便携式酒精测试仪的设计VIP

1、摘摘 要要 近年来,随着我国经济的发展,人民的生活水平提高,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机动车驾驶人员“酒后驾车”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 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 本文用 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,同时利用二极管简单显示浓度的高低,在设计允许值时发出报警 关键词关

2、键词:传感器;酒精探测仪;单片机;模-数转换 abstract in recent years, as chinas economic development, peoples living standards improve, more and more people have their own private cars and traffic accidents caused by drunk driving is also frequent. driver drives very easy to happen traffic accident after drinking which

3、endanger traffic safety and people safety of life and property seriously. after people drink, the alcohol is absorbed by the human body through the digestive system, through the blood circulation, nearly it have discharge exhaling lung alcohol of 90%. so measure the content of alcohol while exhaling

4、 , can judge its drunk degree. different concentrations of alcohol solution are detected and showed in the design. the design can be used to the detection of drunk driving through improvement. in this thesis, the concentration of alcohol can be measured and displayed by using the gas sensor based on

5、 at89s51 mcu and mq-3. at the same time the concentration is displayed by led, and the system allow to alarm in the certain value. keywords: sensor alcohol detector micro controller unit analog to digital convert 目目 录录 摘 要 .i abstract.ii 1 绪论.1 1.1 酒精测试仪设计的目的及意义.1 1.2 数据采集技术的原理.1 1.3 传感器基础知识.2 1.3.1

6、 传感器的定义.2 1.3.2 传感器的分类.2 1.3.3 传感器的特性.3 2 酒精测试仪总体方案设计.5 2.1 酒精浓度检测仪设计要求分析.5 2.2 酒精浓度检测仪设计方案.5 3 酒精测试仪的硬件设计.7 3.1 单片机模块电路的设计.7 3.1.1 单片机片内结构.7 3.1.2 单片机的选择.8 3.1.3 单片机最小系统的实现.11 3.2 酒精传感器模块的选择与设计.12 3.2.1 气敏传感器工作原理.12 3.2.2 气敏传感器简介.13 3.2.3 气体传感器向低功耗多功能集成化方向发展.13 3.2.4 传感器的选择 .14 3.2.5 mq-3 的检测.17 3.

7、3 酒精传感器的工作原理.17 3.3.1 传感器性能分析.17 3.3.2 呼出酒精气体浓度与血液酒精浓度关系.20 3.4 a/d 转换电路.21 3.4.1 adc0809 的引脚及功能.22 3.4.2 adc0809 的结构及转换原理.23 3.4.3 adc0809 的工作原理.25 3.4.4 led 显示电路.25 3.4.5 键盘电路.26 3.4.6 报警电路.27 4 测试仪的软件设计.28 4.1 编程语言的选择.28 4.2 开发工具.29 4.2.1 单片机选择.29 4.2.2 开发环境.30 4.2.3 仿真器.30 4.3 主程序框图.31 4.4 数据采集子

8、程序程序框图.31 4.5 报警子程序程序框图.32 结论.34 致谢.35 参考文献.36 附录.37 1 绪论绪论 1.1 酒精测试仪设计的目的及意义 喝酒后,呼出的气体会有酒味,表情行为会有反常远古时代人们利用鼻子作为传感 器,进行简单的呼出气体酒精测量19 世纪末出现了用体液对酒精进行定量分析1927 年,有 科学家建议使用呼出气体做酒精浓度分析用足球胆收集呼出气体后,通过硫酸和重铬酸 钾的混合溶液,溶液的颜色会发生蓝一绿一黄的变化,同已知酒精浓度的标准试剂色管比 较,就得到相应的 bac现在,肺泡气中酒精的测量技术有了很大的进步,有先进微处理器 的酒精测试仪已被商品化越来越多的国家开

9、始禁止酒后驾车精确的呼出气体酒精测 试和传统的法医血液酒精分析相比有许多优点,例如,进行无毒的采样,能进行现场处理, 这样为交警节省了时间,使交通控制更高效,能避免运输和贮存有艾滋病病毒和肝炎病毒 的血样 本设计基于单片机设计的便携式酒精气体探测仪,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

10、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 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

11、报,提醒 1.2 数据采集技术的原理 “数据采集”是指将温度压力流量位移等模拟量采集转换成数字量后,再由计算机 进行存储处理显示或打印的过程相应的系统称为数据采集系统 从严格意义上说, 数据采集系统应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测,并且能够对数据实 行存储处理分析计算,以及从检测的数据中提取可用的信息,供显示记录打印或描绘 的系统总之,不论在哪个应用领域中,数据的采集与处理越及时,工作效率就越高,取得的 经济效益就越大 数据采集系统的任务,具体地说,就是传感器从被测对象获取有用信息,并将其输出信 号转换为计算机能识别的数字信号,然后送入计算机进行相应的处理,得出所需的数据 同时,

12、将计算得到的数据进行显示储存或打印,以便实现对某些物理量的监视,其中一部 分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来进行某些物理量的控制 数据采集系统一般由数据输入通道数据存储与管理数据处理数据输出及显示这 五个部分组成输入通道要实现对被测对象的检测采样和信号转换等工作数据存储与 管理要用存储器把采集到的数据存储起来,建立相应的数据库,并进行管理和调用数据 处理就是从采集到的原始数据中,删除干扰噪声无关信息和不必要的信息,提取出反映 被测对象特征的重要信息另外,就是对数据进行统计分析,以便于检索;或者把数据恢复 成原来的物理量形式,以可输出的形态在输出设备上输出,如打印显示绘图等数据输 出及显

13、示就是把数据以适当的形式进行输出和显示 1.3 传感器基础知识 1.3.1 传感器的定义 国家标准 gb7665-87 对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规 律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”传感器是一种检测 装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其 他所需形式的信息输出,以满足信息的传输处理存储显示记录和控制等要求它是实 现自动检测和自动控制的首要环节 1.3.2 传感器的分类 目前对传感器尚无一个统一的分类方法,但比较常用的有如下三种: (1) 按传感器的物理量分类,可分为位移力速度温度流量气体成份等传感器

14、 (2) 按传感器工作原理分类,可分为电阻电容电感电压霍尔光电光栅热电偶等 传感器 (3) 按传感器输出信号的性质分类,可分为:输出为开关量(“1”和“0” 或 “开”和“关”) 的开关型传感器;输出为模拟型传感器;输出为脉冲或代码的数字型传感器 电阻式传感器 电阻式传感器是将被测量,如位移形变力加速度湿度温度等这些物理量转换式 成电阻值这样的一种器件主要有电阻应变式压阻式热电阻热敏气敏湿敏等电阻式 传感器件 电阻应变式传感器 传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应,即在外力作用下产生机械形变,从而使 电阻值随之发生相应的变化电阻应变片主要有金属和半导体两类,金属应变片有金属丝 式箔式薄膜式之

15、分半导体应变片具有灵敏度高(通常是丝式箔式的几十倍)横向效 应小等优点 压阻式传感器 压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而 制成的器件其基片可直接作为测量传感元件,扩散电阻在基片内接成电桥形式当基片 受到外力作用而产生形变时,各电阻值将发生变化,电桥就会产生相应的不平衡输出 用 作压阻式传感器的基片(或称膜片)材料主要为硅片和锗片,硅片为敏感 材料而制成的硅 压阻传感器越来越受到人们的重视,尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用 最为普遍 热电阻传感器 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度 有关的参数在温度检测精度要求比

16、较高的场合,这种传感器比较适用目前较为广泛的 热电阻材料为铂铜镍等,它们具有电阻温度系数大线性好性能稳定使用温度范围宽 加工容易等特点用于测量 -200c +500c 范围内的温度 1.3.3 传感器的特性 (1)传感器的静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号,传感器的输出量与输入量之间所具有相 互关系因为这时输入量和输出量都和时间无关,所以它们之间的关系,即传感器的静态 特性可用一个不含时间变量的代数方程,或以输入量作横坐标,把与其对应的输出量作纵 坐标而画出的特性曲线来描述表征传感器静态特性的主要参数有:线性度灵敏度分辨 力和迟滞等 (2)传感器的动态特性 所谓动态特性,是指传感器

17、在输入变化时,它的输出的特性在实际工作中,传感器的 动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示这是因为传感器对标准输入信号的 响应容易用实验方法求得,并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之 间存在一定的关系,往往知道了前者就能推定后者最常用的标准输入信号有阶跃信号和 正弦信号两种,所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示 (3)传感器的线性度 通常情况下,传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线在实际工作中,为使仪 表具有均匀刻度的读数,常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线线性度(非线性 误差)就是这个近似程度的一个性能指标拟合直线的选取有多种方法如将零输入和满

18、量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小 的理论直线作为拟合直线,此拟合直线称为最小二乘法拟合直线 (4)传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化y 对输入量变化x 的比值它 是输出-输入特性曲线的斜率如果传感器的输出和输入之间显线性关系,则灵敏度 s 是 一个常数否则,它将随输入量的变化而变化 灵敏度的量纲是输出输入量的量纲之比例如,某位移传感器,在位移变化 1mm 时, 输出电压变化为 200mv,则其灵敏度应表示为 200mv/mm当传感器的输出输入量的量 纲相同时,灵敏度可理解为放大倍数提高灵敏度,可得到较高的测量精度但灵敏度愈高,

19、 测量范围愈窄,稳定性也往往愈差 (5)传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力也就是说,如果输入量从 某一非零值缓慢地变化当输入变化值未超过某一数值时,传感器的输出不会发生变化, 即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的只有当输入量的变化超过分辨力时,其输出 才会发生变化 通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同,因此常用满量程中能使输出量 产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标上述指标若用满量程的 百分比表示,则称为分辨率 (6)传感器的迟滞特性 迟滞特性表征传感器在正向(输入量增大)和反向(输入量减小)行程之间输出-输入特 性曲线不一致的程度,

20、通常用这两条曲线之间的最大差值max 与满量程输出 fs 的百 分比表示,迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成 2 酒精测试仪总体方案设计酒精测试仪总体方案设计 2.1 酒精浓度检测仪设计要求分析 设计的酒精浓度测试仪应具有如下特点: (1)数据采集系统以单片机为控制核心,外围电路带有 led 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,系统成功使用了数码管显示器以及小键盘由单片机系统控 制键盘和 led 显示来实现人机交互操作,界面友好 (4)软件设计简单易懂

21、 2.2 酒精浓度检测仪设计方案 设计时,考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量,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 a/d 转换器 转换得到数据送入单片机进行处理此外,还需接人 led 显示,4*4 键盘,报警电路等其 总体框图如图 2-1 所示 被测 环境 气敏传感 器 a/d 转换 电路 单片机 声光报警电路 led 显示 键盘 图 2-1 系统设计方框图 单片机酒精浓度测试仪用 mq3 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

22、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 3 酒精测试仪的硬件设计酒精测试仪的硬件设计 3.1 单片机模块电路的设计 本硬件由五部分组成:单片机模块,模数转换模块,酒精传感器模块,温度传感模块本 系统由单片机 at89s51 控制,其直接控制三个模块:数转换模块将酒精传感器采集到模 拟电压信号转换成输送到单片机控制处理,温度传感器 ds18b20 可以将采集到的温度信 号

23、直接以数字信号的形式传到单片机,lcd 显示模块可以将经过单片机处理过的酒精气 体浓度和温度的具体量化值显示 单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算, 逻辑运算数据传送中断处理)的微处理器(cpu),随机存取数据存储器(ram),只读程序 存储器(rom),输入输出电路(i/o 口),可能还包括定时计数器,串行通信口(sci),显示驱动 电路(lcd 或 led 驱动电路),脉宽调制电路(pwm),模拟多路转换器及 a/d 转换器等电 路集成到一块单块芯片上,构成一个虽小然而完善的计算机系统这些电路能在软件的控 制下准确迅速高效地完成程序设计者事先规定的任务

24、3.1.1 单片机片内结构 51 单片机的片内结构如图 3-1 所示它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按功能划分,它有如下功能部件组成: （1）微处理器(cpu) （2）数据存储器(ram) （3）程序存储器(rom/eprom) （4）4 个 8 位并行 i/o 口(p0 口p1 口p2 口p3 口) （5）一个串行口 （6）2 个 16 位定时器计数器 （7）中断系统 （8）特殊功能寄存器(sfr) 图 3-1 系统硬件设计原理图 3.1.2 单片机的选择 at89s51 是低功耗高性能采用 cmos 工艺的 8 位单片机,其片内具有 8kb 的可

25、在线编程的 flash 存储器该单片机采用了 atmel 公司的高密度非易失性存储器技术,与 工业标准型 80c51 单片机的指令系统和引脚完全兼容;片内的 flash 存储器可在线重新 编程,或者使用通用的非易失性存储器编程;通用的 8 位 cpu 与在线可编程 flash 集成在 一块芯片上,从而使 at89s52 功能更加完善,应用更加灵活;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掌握 mcs-51 单片机,应首先了解 mcs-51 的 引脚,熟悉并牢记各引脚的功能,mcs-51 系列中各种型号芯片的引脚是互相兼容的制作 工艺为 hmos 的 mcs-51 的单片

26、机都采用 40 只引脚的双列直插封装方式,如图 3-2 所 示 p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 rst (txd) p3.1 (int0) p3.2 (int1) p3.3 t0 p3.4 t1 p3.5 (wr) p3.6 (rd) p3.7 xtal1 xtal2 gnd vcc p0.0 (ad0) p0.1 (ad1) p0.2 (ad2) p0.3 (ad3) p0.4 (ad4) p0.5 (ad5) p0.6 (ad6) p0.7 (ad7) ea/vpp psen p2.7 (a15) p2.6 (a14) p2.5 (a13)

27、p2.4 (a12) p2.3 (a11) p2.2 (a10) p2.1 (a9) p2.0 (a8) pdip (rxd) p3.0 ale/prog 图 3-2 at89c51 芯片管脚图 40 只引脚按其功能来分,可分为如下 3 类: (1)电源及时钟引脚:vccvssxtal1xtal2 电源引脚接入单片机的工作电源vcc 接+5v 电源,vss 接地 时钟引脚 xtal1xtal2 外接晶体与片内的反相放大器构成了 1 个晶体振荡器,它 为单片机提供了时钟控制信号2 个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器xtal1 接外 部的一个引脚该引脚内部是一个反相放大器的输入端这个反相放大器构成

28、了片内振 荡器如果采用外接晶体振荡器时,此引脚接地xtal2 接外部晶体的另一端,在该引脚 内部接至内部反相放大器的输出端若采用外部时钟振荡器时,该引脚接受时钟振荡器的 信号,即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端 (2)控制引脚:psenaleeareset(rst)此类引脚提供控制信号,有的还具有复用 功能 rst/vpd 引脚:reset(rst)是复位信号输入端,高电平有效当单片机运行时,在 此引脚加上持续时间大于 2 个机器周期(24 个振荡周期)的高电平时,就可以完成复位操 作在单片机工作时,此引脚应为0.5v 低电平vpd 为本引脚的第二功能,即备用电源的 输入当主电源发生故障

29、,降低到某一规定值的低电平时,将+5v 电源自动接入 rst 端,为 内部 ram 提供备用电源,以保证片内 ram 的信息不丢失,从而使单片机在复位后能正 常进行 ale/prog 引脚:ale 引脚输出为地址锁存允许信号,当单片机上电正常工作后 ale 引脚不断输出正脉冲信号当单片机访问外部存储器时,ale 输出信号的负跳沿用 于单片机发出的低 8 位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号即使不访问外部锁存器, ale 端仍有正脉冲信号输出,此频率为时钟振荡器频率的 1/6prog 为该引脚的第二功 能在对片内 eprom 型单片机编程写入时,此引脚作为编程脉冲输入端 psen 引脚:程序存储

30、器允许输出控制端在单片机访问外部程序存储器时,此引脚 输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号此引脚接外部程序存储器的 oe(输 出允许端) ea/vpp 引脚:ea 功能为片内程序存储器选择控制端当 ea 引脚为高电平时,单 片机访问片内程序存储器,但在 pc 值超过 0fffh 时,即超出片内程序存储器的 4kb 地 址范围时将自动转向执行外部程序存储器内的程序当 ea 引脚为低时,单片机只访问外 部程序存储器,不论是否有内部程序存储器 (3)i/o 口引脚:p0p1p2p3,为四个 8 位 i/o 口的外部引脚p0 口p1 口p2 口p3 口 是 3 个 8 位准双向的 i/o 口,

31、各口线在片内均有固定的上拉电阻当这 3 个准双向 i/o 口 作输入口使用时,要向该口先写 1,另外准双向口 i/o 口无高阻的“浮空”状态 由于单片机具有体积小质量轻价格便宜耗电少等突出特点,所以本系统采用 89c51 单片机,硬件设计电路图如图 1 所示89c51 内部有 4kb 的 eprom,128 字节的 ram,所以一般都要根据所需存储容量的大小来扩展 rom 和 ram本电路 ea 接高电 平,没有扩展片外 rom 和 ram mcs 单片机都采用 40 引脚的双列直插封装方式40 条引脚说明如下: 主电源引脚 vss 和 vcc (1)vss 接地 (2)vcc 正常操作时为+

32、5 伏电源 外接晶振引脚 xtal1 和 xtal2 (1)xtal1 内部振荡电路反相放大器的输入端,是外接晶体的一个引脚当采用外部 振荡器时,此引脚接地 (2)xtal2 内部振荡电路反相放大器的输出端是外接晶体的另一端当采用外部振 荡器时,此引脚接外部振荡源 控制或与其它电源复用引脚 rst/vpd,ale/和/vpp (1)rst/vpd 当振荡器运行时,在此引脚上出现两个机器周期的高电平(由低到高跳 变),将使单片机复位在 vcc 掉电期间,此引脚可接下图 8051 引脚排列图上备用电源,由 vpd 向内部提供备用电源,以保持内部 ram 中的数据 (2) ale/正常操作时为 al

33、e 功能(允许地址锁存)提供把地址的低字节锁存到外部锁 存器,ale 引脚以不变的频率(振荡器频率的)周期性地发出正脉冲信号因此,它可用作 对外输出的时钟,或用于定时目的但要注意,每当访问外部数据存储器时,将跳过一个 ale 脉冲,ale 端可以驱动(吸收或输出电流)八个 lsttl 电路对于 eprom 型单片机, 在 eprom 编程期间,此引脚接收编程脉冲(功能) (3)外部程序存储器读选通信号输出端,在从外部程序存储取指令(或数据)期间, 在 每个机器周期内两次有效, 同样可以驱动八 lsttl 输入 (4)/vpp /vpp 为内部程序存储器和外部程序存储器选择端当 /vpp 为高电

34、平时,访 问内部程序存储器,当/vpp 为低电平时,则访问外部程序存储器 对于 eprom 型单片机,在 eprom 编程期间,此引脚上加 21 伏 eprom 编程电源 (vpp) 输入/输出引脚 p0.0 - p0.7,p1.0 - p1.7,p2.0 - p2.7,p3.0 - p3.7 (1)p0 口(p0.0 - p0.7)是一个 8 位漏极开路型双向 i/o 口,在访问外部存储器时,它是 分时传送的低字节地址和数据总线,p0 口能以吸收电流的方式驱动八个 lsttl 负载 (2)p1 口(p1.0 - p1.7)是一个带有内部提升电阻的 8 位准双向 i/o 口能驱动(吸收或 输出

35、电流)四个 lsttl 负载 (3)p2 口(p2.0 - p2.7)是一个带有内部提升电阻的 8 位准双向 i/o 口,在访问外部存储 器时,它输出高 8 位地址p2 口可以驱动(吸收或输出电流)四个 lsttl 负载 (4)p3 口(p3.0 - p3.7)是一个带有内部提升电阻的 8 位准双向 i/o 口能驱动(吸收或 输出电流)四个 lsttl 负载 3.1.3 单片机最小系统的实现 单片机主要擅长系统控制,而不适合做复杂的数据处理,在设计单片机最小系统时通 常选用 at89c5lat89c52at89s51at89s52(s 系列芯片支持 isp 功能)等型号的 8 位 dip-40

36、 封装的单片机作为 mcu,一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路复位电 路键盘电路显示电路部分组成,有时也外扩片外 ram 和 rom 以及外部扩展接口等电 路 3.1.3.1 系统时钟电路 单片机内部具有一个高增益反相放大器,用于构成振荡器通常在引脚 xtall 和 xtal2 跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器,系统时钟电路结构如图 2 所示, 可以根据情况选择 6mhz8mhz 或 12mhz 等频率的石英晶体,补偿电容通常选择 20- 30pf 左右的瓷片电容 3.1.3.2 复位电路 单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作上 电复位要求接通电源后

37、,自动实现复位操作手动复位要求在电源接通的条件下,在单片 机运行期间,用按钮开关操作使单片机复位上电自动复位通过电容 c3 充电来实现手 动按键复位是通过按键将电阻 r2 与 vcc 接通来实现 3.1.3.3 键盘电路 系统利用 p1 口的 p1.0-p1.3 设置了 4 个独立按键 s2s5,当键按下时,p1 口相应的引 脚置为低电平,且与此键相连的发光二极管点亮此外,通过 8279 键盘显示控制芯片还可 以扩展编码键盘和显示,利用 8279 扩展的一个 28=16 键编码键盘及 8 个 led 电路 3.1.3.4 显示电路 系统设置了 8 个共阳极 led 数码管 led1-led2,

38、单片机 p0 口提供段码信号,低电 平有效,p0 口输出端通过限流电阻 r00r07 与数码管的段码数据线相连,用来送出 led 数码管的段码数据信号单片机 p2 口提供位选信号,当 p2 口某位输出低电平时,与此相 连的开关三极管导通,对应的数码管点亮,使用三极管用来增强信号的驱动能力 此外,为 了扩展 lcd 显示,系统设置了两个 lcd 接口,如图 7,一个用于 40 点矩阵 lcd 显示,一 个用于 12864 点阵式 lcd 显示 3.2 酒精传感器模块的选择与设计 3.2.1 气敏传感器工作原理 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

39、理来进行检测的人们发现某些氧化物半导体材料如 sno2znofe2o3mgoniobatio3 等都具有气敏效应 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(r11r12)的检测呼 气中乙醇的检测人体口腔口臭的检测等等它将气体种类及其与浓度有关的信息转换 成电信号,根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信 息,从而可以进行检测监控报警;还可以通过接口电路与计算机组成自动检测控制和 报警系统半导体气敏传感器对于

40、低浓度气体具有很高的灵敏度,具有嗅觉功能,能自动 检测瓦斯浓度一旦瓦斯超限,气敏传感器即可自动报警,然后采取先抽后采的原则,即可 防止瓦斯爆炸事故的发生 半导体气敏传感器是利用待测气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件 阻值变化来检测气体的种类和浓度的当半导体器件被加热到稳定状态,在气体接触半导 体表面而被吸附时,被吸附的分子首先在表面自由扩散,失去运动能量,一部分分子被蒸发 掉,另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处时,如果半导体的功函数大于吸附分子 的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而形成正离子吸附如 h2co碳氢化合物等,被 称为还原型气体当还原型气体吸附到 n 型半导体上时,

41、载流子增多,使半导体电阻值下 降 3.2.2 气敏传感器简介 气敏传感器是酒精检测系统的核心,通常安装在探测头内从本质上讲气敏传感器是 一种将某种气体的体积分数转化成对应电信号的转换器探测头通过气敏传感器对气体 样品进行调理,通常包括滤除杂质和干扰气体干燥或制冷处理样品抽吸,甚至对样品进 行化学处理,以便化学传感器进行更快速的测量 目前普遍使用的气敏传感器有燃料电池型(电化学型)和半导体型两种他们能够制 造便携型呼气酒精浓度测试器,适合于现场使用与半导体传感器相比,燃料电池酒精传 感器具有稳定性好精度高抗干扰性好等优点由于燃料电池酒精传感器的结构要求很 精密,制造难度大,目前世界上只有美国德国

42、英国等少数几个国家能够生产 本测试器采用 mqk2 酒精浓度传感器,检测人体呼出气体中酒精浓度并且输出电压 信号mqk2 酒精浓度传感器主要由气敏元件和电阻丝组成, mqk2 传感器外接+5v 电 压时,能将电阻丝加热到 270300,电路将 mqk2 传感器的阻值变化转化成输出电 压的变化,从而可以通过 a/d 转换成数字量供单片机处理 根据分析,乙醇浓度增加时元件电阻 r 减小反之异亦反,所以呼出气体中的气态乙 醇逐渐扩散后元件电阻 r 敏感的变化 在应用方面,目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器,已普及应用于气体泄漏检测 和监控,从工厂企业到居民家庭,应用十分广泛 一是气体传感器向低功

43、耗多功能集成化方向发展 国外气体传感器发展很快二 是增强可靠性,实现元件和应用电路集成化,多功能化,发展 mems 技术,发展现场适用的 变送器和智能型传感器 3.2.3 气体传感器向低功耗多功能集成化方向发展 国外气体传感器发展很快,一方面是由于人们安全意识增强,对环境安全性和生活舒 适性要求提高;另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动因此,国外气 体传感器技术得到了较快发展,据有关统计猜测,美国 1996 年2002 年气体传感器年均 增长率为(2730)% 目前,气体传感器的发展趋势集中表现为:一是提高灵敏度和工作性能,降低功耗和成 本,缩小尺寸,简化电路,与应用整机相结合,

44、这也是气体传感器一直追求的目标如日本费 加罗公司推出了检测(0.110)10-6 硫化氢低功耗气体传感器,美国 ist 提供了寿命达 10 年以上的气体传感器,美国 firstalert 公司推出了生物模拟型(光化反应型)低功耗 co 气 体传感器等二是增强可靠性,实现元件和应用电路集成化,多功能化,发展 mems 技术, 发展现场适用的变送器和智能型传感器如美国 generalmonitors 公司在传感器中嵌入微 处理器,使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能,实现了智能化;还有前已涉及的 美国 ist 公司的具有微处理器的“megagas”传感器实现了智能化多功能化 3.2.4 传感

45、器的选择 传感器千差万别,即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器,因此, 要根据需要选用最适宜的传感器 (1)测量条件 如果误选传感器,就会降低系统的可靠性为此,要从系统总体考虑,明确使用的目的 以及采用传感器的必要性,绝对不要采用不适宜的传感器与不必要的传感器测量条件列 举如下,即测量目的,测量量的选定,测量的范围,输入信号的带宽,要求的精度,测量所需要 的时间,过输入发生的频繁程度 (2) 传感器的性能 选用传感器时,要考虑传感器的下述性能,即精度,稳定性,响应速度,模拟信号或者数 字信号,输出量及其电平,被测对象特性的影响,校准周期,过输人保护 (3) 传感器的使用条件 传

46、感器的使用条件即为设置的场所,环境(湿度温度振动等),测量的时间,与显示器 之间的信号传输距离,与外设的连接方式,供电电源容量 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

47、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 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

48、 (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 外形 特点:检测范围为 10ppm2000ppm ;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

49、化是可逆的,所以能重复使用 本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度,再转换为血液中的酒精含量浓度,故采用气 敏传感器考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性,所以传感器只能 对酒精气体敏感,对其他气体不敏感,故选用 mq-3 型气敏传感器其有很高的灵敏度良 好的选择性长期的使用寿命和可靠的稳定性mq-3 型气敏传感器由微型 al2o3,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 r

50、s 的变化,是通过与其串联的负载电阻 rl 上的有效电压信号 vrl 输出面获 得的负载电阻 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 0-5vmq-3 型气敏传感器的结构和外形标准回路传感器阻值变化率与酒精浓 度外界温度的关系图如图 3-4 所示 图3-4 mq3 原理图 mq-3 的灵敏度特性曲线如 图 3-5 所示: 灵敏度特性曲线 图 3-5 灵敏度特性曲线 3.2.5 mq-3 的检测 如图 3-6 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20m 欧s 接通,则 f,f 之间电流由开始时 155ma 降至

51、 153ma 而稳定加热开始几秒钟后 a,b 之间电阻迅速下降至 1m 欧以下,然后又逐渐上升至 20m 欧以上后并保持着此时如果 将内盛酒精棉花的小瓶瓶口靠近传感器,我们立即可以看到数字万用表显示值马上由原 来大于 20m 欧降至 1m 欧以下移开小瓶过 15-40s 后,a,b 之间电阻恢复至大于 20m 欧 这种反应可以重复试验,但要注意使空气恢复到洁净状态 图 3-6 mq-3 检测图 3.3 酒精传感器的工作原理 3.3.1 传感器性能分析 qm3 气体传感器的敏感材料是金属氧化物,最具代表性的是 sno2金属氧化物晶体 如 sno2 在空气中被加热到一定高的温度时,氧被吸附在的带一

52、个负电荷的晶体表面然 后,晶体表面的供与电子被转移到吸附的氧上,结果在一个空间电荷层留下正电荷这样, 表面势能形成一个势垒,从而阻碍电子流动 在传感器的内部,电流流过 sno2 微晶的结合部位(晶粒边界)在晶粒边界,吸附的氧 形成一个势垒阻止载流子自由移动,传感器的电阻即缘于这种势垒还原性气体出现时, 带有负电荷的氧的表面浓度降低,导致晶粒边界的势垒降低降低了的势垒使传感器的阻 值减小了传感器阻值和还原性气体浓度之间的关系可由下面的一定范围气体浓度方程 表示:rs=ac- 这里:rs=传感器电阻 a=常数 c=气体浓度 =rs 曲线的斜率 费加罗气体传感器的气敏素子,使用在清洁空气中电导率低的

53、 sno2当存在检知对 象气体时,传感器的电导率随空气中气体浓度增加而增大使用简单的电路即可将电导率 的变化,转换为与该气体浓度相对应的输出信号tgs822 传感器对酒精有机溶剂灵敏 度高,在酒精检测器等方面得到广泛使用相同特性的 tgs823,采用了陶瓷底座,可以在 200的高温气氛中使用 表3-1 qm3性能参数一览表 qm3型号 素子类型8系列 塑料sus双重金属网标准封装 对象气体酒精有机溶剂 检测范围505000ppm 加热器电压vh5.0+0.2v dc/ac 回路电压vcmax 24vps15mw 可变ps15mw负载电压 加热器电压 rl rh38+3.0 (室温) 加热器功率

54、ph660+50mw vh=5.0v 传感器电阻rs300ppm乙醇中 1-10k rs(etoh:300ppm) 标准回路 条件 标准试验条件 下的电学特性 灵敏度(rs的变化率)0.4+0.1 rs(etoh:50ppm) 20+2, 65+5%rh 试验气体条件 回路条件 vc=10.0+0.1v dc/ac vh=5.0+0.05v dc/ac 标准试验 条件 预热条件七天以上 下图3-7中纵坐标也以传感器电阻比(rs/ro)表示,这里的rs,ro 定义如下: rs=含300ppm 乙醇各种温/湿度下的电阻值 ro=含 300ppm 乙醇2065%r.h.下的电阻值 图3-7不同浓度气

55、体对应的阻值 3.3.2 呼出酒精气体浓度与血液酒精浓度关系 表 3-2 血液与呼气酒精含量换算一览表 序 号 呼出气体中酒精 浓度 mg/l 呼出气体中酒精 浓度 106 血液中酒精 浓度 mg/100ml 10.022711.855 20.045423.6910 30.068135.5315 40.090947.4320 50.113659.2825 60.136371.1330 70.159183.0235 80.181894.8640 90.2045106.7145 100.2272118.5650 110.2500130.4555 120.2727141.2660 130.29541

56、54.1565 140.3181166.0070 150.3409177.8975 160.3636189.7280 170.3863201.1585 180.4091213.4390 190.4318225.3395 200.4515237.12100 210.6618355.68150 220.9091474.24200 车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于 80mg/100ml 的驾驶行为由表 3-3 血液 酒精含量临界值可以进行定量的分析车辆驾驶人员酒后驾驶后血液中的酒精浓度,进而 对于该司机的酒驾行为类别进行定性,如血液酒精浓度低于 20 mg/100ml,则认为是饮酒 驾驶,可以

57、对其酌情处理;如若血液酒精浓度超过了 20 mg/100ml 且低于 80 mg/100ml,则 认为是醉酒驾驶,应按照国家交通法规对其处理 表 3-3 血液酒精含量临界值一览表 行为类别对象临界值(mg/100ml) 饮酒驾驶车辆驾驶人员20 醉酒驾驶车辆驾驶人员80 3.4 a/d 转换电路 在单片机应用系统中,被测量对象的有关变化量,如温度压力流量速度等非电物 理量,须经传感器转换成连续变化的模拟电信号(电压或电流),这些模拟电信号必须转换 成数字量后才能在单片机中用软件进行处理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

58、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 量根据a/d 转换器的工作原理可将a/d 转换器分成两大类:一类是直接型a/d转换器; 另一类是间接型a/d 转换器在直接型a/d 转换器中,输入的模拟电压被直接转换成数 字代码,不经任何中间变量在间接型a/d 转换器中,首先把输入的模拟电压转换成某种 中间变量(时间频率脉冲宽度等等),然后再把这个中间变量转换为数字代码输出 实现模拟量转换成数字量的器件称为a/d转换器(adc) a/d转换器大致分有三类:一是双积分a/d转换器,优点

59、是精度高,抗干扰性好,价格便 宜,但速度慢;二是逐次逼近型a/d转换器,精度速度价格适中;三是-a/d转换器 该设计中选用的是adc0809属第二类,是8位a/d转换器0809具有8路模拟信号输入 端口,地址线(23-25脚)可决定那一路模拟信号进行a/d转换22脚为地址锁存控制,当输入 为高电平时,对地址信号进行锁存6脚为测试控制,当输入一个2s的高电平脉冲时,就开 始a/d转换7引脚为a/d转换结束标志,当a/d转换结束时,7脚输出高电平9脚为a/d转换 数据输出允许端,当oe脚为高电平时,a/d转换数据输出10脚为0809的时钟输入端 3.4.1 adc0809 的引脚及功能 逐次比较型

60、a/d转换器在精度速度和价格上都适中,是最常用的a/d转换器件芯 片采用的是adc0809,以下介绍adc0809的引脚及功能芯片如图3-7所示 图 3-7 adc0809 的引脚 adc0809 是一种逐次比较式 8 路模拟输入8 位数字量输出的 a/d 转换器由图可 见,adc0809 共有 28 个引脚,采用双列直插式封装主要引脚功能如下: (1)in0-in7 是 8 路模拟信号输入端 (2)d0-d7 是 8 位数字量输入端 (3)abc 与 ale 控制 8 路模拟通道的切换,abc 分别与 3 根地址线或数据线相 连,3 位编码对应 8 个通道地址端口 需要注意的是:adc080