酒精浓度探测仪设计毕业设计论文

1、摘 要 本设计实现了对不同浓度酒精的检测和显示，通过适当改进可以用于检测 酒后驾车。设计用 at89s51 单片机与 mq-3 型气体传感器实现了对酒精浓度 的测量，并对测量数据进行显示，同时利用 lcd 简单显示浓度的高低，在超 过允许值时发出报警，并且可以根据具体情况通过按键改变报警阀值。 硬件方面主要研究了 mq-3 气体传感器技术参数的检测和将它接入到酒精 浓度检测模块中；将模拟电压信号通过 lcd 显示，并且驱动发光二极管点亮 与蜂鸣器报警；软件方面主要研究了电压到浓度的线性转换和最终浓度值的 lcd 显示。设计的传感器对酒精气体反应灵敏，能在有效范围内测量它的浓 度值。并且在检测低

2、浓度酒精时误差较小。 本设计的传感器可以检测不同浓度的酒精气体，改进之后对解决酒后驾车 事故和特殊场合酒精检测都可以使用。 关键词：气体传感器，模数转换，单片机 abstract the design and implementation of the different concentrations of alcohol detection and display, through appropriate improvements can be used to detect drunk driving. designed at89s51 microcontroller and mq-3-ty

3、pe gas sensors to achieve a measure of alcohol concentration, and measurement data show that while using a simple lcd display concentration level of alarm when exceeding the allowable value, and can be based on the specific circumstances through the key change the alarm threshold. the main hardware

4、detection mq-3 gas sensor technology parameters and its access to the alcohol concentration detection module; analog voltage signal through the lcd display, and the drive led lights and buzzer alarm; major research software voltage conversion, and the concentration of the final concentration of line

5、ar lcd display. alcohol gas sensor design for responsive, able to measure its concentration within the valid range. and a low concentration of alcohol in the detection error is small. the design of the sensor can detect different concentrations of ethanol gas, after improvements to solve drunk drivi

6、ng accidents and special occasions can be used to detect alcohol. key words: gas sensor, a/d conversion, single-chip microcomputer 目目 录录 第 1 章 绪论 .1 1.1 设计背景 .1 1.2 气敏传感器的研究现状 .2 1.3 设计酒精浓度探测仪的意义 .3 1.4 本文主要研究工作 .3 第 2 章 方案选择与分析 .4 2.1 方案选择 .5 2.1.1 控制器选择分析 .5 2.1.2 显示模块的选择分析 .6 2.1.3 传感器模块的选择分析 .7

7、2.2 可行性分析 .8 第 3 章 硬件电路设计与实现 .9 3.1 单片机最小系统 .9 3.2 信号采集电路 .13 3.3 信号转换电路 .15 3.4 发光二极管显示与蜂鸣器报警电路 .17 3.5 lcd1602 显示电路 .18 3.6 按键 .20 第 4 章 软件编程 .21 4.1 开发环境 .21 4.2 主程序流程 .21 4.3 程序代码编写 .23 4.3.1 程序初始化 .23 4.3.2 按键设计 .23 4.3.3 模数转换设计 .24 第 5 章 电路调试与测试结果 .26 5.1 电路调试 .26 5.2 浓度与显示之间的关系 .27 5.2.1 传感器的

8、定标 .27 5.2.2 酒精浓度测试结果 .29 结 论 .30 致 谢 .31 参考文献 .32 附录 系统部分原代码 .33 contents chapter 1 introduction .1 1.1 background .1 1.2 research status.2 1.3 purpose and significance .3 1.4 the main work of this article .3 chapter 2 program selection and analysis.4 2.1 scheme selection.5 2.1.1 controller selecti

9、on analysis5 2.1.2 the selection of the display module.6 2.1.3 choice of sensor module.7 2.2 feasibility analysis.8 chapter 3 program hardware design and implementation.9 3.1 microcontroller development process .9 3.2 hardware system block diagram.13 3.3 signal acquisition circuit.15 3.4 the signal

10、conversion circuit.17 3.5 led display and buzzer alarm circuit .18 3.6 lcd1602 display circuit.20 chapter 4 software programming.21 4.1 smallest single-chip system.21 4.2 program flow .21 4.3 program code is written.23 4.3.1 program initialization.23 4.3.2 button design.23 4.3.3 adc design.24 chapte

11、r 5 circuit debugging and test results .26 5.1 circuit debugging.26 5.2 the relationship between concentration and display.27 5.2.1 calibration of the sensor.27 5.2.2 alcohol concentration test results.29 conclusions.30 acknowledgements .31 references.32 appendix system part of the original code.33

12、第 1 章 绪论 现代社会电子科学技术飞速的发展，电子产品已经渗透了社会的各个领域， 酒后驾车是一件非常危险的事情，通过设计酒精检测，来减少酒后驾车的发生。 1.1 设计背景 我国传感器市场的增长率超过 15%，2003 年销售额为 186 亿元人民币， 2006 年销售额为 283 亿元人民币，2007 年为 325 亿元人民币，2008 年为 374 亿元人民币。我国传感器 4 大类中，工业和汽车电子产品占市场份额的 33.5%。近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段，新型传 感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它将不 仅促进系统产业的改造，而且可导

13、致建立新型工业和军事变革，是 21 世纪新 的经济增长点1。 由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善 生态居住环境不可缺少的手段，气体传感器发挥着极其重要的作用。气体传感 器是把气体中的特定成分检测出来，并转化为电信号的一类器件，用来对有害 气体，易燃易爆气体等进行安全检测和报警，对生产生活中需要了解的气体进 行检测，分析，研究等。近年来，我国气敏传感器产业有了较快的发展，但与 国外相比，从技术水平，产业化及应用等领域均存在着不小的差距。 目前，气敏传感器领域还存在一些问题。一是元件的稳定性差。由于元 件电阻和灵敏度随时间而不断变化，漂移大给检测结果的可靠性带来不稳定的

14、 因素。二是选择性差。由于在检测气体时，往往还存在着其它的干扰气体(如 烟酒等)，使气敏元件发生交叉响应，产生误报。三是催化剂中毒。掺有催化 剂的气敏元件接触某些气体后，活性组分被毒化，将会改变元件的选择性，降 低其敏感度和稳定性，另外催化剂本身也存在着不稳定性问题，灵敏度问题。 四是 sno2 元件有时由于灵敏度过大导致误报，但是在检测某些低浓度气体时 灵敏度却难以达到要求2。 1.2 气敏传感器的研究现状 气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构及制作工艺密切相关。用金 属氧化敏感材料制作的半导体式气敏元件具有灵敏度高，结构简单，体小质轻， 坚固耐用等优点而得到广泛的应用，目前仍以 sno2

15、 材料为主3。sno2 是一 种广普型的气敏材料，围绕 sno2 为基体材料的气敏材料的制备及其气敏元件 制备的研究课题十分活跃。纯 sno2 的气敏特性不甚好，尤其是它的热稳定性 不高。为改善其气敏特性，常在 sno2 基体中掺入贵金属或其他金属氧化物。 尽管 sno2 基传感材料具有许多优点，作为材料也存在一定缺点。通过控制气 敏材料微粒大小，颗粒纳米化，掺杂其它添加剂或催化剂，利用过滤设备或透 气膜来获得选择性，控制工作温度及环境湿度影响，改进制备等方法可以改善 sno2 传感器的气敏性能4。 纳米科学技术(nanost)是研究尺寸在 0.1100nm 的物质组成体系的运 动规律和相互作

16、用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米技术的 发展，不仅为传感器提供了优良的敏感材料，而且为传感器制作提供了许多新 型方法。纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高 了灵敏度，工作温度大大降低，大大缩小了传感器的尺寸。当然，在己获得明 显进展的纳米传感领域中尚存在很多问题，从敏感材料到制作技术都很不成熟， 其性能也有不尽人意的地方5。 气敏传感器在家用电器中也有相当广泛的应用。吸油烟机等产品上常用 mq-3 型半导体气敏传感器，它采用旁热式结构，陶瓷管内装有高阻抗加热丝， 管外涂有梳状金属电极，金属电极之外涂有 sno2 材料，使 sno2 烧结体位于 两电极之间

17、6。气敏传感器工作时，加热器通电加热，若无被检气体侵入时， 气敏元件的阻值基本不变当气敏元件表面产生吸附作用，其阻值将随气体浓度 的变化变化。当被检气体浓度增大到一定值时，气敏元件的阻值将随之下降到 某一值，使电压比较器的状态发生变化，输出控制信号经电流放大后，控制继 电器或双向晶闸管接通电动机电源使吸排油烟机工作7。 1.3 设计酒精浓度探测仪的意义 本设计基于 at89s51 单片机设计的酒精气体浓度探测仪，可用来检测酒 精气体浓度，最主要的用途是检测司机的酒精含量。酒后驾车发生事故的机率 高达 27%。随着摄入酒精量的增加，选择反应错误率显著增加，当血液中酒 精含量由 0.5增至 1，发

18、生车祸的可能性便增加 5 倍，如果增至 1.5，可 能性再增加 6 倍。机动车驾驶人员“酒后驾车”及“醉酒驾车”极易发生道路 交通事故，严重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。人饮酒后,酒精通 过消化系统被人体吸收, 经过血液循环, 约有 90%的酒精通过肺部呼气排出, 因此测量呼气中的酒精含量, 就可判断其醉酒程度。开车司机只要将嘴对着传 感头使劲吹气，仪器就能发上显示出酒精浓度的高低，从而判断该司机是否酒 后驾车，避免事故的发生。当然，最好的办法是在车内安装这种测试仪，司机 一进入车内检测仪就检测司机的酒精含量，如果超出允许值，系统控制引擎无 法启动，这样就可从根本上解决酒后驾车问题。

19、酒精气体浓度探测仪在生产生活中也有重要的应用，比如，在一些环境 要求严格的生产车间，用这种酒精浓度探测仪，可随时检测车间内的酒精气体 浓度，当酒精气体浓度高于允许限定值时，发出警报，提醒人们及时通风换气， 做到安全生产。 1.4 主要研究工作 设计以 at89s51 单片机为核心，用于测量酒精浓度的探测仪，主要研究 工作包括以下 3 个方面。 （1）硬件电路方面，对气体传感器 mq-3 按检测电路，接上一定阻值的 负载电阻，检测它的技术参数，确定 mq-3 所接负载电阻的大小，完成信号采 样电路的设计；采样到的模拟电压电信号通过 a/d 转换，得到可供单片机处 理的数字信号，再由单片机作相应的

20、数据处理；发光二极管报警显示和 lcd 浓度值显示。 （2）软件方面，标准的确定是该部分要做的主要工作。因为原始的采样 值是一个间接的负载分压值，需要将它转化为被测酒精浓度值。通过多个样品 的测量确定多个浓度区间的转换标准，并将每个区间的转换关系近似线性化处 理，然后通过软件编程的方法来实现。 （3）为了尽量减少设计的气体传感器的测量误差，在测量酒精溶液样品 时要考虑并解决 3 个主要问题。一是外界环境流动空气对传感器的影响和对气 体样品的稀释，二是样品的稳定性对测量带来的误差，三是水蒸气对测量的影 响。针对这 3 个主要问题提出以下解决方案和验证方法。 测量样品时，将探头尽量放入塑料瓶内，可

21、以在一定程度上消除流动空 气的影响，同时应选择空气流动较小的室内环境来测量。水蒸气对 mq-3 的影 响很小，这一点可以通过对只装有纯净水的塑料瓶的多次测量来验证。用相同 容量的塑料瓶配制好不同浓度的酒精溶液后，将它密封并放置一段时间，待其 稳定后再测量。再通过反复多次测量多组数据，求其平均值的方法来缩小测量 误差。 第 2 章 方案选择与分析 本章主要介绍方案选择与分析两部分，通过多种方案的选择与分析，从 中选出最理想、稳定性强的设计方案，通过分析来确定最终的选择方案。 2.1 方案选择 方案选择是对于企业重要的应用系统而言，保证系统能持续、可靠地提 供服务是非常重要的，因此就出现了对高可用

22、性的需求和高可用性的解决方案。 2.1.1 控制器选择分析 控制器是整个单片机系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而 完成特定的功能，系统的所有数据处理和控制都要经过单片机最小系统来实现。 考虑到需要实现多个功能的要求及各个模块引脚的数目，列出以下方案，对其 分析、论证、选择。 1.方案一 采用 atmel 公司的 atmega128。atmega128 是一款基于 avr 的内核， 采用 risc 结构，高性能，低功耗、具备 1mips / mhz 的高速运行处理能力 cmos 的 8 位单片机。其芯片具有 16 位 pwm 功能的定时/计数器，53 个通用 i/o 口，实时时钟计数器

23、，1 个 8 位面向字节的 twi(iic)总线接口，8 通道单 端或差分输入的 10 位 adc。同时其处理速度也比较快，寄存器也较多，而本 系统设计对处理速度要求不是很高，若采用该方案，将会在设计的过程中遇到 许多不必要的麻烦，而且该芯片价格相对比较昂贵，也必将增加设计成本。 2.方案二 采用高端处理器 s3c2410。s3c2410 是一款 arm 内核的处理器，其处理 速度更快，相对操作起来将更加麻烦，同时根据本设计的实际情况，使用起来 其内部资源将会严重浪费，同时设计成本较高，不利于产品的推广应用。 3.方案三 采用 atmel 公司的 at89s51。at89s51 单片机支持在线

24、编程，易于操 作,价格便宜，技术成熟，应用广泛。而且 at89s51 单片机引脚较少，寄存器 少，便于编程控制，软件实现简单，可以满足各个模块端口的要求，完全可以 实现系统设计的功能要求。 综合对比以上三种方案，考虑到系统的可行性以及软硬件成本，选择方 案三。 2.1.2 显示模块的选择分析 显示模块在系统运行中，主要用来显示实时时间以及温湿度数据，应便 于使用者对相应数据信息的读取。 1.方案一 采用普通的数码管。这种方法简单易行，并且适合于硬件操作，但是数 码管消耗电流特别大，对电源的容量要求很高，而且不能显示汉字，可视化效 果不好，不便于对实时数据的观察。 2.方案二 采用 lcd160

25、2。lcd1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它由若干个 5*7 或者 5*11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之 间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。 是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，价格低。 3.方案三 采用 lcd12864 液晶。lcd12864 液晶是一种具有 4 位/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液 晶显示模块。其显示分辨率为 12864，内置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ascii 字符集。利用该模块

26、灵活的接口方式和简单、方便的操作指 令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 84 行 1616 点阵的汉字。 也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一特点，但是成本高。 因此，综合对比以上三个方案，从可行性角度考虑，选择方案二。 2.1.3 传感器模块的选择分析 1.方案一 sd-31 酒精传感器是以二氧化锡为基本敏感材料的,专门用于呼气中酒精 浓度检测的一种半导体型气体传感器。它的基本特征是：极高灵敏度和极快的 响应速度。sd-31 型酒精传感器适用于呼气中酒精浓度的检测,用于便携式酒 精检测。 2.方案二 mq-3 气体传感器所处环境中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率随空气中 酒精气体浓度

27、的增加而增大，mq-3 气体传感器对酒精的灵敏度高，可以抵抗 汽油、烟雾、水蒸气的干扰。这种传感器可检测多种浓度酒精气氛，是一款适 合多种应用的低成本传感器。对酒精气体具有良好的灵敏度、长寿命、低成本， 简单的驱动电路即可应用，综合以上两种方案，考虑到效果的准确性，选择方 案二。 2.2 可行性分析 采用 at89s51 单片机作为控制核心，其丰富的内部资源足够本系统设计 所需。设计所需的各种元器件易于采购，学院的硬件实验室具备各种实验工具， 可以为焊接和调试提供良好的条件。 同时大学期间所开设的c 程序设计 、 单片机技术 、 模拟电子技术 、 数字电路技术等相关课程，可以为本系统的设计与实

28、现提供理论知识。 综合以上条件，本系统的设计完全可行。 第 3 章 硬件电路设计与实现 本章主要介绍该设计的硬件设计，从硬件系统上设计单片机最小系统， 信号采集电路模块、信号转换电路模块和发光二极管显示与蜂鸣器报警电路 lcd1602 显示电路按键模块的电路进行详细设计。 3.1 单片机最小系统 单片微机是单片微型计算机的译名简称，在国内也常称为“单片微机” 或“单片机” 。它包括中央处理器 cpu，随机存储器 ram，只读存储器 rom，中断系统，定时器/计数器，串行口和 i/o 口等等。现在，单片微机已 不仅指单片计算机，还包括微计算机，微处理器，微控制器和嵌入式控制器， 单片微机已是它们

29、的俗称8。 at89s51 是美国 atmel 公司生产的低功耗，高性能 cmos8 位单片机， 片内含 4k 的可系统编程的 flash 只读程序存储器，器件采用 atmel 公司的 高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 flash 程序存储器，既可在线编程也可以用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于 单片芯片中，可灵活应用于各种控制领域。at89s51 提供以下标准功能： 4kbflash 闪存存储器，128b 内部 ram，32 个 i/o 口线，看门狗，两个数据 指针，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通 信口，

30、片内振荡器及时钟电路。 根据实际需要，本次设计选用的是以 8051 为核心单元 atmel 公司的低耗 at89s51 单片机。at89s51 芯片有 40 条引脚，采用双列直插式封装，如图 3- 1 所示。下面说明各引脚功能。 图 3-1 at89s51 芯片管脚 vcc：运行和程序校验时接电源正端。 gnd：接地。 xtal1：输入到单片机内部振荡器的反相放大器。 xtal2：反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。 p0 口：8 位漏极开路的。使用片外存储器时，作低八位地址和数据分时 复用，能驱动 8 个 lsttl 上拉电阻。 p1 口：8 位、准双向 i/o 口。 p2 口：8 位、

31、准双向 i/o 口。当使用片外存储器（rom 及 ram）时， 输出高 8 位地址。可以驱动 4 个 lsttl 负载。 p3 口：8 位、准双向 i/o 口，具有内部上拉电路，提供各种替代功能。 p3.0rxd 串行口输入口，p3.1txd 串行口输出口，p3.2外 int0 部中断 0 输入，p3.3外部中断 1 输入，p3.4t0 定时器/计数器 0 int1 的外部输入，p3.5t1 定时器/计数器 1 的外部输入，p3.6低电平有 wr 效，输出，片外存储器写选通，p3.7低电平有效，输出，片外存储器读 rd 选通。 rst：复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在 rst 上作

32、用两 个机器周期以上的高电平，将器件复位。 /vcc：片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。高电平时选择片 ea 内程序存储器，低电平时程序存储器全部在片外而不管片内是否有程序存储器。 ale/prog：地址锁存允许信号，输出。ale 以 1/6 的振荡频率固定速率 输出，可作为对外输出的时钟或用作外部定时脉冲。 单片机最小系统的设计包括电源，晶振和复位电路三个部分。这是使单 片机正常工作的必要外围电路部分。针对不同型号的单片机在最小系统设计上 会有一些差别。对于选用的 at89s51 单片机，根据美国 atmel 公司提供的 技术资料，可以对它的最小系统作恰当的设计，如图 2 所示9。 对

33、于电源部分，技术资料中性能参数里给出的标准工作电压是 4.05.5v。因此，单片机的引脚 40 对应的 vcc 接到+5v 电源的正极，引脚 10 对应的 gnd 接到+5v 电源的接地端，为 at89s51 单片机提供正常的工作 电压。 对于晶振部分，at89s51 单片机中有一个用于构成内部振荡器的高增益 反相放大器，引脚 19 对应的 xtal1 和 18 对应的 xtal2 分别是该放大器的 输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一 起构成自激振荡器。如图 8 所示，石英晶体及电容 c1 和 c2 接在放大器的反 馈回路中构成并联谐振电路。石英晶体的两端分别

34、接到引脚 xtal1 和引脚 xtal2，同时石英晶体的两端分别接一个电容 c1 和 c2，电容的另一端接地。 对于外接电容 c1 和 c2 的大小虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小 还是会对振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度和温度稳定 性带来一定的影响。根据技术资料的推荐，使用石英晶体推荐电容容量为 30pf10pf，使用陶瓷谐振器推荐电容容量为 40pf10pf。因为电路中接的是 石英晶体，所以设计中接的两个电容 c1 和 c2 的容量都为 30pf。 对于复位电路部分，at89s51 技术资料给出，当振荡器工作时，rst 引 脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机

35、复位。复位是单片机的初始化操 作，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境， 可以按复位键以重新启动，所以复位电路的设计很有必要。复位操作有上电自 动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种方式，本设计选用按键电平复位方 式。如图 3-2 所示，22f 的电容 c3 与 470 的电阻并联，电容的正极端接到 电源的正极，电容的另一端接至引脚 rst。设计中选用的石英晶体大小为 11.0952mhz,但复位键按下后，电容和电阻选用的参数值能够保证给复位端 rst 提供大于 2 个机器周期的高电平复位信号10。 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2/eci 3 p

36、1.3/cex0 4 p1.4/cex1 5 p1.5/cex2 6 p1.6/cex3 7 p1.7/cex4 8 rst 9 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal2 18 xtal1 19 vss 20 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale/prog 30 ea

37、/vpp 31 p0.7/ad7 32 p0.6/ad6 33 p0.5/ad5 34 p0.4/ad4 35 p0.3/ad3 36 p0.2/ad2 37 p0.1/ad1 38 p0.0/ad0 39 vcc 40 u1 12 y1 30pf c1 30pf c2 470 r9 s9 22uf c3 vcc vcc 图 3-2 at89s51 单片机最小系统设计电路 3.2 信号采集电路 根据被检测气体的不同，气敏传感器可分为以下三类: （1）可燃性气体气敏传感器。目前该类气敏传感器需求量最大，包含各 种无机和有机类气体检测，主要用于抽油烟机、泄露报警器和空气清新剂等方 面，并已经形成生

38、产规模，在油田、矿区、化工、企业及家庭等生产和生活领 域广泛用作气体泄露报普，特别是用于家庭气体泄露报警，需求量不断增加， 使该类传感器有着广泛的发展空间。 （2）co 和 h2 气敏传感器。co 气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、 家庭等 co 泄露和不完全燃烧检测报警；h2 气敏元件除应用于工业等领域外， 主要用于家庭管道煤气泄露报警。由于我国管道煤气中 h2 含量很高，而氢敏 元件较氧化碳元件价格低，灵敏度高，因此，用氢敏元件做城市管道煤气泄露 报警更为适宜。 （3）毒性气体传感器。毒性气体传感器又称为环境有毒有害气体传感器， 主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体，虽然 sno2

39、 气敏传感器对 co，h2s 等有毒有害气体敏感，但应用最多的仍是电解式化学传感器。 传感器的分类方式有很多种，以上是根据被检测气体的性质进行的分类， 也有根据元件的物理特性进行分类的。 一个新型的气体检测系统应该包括： （1）基于一种或几种传感技术的气体传感器。 （2）组合了气体传感器和采样调理电路的探头。 （3）配有人机接口软件的中心监测和控制系统。 （4）在一些应用中，与其它安全系统和仪器的接口。 本设计中的酒精气体传感器采用河南汉威电子有限公司的 mq-3 型,它属 于 mq 系列气敏元件的一种。如图 3-3 所示： 图 3-3 mq-3 特点:检测范围为 10ppm2000ppm ；

40、灵敏度高，输出信号为伏特级；响 应速度快，小于 10 秒；功耗小于 0.75w，尺寸：d17*h10。 mq-3 型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物（二氧化锡）的 n 型半 导体微晶烧结层构成。当其表面吸附有被测气体酒精分子时，表面导电电子比 例就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化。由于这 种变化是可逆的，所以能重复使用。 mq-3 的灵敏度特性曲线如图 3-4 所示。 图 3-4 mq-3 灵敏度特性曲线 检测电路如图 3-5 所示，当电源开关 s 断开时，传感器加热电流为零，实 测 a，b 之间电阻大于 20m。s 接通，则 f，f 之间电流由开始时 155ma 降

41、 至 153ma 而稳定。加热开始几秒钟后 a，b 之间电阻迅速下降至 10k 以下， 然后又逐渐上升至 120k 以上后并保持着。此时如果将酒精溶液样品靠近 mq-3 传感器，可以看到数字万用表显示值马上由原来大于 120k 降至 10k 以下。移开小瓶过 1 分钟左右后，a，b 之间电阻恢复至大于 120k。这种反 应可以重复试验，但要注意使空气恢复到洁净状态。经实验的反复检测，mq- 3 传感器可以正常工作使用，对不同浓度的酒精溶液有不同的变化，响应时间 和恢复时间都正常，可以开始作信号采样模块电路的设计。 图 3-5 mq-3 检测电路 3.3 信号转换电路 adc0832 为 8 位

42、分辨率 a/d 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适 应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模 拟电压输入在 05v 之间。芯片转换时间仅为 32s，据有双数据输出可作为 数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入， 使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过 di 数据输入端，可以轻易的 实现通道功能的选择。 正常情况下 adc0832 与单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 cs、clk、do、di。如图 3-6，下面说明各引脚功能。 图 3-6 adc0832bp 芯片 cs_片选使能，低电平芯片使能。 ch0 模拟输入通道

43、 0，或作为 in+/-使用。 ch1 模拟输入通道 1，或作为 in+/-使用。 gnd 芯片参考 0 电位（地）。 di 数据信号输入，选择通道控制。 do 数据信号输出，转换数据输出。 clk 芯片时钟输入。 vcc/ref 电源输入及参考电压输入（复用）。 adc0832bp 的工作过程是：将 do 和 di 并联在一根数据线上使用。 adc0832 未工作时其 cs 输入端应为高电平，此时芯片禁用，clk 和 do/di 的电平可任意。当要进行 a/d 转换时，须先将 cs 使能端置于低电平并且保持 低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟 输入端 clk

44、 输入时钟脉冲，do/di 端则使用 di 端输入通道功能选择的数据 信号。在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 di 端必须是高电平，表示启始信号。在 第 2、3 个脉冲下沉之前 di 端应输入 2 位数据用于选择通道功能。 当此 2 位数据为“1”、 “0”时，只对 ch0 进行单通道转换。当 2 位数据为 “1”、 “1”时，只对 ch1 进行单通道转换。当 2 位数据为“0”、 “0”时，将 ch0 作 为正输入端 in+，ch1 作为负输入端 in-进行输入。当 2 位数据为“0”、 “1”时， 将 ch0 作为负输入端 in-，ch1 作为正输入端 in+进行输入。到第 3 个脉冲 的下

45、沉之后 di 端的输入电平就失去输入作用，此后 do/di 端则开始利用数据 输出 do 进行转换数据的读取。从第 4 个脉冲下沉开始由 do 端输出转换数据 最高位 data7，随后每一个脉冲下沉 do 端输出下一位数据。直到第 11 个脉 冲时发出最低位数据 data0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始 输出下一个相反字节的数据，即从第 11 个字节的下沉输 data0。随后输出 8 位数据，到第 19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次 a/d 转换的结束。 最后将 cs 置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。 3.4 发光二极管显示与蜂鸣器报警电路 发光二极管的

46、负极间接一个 1k 的电阻，正极接在 p26 引脚上，当酒精浓 度到达阀值是，点亮。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压 供电， 直流蜂鸣器是给一定的驱动直流电压就会响。而交流蜂鸣器是需要给 蜂鸣器一个脉冲才会响。我的板子上配的就是交流蜂鸣器。蜂鸣器的 2 号引脚 接一个电阻加一个电容，当酒精浓度达到阀值是，蜂鸣器报警。报警电路如图 3-7。 图 3-7 发光二极管与蜂鸣器 3.5 lcd1602 显示电路 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控 制，用 lcd 显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由 68 或 88 点阵组 成，既要找到和显示屏幕上某几个位

47、置对应的显示 ram 区的 8 字节，还要使 每字节的不同位为“1” ，其它的为“0” ，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这 样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比 较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在 lcd 上开始显示的行列号 及每行的列数找出显示 ram 对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的 代码即可。 码即可显示部分采用 lcd1602 液晶屏进行数据显示，其接口信号说明如 表 1 所示。 表 3-1 液晶屏接口信号说明 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1vss 电源地 9d2data i/o 2vdd 电源正极 10d3data i/o

48、3vl 液晶显示偏压信号 11d4data i/o 4rs 数据/命令选择端 12d5data i/o 5r/w 读/写选择端 13d6data i/o 6e 使能信号 14d7data i/o 7d0data i/o15bla 背光源正极 8d1data i/o16blk 背光源负极 lcd1602 液晶与单片机接口电路如图 3-8 所示。其中 p0.0p0.7 接 lcd 数据线，p2.1p2.2 接 lcd 控制线。 图 3-8 lcd 与单片机接口电路 3.6 按键 本设计采用二键键盘，电路如图 3-9 所示。 图3-9 键盘电路 按键 key1,key2，直接接单片机 p3.2p3.

49、3。其中： （1）key1 为上调键，用来上调浓度阀值 （2）key2 为下调键，用来下调浓度阀值。 第 4 章 软件编程 系统的软件设计采用 c 语言，对单片机进行编程实现各项功能。程序是 在 windows xp 环境下采用 keil 软件编译的。 4.1 开发环境 选用的开发平台为 keil 单片机集成开发环境，只需在 pc 机上安装 keil 软件，然后在 keil 软件代码编辑器编辑程序代码，经汇编，修改，产生代码， 形成输入输出口实验十六进制.hex 文件。 打开 microcontrmller isp software，在菜单 options 选项中选择 select devic

50、e，在弹出的窗口中选择器件 at89s51，并选 byte mode 点击 ok。初始化器件后，将经过编译生成的.hex 十六进制文件下载到单片机。 对于 8051 系列单片机，现有四种语言支持，即汇编、pl/m、c 和 basic。本设计软件编程部分选用 c 语言来写程序代码。 4.2 主程序流程 当检测到酒精气味时，气体传感器 mq-3 两个电极端 a-b 间电阻将变小， 对应与气体传感器负载电阻的分压将变大。因为 adc0832bp 的模拟输入端 in0 与负载电阻的一端用导线连在了一起。所以单片机在启动测试模数转换芯片之 前要选择通道 0，写入模数转换芯片，并将用作查询的单片机引脚 p

51、3.3 置位， 然后启动对通道 in0 端输入的采集电压信号作模数转换，等待转换的结束。利 用单片机丰富的 i/o 口可以采用查询方式来检测模数转换是否结束，当单片机 引脚 p3.3 为 1 时转换未结束等待，当查询到 p3.3 为 0 时表示模数转换已经结 束，可以开始读取数据了。单片机通过 i/o 口与模数转换芯片的数据输出口相 连读取转换后的数据。读取后的数据送到数据存储器单元中，经过单片机作相 应的处理，即要将该电压值转换为酒精浓度值，然后处理后的数据用 lcd 显示， 并同时检测按键，加减浓度阀值，对比是否产生报警。程序流程图如图 4-1 所 示。 开始 图 4-1 主程序流程图 4

52、.3 程序代码编写 4.3.1程序初始化 系统电源线接通系统复位后，程序从主程序入口进入运行。因为在程序中 每次对模数转换后读取的数据，需要相应的存储空间，同时对读取的数据作适 当处理后也要送到特定的存储空间存储起来，以供后面的 lcd 显示用。当然， 单片机初始化 关闭报警和显示 按键检测与数据 转换、显示 在程序运行的过程当中，还要用到工作寄存器，因为工作寄存器都是临时存储 数据，不需要保存作为以后处理要用到的数据，所以工作寄存器的初始化这部 分可以省去。于是，对于程序的初始化程序代码可以相应写出13。 4.3.2 按键设计 按键处理是先检测按键 k1 是否按下，k1=0 时，去抖，然后加

53、 1，检测按 键 k2 是否按下，按下则时减 1，检测完毕后返回值送给液晶显示浓度阀值。 如流程图 4-2。 y n y n 图 4-2 按键流程图 4.3.3 模数转换设计 把模拟电压值转换成 8 位二进制数并返回，片选，do 为高阻态，第一个脉 冲，起始位，第二个脉冲，di=1 表示双通道单极性输入，第三个脉冲 di=1 表 按键 k1 是否按下 上调酒精浓 度阀值 下调酒精浓 度阀值 返回 按键 k2 是否按下 开始 示选择通道 1（ch2） ，di 转为高阻态，do 脱离高阻态为输出数据作准备，在 每个脉冲的下降沿 do 输出一位数据，最终 ch 为 8 位二进制数，取消片选，一 个转

54、换周期结束。如图 4-3。 n y 图 4-3 模数转换流程图 根据程序流程图和各个子程序的编写可以得到整个设计的总程序代码见附 录。打开实验开发平台 keil 单片机集成开发环境，在 keil 软件代码编辑器编 辑程序代码，经汇编，修改，产生代码。 for 循环 片选结束返回 fanhui 片选 开始 第 5 章 电路调试与测试结果 本章主要介绍当整体完成后，对本设计的各个模块进行电路调试，调试通 过后，用于测试，测试酒精浓度，可以正常工作。 5.1 电路调试 根据各个模块功能的设计和绘制的整体电路图，找到各功能模块的连接点。 按照设计的步骤，并对照总电路图，在面包板上连接电路。电路的连接顺

55、序是， 先连接好各个模块，在调试检查正确的前提下再把各个模块连接起来。 打开 keil 软件，将写好的调试程序代码在计算机上输入、汇编、修改、产 生代码，形成输入输出口实验.hex 文件。打开 microcontrmller isp software 软件，在菜单 options 选项中选择 select device，在弹出的窗口中选择器件 at89s51，并选 byte mode 点击 ok。初始化器件后，将经过编译生成的,hex 十六进制文件下载到单片机。 电路连接好，并将调试程序代码（注释电压到酒精浓度转换关系代码）烧 写到 at89s51 单片机上后，接上+5v 电源开始调试。先把气

56、体传感器探头用 一个阻值为 20k 的电阻替代，复位单片机，观察 lcd 上的显示数据和发光 二极管的点亮情况。用万用表测量采样点的电压值，看用万用表测得的电压值 与 lcd 上显示数据是否一致。因为各导线和元器件对电压电流的影响，lcd 显示的数据与万用表测得的数据存在一定的偏差，但在可接受的范围内。调节 电位器，观察 lcd 数据显示的变化，同样用万用表测量电压值作比较。测量 数据与 lcd 显示数据基本一致，说明电路 lcd 显示部分连接正确。 调试电路其他功能模块正确后，将预热足够长时间能正常工作的气体传感 器 mq-3 换上原来 20k 的电阻。准备好若干个不同浓度的酒精气体样品，检

57、 测气体传感器是否能正常工作。当把不同浓度的酒精溶液样品靠接气敏传感器 时，各自对应一个不同的数据显示，说明整体电路已经完全正确。 硬件电路中发光二极管显示和 lcd 显示都正确后，表明所连接的硬件电 路已经调试成功。这时候可以配制几个酒精溶液对调试电路作初步测试。 5.2 浓度与显示之间的关系 主要介绍传感器所测浓度与电压之间的关系，和本设计在实验中所得到的 数据。 5.2.1 传感器的定标 在系统电路调试正确以后，要作改进工作，使 lcd 上正确显示所测的酒 精气体浓度值。之前显示的是酒精浓度值与电压的对应关系，所以要显示酒精 浓度值，需要找到电压与浓度之间的关系，然后才能建立酒精浓度值与

58、显示的 映射关系。 测量用的酒精溶液是用无水乙醇和纯净水按体积比来配制的，单位 ml/ml 表示的是 1ml 酒精溶液中含酒精的体积。准备多个不同浓度的酒精气 体样品，从小到大，依次用气敏传感器检测，记录对应的电压值，记录样品的 浓度和电压值之间的关系，如图 5-1 所示。根据曲线图的走向可以看出传感器 的酒精浓度检测大致范围，然后根据这个范围选择 7 个合适的浓度值，多次测 量电压值，再取平均值作为最后电压值，把 6 个标准区间范围定下来，如表 5-1 所示。 图 5-1 浓度与电压关系曲线图 表 5-1 样品对应电压值 样品浓度 c(ml/ml) c1c2c3c4c 0.3753.683.

59、543.603.613.61 0.3333.193.203.173.223.20 0.1672.762.742.732.742.74 0.1002.332.352.342.302.33 0.0331.741.701.751.731.73 0.0201.471.421.431.461.45 0.0100.760.740.760.730.75 在酒精气体浓度的每个小区间内，将电压值与 lcd 显示值之间的关系当 作线性处理，即每段小区间对应着一个线性映射关系，如表 5-2 所示。 在要作不同线性转换电压区间范围和对应的线性转换关系确定好了以后， 根据表 4 所对应的关系，修改数据处理程序部分，建立

60、酒精浓度和电压之间的 关系。使最终显示的数据为酒精浓度值。根据编写的数据处理程序，lcd 最 终显示的是酒精浓度值小数部分的前 2 位数字。这样，一个完整的基于 at89s51 单片机酒精浓度探测仪就设计出来了。 表 5-2 浓度与电压线性映射关系 5.2.2 酒精浓度测试结果 将配制好的浓度为 0.011ml/ml、0.014ml/ml、0.025ml/ml、0.170ml/ml 用做成的探测仪检测， 其结果分别显示为：11%、15%、23%、41%。测量的最大误差为 8.2%对于检 测浓度低的酒精误差比检测浓度高的酒精误差小，这也是设计的该酒精浓度探 测仪适合与检测酒后驾车的原因，因为人在