1 緒論1.1
課題的提出汽車電子安全已經(jīng)漸漸地成為公眾所最為關(guān)注的問題。汽車電子鼻也就應(yīng)運而生。對于氣體的智能檢測與現(xiàn)代傳感器技術(shù)變得越來越為成熟。人們稱傳感器為能把被測模擬量轉(zhuǎn)換成電壓電流等電信號的裝置，這種技術(shù)稱就是傳感技術(shù)。汽車的電子鼻傳感器是是汽車電子檢測設(shè)備和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。可以這樣說，可靠的檢測和控制系統(tǒng)極大程度上是依靠于精確可靠傳感器。發(fā)達(dá)的現(xiàn)代電子技術(shù)為信息轉(zhuǎn)換處理提供了精確完善的出路。正是因為有精確可靠的傳感器去檢測才能產(chǎn)生真實的原始數(shù)據(jù)信息。如果把計算機視為人腦，那么傳感器就是人的感應(yīng)器官。汽車上常常裝備有多種傳感器，通過進(jìn)行一些自動調(diào)節(jié)，確保司機的安全[1]。汽車與人們的日常生活息息相關(guān)，安全也就慢慢成為公眾最關(guān)注的問題。汽車電子鼻也就應(yīng)運而生。氣體的檢測和傳感器技術(shù)也就越來越成熟。人們通常將能把被測物體物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號的裝置稱為傳感器，這種技術(shù)稱為傳感技術(shù)。傳感器的輸出信號有多種形式，如電壓，電流，頻率，脈沖等，以滿足信息的傳輸，處理，記錄顯示控制等要求。在汽車的電子鼻上傳感器是檢測裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始參數(shù)進(jìn)行精確可靠的測量，那么，無論信號轉(zhuǎn)換還是信息處理，或者是最佳參數(shù)的顯示控制，都將成為一句空話。可以說，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動檢測和控制系統(tǒng)�，F(xiàn)代電子技術(shù)和計算機技術(shù)為信息轉(zhuǎn)換和處理提供了及其完善的手段。但是如果沒有各種精確可靠的傳感器去檢測各種原始數(shù)據(jù)提供真實的信息。那么，電子計算機也無法發(fā)揮其應(yīng)有等作用。如果把計算機比喻成人的大腦，則傳感器就是人的五官。氣體傳感器及其相關(guān)的電路可以實現(xiàn)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(jīng)開始普及了。車用氣體報警裝置，就采用氣敏傳感器，當(dāng)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(jīng)測試回路的電流增加，可直接驅(qū)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(yīng)界限一般選用其爆炸下限的濃度的1/10，一般調(diào)整電阻來調(diào)節(jié)[2]。
1.2 國內(nèi)外傳感器研究的背景和現(xiàn)狀 在過去的幾十年里，很多科研大家都嘗試過構(gòu)建仿生物嗅覺系統(tǒng)，這種概念設(shè)計存在多年。1964年，外國的科學(xué)家模擬生物嗅覺系統(tǒng)制作成電子設(shè)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(dǎo)體傳感器構(gòu)成，該簡單的系統(tǒng)可以檢測分析植物油在內(nèi)的多種揮發(fā)性物質(zhì)。1994年，科學(xué)家終于詳細(xì)定義了“電子鼻”，即“電子鼻是一種具有部分選擇性的化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R別系統(tǒng)組成，能夠識別簡單或復(fù)雜氣體的電子儀器”。
隨著新世紀(jì)的到來，科學(xué)材料，和高新制造業(yè)的發(fā)展，經(jīng)過英國，法國，德國的多所大學(xué)的十幾年努力，電子鼻的研究發(fā)展進(jìn)入了一個新的高峰。
1.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容 本設(shè)計基于汽車內(nèi)部舒適度和安全性的要求，設(shè)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(nèi)部的溫度指標(biāo)，并將其顯示。另外所設(shè)計的系統(tǒng)將對汽車的安全起到保障，用于汽車內(nèi)部火災(zāi)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(jié)冰影響視線的問題。同時，考慮到當(dāng)車內(nèi)濕度過低時，會影響乘車人員的舒適感，所以設(shè)計了車內(nèi)自動通風(fēng)系統(tǒng)。
本設(shè)計系統(tǒng)小巧靈便，安裝方便，易于控制，非常實用。
1.4 本章小結(jié) 本章簡單介紹了傳感器在汽車內(nèi)部的使用，并說明了其重要意義。簡單說明了本次設(shè)計的主要內(nèi)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(shè)計基于靈巧、方便，易于使用和安裝的標(biāo)準(zhǔn)，適合大眾化的使用，最大程度滿足用戶的需求。
2 傳感器的基礎(chǔ)理論2.1 電子鼻的特點和用途 當(dāng)代電子鼻技術(shù)主要方向集中在以下幾個方面：
（1）器件研究
包括多種感應(yīng)材料，目前已經(jīng)研發(fā)了多種陣列結(jié)構(gòu)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(shù)分析，程序分析等；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：BP網(wǎng)絡(luò)Kohoken網(wǎng)絡(luò)等方法。表2.1是經(jīng)常用到的模式識別方法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yīng)能力和強大的學(xué)習(xí)能力也是極其重要的；同時網(wǎng)絡(luò)還具有快速的學(xué)習(xí)能力。
表2.1 模式識別的常用方法
（3）應(yīng)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
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| | 4個帶有獨立溫度和濕度的傳感器陣列與計算機聯(lián)系使用 |
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2.2 電子鼻原理及組成 嗅覺指生物嗅覺系統(tǒng)對揮發(fā)性氣體做出的生理感應(yīng)，人類嗅覺感應(yīng)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(xì)胞可以感受嗅覺信號，信號由嗅束傳輸?shù)街袠猩窠?jīng)。
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(jìn)入鼻腔，與具有感知能力細(xì)胞上的絨毛受體結(jié)合，產(chǎn)生神經(jīng)信號。(2)信號在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)經(jīng)過信號放大加工處理后傳輸給大腦皮層。(3)神經(jīng)信號刺激大腦皮層做出相應(yīng)反應(yīng)，依靠著已有的記憶存儲對信號做出判斷，其判斷結(jié)果取決于長期的生活經(jīng)驗和累積。
電子鼻作為一種仿生技術(shù)，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(chǎn)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(jìn)行判別，分析[2]。
2.2.1 嗅覺信號的傳遞處理嗅覺感受器是以低頻率進(jìn)行脈沖信息傳輸，一部分氣體會使脈沖數(shù)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(dāng)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(zhǔn)數(shù)字信號，所以使用構(gòu)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?shù)缴窠?jīng)元的神經(jīng)纖維球中，處理完成之后輸入到神經(jīng)中樞。嗅球有大量的傳入神經(jīng)元和傳出神經(jīng)元組成，這種高度集成的整合神經(jīng)元對于信號具有恐怖的計算能力，當(dāng)然也具有很強大的容錯性[4]。
2.2.2 電子鼻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)典型電子鼻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xiàn)計算控制，數(shù)據(jù)輸入輸出。
2.2.3 傳感器陣列的組成 電子鼻系統(tǒng)的設(shè)計重點是氣敏傳感器陣列的設(shè)計，提高系統(tǒng)性能，在大多數(shù)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。
2.3 測量方法的介紹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(jié)果為目的的一些操作。所以，就是將被測量與同種性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)量比較，確定被測量與標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)[5]。它們由式2.1示：
（2.1）
式中 x——被測量
u——標(biāo)準(zhǔn)測量單位
n——比值，含誤差
把被測量標(biāo)準(zhǔn)量比值進(jìn)行比較得出的的方法，就是測量方法。
2.4 本設(shè)計使用的傳感器類型2.4.1 溫度傳感器 傳感器常由敏感元件組成，敏感元件受熱后阻值會改變，進(jìn)而可以轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號，傳輸給單片機進(jìn)行信號處理。
本設(shè)計使用DS18B20溫度傳感器。
考慮到是汽車內(nèi)部使用的溫度傳感器，又綜合成本性能，所以使用DS18B20數(shù)字式的溫度傳感器。它無需任何外圍硬件即可方便地進(jìn)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(shù)據(jù)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(qū)動能力，只需一片AT89C52就可實現(xiàn)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(zhuǎn)換溫度值命令初始化后，等待750ms(DS18B20最長轉(zhuǎn)換時間)，從RD口讀出溫度值，對讀的溫度值做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。
雙列直插式DS18B20引腳，如圖2.1。
圖2.1 DS18B20引腳圖
本設(shè)計使用DS18B20型數(shù)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(shù)字式溫度傳感器，采用單總線型式接口，不用進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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
2.4.2 濕度傳感器 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�；谶@樣的情況，濕敏器件應(yīng)具有穩(wěn)定性好，壽命長的特點。
2．本設(shè)計的濕敏傳感器
采用濕敏傳感器進(jìn)行車體內(nèi)濕度檢測及顯示，并有后窗除濕電路。本設(shè)計使用的是半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻組成的SMC-2型濕敏電阻。其內(nèi)部為多孔半導(dǎo)體陶瓷組成的金屬氧化物半導(dǎo)體MgCrO4，它的導(dǎo)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(nèi)，而ADC0809接受的電壓范圍是0～5V，因此半導(dǎo)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(jìn)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(shù)規(guī)格。
表2.4 SMC-2傳感器技術(shù)規(guī)格表
| 0～130g/ |
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| 輸出電壓5.5 1.0mV （40℃，35 g/） |
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| | 約-0.09mV 約-0.10mV 約-0.10Mv 約-0.55mV +0.155mV |
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(jù)工作原理將氣敏傳感器分為電學(xué)類，光學(xué)類，可見光吸收光度式，光干涉式，化學(xué)發(fā)光式和試紙光電度式和光離子化式，電化學(xué)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(jié)合的新型或?qū)Ｓ脷饷魝鞲衅鱗8]。
氣敏傳感器的參數(shù)與特性各不相同，主要有靈敏度，響應(yīng)時間，選擇性，穩(wěn)定性等。
根據(jù)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
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| 氣體接觸熱的金屬氧化物電阻值會改變。通過電流變化比較，激發(fā)報警電路。 | 靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，但是受環(huán)境影響大，必須有溫度補償電路。 | |
| 感應(yīng)電阻和環(huán)境中的可燃?xì)怏w發(fā)生無焰燃燒，使溫度的感應(yīng)電阻值發(fā)生改變，打破電橋平衡，從而輸出穩(wěn)定的電流信號。 | 有輸出信號線性度好、可靠、價格低，靈敏度一般，多依賴于進(jìn)口。 | |
2．本設(shè)計使用的氣敏傳感器
系統(tǒng)是檢測車內(nèi)酒精氣體的含量，采用QMNJ-9型半導(dǎo)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(jīng)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(biāo)：
（1）氣體：酒精氣體
（2）原理：半導(dǎo)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(yīng)時間：小于10秒
（9）恢復(fù)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(jìn)行加熱，因為QMNJ-9需要在300℃才正常工作，所以要設(shè)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(shè)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(dá)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(xiàn)火情預(yù)警。
2．本設(shè)計使用的煙霧傳感器是AF30L/38L半導(dǎo)體煙霧傳感器。
檢測方式：敏感元件表面的氧化還原反應(yīng)。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(dǎo)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(jīng)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(dǎo)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(jīng)電壓轉(zhuǎn)換。
3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 整體系統(tǒng)的設(shè)計思想系統(tǒng)整體設(shè)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(diào)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(jīng)過信號采樣及調(diào)理電路，在到單片機處理，之后由LCD進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)初始化。傳感器陣列感受外界變化，進(jìn)行信號采集，信號不能直接被單片機接收，須經(jīng)信號調(diào)理電路以及信號轉(zhuǎn)換電路才能傳到單片機。單片機對采集信號進(jìn)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(shè)定值進(jìn)行比較，若超過最初設(shè)定值，則發(fā)出警示信號，告訴相關(guān)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(nèi)自動通風(fēng)系統(tǒng)，濕度傳感器檢測到的信號判斷后窗的濕度到達(dá)結(jié)霧結(jié)冰時，系統(tǒng)將啟動除濕電路。當(dāng)車外天氣干燥時，濕度低于到設(shè)定值時，可以自動打開通風(fēng)系統(tǒng)。
3.2 系統(tǒng)電路硬件的選擇整個設(shè)計電路主要是傳感器陣列部分，信號調(diào)理，信號轉(zhuǎn)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(diào)理部分使運放電路進(jìn)行輸入信號調(diào)理，調(diào)理后信號送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬量到數(shù)字量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
（3）信號轉(zhuǎn)換，指把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0809轉(zhuǎn)換器。經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的信號送到單片機進(jìn)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(diào)控，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，顯示出溫/濕度數(shù)值[11]。
3.3 單片機簡介AT89C52型單片機有40個管腳，是當(dāng)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
3.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.4.1 信號采集與調(diào)理電路本設(shè)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(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍，為提高數(shù)據(jù)精度，防損傷A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過信號的調(diào)理過程傳感器陣列采集的信號才能送進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器。
本設(shè)計采用OP07構(gòu)成三級反相放大器，每一級的放大倍數(shù)以不超過10倍為宜，總的放大倍數(shù)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(xiàn)高通特性；同時利用運放自身的低通特性，使二者結(jié)合構(gòu)成所需放大器。
OP07是高精度低失調(diào)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(dá)到最好的放大效果。廣泛應(yīng)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(yīng)于宇航、軍工的應(yīng)用�？珊蛈A741，uA709，LM301，LM308，LF356，OP07，OP37，MAX427這些運放來直接代換。OP07是高精度低失調(diào)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(dá)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(shù)字信號。因此，數(shù)據(jù)必須進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理電路輸出為合適傳輸，記錄，顯示的數(shù)據(jù)或者能更好地滿足后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(nèi)，那么在接入數(shù)模轉(zhuǎn)換器時，首先要要經(jīng)過信號調(diào)理電路。信號調(diào)理電路通常具有放大，電平移動，阻抗匹配，濾波，調(diào)制，解調(diào)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(shè)計采用的AD轉(zhuǎn)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(jīng)過電壓轉(zhuǎn)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(shù)。
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(yīng)得電阻阻值
3.4.2 AD轉(zhuǎn)換電路本電路采用的A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0809，8位逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)多路通道開關(guān)，根據(jù)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端
第1～8位：8位數(shù)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(shù)轉(zhuǎn)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(fù)位，下降沿開始啟動模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）
EOC： 模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出，當(dāng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）
OE：允許數(shù)據(jù)輸出，高電平輸入有效。當(dāng)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)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(shù)字量
CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率小于640KHZ
REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓
Vcc ：電源，+5V
GND：地
圖3.5 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
ADC0809與調(diào)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。
3.4.3 單片機與AD轉(zhuǎn)換器的連接ADC0809將各路輸入信號轉(zhuǎn)換成8位數(shù)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(jìn)行哪一路信號的A/D轉(zhuǎn)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
3.4.4 單片機的輸出外圍電路 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(nèi)容豐富等特點�？娠@示2行16個字符，有8位數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)和背光功能[4]。
LCD1602主要技術(shù)參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計內(nèi)含煙霧，酒精濃度傳感器，工作前將設(shè)定初始值，當(dāng)被測量超過設(shè)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(dǎo)通三極管，喇叭放出報警信號。
3．汽車內(nèi)部智能通風(fēng)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(jìn)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(dāng)濕敏傳感器檢測到的車內(nèi)干燥，濕度情況低于最初的設(shè)定值時，P2.5處于高電平狀態(tài)，所以VT1導(dǎo)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(dǎo)通，SCR也導(dǎo)通，電機M開始工作。當(dāng)檢測到車內(nèi)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(nèi)干燥的空氣相對濕潤。當(dāng)濕度上升到標(biāo)準(zhǔn)時，這時可以自動啟動車內(nèi)車窗加熱系統(tǒng)，對車內(nèi)環(huán)境加熱。車內(nèi)自動通風(fēng)電路如圖3.9所示。
圖3..9 車內(nèi)自動通風(fēng)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(xiàn)代轎車中使用越來越廣泛，汽車在行駛中，一旦產(chǎn)生車體內(nèi)部和外界的溫差，后窗就極容易結(jié)冰結(jié)露，又不容易被司機發(fā)現(xiàn)，影響司機視線。本電路將濕敏傳感和除濕裝置相結(jié)合，實現(xiàn)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(dǎo)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(diào)節(jié)好各滑動電阻，P2.5端輸出高電平，V1導(dǎo)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(dāng)汽車內(nèi)外溫差較大時，且濕度過大時，將導(dǎo)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(dǎo)通，使負(fù)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(fù)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(nèi)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(fù)位電路
AT89C52單片機的復(fù)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(jìn)入復(fù)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(fù)位狀態(tài)并開始工作[7]。利用RST的這個特性便可以設(shè)計復(fù)位電路。AT89C52單片機的復(fù)位電路如圖3.12所示。
圖3.12 單片機復(fù)位電路
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計電子鼻軟件系統(tǒng)是一個重要組成部分，軟件設(shè)計使用單片機的軟件設(shè)計。軟件由C語言實現(xiàn)，完成單片機系統(tǒng)對傳感器的控制、計算、輸入輸出轉(zhuǎn)換操作和通信等功能。軟件由采集轉(zhuǎn)換部分(ADC0809)、LCD驅(qū)動部分、主程序等部分構(gòu)成。本次設(shè)計是以單片機作為中央處理器，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示。
單片機在接收到開始信號后，首先進(jìn)行初始化，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)計。初始化結(jié)束后，單片機啟動傳感器陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)理放大，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。然后將數(shù)字信號送至單片機進(jìn)行信號處理，產(chǎn)生相應(yīng)的顯示，除濕及報警信號[8]。
4.1 單片機初始化程序設(shè)計系統(tǒng)的主程序主要負(fù)責(zé)初始化設(shè)定，像定時器，采樣頻率，波特率以及中斷優(yōu)先級的設(shè)定都會在主程序中進(jìn)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
4.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計 本設(shè)計采用ADC0809芯片對采集的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果送入單片機。
ADC0809的操作包括啟動A/D，讀A/D結(jié)果。ADC0809內(nèi)部無時鐘線路，因此用單片機的定時器To時來產(chǎn)生時鐘信號，由P2.7口進(jìn)行輸出，把時鐘信號提供給AD轉(zhuǎn)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，單片機的地址信號（P2.2—P2.0）決定具體進(jìn)行哪路轉(zhuǎn)換。單片機等時間發(fā)出判斷信號，判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束與否，接著對轉(zhuǎn)換結(jié)束的數(shù)字信號進(jìn)行再處理[9]。
4.3 LCD數(shù)碼管顯示程序設(shè)計本設(shè)計使用的液晶顯示模塊由中斷0控制，當(dāng)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(shù)據(jù)，進(jìn)而顯示相應(yīng)參數(shù)[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
結(jié) 論隨著汽車電子行業(yè)的進(jìn)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(yīng)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�？蒲腥藛T一般在選擇識別算法時大多借助個人經(jīng)驗，但沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)和選用指導(dǎo)原則。評價電子鼻性能最主要的是識別精度。另外，實際應(yīng)用中還應(yīng)考慮最優(yōu)算法，它有良好的運算速度。同時內(nèi)存容量和抗干擾的能力等指標(biāo)也是需要考慮的[11]。
本設(shè)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(chǎn)安全。
我經(jīng)過了三個多月完成了這個設(shè)計，中間遇到了很多的困難與挫折。經(jīng)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(xué)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(shè)計使用了ADC0809和51系列單片機，A/D轉(zhuǎn)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(shè)計讓我得到的結(jié)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(nèi)各種信號，單片機對這些信號及時處理并作出相應(yīng)。這種設(shè)計思想簡單方便，而且非常實用。
由于個人的水平有限，設(shè)計中會有一些想法不周，設(shè)計失誤的地方，所以這個設(shè)計還需要進(jìn)行修訂和改善。
致 謝這次畢業(yè)設(shè)計快要結(jié)束了，在常鳳筠老師的指導(dǎo)之下，學(xué)生完成了基于單片機的傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計。很感謝常老師在這段時間給我的學(xué)術(shù)上的幫助在我學(xué)術(shù)道路地親切指導(dǎo)。常老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，知識淵博。她不僅指導(dǎo)我此次設(shè)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(jìn)行設(shè)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(shè)計帶來阻礙�？傊�，這個設(shè)計集合了我學(xué)生四年時間的知識總結(jié)，我自己能通過知識儲備，在常老師幫助下完成此設(shè)計，我非常的高興。
畢業(yè)設(shè)計結(jié)束了，在本次設(shè)計過程，我也深深領(lǐng)悟到知識理論的重要性，畢業(yè)設(shè)計不僅僅能幫助檢測四年時間學(xué)習(xí)積累，更多地讓我在設(shè)計中了解自我的能力，鍛煉了自主學(xué)習(xí)意識。馬上要離開遼寧科技大學(xué)了，四年光陰轉(zhuǎn)瞬即逝，這份畢業(yè)設(shè)計是我大學(xué)最好的答卷。
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附錄1. 程序
ADC0809程序：
（）
{
;
;
;
;
;
; //
/**********延時函數(shù)************/
}
{
if(k<=2)
}
2. 系統(tǒng)總設(shè)計圖
