酒精浓度检测仪

1、2010级机电一体化技术专业综合训练酒精浓度检测仪学生学号： 学生姓名： 指导教师： 机电工程系2012年10月 30 日机电一体化专业群专业综合训练任务书任务名称酒精浓度检测仪学生姓名学号指导教师专业班级任务内容要求传感器信号采集AD转换单片机运算LED灯显示报警时间安排第一周 选择可用的传感器第二周 分析设计流程图第三周 设计程序第四周 设计电路调试及写实验报告结题要求.成绩评定指导教师签字年 月 日目录任务书 1摘要 3关键字 3一、气敏传感器 41.1 气敏传感器工作原理 41.2 气敏传感器 4二、酒精浓度检测仪发展的现状 52.1 气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展 52.

2、2 国内现状与差距 6三、系统硬件设计 6.31 系统整体设计方案 63.2 MQK2传感器的特性及性能指标 73.2.1特性 73.2.2应用73.2.3特性参数73.2.4注意事项83.2.5工作环境83.2.6传感器输出电压与酒精浓度关系83.3 传感器信号采集电路 83.4 A/D转换电路 93.4.1 ADC0809的内部逻辑结构93.4.2 ADC0809引脚结构 103.4.3 ADC0809对输入模拟量要求 113.4.4 ADC0809通道选择 113.4.5 ADC0809应用说明 123.5单片机系统12四、软件处理部分 15.4.1 酒精测量处理部分154.2.1 程序

3、设计 16五、设计中的问题18总 结 18致 谢 19参 考 文 献 19摘 要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，酒精浓度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

4、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。综观现有的酒精检测器,系统实现方案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。本设计用的MQK2酒精传感器就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：酒精传感器 MQK2 AT89S52单片机 一、气敏传感器1. 1 气敏传感器工作原理 气敏电阻是一

5、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。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3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（R11、R12）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

6、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

7、子吸附。如H2、CO、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，载流子增多，使半导体电阻值下降。1.2 气敏传感器 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

8、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、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。二、酒精浓度检测仪发展的现状 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

9、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。2.1 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

10、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，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）×106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

11、感器实现了智能化、多功能化。2.2 国内现状与差距气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是：（1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品;（2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料;（3）低

12、功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试;（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。三、系统硬件设计31 系统整体设计方案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

13、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，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。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、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。MQ

14、K2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。图1、系统方框图3.2 MQK2传感器的特性及性能指标3.2.1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。3.2.2应用对酒精气体的检测。3.2.3特性参数l、回路电压：(Vc) 5-24V2、取样电阻：(RL) 0.5

15、-20K3、加热电压：(VH)5±0.1V4、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3.2.4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。3.2.5工作环境：温度-10-+50相对湿度0-90RH。3.2.6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。酒精浓度电压值60mg/L1.2v80mg/L(正常)1.6v100mg/L（醉酒）2 v120mg/L2.4v图2 酒精浓度同输出电压的近似关系3

16、.3 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，如图3所示。MQK2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。 设定在酒精浓度为0时，其输出电压为1.6v。图3 MKQ2酒精传感器电路3.4 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

17、。模数转换采用ADC0809,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。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 3.4.1 ADC0809的内部逻辑结构 由下图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的

18、数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图4 ADC0809的内部逻辑结构3.4.2 ADC0809引脚结构 ADC0809各脚功能如下：D7-D0：8位数字量输出引脚。IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：A/D转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。A、B、C：地址输入线。3.4.3

19、ADC0809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。 3.4.4 ADC0809通道选择 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表1 通道的选择 ST

20、为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809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3.4.5 ADC0809应用说明 1 ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S

21、51单片机直接相连。 2 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 3 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 4 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 5 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 6 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机。 3.5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

22、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。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。其电路如图5。报警电路采用单片机I/O口外接三

23、极管驱动蜂鸣器，发出报警信号，如图所示。 图6 单片机基本电路 图7 蜂鸣器电路 图8 显示电路部分图9 整体电路设计四、软件处理部分4.1 酒精测量处理部分 将传感器输出经调整后的模拟电压输入转换器进行A/D转换。 MQK2酒精传感器输出电压与酒精浓度近似为线性关系，由图2可得酒精浓度与输出电压的近似函数关系。我国对酒后驾驶的判定界限为100300 mg/L (血液中的酒精浓度)。4.2 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,开始预热至少300s，然后开启A/D转换器，读取数据，经单片机运算，然后通过led等的累积点亮显示。4.2.1 程序设计 #include<

24、;reg51.h>unsigned int i,j,a,k;/定义变量unsigned char getdata;/定义AD转换的数据存储单元unsigned int temp;/定义比较变量sbit st=P30; /口的定义sbit oe=P31;sbit eoc=P32;sbit clk=P33;sbit P34=P34;sbit P35=P35;sbit P36=P36;sbit P14=P14;void timeinitial();/声明时间的初始化void delay(unsigned int i);/声明延时变量void timeintial()/模拟时钟信号的时间初始化函

25、数TMOD=0x10;TH1=(65535-200)/256;TL1=(65535-200)%256;EA=1;ET1=1;TR1=1;void delay(unsigned int i) /延时函数unsigned int j,k;for(k=0;i>k;k+)for(j=0;j<125;j+);jiujing()/AD转换及数据的采集st=0;oe=0;/delay(4);st=1;/delay(4);st=0;P34=1;P35=1;P36=0;while(eoc=0);oe=1;/delay(4);getdata=P0;oe=0;/delay(4);temp=getdata

26、*1.0/255*500;chuli()/对采集来的数据的处理if(temp<=160)a =0x01;else if(temp>160&&temp<=200)a=0x03;else if(temp>200&&temp<=240)a=0x07;else a=0x0f;baojing()/报警函数if(a>=0x07)for(k=0;k<16;k+)P14=P14;display()/显示函数 P1=a; main()/主函数timeintial();/模拟时钟信号的时间初始化函数while(1)jiujing();/AD转换及数据的采集chuli();/处理baojing();/报警display();/显示a=0;/变量清零 void t1(void) interrupt 3 using 1/用定时器模拟的时钟信号TH1=(65535-200)/256;TL1=(65535-200)%256;clk=clk;五、设计中的问题在本设计中报警程序有很大的不足不能达到实际中的相应效果。总 结本文设计了基于单片机的酒精浓度检测仪，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