实时酒精含量测试仪的设计

泉州师范学院毕业论文（设计）题目实时酒精含量测试仪的设计物信学院电子信息科学与技术专业08级2班学生姓名谢晓明学号080303091指导教师柯跃前职称副教授完成日期2012年4月教务处制实时酒精含量测试仪的设计物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业080303091谢晓明指导老师柯跃前副教授【摘要】本设计采用MQ3酒精气敏传感器和单片机器件设计一款可编程的智能型实时酒精含量测试仪，可模拟实现对人体呼出气体中酒精含量的测试,并且通过LCD液晶实时显示测试数据。该装置可设定浓度阈值,并具有超值报警功能。系统通过MQ3传感器采集的数据，并转换为电压信号经A/D转换后传给单片机系统,由单片机及其外围电路进行信号的处理,实时显示酒精浓度值，当超阈值时报警。用C语言进行编程,程序采用模块化设计思想。【关键词】酒精含量，MQ3传感器，A/D549转换，单片机，LCD16022目录摘要……………………………………………………………………………………………1绪论……………………………………………………………………………………………3第一章酒精含量测试仪硬件电路设计………………………………………………………31.1课题要求………………………………………………………………………………31.2硬件总体设计思路………………………………………………………………41.3硬件电路主要器件的选择……………………………………………………………51.4气体传感气及放大电路…………………………………………………………51.4.1MQ3气体传感器简介……………………………………………………………51.4.2放大器LM358功能及管脚…………………………………………………61.4.3酒精传感器MQ3与放大器OP07连接电路………………………………………71.5模数转换器TLC549及连接电路…………………………………………………71.5.1模数转换器TLC549功能及管脚简介……………………………………………71.5.2模数转换器TLC549工作原理………………………………………………81.6DS1302时钟模块……………………………………………………………………91.7单片机AT89S52最小系统连接电路……………………………………………101.7.1单片机AT89S52功能及管脚简介………………………………………………101.7.2本设计单片机最小系统连接电路…………………………………………111.8LCD1602功能特性及管脚…………………………………………………………111.9本设计1602LCD与单片机接口电路……………………………………………121.10报警系统电路……………………………………………………………………131.11系统其他电路简介……………………………………………………………………131.11.1电源指示电路………………………………………………………………131.11.2电源电路……………………………………………………………………131.11.3程序下载口电路……………………………………………………………141.11.4按键控制电路………………………………………………………………141.11.5稳压电路……………………………………………………………………151.12本章小结………………………………………………………………………………15第二章酒精含量测试仪软件设计…………………………………………………………152.1主程序流程图及设计……………………………………………………………………15第三章酒精含量测试仪软硬件调试及测试过程………………………………………………163.1软硬件的合成调试……………………………………………………………………163.2调试故障及分析………………………………………………………………………173.3酒精浓度检测的原理及依据…………………………………………………………173.3.1检测原理……………………………………………………………………………173.3.2检测依据……………………………………………………………………………173.4传感器浓度校准…………………………………………………………………………183.5数据测试及分析………………………………………………………………………183.6实物图展示……………………………………………………………………………19第四章结论………………………………………………………………………………………20致辞……………………………………………………………………………………………20参考文献………………………………………………………………………………………21附录1电路原理图及PCB图……………………………………………………………………23附录2系统程序…………………………………………………………………………………253绪论随着汽车制造业的发展，全球汽车拥有量的增加，据德国一家调研机构预测，全球汽车（包括个人用车和商用车）保有量最迟到2010年将突破10亿量。随着汽车保有量的增加，交通事故也在不断的增加，全世界每年约有120万人死于道路交通事故，受伤者多达5000万人，同时全球道路交通事故每年造成的直接经济损失为5180亿美元，可见道路交通安全问题已成为全球性的主题。随着我国经济的快速发展，公路建设也得到了前所未有的发展机遇。随着公路运输业的发展，公安部交管局透露，截至2011年8月底，全国机动车保有量达到2.19亿辆。其中，汽车保有量首次突破1亿辆，占机动车总量的45.88%，是机动车的主要构成部分。随着汽车使用量的增加和道路交通事业的发展，也给社会带来了负面影响。为了能够有效的防止酒后驾驶造成的此类危害，研究一种酒精含量测试仪来测量驾驶员呼气中酒精浓度是否超标是非常必要的，降低交通事故的发生率。驾驶员酒后驾车就像一颗颗流动的“炸弹”，随时随地都有可能爆炸，威胁着我们的安全。据调查研究中显示，酒精对驾驶员有很大的影响，主要表现在以下几个方面：（1）酒精能麻醉人的中枢神经系统，使其功能失调，反应迟钝，动作不协调，酒后驾驶人的判断能力和操作能力明显下降，因为低浓度血中酒精可导致认知和驾驶能降低，特别是对光、声、图像、画面的反应时间延长，眼、手、脚之间的配合功能发生障碍，无法正确判断车速和车距。（2）酒精使驾驶人的意识模糊，注意力减弱或分散。驾驶人在中枢神经系统被麻醉情况下，无法集中注意力，视野范围缩小，视像模糊，对处于视野边缘的危险隐患难以发现。（3）酒精涉入一定量后使人的危险感受性下降,在酒精的麻痹下，人的触觉敏感度降低，危险感受性也会随着酒精作用而降低，因而容易对自己的能力过高估计，对周围人的劝告不予理睬，驾车行驶在路上也不会感觉有危险的存在，易于我行我素，横冲直撞。[1]第一章酒精含量测试仪硬件电路设计1.1课题要求设计一个便携式驾驶员酒精含量测试仪，测试人体呼出气体中酒精含量。它对酒精快速响应，预热时间短，灵敏度高，测量直观，功耗低。测试仪可以采用气体传感器作为敏感单元,把气体中含有的乙醇气态浓度转换成电信号,经电子电路放大以及微处理器处理,由LCD直观显示被测气体中的乙醇浓度。设计要求：（1）侦测浓度:危险浓度为大于0.4mg/L，安全浓度为小于0.25mg/L,介于两者之间是警戒浓度。（2）显示方式:使用LCD显示测量出来的酒精浓度值，并使用绿色LED亮指示安全状态，橙4色LED亮指示警戒状态，红色LED亮指示危险状态。（3）使用环境:0℃-40℃（4）使用电池:3VDC(AAA电池×2)（5）暖机时间:20秒内（6）测试时间：6秒1.2硬件总体设计思路思路从设计的要求出发，要求是测试酒精气体的浓度，必然要用到酒精传感器。设计出来的仪器要对酒精快速响应，预热时间短，这就对酒精传感器的性能指标有一定的要求，首先这个酒精传感器本身就很好的灵敏度，和检测到的酒精气体发生化学反应快。测量直观要求仪器有一个显示器，能直接从显示器上读取测试结果，这时选择一个LCD液晶做显示器。又考虑到酒精传感器采集到的电信号是微弱模拟信号，而单片机所能处理的是数字信号，所以还要运用运放和一块A/D转换芯片，把酒精传感器采集到的模拟电信号放大，并转换成数字电信号，再送到单片机进行信号处理，经单片机运算处理的数字电信号最后送到LCD液晶进行显示。以下是对本课题重点难点分析：设计重点:（1）掌握整个测试仪的工作过程、每个环节的原理。（2）单片机、酒精传感器、时钟模块、运放等器件的选用。（3）测量标定。设计难点：（1）酒精传感器、运放、A/D模数转换器、单片机、LCD显示的集成电路设计（2）采集数据、处理数据、以及显示数据的程序的编写。（3）酒精气体的采集过程。（4）测试数据时，精度达到要求。硬件设计总体框架电信号信号放大数字信号信号显示图1.1硬件设计总体框1.3硬件电路主要器件的选择在满足上诉测试要求的前提下，选择自己熟悉并且常用的器件，方便调试，而且容易买到，还要考虑到总体的成本，选择比较经济的器件，价格控制在一定范围内。本设计选择的主要器件有如酒精气体MQ3传感器电压信号放大器AD549转换器89C51单片机1602显示器5下：（1）单片机：AT89S52（2）酒精传感器：MQ3（3）运算放大器：LM358（4）A/D：TLC549（5）LCD：1602（7）时钟：DS13021.4气体传感气及放大电路气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上来讲，气体传感器是一种将气体体积分数转化成相对应的电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，一般情况下包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理以及样品抽吸，甚至是对样品进行化学处理，以便化学传感器能够进行较快速地测量。[2]这在选择传感器的时候，一定要考虑到稳定性、灵敏度、选择性和抗腐蚀性，因而选择MQ3型酒精传感器。1.4.1MQ3气体传感器简介MQ3气敏元件的结构和外形如图1.2所示,电路连接图如图1.3所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极与加热器构成的敏感元件固定在塑料或是不锈钢制成的腔体里，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装较好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。具有广泛的探测范围，适用于酒精检测。对乙醇蒸气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，简单的驱动回路等特点。通常用于机动车驾驶人员是否酗酒及其它严禁酒后作业人员的现场检测；也用于其它场所乙醇蒸气的检测.；也可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置。图1.2MQ3结构与外形图1.3MQ3电路连接回路中有两部分组成：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的变化。传感器表面电阻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。二者之间的关系表述为：RS/RL=(VCC－VRL)/VRL，其中VCC为回路电压，负载电阻RL可调为0.5～200K，VCC同时作为加热电压。[3]工作条件：使用温度在-20℃—55℃范围；储存温度在-20℃-70℃范围；相对湿度要求不大于95%RH；氧气浓度在21%(标准条件)。回路电压要求≤15V（ACorDC），加热电压要求是5.0V±0.26V，测量电压不大于24V。负载电阻要可调，加热电阻是31Ω±3Ω；加热功耗≤900mW，属于小功率；探测空气中酒精浓度范围100ppm-2000ppm。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，一般在测量前需要将传感器预热5分钟。MQ3灵敏度特性曲线资料如图1.4：图1.4MQ3灵敏度特性曲线本灵敏度曲线图条件：温度：20℃、相对湿度：65%、氧气浓度：21%RL=5kΩRs：元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。R0:元件在洁净空气中的电阻值。1.4.2放大器LM358功能及管脚LM358内部包含有两个相互独立的、增益高、内部频率补偿