传感器 酒后驾车测试仪.doc

电子电气工程学院传感器设计论文 姓名：田州 学号：201108061100重庆文理学院 电子电气工程学院 专业课程设计论文题目： 论 文 作 者： 田 州 学 号： 201108061100 专 业： 电气工程与自动化 班 级： 2011级3班 中 国 重 庆2013年12月 目 录摘 要.30 引言.41 设计方案.5 1.1 酒精浓度检测仪的框图.6 1.2 酒精浓度检测仪的原理图.6 1.3 MQK2传感器的特性及性能指标.7 1.4 传感器信号采集电路.9 1.5 A/D转换电路.10 1.6 单片机系统.10 1.7 系统整体软件设计.122 构思中的便携式酒后驾车测试仪的外形图.143 使用说明.154 实验结果与总结.15摘 要本方案所设计的酒后驾车测试仪,系统上大部分以单片机为基础,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。本设计针对驾驶员呼出气体中酒精含量的测量所用到的传感器为MQK2酒精传感器，它是一种对气体敏感的化学传感器，它能随着外部气体的浓度或不同而改变敏感膜的电阻。系统选AT89S52单片机为控制核心，对检测到的气体状况进行相应的处理分析、处理和显示，并通过报警进行提示。关键词：酒后驾车；酒精传感器；单片机；MQK2；AT89S52；报警AbstractTestdrivethe schemedesignof alcohol,mostmicrocontroller basedsystem,and with thecorresponding peripheral circuit,the detection results by LED,LCD and otherdisplayto inform the users.Thedesign ofthesensorused formeasuring the amount of alcoholin thedriverexhaled gasforMQK2 alcohol sensor,it is akind of gas sensitive chemical sensor,it canwith theresistanceconcentration ordifferent externalgassensitive filmandchange.Selection of AT89S52 MCU as the controlcore,the detected gas conditionare analyzed,the correspondingprocessingand display,and through the alarm to prompt.Keywords: drunk driving; alcohol sensor; MCU; MQK2; AT89S52; alarm0 引 言近年来，人民生活水平的不断提高，汽车工业的不断发展，汽车肇事越来越受到世界各国的重视。从工厂企业到居民家庭，酒精泄露的检测、监控以及对酒后驾车的监测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必不可少的。同时，随着我国经济的高速发展，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，酒后驾车是导致交通事故的一个主要因素，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起的。由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求的提高，为了防止机动车辆驾驶人员酒后驾车，现场实时对人体呼气中酒精含量的检测已日益受到重视，酒后驾车测试仪逐渐得到广泛应用。此外，酒精测试仪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。如今，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。在世界各国交通事故的法医调查中，酒后驾驶是导致交通事故发生的重要原因。虽然各国对酒后驾车执行了严格的规定，但酒后驾车任具有一定的普遍性，针对这种现象，本人设计一种酒后驾车测试仪，让被怀疑酒后驾车的驾驶员对准探头（内部装有多种传感器）呼三口气，用一排发光二极管指示呼气量的大小（呼气量越大，点亮的LED越多）。当呼气量达到允许值之后，“呼气确认”LED亮，酒精蒸汽含量数码管指示出三次呼气的酒精蒸汽含量的平均百分比，如果呼气量不够，则提示重新呼气，当酒精含量超标时，LED闪亮，蜂鸣器发出报警声。从而更好地保障交通秩序和人们的出行安全，构建和谐的交通环境。1设计方案酒精浓度测试仪应用到两种传感器：(1)气敏传感器(2)应变式电阻传感器气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半 导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。 气敏电阻传感器的工作原理:气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。应变式电阻传感器的工作原理:电阻应变式传感器以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。 酒精浓度检测仪整体结构设计（1）数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有LCD 显示以及键盘响应电路，无需要其他计算机，用户就可以与之进行交互工作，完成数据的采集、存储、计算、分析等过程。（2）系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。（3）从便携式的角度出发，系统成功使用了大屏幕液晶显示器以及小键盘。由单片机系统控制键盘和LCD 显示来实现人机交互操作，界面友好。（4）软件系统采用汇编语言编写，在兼顾实时性处理的同时也能很方便地进行数据处理。1.1 酒精浓度检测仪的框图 酒精浓度检测仪的结构1.2 酒精浓度检测仪的原理图 本文设计的酒精浓度检测仪主要是以酒精传感器和单片机为平台设计而成的，其硬件系统功能框图如下所示。单片机酒精浓度测试仪用MQK2酒精传感器采集气体信号，并通过数模转换器将模拟信号转换成数字信号送至单片机，单片机对数字信号进行分析处理，并将所得的结果显示出来，可以通过键盘设置不同环境下酒精浓度的不同阀值，如果所检测出的酒精浓度超过了所设定的阀值，那么单片机就能控制蜂鸣器发出声音报警。键盘采用3个独立键盘进行数据输入设定；显示部分用5个数码管显示当前数据，数码管分别用2个74HC573锁存器控制段选和位选。温度采集采用DS18B20,与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。经过软件处理送至数码管显示当前环境温度。1.3 MQK2传感器的特性及性能指标MQK2传感器实物外形一、特性l、对酒精气体有很高的灵敏度。2、具有良好的重复性和长期的稳定性。3、抗干扰，对酒精气体有很好的选择性。二、应用对酒精气体的检测。三、特性参数l、回路电压：(Vc) 5-24V2、取样电阻：(RL) 0.5-20K3、加热电压：(VH)50.1V4、加热功率：(P)约750mW5、灵敏度：R0(air)/RS (100ppmC2H5OH)56、响应时间：Tres10秒7、恢复时间：Trec30秒四、注意事项:气敏元件开始工作时，需预热3-5分钟后方可正常使用。不要在蚀性气体环境下工作。五、工作环境温度-10-+50、相对湿度0-90RH。六、传感器输出电压与酒精浓度关系通过测量MQK2输出信号同酒精浓度为近似的线性关系如下图所示：酒精浓度同输出电压的近似关系1.4 传感器信号采集电路电路的前端部分MQK2传感器按照常规设计即可，如下图所示。MQK3外接+5V电压将时，可将电阻丝加热至270300.电路将MQK2的阻值变化转换成输出电压的变化,从而可以通过A/D转换成数字信号供单片机处理。在酒精浓度为0时，其输出电压为3v。但由于其输出的电压范围超过了AT89S52的输入电压范围，所以在本设计中加入了一个调整电路来使其输出的电压能够满足AT89S52的输入要求。作为一个25 V的基准电压，采用差动输入使得Vout=V酒精-2.5V从而使得传感器信号的输出符合AT89S52的范围。其调整电路的原理图如下图。采用LM33625。传感器处理电路1.5 A/D转换电路模数转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量，是架起模拟系统跟数字系统之间连接的桥梁。对于本系统而言，就是用于快速、高精度地对输入的酒精浓度信号进行采样编码，将其转换成单片机所能够处理的数字量。模数转换电路是本系统的关键部分，其性能的好坏直接影响整个系统的质量。模数转换采用ADC0804,对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。ADC0804有20个引脚，其中11-18管脚为数字信号输出端，与单片机P1口相连；cs为片选端，接单片机P3.5口，当cs接低电平时ADC0804开始工作，WR接P3.6口，当WR变为低电平再跳变为高电平后启动A/D转换，RD接单片机P3.7口，当RD由低电平跳变为低电平时，单片机读走A/D转换完的数字信号。CLK为时钟输入信号线, 因ADC0804的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。INTR为中断控制信号，接单片机外部中断端口，当A/D转换完后向单片机发出中断信号，等待读走数字信号，INTR也空可置不接，因为当启动A/D后一段时间后模数转换完后，等待一段时间后单片机也可以读走数字量。原理图如下：A/D转换电路1.6 单片机系统AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，具有较高的性能价格比，使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。报警电路采用单片机I/O口外接三极管驱动蜂鸣器，发出报警信号，如图所示：单片机基本电路 蜂鸣器电路 独立键盘电路键盘分编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生键编码号或键值的称为编码键盘，如计算机键盘。而靠软件编程来识别的称为非编码键盘；在单片机组成的各种系统中，用的最多的是非编码键盘。非编码键盘有分为：独立键盘和行列式（又称为矩阵式）键盘。本设计采用3个独立键盘来输入数字量。3个键盘分别接单片机P2.0,P2.1,P2.2。使用时先将键盘借口初始化，即将P2.0P2.2全部置1，然后判断是否有键按下，若键盘输入端变为低电平，表明此键盘按下，在软件编程时，注意键盘消抖。 显示部分用4个数码管显示当前数据，数码管分别用2个74HC573锁存器控制段选和位选，锁存器与单片机I/O口连接，位锁存器输出端分别与数码管片选连接，段锁存器输出端接数码管段输入端连接。锁存器片选输入端为高电平时，I/O口数据输入锁存器，当输入为低电平时，锁存器关闭并将数据保持住。如图所示。段选接单片机P2.6,位选接单片机P2.7。 显示电路部分1.7 系统整体软件设计为充分加热传感器的电热丝,在系统初始化完成后,首先启动DS18B20,显示当前环境温度同时开始预热，时间大约30s。30s计时到后,并等待用户的按键操作,若未检测到任何按键按下,系统进入待机状态。考虑到手持设备节能的要求,采用无键按下时睡眠待机的设计,睡眠过程中关闭系统时钟,大大节约了能耗,唤醒操作可利用触键实现。主程序流程如下图所示。系统共分3个按键K1、K2、K3 ,分别接至单片机P2.0-P2.2口，初始化时将P2.0-P2.2置1，当检测到输入端为低电平时表示有键按下，通过软件5ms延时,消除键盘抖动。在待机状态时若按下K1键提示被测者吹气，若检测过程中需要取消测试，可按K2键，此时系统放弃测试，并可回到待机状态。考虑到环境、湿度以及被测试者的个体差异等因素，有时需要修改浓度的警戒值，在待机状态下，按下K3，数码管上将显示当前设置值，此时按下K1、K2可调节警戒值。每按一次K1值可将报警浓度上调0.02mg/L（最高到0.72mg/L）,按下K2则下调0.02mg/L(最低到0.04mg/L),调整完后在按下K3值可保存新的警戒值。主程序初始化温度测量子程序延时大约30s有键按下？K1？K2?K3?调用酒精浓度子程序禁止A/D调用警戒值设置子程序数码管显示YYYYNNNN2构思中的便携式酒后驾车测试仪的外形图补充说明：为便于携带，可在仪器背面设计一个挂钩片，不用时可挂于腰上或其他位置。仪器的电源可设计为充电，也可设计为干电池供电。来自网络的酒精测试仪装置实物图：3 使用说明让被怀疑酒后驾车的驾驶员对准呼气孔探头（内部装有多种传感器）呼三口气，用一排发光二极管指示呼气量的大小（呼气量越大，点亮的LED越多）。当呼气量达到允许值之后，“呼气确认”LED亮，即测试仪最上排最后一个LED指示灯亮。酒精蒸汽含量数码管指示出三次呼气的酒精蒸汽含量的平均百分比，如果呼气量不够，则提示重新呼气，当酒精含量未超标时，则表明驾驶员未酒后驾车，显示器右下方绿色LED闪亮。当酒精含量超标时，则表明驾驶员为酒后驾车，显示器右下方红色LED闪亮，蜂鸣器发出报警声。4 实验结果与总结本次酒后驾车测试仪的设计以52单片机为基础,采用酒精传感器采集信号,实现了一种新型的酒精浓度检测器设计, 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。通过软、硬件联合调试，实验结果满足设计基本要求，达到设计目标。仪器电路设计合理，体积小，且灵敏度、分辨率和抗干扰能力适用于驾驶员自测是否饮酒过量的测量，也可用于酒精浓度监控。操作的测试结果通过数码管显示,可进行报警,还可根据实际情况对测试酒精含量警戒值作出调整,体现出一定的人性化、智能化特点,系统性价比较高,具有一定的实用价值和推广价值。在设计过程中，对于本次所用到的传感器和单片机型号不是很了解，所以需要通过网络和其他参考书进行查阅，并使用合理的方