酒精浓度检测仪的设计(中北大学)

测控电路课程设计专业：测控电路与仪器班级：12050342姓名：李天照学号：12050342192目录一、前言..............................................................4二、酒精测试仪总体方案设计.........................................42.1酒精浓度检测仪设计要求分析...................................42.2酒精浓度检测仪设计方案........................................4三、硬件设计.........................................................53.1传感器的选择.................................................53.2A/D转换电路...................................................63.389C51单片机系统...............................................93.4LED显示电路..................................................123.5报警电路.....................................................13四、软件设计........................................................144.1主程序框图...................................................144.2数据采集子程序程序框图.......................................154.3报警子程序程序框图...........................................15五、课程设计系的心得体会..........................................17六、参考文献........................................................17附图整体电路图.....................................................18酒精浓度检测仪的设计3一、前言近年来，我国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繁发生。为此，我国将酒驾列入刑法范围内，所以需要设计一智能仪器能够检测驾驶员体内酒精含量。本课程设计研究的是一种以气敏传感器和单片机A/D转换器为主，检测驾驶员呼出气体的酒精浓度，并具有声光报警功能的空气酒精浓度监测仪。其可检测出空气环境中酒精浓度值，并可根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警来提示危害。本课题分为两部分：硬件设计部分和软件设计部分。硬件部分为利用MQ3气敏传感器测量空气中酒精浓度，并转换为电压信号，经A/D转换器转换成数字信号后传给单片机系统，由单片机及其相应外围电路进行信号的处理，显示酒精浓度值以及超阈值声光报警。程序采用模块化设计思想，各个子程序的功能相对独立，便于调试和修改。而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、A/D转换电路、声光报警电路、LED显示电路，，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍。二、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。由单片机系统控制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。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，报警电路等。其总体框图如图2-1所示。图2-1基本工作原理图三、硬件设计43.1传感器的选择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MQ3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。MQ3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RS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0-5V。MQ3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3-3所示。为了使测量的精度达到最高，误差最小，需要找到合适的温度，一般在测量前需将传感器预热5分钟。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。图3-1MQ3结构和外形5图3-2MQ3结构图图3-3传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系在系统电路调试正确以后，要作改进工作，使数码管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，最小为100ppm，依次增加300ppm，再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，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11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10个标准区间范围定下来，如表1。档位酒精浓度C1C2C3C0100ppm1400ppm2700ppm31000ppm41300ppm651600ppm61900ppm72200ppm82500ppm92700ppm表1根据表所对应的关系，修改数据处理程序部分，建立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。3.2A/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。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2μs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。3.2.1ADC0809的引脚及功能逐次比较型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3-4所示。图3-4ADC0809的引脚7ADC0809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：⑴IN0-IN7是8路模拟信号输入端。⑵D0-D7是8位数字量输入端。⑶A、B、C与ALE控制8路模拟通道的切换，A、B、C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：ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能换1路，共用一个A/D转换器进行转换，各路之间的切换由软件改变C、A、B引脚上的代码来实现。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，图3-5为通道选择表。图3-5通道选择表⑷OE、START、CLK为控制信号端，OE为输出允许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。⑸VR(+)和VR(-)为参考电压输入端。3.2.2ADC0809的结构及转换原理ADC0809的结构框图如图3-6。ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V电源供电。片内有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A引脚的功能来决定所选的通道。0809完成一次转换需100μs左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到MCS-51的数据总线上。通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。8图3-6ADC0809的结构框图3.2.3ADC0809连线图ADC0809与单片机的连线图如图3-7：STARTCLKOEVR(+)VR(－)VCCGNDEOCD0...D7三态输出锁存器8位A/D转换器地址锁存与密码CBAALE8路模拟量开关IN7….IN09图3-7ADC0809的连线图3.389C51单片机系统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。3.3.1单片机片内结构51单片机的片内结构如图3-8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：⑴微处理器（CPU）。⑵数据存储器(RAM)。⑶程序存储器（ROM/EPROM）。⑷4个8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）。⑸一个串行口。10⑹2个16位定时器、计数器。⑹2个16位定时器、计数器。⑺中断系统。⑻特殊功能寄存器（SFR）。图3-851单片机片内结构上述功能部件都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但CPU对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。从硬件角度来看，与MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列机，比在片外加EPROM才能相当的8031单片机抗干扰性能强，与87C51单片机技能相当，但功耗小。程序修改直接用+5V或+12V电源擦除，更显方便、而且其工作电压放宽至2.7V-6V，因而受电压波动的影响更小，而且4