论文——便携式酒精检测仪器的设计与仿真毕业设计

邵阳学院毕业设计（论文）

毕业设计(论文)

课 题 名 称 便携式酒精浓度监测仪的设计与仿真

学 生 姓 名 罗 永 如 学 号 0540827048 系、年级专业 05级电子信息工程 指 导 教 师 刘 伟 职 称 讲 师

2009年 5 月 10 日

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摘 要

本文研究了一款基于单片机的便携式酒精浓度监测仪的设计过程。该产品可通过声光报警信号来提示驾驶员是否饮酒过度，不适合开车，旨在减少交通事故的发生，具有一定的市场前景和实用价值。设计中选用AT89C51单片机作为系统主控芯片，采用MQ3气敏传感器进行酒精气体浓度的检测，利用ADC0809进行模数转换后并通过12864液晶显示器进行浓度显示。同时，设计了键盘控制部分，用于针对不同人士输入不同阈值，当浓度超过阈值时，给出声光报警信号。软件设计部分采用模块化思想，运用汇编语言进行编程，该检测器的特点在于简洁的硬件结构、高效的软件设计和较高的性价比。

关键字：便携式；酒精浓度；单片机

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ABSTRACT

In this paper,a microcontroller-based portable monitor alcohol concentration of the design process. The product can be sound and light alarm signals to prompt the driver whether the excessive drinking,not suitable for driving， aimed at reducing traffic accidents,with a certain degree of market prospects and practical value. AT89C51 single-chip design selected as the system control chip,the use of alcohol MQ3 gas sensors for the detection of gas concentrations using ADC0809 analog-to-digital conversion to and through the concentration of 12864 to show the liquid crystal display. At the same time,part of the design of the keyboard to control for different people for different input threshold,when the concentration exceeds the threshold value， to a silent alarm signal light. Part of modular software design thought,the use of assembly language programming,the characteristics of the detector hardware structure is simple and efficient software design and higher cost performance.

Keywords: Portable; alcohol concentration; single-chip

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目 录

摘 要 ................................................................................................................ I ABSTRACT ..................................................................................................... II 目 录 .............................................................................................................. B 前 言 ................................................................................................................. 1 第1章 方案设计与论证 ................................................................................. 2 1.1总体方案设计 ....................................................................................... 2 1.1.1传感器的选择 ................................................................................ 2 1.1.2单片机的选择 ................................................................................ 3 1.1.3总体方案框图 ................................................................................ 4 第2章 硬件电路设计 ..................................................................................... 5 2.1 主控模块设计 ...................................................................................... 5 2.2电源电路的设计 ................................................................................... 7 2.3传感器的筛选 ....................................................................................... 8 2.4 AD转换电路的设计 .......................................................................... 13 2.5键盘电路 ............................................................................................. 15 2.6显示电路 ............................................................................................. 17 2.7声光报警电路 ..................................................................................... 18 第3章 软件设计 ........................................................................................... 20 3. 1数据处理子程序设计 ........................................................................ 21 3.2键盘扫描子程序 ................................................................................. 23 3.3键盘阈值设定子程序 ......................................................................... 24 3.4显示子程序 ......................................................................................... 26 3.5报警子程序 ......................................................................................... 27 第4章 系统仿真及调试 ............................................................................... 31 4.1硬件调试 ............................................................................................. 31 4.2软件调试 ............................................................................................. 31 4.3软、硬件联调 ..................................................................................... 32 4.4调试故障及原因分析 ......................................................................... 32 4.5结论及进一步设想 ............................................................................. 32

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第5章 PCB设计 .......................................................................................... 34 5.1 PCB板面规划 .................................................................................... 34 5.2 PCB网络表导入 ............................................................................. 34 5.3 仪器的PCB制作 .............................................................................. 35 5.3.1 PCB元件布局 ............................................................................. 35 5.3.2 pcb布线 ....................................................................................... 35 参考文献 ......................................................................................................... 37 致 谢 ............................................................................................................. 38 附录1 程序清单 .......................................................................................... 39 附录2 系统仿真电路图 ................................................................................ 56 附录3 原理图 .............................................................................................. 57 附录4 PCB .................................................................................................. 58 附录5 元器件清单 ........................................................................................ 59

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前 言

资料显示，我国近几年发生的重大交通事故中，有将近三分之一是由酒后驾车引的因此，对驾驶员饮酒程度的检测正越来越受到重视，酒精浓度检测器逐渐得到了广泛的应用。酒精浓度检测器不仅可以作为交警快速准确地判断驾驶员是否酒后驾车的取证工具，同时也可以用于驾驶员自测是否饮酒过量。此外，也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度的场合。由此可见，酒精浓度检测器具有巨大的潜在用户群，市场前景十分广阔。

人民的生活水平迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，而酒后驾车造成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，需要设计一智能仪器能够监测驾驶员体内酒精含量。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。此外，空气酒精浓度监测仪还能监测某一特定环境的酒精浓度如酒精生产车间可避免发生起火、爆炸及工业场地酒精中毒等恶性事故，确保环境安全。

本课题研究的是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有声光报警功能及LCD显示功能的空气酒精浓度监测仪。其可监测出空气环境中酒精浓度值，并根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警，来提示危害。本课题采用MQ3气敏传感器，AT89C51单片机实现空气酒精浓度实时测量，通过

LCD显示屏进行显示。可以通过键盘设定阈值，超过阈值具有声光报警提示。论文

的总体思路如下：第1章为系统总体方案的设计与论证，主要是对系统的可行性进行分析及元器件的选择以便设计出最佳方案。第2章是则包含各个模块进行了电路测试到最后设计出总体电路图的整个设计过程。其中对电源电路的设计比较简单，而对LCD液晶显示模块及键控模块做了比较详细的设计介绍。第3章主要针对系统的软件设计及格子模块的软件分析并设计制作了各个模块的的流程图。第4章为系统的调试分析部分，经过系统的调试分析用以确定整个系统是否可投入生产。综上经过各章节的有序衔接从而本设计得以实现。

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第1章 方案设计与论证

1.1总体方案设计

本课题研究的是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有声光报警功能及LCD显示功能的空气酒精浓度监测仪。其可监测出空气环境中酒精浓度值，并需要根据不同环境不同驾驶员的水平设置不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警，来提示危害。所以需要增设键盘控制模块实现人机交互功能，超过阈值进入声光报警功能。 1.1.1传感器的选择

可以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型，分别是： 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[1]。

由于价格和使用是否方便等因素所决定，目前普遍使用的只有燃料电池型（电化学型）和半导体型二种。这二种能够制造成便携型呼气酒精测试器，适合于现场使用。

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。作为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，这就是燃料电池型呼气酒精测试仪的基本工作原理

半导体型采用氧化锡（等其他半导体氧化物）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[2]。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的温度，在该温度下，该传感器对酒精具有最高的敏感度。

本设计中经过比较后采用MQ3型气敏传感器是由微型A12O3 陶瓷管和SNO2 敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内，而加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。

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1.1.2单片机的选择

纵观现有的酒精检测器，系统实现方案上大部分以传统的单片机(如

MICROCHIP公司的PIC系列)为基础，并借助相应的外围电路，将检测结果通过LED、LCD等显示方式告知使用者。考虑到技术先进性和人性化设计的需要，如果

能在上述方案中加入语音提示、语音播报检测结果等新功能，将是非常有益的。从技术的角度看，在现有方案中加入专用的语音处理芯片(如AC48105)，从而实现语音功能，并不是非常复杂，但是这样会使原有的系统结构上变得不够精简，且导致性价比下降。如果选用的单片机本就方便地处理语音信号，那么实现语音功能就将变得相对简单。但考虑到经济以及自己所学的AT89C51是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第三代单片机的代表。

第三代单片机包括了INTEL公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8ｘ

C152、AT89C51FA/FB﹑AT89C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452，还包括了PHILIPS﹑SIEMENS﹑ADM、FUJUTSU﹑OKI﹑HARRIA-METRA﹑ATMEL等公司以AT89C51为核心推出的大量各具特色﹑与AT89C51兼容的单

片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现

MICROCOMPUTER完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/D、PWM、PCA(可编程计数器阵列)、WDT(监视定时器)、高速I/O口、计数器的捕

获/比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。PHILIPS公司还为这一代单片机AT89C51系列8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线----CAN(CONTROLLER AREA NETWORK BUS。

新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础，本设计亦选择AT89C51进行汇编语言的编写。

[3]

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1.1.3总体方案框图

硬件设计时，考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量，而且传感器输出的是0-5伏的电压值且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出电压值经过ADC0809采集数据送人单片机进行处理。此外，还需接入LCD显示，8279键盘/显示器接口芯片，声光报警电路等。

其系统总体方案框图如图1所示。

声光报警电路 被测 环境 气敏传感器 A\\D转换电路 单片机 主控模块 LCD 显示 8279接口 芯片 键盘 图1.1 系统总体方案框图

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第2章 硬件电路设计

2.1 主控模块设计

AT89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有

限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器﹑打印机﹑A/D﹑

D/A转换器等，要设计合适的接口电路。

2.1.1 微处理器

该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。 2.1.2 数据存储器

AT89C51片内为128个字节，片外最多可外扩至64K字节，用来存储程序在

运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。 2.1.3 程序存储器

由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64K字节。 2.1.4并行I/O口

AT89C51共有4个并行8位I/O口（P0、P1、P2、P3），每个口都有1个锁

存器和1个驱动器组成。并行I/O口主要是用于实现与外部设备中数据的并行输入/输出，有些I/O口还具有其他功能。

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2.1.5 特殊功能寄存器

AT89C51共有21个，用于对片内的各功能的部件进行管理、控制、监视。实

际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。

由上可见，AT89C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的突破，也是MCS-51单片机在设计的精美之处[3]。 2. 1.6 时钟电路

AT89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。AT89C51

单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，C1、C2可在20PF到100PF之间取值，但在60PF到70PF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择12MHZ，电容选择

65PF。

在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。 2.1.7 复位电路

AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密

特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号[4]。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1MS，就可以实现自动上电复位。时钟频率

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用6MHZ时C取22μF，R取10KΩ。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源VCC接通而实现的。按键手动复位电路见图3.2。时钟频率选用6MHZ时，C取22μF，R1取200Ω，R2取10KΩ。 2.1.8 最小应用系统设计 AT89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。用AT89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图2-1. AT89C51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元[4]。其应用特点： （1）有可供用户使用的大量I/O口线。 （2）内部存储器容量有限。 （3）应用系统开发具有特殊性。 C133pU1X119 XTAL1 CRYSTALC233p18XTAL29RSTP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39D038D137D236D335D434D533D632D721222324252627281011121314151617EAEAC310uFECS1RS293031PSENALEEAR14.7kRSTRW12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51WRRDG1图2.1 AT89C51单片机最小系统 2.2电源电路的设计 7805集成稳压器典型应用电路图如图 所示：电容C1用于抵消输入线较长时的电感效应，防止电路产生自激振荡，容量取值一般小于1μF；电容C0用于消除输出电压中的高频噪声，其容值可大于或小于1μF。但若C0容值较大，一旦7805 7 邵阳学院毕业设计（论文）

输入端断开，C0将从7805的输出端向其放电，极易导致7805的损坏，为此在集成稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管，可起到正向导通，箔位电压的保护作用。

其中输入电源可以用6-12V直流电源，满足便携的要求。

图2.2 5V电源电路图

2.3传感器的筛选

2.3.1气敏传感器的分类和性能

气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来，并将其转化为电信号的器件。通常根据气敏特性来分类，主要分为：半导体气敏传感器、固体电解质气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器、电化学式气敏传感器、光学式气敏传感器、高分子气敏传感器、导热式传感器等，下面是几种目前技术成熟、应用广泛的气敏传感器[5]。

(1)半导体气敏传感器

半导体气敏传感器应用最为广泛，它主要是以氧化物半导体作为基本材料，使气体吸附在该半导体表面，利用由此而产生的电导率变化现象而制作的器件。然而，半导体电导率变化的机理，即气敏机理是非常复杂的，事实上在某些方面尚无定论，一般认为下列六个因素会对其产生影响。

①气敏材料不是单晶体。

②为了改善元件的选择性和灵敏度，一般往金属氧化物中添加催化剂，为提高元件强度还需要添加粘合剂。

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③利用的是物质的表面。

④元件在较高的温度下（一般100－400℃）。 ⑤被测气体种类繁多，它们各有不同的特性。

⑥吸附过程本身比较复杂，既有物理型吸附，又有化学型吸附等。

人们通过长期的基础研究，将这些非常复杂的因素影响的气敏现象，归纳成四种模式，即整体原子价控制理论、能级生成理论、表面电荷层理论、接触粒界位垒理论，分别从不同角度来解释不同类型半导体传感器的工作原理。

最常见的SNO2、ZNO半导体传感器的气敏机理就是用能级生成理论来解释的。该元件由涂一层半导体的圆筒状陶瓷骨构成，半导体有P型、N型之分，这取决于加入的金属成分。由于还原性气体时候容易给出电子，使得N型半导体中电子数目增大，载流子增加，电阻降低；当它遇到氧化性气体（如O2）时，由于氧化性气体容易夺取电子，使得N型半导体中电子数目减少，载流子减少，电阻增大【】。P型半导体传感器中多数载流子是空穴，遇到还原性气体时，由于还原性气体容易给出电子，中和了部分空穴，载流子减少，电阻增大；当它遇到氧化性气体时，由于氧化性气体容易夺取电子，使得空穴数目增加，载流子增加，电阻减少。

(2)固体电解质气体传感器

固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。从70年代开始，由于固体电解质气体传感器导电率高，灵敏度和选择性好，获得了迅速的发展，现在几乎在环保、节能、矿业、汽车工业等各个领域得到了广泛的应用，其产量和应用仅次于金属氧化物半导体气敏传感器。该种传感器主要分为以下三类：一类：材料中吸附由待测气体派生的离子与电解质中的移动离子相同的传感器，例如氧传感器等；二类：材料中吸附由待测气体派生的离子与电解质中的移动离子不相同的传感器，例如用于测量氧气的由固体电解质SRF2H和PT电极组成的气体传感器；三类：材料中吸附由待测气体派生的离子与电解质中的移动离子以及材料中的固定离子都不相同的传感器。目前开发的高质量固体传感器绝大多数属于第三类。

(3)接触燃烧式气敏传感器

接触燃烧式气敏传感器的基本原理是在一根铂丝上涂上高阻的燃烧催化剂，另一根铂丝上以惰性气体密封，组成阻值相等的一对元件，常称为黑元件、白元件，有时也用其它金属丝代替铂丝。由这一对元件和外加的两个固定电阻组成桥式检测电路，在一定的桥流下，黑白元件保持在300－500℃的高温状态，当可燃性气体一旦与黑白元件接触，就会发生无烟燃烧反应，使铂丝上温度升高，电阻增大，原来平衡的电

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桥失去平衡，输出一个电信号，这一电信号与可燃性气体的浓度成线性关系，可以很容易地求出对应的气体浓度值，电路中白元件起环境温度补偿作用。这种元件成本低廉，性能稳定，寿命长，便于推广使用，但是它要消耗一定的被检气体。日本三菱株式会社生产的在线监测仪就是用这种传感器检测可燃气体的，北京电科院研制的变压器油中溶解氢气在线监测仪也用了这种传感器。

(4)电化学式气敏传感器

电化学式气敏传感器可以分为原电池式、定电位电解式、电量式、离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的浓度，市场上销售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器，今年来，又开发恶劣检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。定电位式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的浓度，和原电池式不同的是，它需要由外界施加特定的电压，它除了能检测CO、NO、NO2、

O2、SO2等气体以外，还能检测血液中氧浓度。电量式气体传感器是通过被测气体

与电解质反应产生的电流来检测气体的浓度。离子电极式气体传感器出现的较早，通过测量离子极化电流来检测气体的浓度。电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高，选择性好。

(5)光学式气体传感器

光学式气体传感器主要是以红外线吸收式气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。目前的最新动向是研制开发流体切换式、流程直接测定式和傅立叶变换式在线红外分析仪。该传感器具有高抗振能力和抗污染能力，与计算机相结合，能连续测试分析气体，具有自动校正、自动运行的功能。光学式气体传感器还包括化学发光式、光纤荧光式和光纤波导式传感器，其主要优点是灵敏度高，可靠性好。

(6)高分子气敏传感器

近年来，国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展。高分子气敏材料由于具有易于操作性，工艺简单，常温选择性好，价格低廉，易于与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性气体和食品保鲜度等方面检测具有重要作用。

(7)导热式传感器

导热式传感器的检测电路与接触燃烧式基本相同，将测量元件（铂或其它金属电阻线圈）和补偿元件(以惰性气体密封)接在桥式检测电路中，基本工作原理是，将铂电阻通电流加热使之保持一定的温度，当待测气体流过传感器时，由于向待测气体传送热量会造成温度降低，不同种类，不同浓度气体的热导系统不同，引起的温度变化

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也不同；温度变化引起电阻值的变化，使原来平衡的电桥失去平衡，输出一个电信号，这一信号与被测气体的浓度有很好的线性关系。热导系数是气体的固有物理特性，所以该传感器不会消耗被测气体，而且不容易被氧化物腐蚀而使气敏性能变差，具有良好的稳定性。测量范围大，可以测高达100％的浓度。这种传感器的气敏条件是待测气体与环境气体（空气）的热导系数有很大的差别，一些和空气热导系数相近的气体（CO、N2、O2等）就无法测量。常规色谱仪中所用的热导池监测器（TCD）的气敏原理与这种传感器类似。 2.3.2各种气敏传感器的性能比较

表2.1和表2.2列出了上述各种气敏传感器的性能比较，是选择传感器的重要依据。

表2.1 各种气敏传感器可检测气体的种类

传感器种类 半导体 接触燃烧 电化学 导热 H2 能 能 能 能 CO 能 不太好 能 能 CO2 能 不能 能 能 CH4 能 能 不能 能 C2H4,C2H2,C2H6 能 能 不能 能 表2.2 各种气敏传感器性能比较

灵敏度 测量精度 选择性 响应速度 长期稳定性 维修性 经济性 半导体 非常好 好 好 非常好 好 非常好 非常好 接触燃烧式 好 非常好 不太好 好 好 好 非常好 电化学式 非常好 好 好 不太好 差 差 好 导热式 差 好 差 好 好 好 好 本课题选用的是MQ3型气敏传感器。其有很高的灵敏度、良好的选择性、长期

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的使用寿命和可靠的稳定性。MQ3型气敏传感器由微型A12 O3 陶瓷管和SNO2 敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。传感器的标准回路有两部分组成。其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻值的变化 传感器的表面电阻RS的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号URL 输出面获得的 二者之间的关系表述为：RS／RL=(UC—URL)／URL，其中UC为回路电压为10V。负载电阻RL可调为0.5-200K。加热电压UH为5V。上述这些参数使得传感器输出电压为0-5V。MQ3型气敏传感器的结构和外形如图2.3所示，标准回路如图2.4所示，传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系图如图2.5所示。为了使测量的精度达到最高，误差最小，需要找到合适的温度，一般在测量前需将传感器预热5分钟[6]。

图2.3 气敏传感器的结构图与符号图 图2.4传感器工作电路原理图

图2.5传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系

2.3.3半导体气敏传感器的结构和检测原理

气敏传感器结构如图2.3所示，它是由塑料底座、电极引线、气敏元件、加热器、

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双层不锈钢网（防爆用）组成，一般情况下，它的引线是6个，其中两个A及两个

B各自相连后成为气敏元件的引线，H两端为加热器引线，其符号图2.3所示，H

接加热电压5V，A或者B接回路电压5V，它们之间为气敏电阻；特性曲线如图

2.3，图中给出了不同气体不同浓度时RS/R0值的变化规律。其中R0为元件在洁净

空气中的电阻值，RS为元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。

2.4 AD转换电路的设计

ADCO809芯片为八通道模数转换器，可以将八个通道输入的模拟电压转换为8

位二进制数，该芯片采用28引脚双列直插式封装。ADC0809芯片引脚如图5-2所示。IN-0~IN-7为模拟量输入通道。ADD-C、ADD-B、ADD-A为地址线，用于对模拟通道进行选择，在与单片机的连接关系中，由最低位的3个地址线P0.2、P0.1、

P0.0来提供[7]。

CLOCK为时钟信号，ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提

供，在电路连接中，由单片机输出的信号ALE经过D触发器74LS74构成的分频器，送给ADC0809时钟输入端CLOCK。

U5IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCOUTPUT ENABLECLOCKVCCVREF(+)VREF(-)ADC0809ADD AADD BADD CALE2 -1MSB2 -22 -32 -42 -52 -62 -72 -8LSBGND252423222120191881514171326START为转换启动信号。START上跳沿 2728时，所有内部寄存器清0;START下跳沿时，开 12始进行A/D转换。在A/D转换期间，START 345应保持低电平。

67冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。 91011MSB2-L~LSB2-8为数据输出线，三态缓

EOC为转换结束状态信号。当EOC=0时， 正在进行转换;当EOC=1时，转换结束。该 1216状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为 中断请求信号使用。

OUTPUT ENABLE为输出允许信号，用 图2.6 ADC0809引脚图

于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。当OUTPUT ENABLE=0时，输出数据线呈高电阻;当OUTPUT ENABLE=1时，输出转换得到的数据。

八路模拟信号通道选择C、B、A分别接到P0.2、P0.1、P0.0，再经过74LS373锁存器的输出;P2.0一方面同写控制信号WR一起，经或非门后送给转换启动信号

START和地址锁存信号ALE，另一方面同读控制信号RD一 起，经或非门后送给

转换结果输出允许信号OUTPUT ENABLE，因此启动A/D转换需完成写操作，

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转化结束取转换结果时需完成读操作。 其结构电路图如图2.7

R9R2R3R4R5R6R7R8D7D6D5D4D3D2D1D0

10k10k10k10k10k10k10k10k=U6DSNCLKQU7DCLKQSCRD12QDTFFWR4U4:A3Q74LS00C133pDTFFU4:B56SC1U1X1C233p9RST19XTAL1CRYSTAL18XTAL2P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39D038D137D236D335D434D533D632D72122232425262728101112131415161774LS00U2D03D14D27D38D413D514D617D718111D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7256912151619U326272812345252423221216IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADD AADD BADD CALEVREF(+)VREF(-)ADC0808INT1CLOCKSTARTEOCOUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7OUT81067212019188151417SCINT1EASNEAC310uFECS1RS293031PSENALEEASC1R14.7kG1RSTRW12345678OE9P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51NET=SNU5WRRDNOT图2.7 数据采集硬件连接

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2.5键盘电路

8279对键盘部分提供一种扫描工作方式，能对64个按键键盘阵列不断扫描，自

动消抖，自动识别出闭合的键并得到键号，能对双键或N键同时按下进行处理。显示部分为显示器提供了按扫描方式工作的显示接口，可以显示多达16位的字符或数字。传感器输出的信号经ADCO809和单片机采集、处理后输出的信号为BCD码形式，它经过8279及显示电路处理后送人LCD显示。此外，酒精浓度监测仪的阈值浓度的设置是由键盘输人的，因此需有一个键盘/显示器接口电路。键盘有两种工作方式:编码式键盘和非编码式键盘。当键盘中某一个按键被按下时，键盘编码器会自动产生相对应的按键代码，并输出一选通脉冲信号与CPU进行信息联络。编码式键盘使用很方便，目前已有数种大规模集成电路键盘编码器出售，例MM5740AA芯片就是一种专用于64键打字机的键盘编码器，其输出为ASCⅡ码。非编码键盘不含编码器，当某键被按下时，键盘只能送出一个简单的闭合信号，对应的按键代码的确定必须借助于软件来完成。显然，非编码键盘的软件是比较复杂的，并且要占用较多的CPU时间，这是非编码键盘的不足之处。但非编码键盘可以任意组合、成本低、使用灵活，因而智能仪器大多采用非编码式键盘。本课题选用非编码键盘，键盘工作方式为编程扫描方式[8]。 图2.8为其连接电路图：

8279CS22U8AD[0..7]PICSL0SL1SL2 CSA0SL0SL1SL2SL3OUT_A0OUT_A1OUT_A2OUT_A3OUT_B0OUT_B1OUT_B2OUT_B3BDA02132333435272625243130292823SL0SL1SL2SL3U9347813141718111D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q72569121516191011RDWRU10INT0snNOTres4IRQ39CLKRES8279图2.8 键控模块硬件连接图

由上图可知，8279的片选信号CS由89C51的P2.6口控制，低电平有效息的特征位A0由89C51的P2.0口控制，当A0为低电平时，输入/输出信号中断请求

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SL3RL[0..7]SHIFTCTRL/STB3637EA 邵阳学院毕业设计（论文）

信号IRQ经非门与89C51外部中断0（INT0）相连，当IRQ为高电89C51发出中断请求信号；外时钟输入端CLK与89C51的地址允许锁存信号连；读、写选通信号RD、WD分别与89C51的读、写选通信号相连，低电平的回送输入线接键盘列线，由3-8译码器对SL0~SL2译出键扫描线和显示器的位扫描线通过总线送到显示器中。

在系统设计中，键盘和显示部分是一个非常重要的部分，它可以让观测对当前气调库中的各个参数和各个控制部分的状态有一个清楚的了解，并可值进行修改。要酒精浓度，LCD显示当前浓度，要设置阈值必须通过8279与AT89C51连接，并进行软件编译。

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2.6显示电路

128*64液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字(16×16点阵)、128个字符(8×16点阵)及64×256点阵显示RAM(GDRAM)。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机:8—位并行及串行两种连接方式。具有多种功能:光标显示、画面移位、睡眠模式等[9]。 Y地址计数器具有循环记数功能，各显示数据写入后，Y地址自动加1，Y地址指针从0到63。 本设计的LCD连接如下图图2.9 EAEAR2R3R4R5R6R7R8R9C1D0LCD1AMPIRE128X6410k10k10k10k10k10k10k10kD1D2D3D5D4D6D733pU1X1C233p9RST19XTAL1CRYSTAL18XTAL2P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39D038D137D236D335D434D533D632D721222324252627281011121314151617C310uF293031PSENALEEA CS1 R14.7kG1E 123RS45RST6RW78P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51WRRD图2.9 液晶显示硬件连接图 由上图可知，128*64模块的8位数据口分别与单片机的P0口经上拉电阻连接，片选信号CS1和CS2公用一个非门用以选择左右半屏，控制信号E与P1.0口连接，复位和读写信号分别与P1口的其他口相连接。 通过液晶模块可以直观的看出当前的浓度值以及前面通过8279设定的阈值，便于灵活纠错，是整个设置更直观更方便。 17 1817D716D615D514D413D312D211D110D09E8RW7RS65EA4G13CS22CS11RST-VoutRSTDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0ER/WRSV0VCCGNDCS2CS1U3:BCS1374LS044CS2 邵阳学院毕业设计（论文）

2.7声光报警电路

报警电路分为蜂鸣器报警电路和LED发光报警电路组成。当输人端P1.2为低电平时，有电流通过蜂鸣器，蜂鸣器发出声音报警，而当输人端为高电平时不报警。当输人端P1.4为低电平时，LED点亮报警，反之输人端P1.4为高电平则不点亮。 报警图如下图图2.10。

33pC1LS1P1.2U1X1C219XTAL1CRYSTAL18XTAL2P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39D038D137D236D335D434D533D632D721222324252627281011121314151617SPEAKERR4Q12k33p9RSTEAPNPNET=EAR21kEAC310uFECS1P1.2RSP1.4RSTRW293031PSENALEEAR310kD1P1.4LED-REDR14.7k12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51NET=P1.4WRRD图2.10 报警电路硬件连接图

G118

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图3.5 键盘阈值设定子程序流程图

根据流程图设计出键盘阈值设定的子程序的关键是查表，找出”F”键和”0-9”这些数字键并根据进行相应的处理，最后设定一个理想的阈值。其设计的阈值设定子程序如下所示。 阈值设定子程序：

ORG 1000 LCALL TSJP

SFSZK: INC DPTR

MOV A, 60H

MOV DPTR, #LIST

MOVC A , @A+DPTR ;查显示段码 MOV 50H, A ;判断是否为数字键按下

CLR C

SUBB A, #30H

JC NOSHU0

MOV A, 50H

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CLR C SUBB A, #3AH JNC NOSHU0

…

3.4显示子程序

本课题显示为LCD显示。显示子程序分为开机界面显示程序，提示界面显示程序阈值设定界面显示程序，测量界面结果显示程序。

图3.6 显示子程序流程图

其实LCD的功能就是显示，使人们更直观方便的弄清楚这个浓度到底有多少，从而减少了事故的发生概率；同时也是本设计的目的所在。下面为显示子程序设计程序。

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显示子程序：

E BIT P1.0 ;使能信号线 RW BIT P1.6 ;读/写信号线 RS BIT P1.3 ;数据/指令信号线

CS1 BIT P1.1 ;左半屏控制信号线1为左2为右

;空间分配

COM EQU 20H ;指令专用寄存器 DAT EQU 21H ;数据专用寄存器

CODES EQU 22H ;字在表格中的位置专用寄存器 YE EQU 23H ;字所在的页专用寄存器 LIE EQU 24H ;字所在的列专用寄存器 ALL_YE EQU 25H ;图形的总页数专用寄存器 ALL_LIE EQU 26H ;图形的总列数专用寄存器

CS EQU 27H ;左右半屏控制专用寄存器,为0时在左半屏,为1时在右半屏 HANG EQU 28H ; 所在行寄存器 ORG 1000H

LCALL INIT ;初始化 LCALL CLEAR

…

3.5报警子程序

报警子程序执行之前，键盘设定的报警阈值转换为压缩的BCD码并存放在两个存储单元中。传感器输入值A/D转换后，调用比较程序，经过数据处理后显示的测量值与阈值比较，小于阈值则继续执行显示程序。若大于阈值则将单片机的P1.2、

P1.4两端口清零进行声光报警。40H、4lH、42H、43H单元存放A/D转换后，

并进行十进制转换后的结果。40H和50H分别存放的是处理后的测量值与阈值的千位的压缩BCD码，4lH和5lH分别存放的是处理后的测量值与阈值的百位，42H和52H分别存放处理后的测量值与阈值的十位压缩的BCD码，43H和53H分别存放的是处理后的测量值与阈值的个位的压缩BCD码。程序首先对40H、50H中的值进行比较大小，如果40H中的值大于50H中的值，则进行报警。依此类推，比较4lH和51H，42H和52H,43H和53H。

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图3.7 报警子程序流程框图

此报警程序的设置比较简单就是从高位比到低位，只要采集到的数据大于设定的阈值就可以实现声光报警功能。其子程序如下。 声光报警子程序：

ORG 1000H CLR C

MOV R0,43H MOV R1,53H MOV R3,#04H SETB P1.2

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SETB P1.4

PDCX:MOV A,@R0;判断程序 SUBB A,R1

JNC SGBJ;转声光报警子程序 DEC R0 DEC R1 DJNZ R3,PDCX RET SGBJ: CLR P1.2 CLR P1.4 RET

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第4章 系统仿真及调试

调试分析包括硬件调试分析和软件调试分析及软、硬件联调。由于硬件调试分析和软件调试分析是独立进行的，所以可以先调硬件再调软件。再调试中找出错误、缺陷，判断各种故障，并作出软硬件的修改，直至没有错误[9]。

4.1硬件调试

硬件调试包括传感器电路、显示电路、键盘电路、单片机外围电路、声光报警电路等。下面主要介绍传感器电路、报警电路的调试。

首先把MQ3型气敏传感器按照说明书介绍，接上+6伏工作电源，进行预热5-10分钟。由于气敏传器里已经集成了放大电路，而用万用表测量可证实其输出是一稳定的0-5U的电压信号，符合ADC0809及单片机的输入条件，因此此信号可以直接接入进行A/D转换而不需要放大、滤波等。其次对于声光报警电路的调试分为蜂鸣器和LED的调试。经试验可知LJD-2008型实验箱的蜂鸣器和LED只有在低电平工作，了解这一点，对程序的设计很重要。

4.2软件调试

软件调试为利用伟福软件进行模块化调试。调过程中观察存储单元数据的变化，查找所写程序的错误，并改正。软件仿真调试：在protues中做出仿真电路图并进行仿真调试，其中的MQ3气敏传感器用5V电源和可调电阻来代替，然后把用伟福进行编译好的程序导入AT89C51后观看其仿真结果。其电路仿真图如下：

C1D0LCD1R2R3R4D1D2D3D4R5R6R7R8R9D5D6D7AMPIRE128X6410k10k10k10k10k10k10k10k

P1.233pU1X1C2R120.000.1k33p9RST19XTAL1CRYSTAL18XTAL2P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39D038D137D236D335D434D533D632D721222324252627281011121314151617

RV1R110.1kPNPEAR100.01kEA293031C310uFECS1P1.2RSP1.4RSTRW12345678PSENALEEAD1P1.4LED-REDR14.7kP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51NET=P1.4WRRDSN1817D716D615D514D413D312D211D110D09E8RW7RS65EA4G13CS22CS11RST-VoutRSTDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0ER/WRSV0VCCGNDCS2CS1Q1U3:BCS1374LS044CS2U5DCLKQDTFFQU6DCLKQDTFFQCKU226272812345D025D124D223SA221216IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADD AADD BADD CALEVREF(+)VREF(-)ADC0808CLOCKSTARTEOCOUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7OUT81067212019188151417D0D1D2D3D4D5D6D7NOTCKSAG1U4:AU7INT1WR21374LS28P2.754RD674LS28OESAU4:B10KOE9OE图4.1 检测仿真图

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4.3软、硬件联调

利用伟福仿真器及其自带实现一个模拟仿真系统。把伟福软件模拟器伟福6000的仿真器设置中语言选为“伟福汇编器”。选择仿真器用“H51/L”选择仿真头为“POD一H8X5X，，选择CPU用“AT89C51”。调人程序编译运行，并把传感器接入电路，看LCD显示器是否显示提示界面。显示提示界面后根据LCD显示器上的提示按键进行下一步操作。看键盘是否能够设定阈值，并显示。设定阈值后，用浸有酒精的棉签靠近气敏传感器，并对着棉签缓缓吹气观察LCD显示的数值。按“F”键重新设定小于测量值的阈值，观察蜂鸣器是否发声及LED是否被点亮。当过了一两分钟后，LCD显示器上数值下降，当小于阈值时蜂鸣器停止发声，LED也熄灭。上述这些功能能够实现则表明达到了课题要求。

4.4调试故障及原因分析

报警电路出错，体现在软硬件联调时，程序刚一运行，声音报警电路就发出报警声音而LED正常。经程序检查及对LJD-2008型实验箱蜂鸣器及LED灯的实验，发现该实验箱的蜂蜂鸣器及都是在低电平时工作。而主程序开始就把P1.0口清零了，

P1.0口接的是蜂鸣器，这就使程序刚运行蜂鸣器就发出报警声音了。发现这个错误，

把程序中不报警时的P1.0口都置高电平，报警时置低电平。

传感器输出电压不稳定。把传感器工作电路接好后急于接到ADC0809上，运行程序发现还未吹酒精气体进传感器而LCD显示的测量数值明显偏大。经看MQ3型气敏传感器的原理和使用说明得知该传感器工作时需加热到300℃左右，因此需预热5分钟，使传感器内部敏感元件恢复到初始状态，便于测量结果准确[10]。找到错误原因，在测量前传感器先预热5分钟，接入后续电路，测量结果正常。

4.5总结及进一步设想

本课题主要任务是设计一个便携式酒精浓度监测仪。通过软、硬件联调，实验结果满足设计的基本要求，达到设计的指标。实现可用键盘输入阈值，并用LCD显示，而对超过阈值的浓度值进行声光报警。本设计过程包括了硬件电路设计和软件程序的编写两部分。硬件电路部分结构简单，使用方便，适合大众化使用。软件部分采用模块化设计思想，各个子程序的功能相对独立，便于调试和修改。应用单片机编写不同的程序嵌入各种仪器中便形成不同功能的智能仪器。作为广泛应用于工程中的智能仪

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器将有更大的运用空间。以后各种监测仪将越来越深入的运用到普通人民的生活中，故具有非常高的应用价值。在完成本设计的过程中，我把注意力主要集中在编程、电路调试上。合理地运用软件设计模块电路可以节省很多功夫，但完全照搬也不能达到预想的效果，因为实际参数无法与设计精确匹配，因此做到精益求精，尽量达到指标要求。同时查阅了大量相关资料，包括查阅相关书籍和网上的资料，获得了一些相关信息。

通过本次设计，感到自己十分的不堪，一个小小的程序人家才用一点点时间就已经调试好了，而我则还在反复的思考，在时间和精力上输人一大截给自己的设计带来了非常多的困难。同时我也觉得自己的努力没有白费，毕竟程序已经可调试运行了。学习到做事情要持之以恒，不怕困难，到最后会有回报的。还有就是本设计还有之得改进的地方，可以采用集成度更高的芯片来实现设计的要求，从而降低生产成本而进行批量生产。不过这个设计思路是值得借鉴的，我没可以设计并制作各做气体监测仪（比如：煤气、甲烷等有毒或易燃易爆气体）乃至其他方面的监测仪（瓦斯的危险物品），从而使人类的人活更安全舒适。

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第5章 PCB设计

5.1 PCB板面规划

在绘制电路板之前，首先要规划好PCB板板面，定义板框，定义板框主要包括：定义电路板的层数、电路板的外形尺寸和形状等。本系统PCB分两大部分：主发射机（主发射机分开设计的：无线收发模块、微控器模块）、从发射机，它们都采用单面板底层布线。（说明：本系统PCB设计软件为Protel 99 se）

5.2 PCB网络表导入

载入网络表和元件封装：执行[Design][Load Nets]命令打开载入网络表对话框，在Netlist File选项中，输入所要载入的网络表文件名及路径，网络表没有错误后，按[Execute]载入网络表如图所示。载入网络表后，电路板中会出现由元件封装和连接关系组成的一些凌乱的图形散布在四周[11]。

图5.1 网络表的导入

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/03v7.html