酒精浓度测试

1、酒精浓度测试仪的设计  摘  要：本设计的酒精浓度测试仪是一款实用性强、安全可靠的气体乙醇浓度检测工具，采用高精度MQ-3乙醇气体传感器对人呼出的乙醇浓度进行检测，利用高性能低成本单片机 STC89C52对检测信号进行A/D转换和处理，最后通过液晶屏显示输出。关键词：单片机 ；A/D转换和处理;MQ-3；乙醇气体传感器 目  录摘要.第一章 绪论 . . 1.1本课题的研究的背景以及现实意义 .  1.2关于本课题的简介 . . 1.3 设计酒精

2、浓度探测仪的意义. 1.4 本文主要研究工作.第二章 硬件设计 . . 2.1乙醇信号检测及调理电路 . . 2.2单片机电路 . . 2.3显示电路 . 第三章 仿真与程序.  3.1设计仿真.  3.2程序. 第四章 设计总结 . 参考文献 . .第一章 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

3、，预计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，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新的增长点。  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

4、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

5、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。 1.2关于本课题的简介 本课题是关于一个检测汽车司机饮酒程度的设计。分为十档，用一个数码管显示，要求能抗汽油味干扰。采用的方法是测量司机呼出气体中的酒精含量，若其含量<100ppm，则为0档。以后含量每增加300ppm就加一档。以此类推。1.3 设计酒精浓度探测仪的意义 本设计基于STC89C52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

6、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。 酒精气体浓度探测仪在生产生活中

7、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 本文主要研究工作 本文以STC89C52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

8、显示和3个单位8段共阴数码管浓度值显示。 (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，可以

9、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。第二章 硬件设计2.1总体电路设计 通过气敏传感器将人呼出的气体进行变换成电信号，然后通过A/D转换器进行转换成数字信号，输入到单片机中，通过单片机的分析处理，输出到二极管和LED，其中，二极管表示的是十个档位，LED显示具体的酒精浓度。二极管单片机MQ气敏传感器A/D转换器输入 LED

10、 图1总体电路图2.2乙醇信号检测及调理电路MQ-3乙醇气体传感器可以应用用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测，也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。其技术特点为： 对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性 ；快速的响应恢复特性 ；长期的寿命和可靠的稳定性 ； 简单的驱动回路 。  主要技术指标如表1所示： MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线如图2所示，其传感原理为气敏电阻的输出阻值随乙醇气体等浓度变化而变化。 表1 MQ主要性能指标 图2  MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线MQ-3乙醇气体传感器管脚与

11、测试电路如图3所示。图3 MQ-3乙醇气体传感器管脚及测试电路 MQ-3乙醇气体传感器及其调理电路原理如图4所示。经过调理，检测信号由电阻值转变成电压值，便于后续电路进行A/D转换和处理。  图4 传感器及调理模块原理图 该传感器模块方便与单片机系统接口组成检测器。具有如下特点： （1）具有信号输出指示；（2）双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）； l （3）TTL输出有效信号为低电平；（4）当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机  ；       

12、        l （5）模拟量输出05V电压，浓度越高电压越高。 本设计采用ADC0809来进行采样转换。ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。目前仅在单片机初学应用设计中较为常见。2.3 ADC0809ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、度、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换

13、器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图5所示。 图5 ADC0809引脚图下面说明各引脚功能：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。ALE：地址锁存允许信号，输入端，产生一个正脉冲以锁存地址。START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC： A/D转换结束信号，输出端，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

14、据输出允许信号，输入端，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。主要特点：1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100s(时钟为640KHz时)，130s（时钟为500KHz时）。4）单个+5V电源供电。5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40+85摄氏度。 2.4单片机电路本设计采用的STC89C52是STC公司生产的一种

15、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。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活。   单片机引脚及实物图6如下： 图6 单片机引脚及实物图 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容

16、传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 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。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。主要特性：1. STC89C52RC单片机:2. 8K字节程序存储空间；3. 512字节数据存储空间；4.内带4K字节EEPROM存储空间;5.可直接使用串口下载；6. AT89S52单片机:7. 8K字节程序存储空间；8. 256字节数据存储空间；9.自

17、带2KB的EEPROM存储空间;器件参数：1. 增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051.1 2. 工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）3.工作频率范围：040MHz，相当于普通8051 的080MHz，实际工作 频率可达48MHz4. 用户应用程序空间为8K字节5. 片上集成512 字节RAM6. 通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。7.

18、ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片8. 具有EEPROM 功能9. 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T210.外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒11. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART12. 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）13. PDIP封装2.5电路显示 本设计采用LED显示，发光二极管进行档位显示。十个发光二极管用LM

19、3914进行驱动。 LED数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应

20、，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低其显示电路如图7。图7显示电路 LM3914是美/条显示驱动集成电路0级精密电压比较器、1.25V基准电压源及择电路等。10级电压比较器的同相输入端与电阻分压器相连，电阻分压器由10只1k精密电阻串联组成，各级比较器的加权值相等，构成10级线性显示驱动器，适用于LED(亦可驱动LCD、VFD)电平表的线性标度器件。工作电压为3V25V(最高为48V)，输出电流在230mA范围可调，输出端承压能力为±35V，

21、最大输出限制在30mA之内。输入缓冲器接成跟随器形式，提高了输入阻抗和测量精度。LM3914内部设有迟滞电路，显示不是从一个LED立刻跳到另一个LED，而是平缓过度，可消除噪声干扰，改善输入信号快速变化时引起的闪烁现象。由于内部电阻分压器是浮接的，所以电压测量范围很宽。 图8档位显示电路图第三章 设计仿真和程序3.1设计仿真 图9仿真图 右边的显示器是显示测出来的酒精浓度的值，左边的二极管是表示十个不同的档位。3.2程序：sfr ADC_CONETR=0XBC;sfr AUXR1=0XA2;sfr ADC_RES=0XBD;sfr ADC_RESL=0XBE;sfr PAISF=0X9D;if(m_data>3200)C=0.11*m_data-22else if(m_data>2740)c=0.35*m_data-789;else if(m_data>2230)c=0.317m_data-294;else if(m_data>1730)c=0.11*m_data-156;else if(m_data>1450)c=0.046*m_data-47;else if(m_data>1100)c=0.014*m_data;elsec=0;dispaly(c);第四章 实验总