基于AT89S51单片机酒精浓度探测仪的设计与实现毕业设计

1、武汉理工大学毕业设计（论文）基于 AT89S51 单片机酒精浓度探测仪的设计与实现学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或 撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行

2、检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。本学位论文属于 1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗 。请在以上相应方框内打“)”作者签名：年月日导师签名：年月日毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的 地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为 获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提 供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了 谢意 。

3、 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。作 者 签 名：日 期：指导教师签名：日 期：使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规 定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有 权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为 目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容 。 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经

4、发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由 本人承担。 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定， 同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名：日期： 年 月武汉理工大学本科

5、生毕业设计（论文）任务书学生姓名 黄制兵 专业班级 电子信息科学与技术 0502 指导教师 徐晓英 易迎彦 工作单位 理学院物理系 设计（论文）题目： 基于 AT89S51 单片机酒精浓度探测仪的设计与实现 设计（论文）主要内容：要求设计并实现一个基于 AT89S51 单片机的酒精浓度探测仪系统， 其中酒精传感器采 用 MQ-3 型，利用该传感器将酒精气体浓度信号转化为电信号，选择适当的放大器放大其 电压信号，驱动发光二极管显示酒精浓度的高度，同时利用模数转换芯片将模拟信号进行 转化，并由单片机控制，最后用数码管显示。 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。 要求完成的主要任务：1、查阅不少于 15 篇的相关

6、资料，其中英文文献不少于 2 篇，完成开题报告。2、掌握 C51系列单片机原理及编程技术，熟悉 ADC0809 的工作原理及特性；熟悉数码管 显示技术。3、用 protel 绘制其原理图，完成整体电路的安装与调试，并对实验结果进行分析。4、完成不少于 5000 字的英文文献翻译。5、完成不少于 12000 字的毕业论文。必读参考资料：1 张培仁基于汇编语言编程 MCS-51 单片机原理与应用 M 北京：清华大学出版社， 20032 吴桂秀传感器应用制作入门 M 浙江科学技术出版社， 2004指导教师签名 系主任签名 院长签名（章）武汉理工大学本科学生毕业设计 （ 论文） 开题报告1、目的及意义

7、（含国内外的研究现状分析）从 18 世纪产业革命以来，到 20 世纪信息技术的快速发展，传感技术逐渐走向成熟， 在现实生产生活中的应用也渐渐在普及。传感器应用广泛，在各个领域都有着举足轻重的 作用，所以传感器不断向高精度， 高可靠性， 微型化，微功耗无源化和智能化数字化发展， 以便更好的服务于我们的生产和生活。气体与人类的日常生活密切相关，检测气体是保护和改善我们居住环境的必要工作， 要检测气体就少不了用到气体传感器。本设计基于 AT89S51 单片机设计的酒精浓度探测 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。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

8、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。酒精浓度探测仪在生产中也有重要的应用，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 定值时要及时通风换气，做到安全生产。当然，依照同样的原理也可设计检测其他气体的 探测仪，与我们的生活息息相关的是检测有毒气体。传感头是酒精浓度探测仪中感受酒精的重要部分。目前，所设计的该类传感器多选用 以二氧化锡为基本材料，添加不

9、同物质制成的气敏传感器。本设计所选用的 MQ-3 气敏传 感器的敏感部分是由二氧化锡的 N 型半导体微晶烧结层构成，灵敏度高，响应速度快，可 靠性好。也有选择以其他氧化物为基本材料制成的传感器，如选二氧化钛作为气体传感材 料。虽然目前的二氧化钛薄膜有电阻值高，工作温度高，敏感性差的缺点，但是二氧化钛 薄膜具有良好的电学性能，优异的光学性能，化学稳定性高，机械强度高，且可用于多种 气体的检测。单片机在整个传感器中起操作和相应数据处理并送显示的作用，是传感器的 核心部分。目前，气敏传感器已有较高的精度，可达万分之一以上。随着新材料发展和新加工技术的提高，有了高可靠性和低功耗的气体传感器。智能化数字

10、化的气体传感器克服了目前 气敏传感器人工测试带来的效率低，误差大和操作人员长时间工作等问题。2、基本内容和技术方案敏感部分由二氧化锡的 N 型半导体微晶烧结层构成的 MQ-3 型气敏传感器， 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 测气体的浓度的变化而变化。由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。 MQ-3 型气敏传 感器灵敏度高，响应速度快。AT89S51单片机是一般控制应用的 8 位单片机。芯片内部有时钟振荡器，只读存储器 为 4K 字节，外部可扩充至 64K 字节， 128 字节的随机存储器，外部可扩充至 64K 字节。 32条双向输入输出

11、线，每条均可以单独做 I/O 的控制。 5个中断向量源。 2个独立的 16位 定时器。 1 个全双工串行通信端口。选用的开发平台为 MedWin 单片机集成开发环境。发光二极管显示选用集成驱动器 LM3914。内部有 10个电压比较器，可驱动 10 个发 光二极管。相邻分压端之间的电压差是 0.12V。可选择点状显示也可选择条状显示。ADC0809 为 8路 8位的 A/D 转换器，具有转换起停控制端，转换时间为 100，s模拟 输入电压值范围是 0+5V， +5V 电压供电。三位数码管显示具体数值。根据以上内容选定技术方案。 气体传感器遇到酒精气体后，阻值发生变化，所要测的电压发生相应的变化

12、。变化的 电压值送 LM3914 放大比较，驱动相应的发光二极管发光，显示酒精浓度的高低。单片机 不断采集经 ADC0809 模数转换后的变化的电压值，经数据处理交数码管显示。3、进度安排第 1-3 周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论知识和设计所需的元器 件。确定方案，完成开题报告。第 4-6 周：画出流程图，编写程序。第 7-10 周：建立系统模型，画出电路图，并对软件进行仿真调试。第 11-13 周：完成硬件电路的安装，并进行硬件电路的调试。第 14-15 周：完成并提交论文，对论文进行修改定稿。第 16 周：完成并修改毕业论文。第 17 周：准备论文答辩。4、指导教师意

13、见指导教师签名：武汉理工大学毕业设计（论文）目录摘 要 茕. I桢广鳓鯡选块网羈泪。Abstract I.I.鹅 娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。1 绪论 1.籟 丛妈羥为贍偾蛏练淨。1.1 设计背景 1.預 頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。1.2 气敏传感器的研究现状 1. 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。1.3 设计酒精气体传感器的意义 2. 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。1.4 本文主要研究工作 2. 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。2 硬件电路设计与实现 4. 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。2.1 单片机开发流程 4.坛 摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。2.2 硬件系统框图 4.蜡 變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.3 信号采集电路 5.買 鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2.

14、4 信号转换电路 9.綾 镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。2.5 发光二极管显示报警电路 1.5 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2.6 数码管显示电路 1.7. 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2.7 系统整体电路图 1.9. 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。3 软件编程 2.0. 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。3.1 开发环境 2.0. 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。3.2 程序流程 2.0. 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。3.3 程序代码编写 2.2. 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。4 电路调试与测试结果 2.8 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。4.1 电路调试 2.8. 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。4.2 浓度与显示之间的关系 2.9 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。5 结束语 3.

15、3. 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。参考文献 3.4. 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。附 录 3.5. 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。致 谢 3.8. 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。武汉理工大学毕业设计（论文）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。 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。 怂阐譜鯪迳導嘯畫長 凉。论文主要研究了（ 1）硬件方面， 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；将模拟电压信号放大驱动发光二极管点亮报警；将采集到

16、的模拟电压信 号通过单片机控制经 A/D 转换，得到数字电压信号； 用于显示浓度的数码管显示模块。 （2） 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数码管显示。 （3）对设计的 传感器进行了标定。 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。 并且在检测低浓度酒精时误差较小，最大误差为 8.2%满足设计要求。 谚辞調担鈧谄动禪泻類。本文的特色在于标准的确定。对于流动空气，样品的稳定性和水蒸气的影响，提出了 解决方案和验证方法。对不同的区间浓度和电压转换关系做线性化处理，简化了硬件电路 的设计。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

17、特 殊场合酒精检测都可以使用。 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。关键词： 气体传感器，模数转换，单片机武汉理工大学毕业设计（论文）AbstractDifferent 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 displ

18、ayed by using the gas sensor based on 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. 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。In the thesis Major researches are three points. (1) In the hardware, detecting the technology parameters MQ-3 gas sensor

19、, and connecting it to a testing part of the alcohol gas concentration; Analog voltage signal amplification to drive light-emitting diode light to alarm; conversing the voltage signal through the A/D conversion at the control of the single-chip, obtaining the digital voltage signal; displaying the c

20、oncentration in the digital tube display module.(2)In the Software, linear conversion between the concentration of the alcohol and the voltage and the digital display of the final concentration value.(3) The designed sensor is calibrated. The design of gas sensor is responsive to the alcohol, can me

21、asure concentration in the effective range of its concentration. And in the low concentration of alcohol in the test the error is small with the maximum error 8.2%, meeting requirements of the design鶼.渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。The characteristics of the thesis are to determine the standard. The solutions and verifi

22、cation methods are proposed about the flow of air samples, the sample stability and water vapor. The conversion between voltage and concentration in different range is treated as linear relationship. The design of sensor can detect different the alcohol gas with different concentration. It plays an

23、important role to solve the drunk-driving accidents and alcohol testing for special occasions after improvement.纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。Key Words: Gas sensor, A/D conversion,Single-chip Microcomputer 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。II武汉理工大学毕业设计（论文）1 绪论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，预计 2007年为 325

24、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，而且可导致建立新型工业和军事变 革，是 21 世纪新的经济增长点 1。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。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

25、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。 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。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。

26、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 。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。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

27、 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 。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。纳米科学技术 （NanoST）是研究尺寸在 0.1 100nm 的物质组成体系的运动规律和相武汉理工大学毕业设计（论文）互作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

28、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 。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。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 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

29、 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 。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。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

30、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。 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。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

31、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。 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。1.4 本文主要研究工作本文以 AT89S51单片机为核心， 设计了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；采样到的武汉理工大学毕业设计（论文）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数 据处理；发光二极管报警显示和 3个单位 8段共阴数码管浓度值显

32、示。 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。（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。 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。（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。 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。测量样品时，将探头尽量放

33、入塑料瓶内，可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。 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。武汉理工大学毕业设计（论文）2 硬件电路设计与实现2.1 单片机开发流程（1）可行性调研。可行性调研的目的，是分析完成这个项目的可能性。进行这方面的 工作，可参考国内外有关资料，看是否有人进行过类似的工作。如果有，则可分析他人是 如何进行这方面工

34、作的，有什么有点和缺点，有什么值得借鉴的；如果没有，则需要作进 一步的调研，此时的重点应放在能否实现这个环节，首先从理论上进行分析，探讨实现的 可能性，所需求的客观条件是否具备，然后结合实际情况，再决定能否立项的问题。 辔烨棟 剛殓攬瑤丽阄应。（2）系统总体方案的设计。在进行可行性调研后，如果可以立项，下一步工作就是系 统总体方案的设计。 工作的重点应放在该项目的技术难度上， 此时可参考这一方面更详细、 更具体的资料，根据系统的不同部分和要实现的功能，参考国内外同类产品的性能，提出 合理而可行的技术指标，编写出设计任务书，从而完成系统总体方案设计。 峴扬斕滾澗辐滠兴渙 藺。（3）设计方案细化，

35、确定软硬件功能。一旦总体方案确定下来，下一步的工作就是将 该项目细化，即需明确哪些部分用硬件来完成，哪些部分用软件来完成。由于硬件结构与 软件方案会相互影响，因此，从简化电路结构、降低成本、减少故障率、提高系统的灵活 性与通用性方面考虑，提倡软件能实现的功能尽可能由软件来完成；但也应考虑软件代硬 件的实质是以降低系统的实时性、增加处理进行为代价的，而且软件设计费用、研制周期 也将增加，因此系统的软硬件功能分配应根据系统的要求及实际情况而合理安排，统一考 虑。在确定软硬件功能的基础上，设计者的工作就开始涉及到具体的问题，如仪器的体积 及与具体技术指标相对应的硬件实现方案，软件的总体规划等。在确定

36、人员分工、安排工 作进度、规定接口参数后，就比须考虑硬件软件的具体问题了。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。（4）一个单片机应用系统经过调研、总体设计、硬件软件设计、制版、元件安装后， 在系统的程序存储器中放入编制好的应用程序，系统即可运行。但一次性成功的几乎是不 是不可能的。 由于单片机在执行程序时人工是无法控制的， 为了能够调试程序， 检查硬件、 软件运行情况，这就需要借助某种开发工具模拟用户实际的单片机，并且能随时观察运行 的中间过程而不改变运行中有的数据性能和结果，从而进行模拟现场的真实调试。 则鯤愜韋 瘓賈晖园栋泷。2.2 硬件系统框图基于 AT89S51 单片机用 MQ-3 型气体传感器实现

37、酒精气体浓度的检测， 需要信号采集 模块用于对酒精浓度信号的采集，该信号是通过 MQ-3 气体传感器和负载电压得到分压电武汉理工大学毕业设计（论文）信号。信号转换模块用来把采集到得模拟电压信号转换位可以用单片机处理的数字信号。 数码管显示模块是对单片机处理后的数字信号的显示，用来显示酒精的浓度。报警模块是 对设定值提供报警功能，该功能用发光二极管显示。根据各功能模块的设计，可得到它的 系统总框图，如图 1 所示。 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。图 1 系统总框图2.3 信号采集电路2.3.1 气体传感器的选择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

38、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。 鳃躋峽祷紉诵帮废掃 減。（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，武汉理工大学毕业设计（论文）因此，用氢敏

39、元件做城市管道煤气泄露报警更为适宜。 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。（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 陽簍埡 鲑罷規呜旧岿錟。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

40、。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 2 所示： 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。图 2 MQ-3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。由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。MQ-3 的灵敏度特性曲

41、线如 图 3 所示。武汉理工大学毕业设计（论文）图 3 MQ-3 灵敏度特性曲线检测电路如图 4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，我们立即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

42、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。 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。图 4 MQ-3 检测电路武汉理工大学毕业设计（论文）2.3.2 信号采样电路信号的采样模块电路如图 5所示。 MQ-3 的加热电阻两端即 H 引脚接至+5V 直流稳压 电源，用于电阻丝对敏感体电阻的加热。 MQ-3 的两个 A 引脚相连，作为敏感体电阻的一 个电极。 MQ-3 的两个 B 引脚也连接在一起，作为敏感体电阻的另一个电极。将电极断 A 接到电源正极，电极端 B 接两个 270并联的电阻。 謾饱兗争

43、詣繚鮐癞别瀘。MQ-3 型气敏传感器与电位器串联构成分压电路， 采样点为电位器的分压。 MQ-3 型气 敏传感器的敏感部分是由金属氧化物 SnO2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。 当气敏传感器的敏感体 电阻阻值发生改变时，对应的电位器的分压值也会发生相应的变化，即一个电压值对应着 一个被测酒精气体浓度。对酒精气体浓度的采样就可以转化为对电位器分压的采样。 呙铉們 欤谦鸪饺竞荡赚。在采样硬件电路中实际要考虑到 MQ-3 的实际技术参数，即加热电

44、阻和敏感体电阻的 大小，该部分应与电源正极相连。负载电阻要根据 MQ-3 实际的技术参数而选择阻值合适 的电阻。应为实验所用的 MQ-3 在预热 5 到 10 分钟后，它的敏感体电阻只有 120K，所以负载电阻选用两个 270 并联，构成采样部分的分压电阻。 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。8武汉理工大学毕业设计（论文）2.4 信号转换电路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

45、控制器和嵌入式控制器，单片微机已是它们的俗称 8。 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。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

46、/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串 行通信口，片内振荡器及时钟电路。 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。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 6 所示。下面说明各引脚 功能。 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。9武汉理工大学毕业设计（论文）图 6 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

47、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、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。 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。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。 P3.0 RXD 串行 口输入口，P3.1TXD 串行口输出口，P3.2 INT0 外部中断 0 输入，P3.3 INT1 外部中断 1 输入， P3.4 T0 定时器 /计数器 0 的外部输入， P3.5T1 定时器 /计数器 1 的外部输入， P3.6 WR 低电平有

48、效，输出，片外存储器写选通， P3.7 RD 低电 平有效，输出，片外存储器读选通。 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。RST：复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在 RST 上作用两个机器周期以上的 高电平，将器件复位。 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。EA /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。 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。 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。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。 单片机最小系统的设计包括电源，

49、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 8 所示 9。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。对于电源部分， 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。 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。对于晶振部分， AT89S51 单片机中有一个用于构成内部振

50、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10武汉理工大学毕业设计（论文）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

51、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 33pF。 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。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。

52、如图 7所示， 10F的电容 C3与 270的电阻并联后再与 一个 10K 的电阻串联，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 。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。图 7 AT89S51单片机最小系统设计电路ADC0809 是CMOS单片型逐次逼近式 A/D 转换器，内部结构如图 8所示，它由 8路 模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 8位开关树型 A/D 转换器、逐次逼近寄存器、三 态输出锁存器等其它一些电路组成。 因此，

53、ADC0809 可处理 8 路模拟量输入， 且有三态输 出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与 TTL 兼容。 疠骐錾农剎貯狱颢 幗騮。11武汉理工大学毕业设计（论文）图 8 ADC0809内部结构ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 9 所示。下面说明各引脚功图 9 ADC0809芯片12武汉理工大学毕业设计（论文）IN0IN7 ：8 路模拟量输入端。2-12-8：8 位数字量输出端。ADDA 、ADDB 、ADDC ：3 位地址输入线，用于选通 8路模拟输入中的一路。如表 1 所示。 镞锊过润启婭澗骆讕瀘。ALE ：地址锁存允许信号，输入，高电平

54、有效。START：A/D 转换启动信号，输入，高电平有效。EOC：A/D 转换结束信号，输出，当 A/D 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期 间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A/D 转换结束时，此端输入一个高 电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK ：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ 。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一 +5V 。GND：地。ADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1 ，将地址存入地址锁存器 中。此地址经译码选通 8路模拟输入之一到比较器。 START上升沿将逐次逼近寄存

55、器复位。 下降沿启动 A/D 转换，之后 EOC输出信号变低，指示转换正在进行。 直到 A/D 转换完成， EOC变为高电平，指示 A/D 转换结束，结果数据已存入锁存器， 这个信号可用作中断申请。 当 OE 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 榿贰轲誊壟 该槛鲻垲赛。当检测到酒精气味时， 气体传感器的 A-B 间电阻变小， 则 ADC0809 的模拟输入端 IN0 的电压变大。采用查询方式对输入模拟信号进行 A/D 转换，然后将数据通过三位八段数码 管显示。 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。表 1 ADC0809通道地址ADDCADDBADDA选通通道000IN0001

56、IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN713武汉理工大学毕业设计（论文）ADC0809 芯片内部没有时钟脉冲源， 可以用单片机提供的地址锁存控制输入信号 ALE 经 D 触发器二分频后， 作为 ADC0809 的时钟输入。 ALE 端信号的频率是单片机时钟频率 的 1/6。单片机的时钟频率是 11.0952MHz，则 ALE 端输出信号的频率为 1.8492MHz ，再 二分频后为 0.9246Hz，符合 ADC0809 对时钟频率的要求。 由于 ADC0809 具有三态输出数 据琐存器，其 8 位数据输出端可以直接与数据总线相连。 地址选通端 ADDA

57、，ADDB ，ADDC 分别与单片机地址总线的低三位 A0， A1，A2 相连，用于选通 IN0-IN7 中的某一通道。由 于 ALE 和 START 连在一起， ADC0809 在锁存通道地址的同时启动 A/D 转换。在读取 A/D 转换结果时， OE产生的正脉冲信号用于打开三态输出锁存器。 ADC0809 的 EOC信号与单 片机的 P3.3 相连，作为 A/D 转换是否结束的状态信号供单片机查询。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。ADC0809 与 AT89S51单片机的接口电路如图 10所示11。单片机引脚 P3.6与 P2.7进 过或非门后于模数转换芯片的 ALE 端和 START 端子用导线相连接，用于对模数转换芯片 写入数据的写信号。单片机的 RD端 P3.7与