當檢測到車內濕度過高時，濕敏元件的阻值下降明顯，P2.5處于低電平。這時555電路的2腳輸入超過閥值電平的2/3，8腳輸出低電平信號，VD3截止，SCR截止，電動機停止運行，就可以使車內干燥的空氣相對濕潤。當濕度上升到標準時，這時可以自動啟動車內車窗加熱系統(tǒng)，對車內環(huán)境加熱。車內自動通風電路如圖3.9所示。

圖3..9 車內自動通風電路

    4．汽車后窗玻璃自動去濕裝置

    汽車后窗除濕電路在現代轎車中使用越來越廣泛，汽車在行駛中，一旦產生車體內部和外界的溫差，后窗就極容易結冰結露，又不容易被司機發(fā)現，影響司機視線。本電路將濕敏傳感和除濕裝置相結合，實現汽車后窗口自動去濕。

     圖3.10 汽車后窗除濕電路

    圖3.10為汽車后窗玻璃自動去濕裝置原理，圖中R28是加熱電阻絲，J為線圈，J1是常開觸點。半導晶體管V1，V2連成觸發(fā)器電路，電阻R1，R2組成的電路接到V1的基極上。常溫，常濕情況下，調節(jié)好各滑動電阻，P2.5端輸出高電平，V1導通，V2截止，繼電器J在不工作時，常開觸點JI此時斷開，無電流通過加熱電阻RL。當汽車內外溫差較大時，且濕度過大時，將導致濕敏電阻阻值變小，P2.5輸出低電平，此時V I截止，V 2導通，使負載繼電器J通電，控制常開觸點閉合，加熱電阻絲R28開始加熱,隨著玻璃鏡面的溫度逐步升高，鏡面水汽被蒸發(fā)，從而使鏡面恢復清晰，加熱絲電阻加熱的同時，指示燈點亮[6]。

    5．單片機的晶振電路

AT89C52單片機內部含可控的反相放大器，引腳XTAL l，XTAL 2為反相放大器的輸入端和輸出端，在XTALI，XTAL2上外接一個晶振和電容便組成振蕩器。外部時鐘電路如圖3.11所示。

圖3.11 單片機晶振電路

     6．單片機的復位電路

    AT89C52單片機的復位引腳RST是輸入腳。在振蕩器起振之后，RST引腳上輸入2個機器周期的高電平，器件就會進入復位，此時，ALE，PSEN,P0，P1，P2，P3輸出高電平，RST輸入返回低電平，接著退出復位狀態(tài)并開始工作[7]。利用RST的這個特性便可以設計復位電路。AT89C52單片機的復位電路如圖3.12所示。

圖3.12 單片機復位電路

電子鼻軟件系統(tǒng)是一個重要組成部分，軟件設計使用單片機的軟件設計。軟件由C語言實現，完成單片機系統(tǒng)對傳感器的控制、計算、輸入輸出轉換操作和通信等功能。軟件由采集轉換部分(ADC0809)、LCD驅動部分、主程序等部分構成。本次設計是以單片機作為中央處理器，系統(tǒng)總體結構框圖如圖4.1所示。

單片機在接收到開始信號后，首先進行初始化，進行相關數據的設計。初始化結束后，單片機啟動傳感器陣列進行數據采集，并對數據進行調理放大，并進行模數轉換。然后將數字信號送至單片機進行信號處理，產生相應的顯示，除濕及報警信號[8]。

系統(tǒng)的主程序主要負責初始化設定，像定時器，采樣頻率，波特率以及中斷優(yōu)先級的設定都會在主程序中進行編程。單片機主程序流程圖4.1所示。

圖4.1 單片機主程序流程圖

    本設計采用ADC0809芯片對采集的信號進行轉換，并將結果送入單片機。

ADC0809的操作包括啟動A/D，讀A/D結果。ADC0809內部無時鐘線路，因此用單片機的定時器To時來產生時鐘信號，由P2.7口進行輸出，把時鐘信號提供給AD轉換器。ADC0809工作時，單片機首先發(fā)出啟動信號，此時ADC0809對八路模擬量進行A/D轉換，單片機的地址信號（P2.2—P2.0）決定具體進行哪路轉換。單片機等時間發(fā)出判斷信號，判斷轉換結束與否，接著對轉換結束的數字信號進行再處理[9]。

本設計使用的液晶顯示模塊由中斷0控制，當中斷來臨時，系統(tǒng)首先判斷LCD顯示器是否處于忙綠狀態(tài)，如果處于忙綠狀態(tài)，系統(tǒng)將處于等待狀態(tài)；如LCD顯示器處于空閑狀態(tài)，單片機將會向LCD1602顯示模塊傳送數據，進而顯示相應參數[10]。LCD1602顯示模塊的工作流程圖如圖4.2。

圖4.2 LCD1602 顯示模塊的工作流程圖

隨著汽車電子行業(yè)的進步，人們的安全意識的提高和人們對舒適度的注意，傳感器在汽車中的使用越來越普遍，溫度，濕度，酒精和煙霧等傳感器維持著車體的最適環(huán)境和危險報警的目的。在信號與信息處理，自動控制原理，計算機理論上得到了廣泛的應用。近年來也被引入了電子嗅覺系統(tǒng)，已引起廣泛重視。對特征值提取后信息再處理就是模式識別。這是為獲得氣體的成分和濃度等信息。科研人員一般在選擇識別算法時大多借助個人經驗，但沒有統(tǒng)一的評價標準和選用指導原則。評價電子鼻性能最主要的是識別精度。另外，實際應用中還應考慮最優(yōu)算法，它有良好的運算速度。同時內存容量和抗干擾的能力等指標也是需要考慮的[11]。

本設計集成多種傳感器于一體，方便簡單，可以時刻保護生命財產安全。

我經過了三個多月完成了這個設計，中間遇到了很多的困難與挫折。經過自己的努力與老師的幫助，我收獲了很多，自己也算是為大學畫上了圓滿句號。

我掌握了各類傳感器的工作原理以及其工作方式，也其工作電路非常熟悉。設計使用了ADC0809和51系列單片機，A/D轉換器，LCD。總之，讓我把書本上的知識運用于實際，讓我受益匪淺。

此次設計讓我得到的結論：

集成多種傳感器于一體的合理性與可行性，多種傳感器共同工作，及時采集車體內各種信號，單片機對這些信號及時處理并作出相應。這種設計思想簡單方便，而且非常實用。

由于個人的水平有限，設計中會有一些想法不周，設計失誤的地方，所以這個設計還需要進行修訂和改善。

這次畢業(yè)設計快要結束了，在常鳳筠老師的指導之下，學生完成了基于單片機的傳感器控制系統(tǒng)設計。很感謝常老師在這段時間給我的學術上的幫助在我學術道路地親切指導。常老師治學嚴謹，知識淵博。她不僅指導我此次設計，還讓我懂得了為人處事的道理，讓我明白如何思考問題，解決難題。

從在最初搜集資料，整頓材料，到方案比選，確定，再到最終著手進行設計，每一步都環(huán)環(huán)相扣，緊密銜接，其中任何一個步驟的漏掉或者疏忽，都會對后續(xù)設計帶來阻礙。總之，這個設計集合了我學生四年時間的知識總結，我自己能通過知識儲備，在常老師幫助下完成此設計，我非常的高興。

畢業(yè)設計結束了，在本次設計過程，我也深深領悟到知識理論的重要性，畢業(yè)設計不僅僅能幫助檢測四年時間學習積累，更多地讓我在設計中了解自我的能力，鍛煉了自主學習意識。馬上要離開遼寧科技大學了，四年光陰轉瞬即逝，這份畢業(yè)設計是我大學最好的答卷。

[1] 陳書旺，張秀清，董建彬. 傳感器應用及電路設計[M]. 化學工業(yè)出版社,2008

[2] 胡向東，劉京城，余成波. 傳感器與檢測技術[M]. 機械工業(yè)出版社,2010

[3] 李艷紅，李海華，李元科. 傳感器原理及其應用[M]． 北京理工大學出版社,2010

[4] 孫余凱，吳鳴山，項綺明．傳感器應用電路300例[M]． 電子工業(yè)出版社,2008

[5]魏廣芬，余雋. 電子鼻系統(tǒng)原理及技術[M]. 電子工業(yè)出版社．2014

[6]余成波，陶紅艷. 傳感器與現代檢測技術[M]. 清華大學出版社．2015

[7]張洪潤，張亞凡. 傳感器原理及應用[M]. 清華大學出版社．2012

[8]M. Morris Mano. Digital Design. 3rd ed [M]Beijing: Pearson Education North Asia Limited and Higher Education press,2002.

[8]張志勇，王雪文. 現代傳感器原理及應用[M]. 電子工業(yè)出版． 2016

[9]唐穎. 單片機原理及應用[M]. 北京大學出版社．2012

[10]欒淑利. 基于人工神經網絡的酒精識別電子鼻研究[D] ．大連理工大學．2005

[11]劉丹. 基于GPS/GSM的車載禁酒系統(tǒng)[D]. 大連理工大學．2013

1. 程序

ADC0809程序：

（）

{

;

;

;

;

;

;               //

/**********延時函數************/

}

{

if(k<=2)

}

2. 系統(tǒng)總設計圖