酒精检测仪

宁波理工学院电子系统设计（论文）题目气体酒精浓度检测与开发姓名蒋伟俊贺济旸学号30904011003090401098分院信息科学与工程分院班级09通信工程2班指导教师孙林军完成时间2012年11月10日1摘要本文介绍了应用单片机STC89C51控制与处理的酒精测试仪的设计。随着社会的进步，酒精浓度的测试也越来越普遍。单片机控制下的酒精测试仪器在经济和实用上都具备一定的优势。该仪器主要包括：单片机最小系统，键盘输入，数据采集，A/D转换和LED显示4个模块。利用酒精传感器在环境中对酒精的敏感反映测得数据，将模拟量数据送入ADC0809进行A/D转换变成数字量数据，再送入单片机对二进制数据进行处理，比较设定数据与测试数据，输出到LED显示，并将比较结果反映到报警系统。关键词：AT89C51芯片；A/D转换；酒精传感器2目录第1章概述.................................................................31.1背景及意义...........................................................31.2国内外发展现状.......................................................31.3本文工作.............................................................3第2章传感器部分...........................................................42.1酒精传感器的原理.....................................................42.2酒精传感器（MQ-3）的介绍.............................................42.2.1MQ-3概述........................................................42.2.2MQ-3型气敏传感器技术指标........................................52.2.3传感器主要特点...................................................62.3MQ-3型气敏传感器的输出特性..........................................6第3章硬件设计.............................................................73.1系统功能.............................................................73.2模块设计.............................................................73.2.1处理模块.........................................................73.2.2显示模块.........................................................83.2.3键盘模块.........................................................93.2.4A/D转换模块....................................................103.2.5声音报警模块....................................................113.2.6电源模块........................................................12第4章软件设计............................................................134.1软件介绍............................................................134.2键盘扫描子程序......................................................144.3A/D转换与比较警报子程序............................................144.4显示子程序..........................................................15第5章总结................................................................163第1章概述1.1背景及意义如今，交通越来越发达，车流量日益增大，引发的交通事故也随之不断增加。其中，有很大一部分是由于司机酒后驾车所造成的，因此要严格处理酒后驾车。通过立法制止酒后驾车的急切呼吁要求发展更可靠的酒精测量方法。本文正是介绍一种通过使用呼出气体做酒精分析测量酒精浓度的方法，可以为检测酒后驾车提供帮助。1.2国内外发展现状由于价格和使用是否方便等因素所决定，目前普遍使用的只有燃料电池型(电化学型)和半导体型二种。这二种能够制造成便携型呼气酒精测试器，适合于现场使用。半导体型采用氧化锡半导体作为传感器，这类半导体器件具有气敏特性，当接触的气体中其敏感的气体浓度增加，它对外呈现的电阻值就降低，半导体型呼气酒精测试仪就是利用这个原理做成的。燃料电池型呼气酒精测试仪采用燃料电池酒精传感器作为气敏元件，它属于电化学类型，因此又称为电化学型。燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染。与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性好，精度高，抗干扰性好的明显优点。但遗憾的是由于燃料电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，所以价格相当昂贵，导致燃料电池型酒精测试仪的价格是半导体型酒精测试仪好几倍的事实。因此，本课题采用的是半导体型酒精测试仪。1.3本文工作本文介绍了应用单片机STC89C51控制与处理的酒精测试仪的设计。根据查阅资料整个过程主要分为以下部分：1.研究酒精传感器的原理及电路实现方法；2.A/D转换电路的设计；3.键盘模块的设计；4.酒精浓度检测仪整体电路的实现；5.酒精浓度检测仪功能的实现；6.整体功能的调试。4第2章传感器部分2.1酒精传感器的原理所谓气体传感器，就是将气体(一般指空气)中含有的特定气体(即待测气体)以适当的电信号检测或定量的器件。酒精传感器，就是利用二氧化锡在高温下遇到酒精气体时，电阻会急剧减小的原理制备的。2.2酒精传感器（MQ-3）的介绍考虑到经济实用性，我们采用MQ-3型酒精传感器。其主要应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。2.2.1MQ-3概述MQ-3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输出获得的。二者之间的关系表述为：RS/RL=(VC-VRL)/VRL，其中VC为回路电压，负载电阻RL可调，加热电压Uh一般为5V。MQ-3型气敏传感器的结构和外形如图2.1所示，标准回路如图2.2所示，传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系图如图2.3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。图2.1MQ-3型气敏传感器的结构和外形5图2.2MQ-3型气敏传感器标准回路图图2.3MQ-3型气敏传感器特性图2.2.2MQ-3型气敏传感器技术指标适用气体：酒精（乙醇）探测范围：10to1000ppm特征气体：100ppm酒精灵敏度：Rinair/Rintypicalgas≥5敏感体电阻：400to4000KΩinair响应时间：≤10s（70%Response）恢复时间：≤30s（70%Response）加热电阻：31Ω±3Ω加热电流：≤180mA加热电压：5V±0.2V加热功率：≤900mW贮存条件：温度:-20℃-70℃湿度:≤70%RH工作条件：环境温度:-10℃-65℃湿度:≤95%RH62.2.3传感器主要特点A、对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性B、快速的响应恢复特性C、长期的寿命和可靠的稳定性D、简单的驱动回路2.3MQ-3型气敏传感器的输出特性图2.4MQ-3型气敏传感器的灵敏度特性如图2.4，给出了MQ-3气敏元件的灵敏度特性。其中，温度：20°C、相对湿度：65%、氧气浓度：21%、RL=200K、Rs：元件在不同气体，不同浓度下的电阻值、Ro：元件在洁净空气中的电阻值。图2.5MQ-3型气敏元件的温湿度特性Ro：20°C，33%RH条件下，0.4mg/L浓度的乙醇蒸汽中元件电阻、Rs：不同温度，湿度下，0.4mg/L浓度的乙醇蒸汽中元件电阻。7第3章硬件设计3.1系统功能该酒精浓度测试仪根据功能分，主要有5个部分组成：处理模块，数据的采集和A/D转换，键盘模块，数据输出LED显示，警报模块。各个模块连接到一起，功能结合起来就是一个整体的酒精浓度测试仪。系统框图如图3.1所示，传感器将测试环境中的酒精浓度转换为电信号，经过放大、A/D转换后送入单片机处理，单片机将酒精浓度信息转换为十进制数，查表获得对应的数码管显示代码，并送到LED数码管上显示。键盘模块设定标准值，使标准值可变，应用范围更广泛，另外还设定开启键以及设定标准值时避免输错的退格键和重输的复位键，只有在开启键按下时，才启动单片机工作，数据才会被采集处理。传感器MQ-3单片机A/D转换LED显示键盘报警电路被测环境图3.1系统总体框图3.2模块设计3.2.1处理模块单片机最小系统是该测试仪器最为核心的部分，是数据处理，数据输入输出的重要通道。单片机的最小系统主要有外部时钟电路和手动复位电路两个部分，如图3.2所示。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)就构成了外部振荡方式。手动复位时，按下复位按钮，电容C通过1kΩ电阻迅速放电，使RST端迅速变为高电平，复位按钮松开后，电容通过R和内部下拉电阻放电，逐渐使RST端恢复为低电平。8图3.2单片机的最小系统3.2.2显示模块显示模块主要由两个4位动态共阳数码管、三极管9012、74LS138译码器和74LS373锁存器组成。高3位显示为测量值，低3位显示为设定值，其连接图如图3.3所示。位选由74LS138译码器控制输出7个高电平和1个低电平，通过三极管9012为PNP型低电平导通的特性，实现对应位的导通并显示。再通过P0口连接74LS373锁存器，将字型码输入到LED显示字型，从而达到动态显示的目的。图3.3显示模块电路93.2.3键盘模块键盘模块是测试仪的外部控制模块。其功能是对测试仪设定初值，然后是启动、撤销、重启等键对测试仪的直接控制。本课题采用的是4×4矩阵式键盘，其排列和连接如图3.4所示。S1至S10键是0-9的十个数字键，用于输入初始设定值。S14键是退格键，在输入出错时退一格重输。S15键是复位键，如果想重新开始或者重新测量时直接按复位键再设定。S16键是确认键也称启动键，在输入设定值后按下就开始工作了。图3.4矩阵式键盘连接电路工作原理：当无按键闭合时，P10-P13与P14-P17之间开路。当有键闭合时，与闭合键相连的两条I/O口线之间短路。判断