基于AVR单片机的便携式醉酒驾驶仪器设计包含原理图和完整代码.docx
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基于AVR单片机的便携式醉酒驾驶仪器设计包含原理图和完整代码
1基于
基于基于
基于AVR单片机的酒精传感器的设计
单片机的酒精传感器的设计单片机的酒精传感器的设计
单片机的酒精传感器的设计
——
————
——包含原理图和完整代码
包含原理图和完整代码包含原理图和完整代码
包含原理图和完整代码
摘要
摘要摘要
摘要该设计作品基于
ATmega16单片机，利用酒精传感器，实现空气周围环境中的酒
精浓度实时测量，通过LED数码管实时显示，一旦超过阈值即蜂鸣器报警，可
用于车载监控及仓库等有防火要求的地方。
关键字
关键字关键字
关键字ATmega16单片机酒精传感器自动报警
AbstractThedesignworksbasedonsingle-chipmicrocomputer,usingalcoholATmega16
sensor,realizethealcoholconcentrationofairenvironmentthroughreal-time
measuring,LEDdigitaldisplay,oncemorereal-timetubethreshold,whichcanbe
usedforcarbuzzeralarmmonitorandwarehousefire.
2
目录
目录目录
目录1项目要求·····························································································································4
2.项目的硬件原理和内容······································································································4
2.1硬件设计思想和原理图································································································4
2.2如何使用硬件单元·········································································································4
2.3硬件电路图·····················································································································6
3.软件设计思想和内容··········································································································8
3.1端口初始化···················································································································8
3.2数据采集及处理流程······································································································8
3.3LED显示·························································································································9
3.4蜂鸣器报警······················································································································10
4.测试过程处理························································································································11
4.1硬件调试·························································································································11
4.2仿真调试··························································································································11
4.3综合调试··························································································································12
4.4测试过程问题分析··········································································································13
4.5测试结论··························································································································14
5.系统设计所需资源··············································································································14
6.项目分工······························································································································14
7.系统设计总结······················································································································14
7.1团队总结··························································································································14
7.2个人心得··························································································································15
参考文献·······························································································································18
附录A酒精传感器参数········································································································18
附录B系统总程序代码········································································································20
附录C实物图························································································································23
3
一
一一
一、
、、
、
项目要求
项目要求项目要求
项目要求：
：
：
：
便携式酒后驾车测试仪
便携式酒后驾车测试仪便携式酒后驾车测试仪
便携式酒后驾车测试仪酒后驾车易出事故，但判定驾驶员是否喝酒过量带有较大的主观因素。
请你利用
学过的知识，设计一台便携式、交通警使用的酒后驾车测试仪。
总体思路是:
让被怀疑酒后驾车的驾驶员对准探头（内部装有多种传感器）呼三口
气，用一排发光二极管指示呼气量的大小（呼气量越大，点亮的LED越多）。
当
呼气量达到允许值之后，“呼气气确认”LED亮，精酒蒸气含量数码管指示出三
次呼气的酒精蒸气含量的平均百分比。
如果呼气量不够，则提示重新呼气，当酒
精含量超标时，LED闪亮，蜂鸣器发出“嘀?
?
嘀?
?
”声。
二
二二
二、
、、
、
项目的硬件设计原理与内容
项目的硬件设计原理与内容项目的硬件设计原理与内容
项目的硬件设计原理与内容1、
、、
、硬件设计思想和原理图
硬件设计思想和原理图硬件设计思想和原理图
硬件设计思想和原理图：
：
：
：
采用MQ303将酒精信号转换成敏感体电阻的变化，
外接电源和负载电阻，把电阻变化转换成电压信号，
利用Mega16单片机的模数转换功能采样电压变化，
转换成酒精浓度用七段数码管显示出来，当达到预定
报警浓度时，蜂鸣器报警，并接通开关时，Led灯不
再显示。
硬件设计时，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送入单片机进
行处理。
此外，还需接入LED数码管显示，
声光报警电路等。
其总体框图右图所示：
2、
、、
、如何使用硬件单元
如何使用硬件单元如何使用硬件单元
如何使用硬件单元：
：
：
：
将MQ303预留引脚接电源，预热3秒以上。
接通单片机电源，七段数码管闪烁显示周围酒
精浓度。
一旦酒精浓度超过阈值，蜂鸣器报警。
与门和非门以及开关组成打火系统，蜂鸣器
信号和开关决定是否导通。
开关模拟打火系统电源开关，接通开关时，Led灯亮表示打火成
功，反之则表示打火系统被强行制止。
4单片机选择
单片机选择单片机选择
单片机选择：
：
：
：
ATmega16单片机是一款功能十分强大，集成度非常高的数字处理
系统。
它集成了ADC与DAC的模块，因而此作品设计中可以直接将MQ3型酒
精气敏传感器的探测信号输入单片机中，然后在单片机内进行A/D模数转换，
数据处理。
其引脚图如下图:
下图
下图下图
下图1为选择
为选择为选择
为选择4位一体共阳极数码管
位一体共阳极数码管位一体共阳极数码管
位一体共阳极数码管，型号为
SR410561k。
该数码管具有工作
稳定，亮度高，反应灵敏，质量可靠等特点。
5图表
1图二为蜂鸣器报警部分
图二为蜂鸣器报警部分图二为蜂鸣器报警部分
图二为蜂鸣器报警部分:
图表
2图三为传感器回路图
图三为传感器回路图图三为传感器回路图
图三为传感器回路图:
图表
33、
、、
、硬件原
硬件原硬件原
硬件原理图
理图理图
理图:
6
PCB图
图图
图：
：
：
：
7三
三三
三、
、、
、
软件设计思想
软件设计思想软件设计思想
软件设计思想和内容
和内容和内容
和内容软件方案主要包括数据采集、数据处理、显示、声光报警等子程序。
仪器开机后
经初预热阶段后测量结果。
测量时数据采集程序把数据送入到AVRmega16单
片机中的A/D转换器，进行A/D转换。
由数据处理程序完成数据间的转换和数
制间转换。
当测量数据超过阈值时报警
子程序启动，发出声光报警。
软件主程
序流程图如右图所示：
1
、
、、
、端口初始化
端口初始化端口初始化
端口初始化
1、PORTA用于传感器信号输入和蜂鸣器输
出；
PORTB用于控制LED显示；
PORTC用于LED位选。
2传感器采集部分：
采用ADC差分输入，因为传感器输出电压可
以达到0-5v，单片机可以直接处理，故使用1倍增益。
3ADC转换部分：
使用7.3728M晶振，32分频，T0比较匹配中断，定时2ms，转换结果右对齐。
4七段数码管显示部分
动态扫描显示，间隔2ms。
2、
、、
、数据采集
数据采集数据采集
数据采集及
及及
及处理子程序
处理子程序处理子程序
处理子程序流程
流程流程
流程：
：
：
：
8图表
4数据采集
数据采集数据采集
数据采集及
及及
及处理
处理处理
处理函数关系图如下
函数关系图如下函数关系图如下
函数关系图如下：
：
：
：
图表5
4
、LED显示子程序
显示子程序显示子程序
显示子程序：
本作品显示为LED显示。
显示子程序分为预热阶段显示程序，测量结果显示
程序。
流程如图6：
9图表
6
5、
、、
、蜂鸣器
蜂鸣器蜂鸣器
蜂鸣器报警子程序
报警子程序报警子程序
报警子程序：
传感器输入值经A/D转换后，调用比较程序，再经过数
据处理后显示的测量值与程序中设定的报警阈值比较，小于等于阈值则继续执行
显示程序，大于阈值则将单片机PA5端口
端口端口
端口输出高电平进行报警。
10
图表7四
四四
四、
、、
、
测试过程
测试过程测试过程
测试过程处理
处理处理
处理调试分析包括硬件调试分析和软件调试分析及软、硬件联调。
由于硬件调试分析和软件
调试分析是独立进行的，所以可以先调硬件再调软件。
在调试中找出错误、缺陷，判断各种
故障，并做出软硬件的修改，直至设计作品能够正确体现其功能。
1、
、、
、硬件调试
硬件调试硬件调试
硬件调试
硬件调试包括传感器电路、显示电路、单片机外围电路、报警电路等。
下面主要介绍传
感器电路、报警电路的调试。
首先把MQ303A酒精传感器，接1.5v左右电压上由于电压预热3秒以上，酒精传感器里已
经集成了放大电路，而用万用表测量可证实传感器输入电路中输出是一稳定的0-5V的电压
信号，符合单片机的输入条件，因此此信号可以直接接人单片机进行A/D转换而不需要放
大、滤波等。
其次对于声光报警电路的调试分为蜂鸣器和LED的调试。
经试验可知蜂鸣器在高电平
时正常工作，LED为共阳极。
2、
、、
、仿真
仿真仿真
仿真调试
调试调试
调试大于阈值
蜂鸣器报警
11软件调试为利用
ICCAVR，CVAVR，AVRStudio软件进行模块化调试。
调试过程中观
察各个变量的变化，查找所写程序的错误，并改正。
ADC转换结果转换结束后
（ADIF为高），转换结果被存入ADC结果寄存器（ADCL,ADCH）。
单次转换的结果如下：
1024是2的10次方，因为转换结果是10位的仿真
仿真仿真
仿真电路图
电路图电路图
电路图：
：
：
：
报警时：
12不报警时
:
3、
、、
、综合调试
综合调试综合调试
综合调试
利用AVRStudio软件和硬件电路板进行软硬件联合仿真，首先将软件程序下载到AVR
Studio中，然后运行一下，确认无误后，再把程序写入硬件之中。
对调试过程中出现的错
误要仔细分析，然后不断修正，直至达到理想效果为止。
在软硬件联调时，根据在程序中设
定的阈值，用酒精渐渐接近传感器来模仿酒精浓度的增大，显示结果良好，报警结果十分精
确，在到达阈值时能够准确发出报警声。
4、
、、
、测试过程问题分析
测试过程问题分析测试过程问题分析
测试过程问题分析：
：
：
：
1、PCB板多处电路不通，只能在开发板上调试
2、MQ-3传感器的输入和输出非线性，因此计算它的浓度和输出电压的值的关系非常困难，
我们只能测出数据，然后折合为几条曲线，通过编程控制输出，由于硬件参数存在的误
差，开始我们的输出数据不理想，通过多次调试，逐渐把它的输入和输出值接近真实值。
3、该开发只能在100-1000这个值内进行工作，由于受加热温度的影响，加热时间对输出有
比较大影响，所以超出这个范围，我们都强制它等于0，这个范围已经可以够我们进行
酒后驾车的测试了，避免了超出输出范围，很难进行数据的处理这个方面的设计。
4、酒精传感器的电阻值随时间，温度和酒精浓度变化较大，这是我们不能进行定量计算的
难点。
5、用酒靠近传感器进行测量，有相应的数据输出，但撤去酒精的时候，数值只能缓慢地下
降至低值，可能是因为酒精残留的缘故。
所以酒精传感器不能进行快速的多次测量。
这
13是我们设计的问题。
5测试
测试测试
测试结论
结论结论
结论:
1
、
、、
、在距离一定距离内对着传感器吹浓度56%的白酒，成功报警。
2、
、、
、指标参数的分析
MQ303说明书上说在0.9-1.0v下预热时间大于
48小时，在2.2±0.2V下预热5~10秒钟，
实测不需这么长的时间，也不需2v以上的电压，5号干电池提供1.5v左右电压预热3秒以
上即可。
五
五五
五、
、、
、
系统设计所需资源
系统设计所需资源系统设计所需资源
系统设计所需资源：
：
：
：
MQ303A酒精传感器1个，AVR单片机芯片，ATmega16单片机实验板1个，印刷电路
板一块，七段数码管4个，Led灯一个，15mh电感一个，104电容一个，蜂鸣器一个，10k
欧电阻两个，360欧电阻8个，插线若干，与门和非门各一个等等。
参考资料
参考资料参考资料
参考资料：
：
：
：
【1】康华光．《电子技术基础》．高等教育出版社，2006第五版【2】马潮《avr单片机嵌入式系统原理与应用实践》清华出版社2005第一版附录
附录附录
附录A、
、、
、1、
、、
、酒精传感器参数
酒精传感器参数酒精传感器参数
酒精传感器参数：
：
：
：
符号
符号符号
符号参数
参数参数
参数技术条件
技术条件技术条件
技术条件备注
备注备注
备注
VH
加热电压0.9V±0.1VACorDC
VC
回路电压≤6VDC
RL
负载电阻可调PS<10mW
RH
加热电阻
4.5?
±0.5?
室温
IH
加热电流120±20mA
PH
加热功率≤140mW
PS
元件功率≤10mW
14B.
环境条件符号
符号符号
符号参数
参数参数
参数技术条件
技术条件技术条件
技术条件备注
备注备注
备注
Tao使用温度-20oC
—+50oC
推荐使用范围20ppm-1000ppm乙醇
Tas储存温度-20oC
—+70oC
RH相对湿度≤95%RH
（O2）
氧气浓度21%±1%（标准条件）不得小于16%
氧气浓度会影响灵敏度
C.灵敏度特性
灵敏度特性灵敏度特性
灵敏度特性型号
型号型号
型号MQ303A
符号
符号符号
符号参数名称
参数名称参数名称
参数名称技术条件
技术条件技术条件
技术条件备注
备注备注
备注
Rs元件电阻
（4k?
to400k?
）
在洁净空气中
α
电阻比
（0.50±0.15）
Rs（300ppm酒精）/Rs（100ppm酒精）
标准测试条件：
温度:
20oC
±2oCVC:
3.0V±0.1VDC
湿度:
65%±5%VH:
0.9V
±0.1VDC
RL:
可调
预热时间：
大于48小时
3、
、、
、酒精含量的判断标准
酒精含量的判断标准酒精含量的判断标准
酒精含量的判断标准：
：
：
：
呼气测试最简便。
而血液中的酒精浓度与肺部呼出的气体酒精浓度有一定的比例：
大约2200
毫升呼气中酒精含量相当于1毫升血液中酒精含量，测出后者就可知道前者。
大量的统计研究结果表明，如果被测者深吸气后以中等力度呼气达三秒钟以上，这时呼出的
气就是从肺部深处出来的气体。
呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关系：
BAC（inmg/L）=BrAC（inmg/L）x2200
上式中，BAC是血液酒精浓度的英文缩写，BrAC则是呼气酒精浓度的缩写，括号中的in
mg/L表示以每升中多少毫克为单位。
也就是说，以毫克/升为单位的血液酒精浓度在数值上
相当于以毫克/升为单位的呼气酒精浓度乘上系数2200（由于各国的情况不同，在美国此系
数采用2000，而欧洲很多国家采用2100）。
基于此，目前全世界绝大多数国家都采用呼气
酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者体内酒精含量的多少。
关于吹管
15
酒精测试仪用的吹管是一个容易被忽视的问题。
GA307-2001标准对吹管也作了规定。
吹管
虽小，但对保证检测精度非常重要。
被测者口含吹管呼气，进入吹管的气体几乎全部是被测
者呼出的气体。
如果从一个喇叭口送入气体，被测者不接触喇叭口而对喇叭口吹气，根据流
体力学的原理，气体流动时压力减小，这就把周围的空气一起带进仪器内（喷雾器就是根据
这个原理制成的），相当于把呼气中的酒精浓度稀释了，检测到的酒精浓度就会比被测者实
际的呼气酒精浓度低，这显然是不能容许的。
另一个必须注意的是吹管一定要是单向性的，
在吹气的时候才能进行检测，吸气时不能进行检测，因为吸气时吹管中的气体不来自人体，
检测的结果自然不能反映人体内的酒精含量。
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