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酒精浓度检测仪的设计
毕业论文
酒精浓度检测仪的设计
摘要
本文研究设计了一种用于公共场所具有检测及超限报警功能的酒精浓度智能测试仪。
其设计方案基于89C51单片机，MQ3酒精浓度传感器。
系统将传感器输出信号通过A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，最后由LCD显示酒精浓度值。
从而让驾车的人知道自己该在什么情况下可以开车，这是一个在现代生活很实用。
经过大量的验证，基于单片机的酒精浓度监测仪检测仪比传统的机械检测仪或酒精计灵敏，监测精度高，准确方便，可靠性好，扩展简单，控制功能强大。
对超出阀值进行声光报警，直观准确。
所以基于单片机的酒精浓度监测仪的研究具有一定的价值。
关键词：
酒精浓度传感器；单片机；数模转换；硬件设计；数码管显示
Alcoholconcentrationdetectordesign
Abstract
Thispaperstudieshasbeendesignedforpublicinspectionandoverrunalarmfunctionwiththealcoholconcentrationintelligenttester.Itsdesignschemebasedon89C51,MQ3alcoholconcentrationsensor.SystemwillsensoroutputsignalthroughtheA/Dcircuitrecuperation,dataprocessingbyMCU,finallybyLCDdisplayalcoholchromavalue.Soletthepeopleknowwhatoneselfshoulddriveinwhatcircumstancescandrive,thisisaverypracticalinmodernlife.
Afteragreatdealofverification,basedonSCMalcoholconcentrationmonitordetectorthantraditionalmechanicaldetectororalcoholplans,monitoringhighprecision,sensitivity,gooddependability,preciseconvenientextendedsimple,controlpowerfulfunctions.Beyondthevalueofacousto-opticalarm,intuitiveaccurate.SobasedonSCMalcoholconcentrationmonitorresearchhascertainvalue.
Keywords：
Alcohoconcentrationsensor;microcontroller;digital-to-analog;hardware
design;digitalpipedisplay
第1章绪论
检测仪向更迅速更快捷发展，方便携带等要求发展。
传统的机械检测仪或酒精计一般灵敏度和准确度也比较低或者检测方法难，同时单片机既有通用计算机的基本部件，又不同于计算机。
有体积小，实时快速的对外部事件做出响应，迅速采集大量数据，做出逻辑判断与推理后实现被控对象的参数调整与控制，且能满足检测仪的设计要求，所以基于单片机的酒精浓度检测仪的开发有很大意义。
1.1酒精浓度检测仪的背景
以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型，即：
燃料电池型（电化学）、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型。
但由于价格和使用方便的原因，常用的只有燃料电池型（电化学型）和半导体型两种。
燃料电池可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染，酒精传感器只是燃料电池的一个分支。
燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满特种催化剂，使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比。
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，抗干扰性好的优点。
但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。
从传感器技术发展的角度看，根据使用传感器原理的不同，常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域，新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流，现在的酒精浓度检测仪都是采用可替代吹管，酒精仪从传统的机械检测或酒精计到现在的利用传感器和单片机位核心技术的酒精浓度检测仪式在技术上是一大突破，大大提高了检测酒精的精确度。
1.2酒精浓度检测仪现状及发展趋势
根据使用传感器原理的不同，常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域，新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流，如今的酒精浓度检测仪都是采用可替代吹管，酒精仪从传统的机械检测或酒精计到现在的利用传感器和单片机位核心技术的酒精浓度检测仪式在技术上是一大突破，大大提高了检测酒精的精确度，更能满足市场的需求。
但是当前大部分一般的酒精浓度检测仪价格较低的灵敏度并不是很强，准确度高的一般售价也比较昂贵，并且大多只是对结果进行预警、低报、高报三限报警点设置，所以在LED显示酒精浓度数值上应实现普及，得到准确的浓度数值。
同时很多其他气体会可能会对其影响，从而影响准确度。
所以在传感器的腐蚀性以及排除其他干扰的能力值得提升。
现在大多都是检测气体浓度或液体浓度的检测，最好是能解决一个检测仪同时检测气体和液体两种不同状态的酒精浓度。
1.3本课题实现目标
本论文主要完成酒精浓度检测仪软件设计，设计内容包括：
A/D转换器程序、控制程序、超标报警、键盘检测、数据显示等。
系统采用单片机为控制核心，以实现便携式酒精浓度检测仪的基本控制功能。
系统主要功能内容包括：
数据处理、超标报警。
本系统设计采用功能模块化的设计思想，设计器件简介和选择；电路的设计和调试。
硬件设计部分主要包括：
MCU、A/D、LCD、外围扩展数据RAM等芯片的选择。
1.4本章小结
如今各个地方对安全意识增强，对检测的精度高，准确度高，携带方便要求。
再加上气体传感器的发展，单片机具有受集成限制，片内储存量较小，可靠性好，扩展简单，控制功能强等特点，基于单片机的酒精浓度检测仪的研究和开发生产具有十分广泛的现实市场和潜在的市场需求。
本章主要从单片机和传感器以及基于单片机的酒精浓度监测仪的研究背景，国内外现状及其发展趋势，本设计所要实现的目标三个方面作出的阐述。
其中最重要的是本设计所要实现的目标，其次是基于单片机的酒精浓度检测仪的发展趋势。
第2章设计方案和元器件选择
通过对单片机和传感器的了解，在智能仪表上的优势有很多，耗能小、准确度高、超强集成化、以及稳定性能等等，注定了单片机在各个领域的应用。
所以在酒精浓度检测的设计中也选择了单片机作为控制核心。
同时需要的部件包扩酒精浓度传感器、数模转换器、、LED显示器、键盘以及声音报警。
无需其他计算机，用户就可以进行交互工作，完成数据的采集、储存、计算、分析等过程。
该仪器电路简单，软件功能完善，灵敏度高，工作性能好，并且具有尺寸小、方便携带、低功耗、低成本等优点。
2.1设计方案
由酒精浓度测试仪对待测气体（液体）进行检测，气体传感器是将一种气体体积分时转化成对应电信号的转换器。
探测头通过气体传感器的对气体样品进行处理，通常包括滤除杂质和干燥气体、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的测量。
转换成输出电压信号。
然后以单片机为核心的控制：
定时进行各个功能模块的自诊断，并对外界的异常情况做出快速处理。
对无法解决的问题，应及时切换到后背装置或报警。
具有完善的输入输出通道和实时控制能力：
对生产过程进行检测和控制，有多种信号需要传送，因此要求系统配备完善的模拟量和数字量输入输出通道和完善的中断系统和处理功能。
信号采集处理、声光报警电路以及显示、键盘、PC接口电路。
测试仪进行气体检测的基本步骤是单片机采集酒精传感器的响应信号，并且进行转换，模数转换就是用于快速，高精度的对输入信号采样编码，然后转化成数字量储存在数据储存器中，然后单片机通过特定的算法进行气体浓度的识别，同时和所设值进行对比，超出则报警同时显示浓度数值，没超出只显示浓度数。
并且将结果输出到LCD显示屏幕上。
2.2元器件选择
2.2.1单片机的选择
本系统采用单片机为控制核心。
我们选择单片机STC89C51为控制核心；主要基于考虑STC89C51是无法解密低功耗,超低价高速，高可靠强抗静电，强抗干扰,功能强大的单片机。
STC89C51有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，片内振荡器及时钟电路，89C5X可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
同时STC89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发本。
STC单片机有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
[1]STC89C51单片机单片机引脚功能（如图2.1）：
•Vcc：
电源电压
•GND：
地
图2.1单片机引脚图
STC89C51是的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256Kbytes的随机存取数据存储器，器件采用高密度，非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8051产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大，STC89C51单片机适合于许多较为复杂控制应用场合[3]。
主要性能参数：
•8K字节可重擦写FLASH闪存存储器
•1000次写/擦循环
•时钟频率：
0Hz—24MHz
•三级加密存储器
•256字节内部RAM
•32个可编程I/O口线
•3个16位定时/计数器
•6个中断源
•可编程串行UART通道
•低功耗的空闲和掉电模式
•片内振荡器和时钟电路
2.2.2传感器
气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。
从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。
探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，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地测量[2]。
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，本系统选择MQ3型酒精传感器。
MQ3酒精传感器是气敏传感器，其具有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性[4]。
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者不锈钢的腔体内，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[6]。
二者之间的关系表述为：
RS/RL=（VC－VRL）/VRL，其中VC为回路电压，10V。
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如图2.2所示，标准回路如图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，一般在测量前需要将传感器预热20s。
图2.2MQ3的结构和外形
图2.3MQ3标准回路
2.2.3数模转换器
实现A/D转换的基本方法很多，有计数法、逐次逼近法、双斜积分法和并行转换法。
由于逐次逼近式A/D转换具有速度，分辨率高等优点，而且采用这种方法的ADC芯片成本低，所以我们采用逐次逼近式A/D转换器。
逐次逼近型ADC包括1个比较器、一个模数转换器、1个逐次逼近寄存器（SAR）和1个逻辑控制单元[5]。
逐次逼近型是将采样信号和已知电压不断进行比较，一个时钟周期完成1位转换，依次类推,转换完成后，输出二进制数。
这类型ADC的分辨率和采样速率是相互牵制的。
优点是分辨率低于12位时，价格较低，采样速率也很好。
ADC0832模数转换器具有8位分辨率、双通道A/D转换、输入输出电平与TTL/CMOS相兼容、5V电源供电时输入电压在0～5V之间、工作频率为250KHZ、转换时间为32微秒、一般功耗仅为15MW等优点，适合本系统的应用，所以我们采用ADC0832为模数转换器件。
ADC0832具有以下特点：
•8位分辨率；
•双通道A/D转换；
•输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
•5V电源供电时输入电压在0~5V之间；
•工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；
•一般功耗仅为15mW；
•8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；
•商用级芯片温宽为0度to+70度，工业级芯片温宽为−40度to+85度；芯片接口说明：
•CS_片选使能，低电平芯片使能。
•CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
•CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
•GND芯片参考0电位（地）。
•DI数据信号输入，选择通道控制。
•DO数据信号输出，转换数据输出。
•CLK芯片时钟输入。
•Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。
2.2.4AT24C02存储器
在本设计中使用的是24C02存储芯片，是电可擦除的PROM，8个引脚功能及两线串行接口。
电压允许范围1.8V~5V。
串行E2PROM是基于I2C-BUS的存储器件，遵循二线制协议，由于其具有接口方便，体积小，数据掉电不丢失等特点，在仪器仪表及工业自动化控制中得到大量的应用。
在一般单片机系统中，24C02数据受到干扰的情况是很少的，基本的读写功能外，还对地址功能以及WP引脚保护功能进行了全面的检测，发现一种ATMEL（激光印字）以及XICOR牌号的24C02具有全面的符合I2C总线协议的功能，而有些牌号24C02要么没有WP引脚保护功能，要么没有器件地址功能（即2片24C02不能共用一个I2C总线），有些甚至两种功能均无。
所以说一些同样功能型号的电子器件在兼容性上往往会带来意想不到的问题，值得引起注意。
2.2.5LCD显示
液晶显示模块与计算机的接口电路有两种方式。
它与单片机的接口方法分为直接访问方式和间接控制方式。
直接访问方式是把液晶模块作为存储器或I/O设备直接接在单片机的总线上，单片机以访问存储器或I/O设备的方式操作液晶显示模块的工作。
间接控制方式则不使用单片机的数据系统，而是利用它的I／0口来实现与显示模块的联系。
即将液晶显示模块的数据线与单片机的P0口连接作为数据总线，另外三根时序控制信号线通常利用单片机的P2口中未被使用的I／O口来控制。
这种访问方式不占用存储器空间，它的接口电路与时序无关，其时序完全靠软件编程实现[7]。
LCD1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16×1，16×2，20×2和40×2行等的液晶显示模块，模块组件内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。
1602液晶显示屏采用标准的16脚接口，其中各接口的功能如下表（2-1）所示：
表2-1LCD1602的16管脚功能
引脚号
引脚名
电平
输入/输出
引脚说明
1
VSS
电源地
2
VDD
电源正极（+5V）
3
VL
液晶显示偏压信号
4
RS
0/1
输入
数据/命令选择端，0：
输入指令，1：
输入数据
5
R/W
0/1
输入
读/写选择端，0：
向LCD写入指令或数据，1：
从LCD读取信息
6
E
1→0
输入
使能信号，1时读取信息，1→0（下降沿）执行指令
7
D0
0/1
输入/输出
数据总线（最低位）
8
D1
0/1
输入/输出
数据总线
9
D2
0/1
输入/输出
数据总线
10
D3
0/1
输入/输出
数据总线
11
D4
0/1
输入/输出
数据总线
12
D5
0/1
输入/输出
数据总线
13
D6
0/1
输入/输出
数据总线
14
D7
0/1
输入/输出
数据总线（最高位）
15
BLA
+VCC
LCD背光电源正极
16
BLK
接地
LCD背光电源负极
2.3本章小结
本章对本文设计的主要部件进行介绍，了解了相关部件的组成以及基本结构基本工作原理，让我们对每个模块清楚其工作方式，工作步骤，以及工作原理。
各个元器件的作用功能后对本设计的分析，需要哪些元器件，具体到什么型号，下面是对各个元器件的选择，在元器件选择生起到指导作用，以及更好的发挥各个部件的功能作用。
根据对元器件的选择基本了解到本设计以单片机为核心，由酒精浓度测试仪对待测气体（液体）进行检测，转换成输出电压信号，以单片机STC89C51为核心的控制、信号采集处理、声光报警电路以及显示、键盘、PC接口电路。
测试仪进行气体检测的基本步骤是单片机采集酒精传感器的响应信号，并且进行转换，储存在数据储存器中，然后单片机通过特定的算法进行气体浓度的识别，并且将结果输出到LCD显示屏幕上。
第3章硬件设计
基于单片机酒精浓度检测仪的硬件设计部分。
首先，我们必须了解它的硬件设计原理。
其次，需要弄清楚它的总体构成及具体的外围电路。
最后，根据其原理框图和具体的外围电路得到完整的硬件总电路图。
3.1硬件设计原理
由酒精传感器对待测气体（液体）进行检测，转换成输出电压信号，仪单片机为核心的控制、信号采集处理、声光报警电路以及显示、键盘、PC接口电路。
测试仪进行气体检测的基本步骤是单片机采集酒精传感器的响应信号，并且进行转换，储存在数据储存器中，然后单片机通过特定的算法进行气体浓度的识别，同时将分析的值与设定值进行对比，对超出设定值进行报警，并且将结果输出到LED显示屏幕上。
本系统由酒精传感器，数模转换器，单片机，键盘，声音报警以及LCD显示等部分组成，在这次的整体设计中详细涉及下面几个方面,其原理框图如：
图3.1:
图3.1单片机与LCD、键盘及声音报警电路的电路连接图
3.2硬件设计的外围电路
3.2.1晶振电路
单片机工作的过程中各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序称作时序，单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部各种微操作提供时间基准，89c51的时钟产生方式有两种，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。
内部时钟方式即在单片机的外部接一个晶振电路与单片机里面的振荡器组合作用产生时钟脉冲信号，外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内，此方式常用于多片89C51单片机同时工作，以便于各单片机的同步，一般要求外部信号高电平的持续时间大于20ns.且为频率低于12MHz的方波。
对于CHMOS工艺的单片机，外部时钟要由XTAL1端引入，而XTAL2端应悬空[8]。
本系统中为了尽量降低功耗的原则，采用了内部时钟方式。
图3.2晶振电路图
在89C51单片机的内部有一个震荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振）就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号，图中电容器C1和C2稳定频率和快速起振，电容值在5—30pF，典型值是22pF，晶振CYS选择的是12MHz。
3.2.2复位电路
单片机开始工作的时候，必须处于一种确定的状态，否则，不知哪是第一条程序和如何开始运行程序。
端口线电平和输入输出状态不确定可能使外围设备误动作，导致严重事故的发生；内部一些控制寄存器（专用寄存器）内容不确定可能导致定时器溢出、程序尚未开始就要中断及串口乱传向外设发送数据。
因此，任何单片机在开始工作前，都必须进行一次复位过程，使单片机处于一种确定的状态[9]。
当在89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。
实际应用中，复位操作有两种基本形式：
一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位，上电复位，要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。
常用的上电复位，上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。
本设计中复位电路采用的是开关复位电路，开关S9未按下是上电复位电路，上电复位电路在上电的瞬间，由于电容上的电压不能突变，电容处于充电（导通）状态，故RST脚的电压与VCC相同。
随着电容的充电，RST脚上的电压才慢慢下降。
选择合理的充电常数，就能保证在开关按下时是RST端有两个机器周期以上的高电平从而使STC89C51内部复位。
开关按下时是按键手动复位电路，RST端通过电阻与VCC电源接通，通过电阻的分压就可以实现单片机的复位。
图3.3复位电路图
RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。
该电路典型的电阻和电容参数为：
晶振为12MHz时，C1为10uF：
R4为8.2
3.2.3报警设计
在单片机应用系统中，一般的工作状态可以通过指示灯或数码显示来指示，供操作人员参考，了解系统的工作状况。
这种报警信号通常有三种类型：
一是闪光报警，因为闪动的指示灯更能提醒人们注意；二是鸣音报警，发出特定的音响，作用于人的听觉器官，易于引起和加强警觉；三是语音报警，不仅能起到报警作用，还能直接给出警报种类的信息。
其中，前两种报警装置因硬件结构简单，软件编程方便，常常在单片机应用系统中使用；而语音报警虽然警报信息较直接，但硬件成本高，结构较复杂，软件量也增加。
闪光报警
以下为报警电路接线图见图3.4
图3.4报警电路图
实现单频音报警的接口电路比较简单，只要当值高于警报值的时候给一个低电频就能驱动二极管发光,简单易懂。
这一章比较具体的说明了系统硬件设计的内容，通过模块化的设计思想，把一个复杂的单片机系统按照功能划分成一个个单独的电路模型，分别进行设计，最后在集成到一起。
这种方法对于设计复杂的单片机系统很有效。
大大提高系统设计的效率与质量[11]。
3.2.4电源电路
图3.5低压层电路原理图
输出电压的具体数值由运算放大器UA确定，采用同相放大器的优越性在于其输入阻抗极大，可很好地将TL431输出的2．5V电压与后级电路隔离，使其不受负载变化的影响；运放与电阻R3和R2组成比例放大环节，可对基准电压按要求进行比例放大输出，但输出电压最大不能超过运放的电源电压。
3.2.5信号调制电路
图3.6信号调制放大电路
图3.6是酒精传感器电极信号调理电路采集到的信号都会很弱，首先将信号经过二阶有源滤波电路以后，经过3级放大电路，同相和反相放大电路构成一级和二级，互相抵消了零度漂移和失调，后面的差动放大电路构成第三极，将差分出
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