基于at89s51单片机酒精浓度探测仪的与实现.docx

基于at89s51单片机酒精浓度探测仪的与实现.docx

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基于at89s51单片机酒精浓度探测仪的与实现

武汉理工大学

毕业设计（论文）

基于AT89S51单片机酒精浓度探测仪的设计与实现

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书

2、不保密囗。

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名：

年月日

导师签名：

年月日

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

武汉理工大学

本科生毕业设计（论文）任务书

学生姓名黄制兵专业班级电子信息科学与技术0502

指导教师徐晓英易迎彦工作单位理学院物理系

设计（论文）题目：

基于AT89S51单片机酒精浓度探测仪的设计与实现

设计（论文）主要内容：

要求设计并实现一个基于AT89S51单片机的酒精浓度探测仪系统，其中酒精传感器采用MQ-3型，利用该传感器将酒精气体浓度信号转化为电信号，选择适当的放大器放大其电压信号，驱动发光二极管显示酒精浓度的高度，同时利用模数转换芯片将模拟信号进行转化，并由单片机控制，最后用数码管显示。

要求完成的主要任务：

1、查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于2篇，完成开题报告。

2、掌握C51系列单片机原理及编程技术，熟悉ADC0809的工作原理及特性；熟悉数码管显示技术。

3、用protel绘制其原理图，完成整体电路的安装与调试，并对实验结果进行分析。

4、完成不少于5000字的英文文献翻译。

5、完成不少于12000字的毕业论文。

必读参考资料：

[1]张培仁．基于汇编语言编程MCS-51单片机原理与应用[M]．北京：

清华大学出版社，2003．

[2]吴桂秀．传感器应用制作入门[M]．浙江科学技术出版社，2004．

指导教师签名系主任签名

院长签名（章）

武汉理工大学

本科学生毕业设计（论文）开题报告

1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）

从18世纪产业革命以来，到20世纪信息技术的快速发展，传感技术逐渐走向成熟，在现实生产生活中的应用也渐渐在普及。

传感器应用广泛，在各个领域都有着举足轻重的作用，所以传感器不断向高精度，高可靠性，微型化，微功耗无源化和智能化数字化发展，以便更好的服务于我们的生产和生活。

气体与人类的日常生活密切相关，检测气体是保护和改善我们居住环境的必要工作，要检测气体就少不了用到气体传感器。

本设计基于AT89S51单片机设计的酒精浓度探测仪，可用来检测酒精气体浓度，最主要的用途是检测司机的酒精含量。

开车司机只要将嘴对着传感头使劲吹气，仪器就能发上显示出酒精浓度的高低，从而判断该司机是否酒后驾车，避免事故的发生。

当然，最好的办法是在车内安装这种测试仪，司机一进入车内检测仪就检测司机的酒精含量，如果超出允许值，系统控制引擎无法启动，这样就可从根本上解决酒后驾车问题。

酒精浓度探测仪在生产中也有重要的应用，比如，在一些环境要求严格的生产车间，用这种酒精浓度探测仪，可随时检测车间内的酒精气体浓度，当酒精气体浓度高于允许限定值时要及时通风换气，做到安全生产。

当然，依照同样的原理也可设计检测其他气体的探测仪，与我们的生活息息相关的是检测有毒气体。

传感头是酒精浓度探测仪中感受酒精的重要部分。

目前，所设计的该类传感器多选用以二氧化锡为基本材料，添加不同物质制成的气敏传感器。

本设计所选用的MQ-3气敏传感器的敏感部分是由二氧化锡的N型半导体微晶烧结层构成，灵敏度高，响应速度快，可靠性好。

也有选择以其他氧化物为基本材料制成的传感器，如选二氧化钛作为气体传感材料。

虽然目前的二氧化钛薄膜有电阻值高，工作温度高，敏感性差的缺点，但是二氧化钛薄膜具有良好的电学性能，优异的光学性能，化学稳定性高，机械强度高，且可用于多种气体的检测。

单片机在整个传感器中起操作和相应数据处理并送显示的作用，是传感器的核心部分。

目前，气敏传感器已有较高的精度，可达万分之一以上。

随着新材料发展和新加工技术的提高，有了高可靠性和低功耗的气体传感器。

智能化数字化的气体传感器克服了目前气敏传感器人工测试带来的效率低，误差大和操作人员长时间工作等问题。

2、基本内容和技术方案

敏感部分由二氧化锡的N型半导体微晶烧结层构成的MQ-3型气敏传感器，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的浓度的变化而变化。

由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。

MQ-3型气敏传感器灵敏度高，响应速度快。

AT89S51单片机是一般控制应用的8位单片机。

芯片内部有时钟振荡器，只读存储器为4K字节，外部可扩充至64K字节，128字节的随机存储器，外部可扩充至64K字节。

32条双向输入输出线，每条均可以单独做I/O的控制。

5个中断向量源。

2个独立的16位定时器。

1个全双工串行通信端口。

选用的开发平台为MedWin单片机集成开发环境。

发光二极管显示选用集成驱动器LM3914。

内部有10个电压比较器，可驱动10个发光二极管。

相邻分压端之间的电压差是0.12V。

可选择点状显示也可选择条状显示。

ADC0809为8路8位的A/D转换器，具有转换起停控制端，转换时间为100μs，模拟输入电压值范围是0～+5V，+5V电压供电。

三位数码管显示具体数值。

根据以上内容选定技术方案。

气体传感器遇到酒精气体后，阻值发生变化，所要测的电压发生相应的变化。

变化的电压值送LM3914放大比较，驱动相应的发光二极管发光，显示酒精浓度的高低。

单片机不断采集经ADC0809模数转换后的变化的电压值，经数据处理交数码管显示。

3、进度安排

第1-3周：

查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论知识和设计所需的元器件。

确定方案，完成开题报告。

第4-6周：

画出流程图，编写程序。

第7-10周：

建立系统模型，画出电路图，并对软件进行仿真调试。

第11-13周：

完成硬件电路的安装，并进行硬件电路的调试。

第14-15周：

完成并提交论文，对论文进行修改定稿。

第16周：

完成并修改毕业论文。

第17周：

准备论文答辩。

4、指导教师意见

指导教师签名：

年月日

摘要

本设计实现了对不同浓度酒精的检测和显示，通过适当改进可以用于检测酒后驾车。

本文用AT89S51单片机与MQ-3型气体传感器实现了对酒精浓度的测量，并对测量数据进行显示，同时利用二极管简单显示浓度的高低，在设计允许值时发出报警。

论文主要研究了

（1）硬件方面，MQ-3气体传感器技术参数的检测和将它接入到酒精浓度检测模块中；将模拟电压信号放大驱动发光二极管点亮报警；将采集到的模拟电压信号通过单片机控制经A/D转换，得到数字电压信号；用于显示浓度的数码管显示模块。

（2）软件方面，主要研究了电压到浓度的线性转换和最终浓度值的数码管显示。

（3）对设计的传感器进行了标定。

设计的传感器对酒精气体反应灵敏，能在有效范围内测量它的浓度值。

并且在检测低浓度酒精时误差较小，最大误差为8.2%满足设计要求。

本文的特色在于标准的确定。

对于流动空气，样品的稳定性和水蒸气的影响，提出了解决方案和验证方法。

对不同的区间浓度和电压转换关系做线性化处理，简化了硬件电路的设计。

设计的传感器可以检测不同浓度的酒精气体，改进之后对解决酒后驾车事故和特殊场合酒精检测都可以使用。

关键词：

气体传感器，模数转换，单片机

Abstract

Differentconcentrationsofalcoholsolutionaredetectedandshowedinthedesign.Thedesigncanbeusedtothedetectionofdrunkdrivingthroughimprovement.Inthisthesis,theconcentrationofalcoholcanbemeasuredanddisplayedbyusingthegassensorbasedonAT89S51MCUandMQ-3.AtthesametimetheconcentrationisdisplayedbyLED,andthesystemallowtoalarminthecertainvalue.

InthethesisMajorresearchesarethreepoints.

（1）Inthehardware,detectingthetechnologyparametersMQ-3gassensor,andconnectingittoatestingpartofthealcoholgasconcentration;Analogvoltagesignalamplificationtodrivelight-emittingdiodelighttoalarm;conversingthevoltagesignalthroughtheA/Dconversionatthecontrolofthesingle-chip,obtainingthedigitalvoltagesignal;displayingtheconcentrationinthedigitaltubedisplaymodule.

（2）IntheSoftware,linearconversionbetweentheconcentrationofthealcoholandthevoltageandthedigitaldisplayofthefinalconcentrationvalue.（3）Thedesignedsensoriscalibrated.Thedesignofgassensorisresponsivetothealcohol,canmeasureconcentrationintheeffectiverangeofitsconcentration.Andinthelowconcentrationofalcoholinthetesttheerrorissmallwiththemaximumerror8.2%,meetingrequirementsofthedesign.

Thecharacteristicsofthethesisaretodeterminethestandard.Thesolutionsandverificationmethodsareproposedabouttheflowofairsamples,thesamplestabilityandwatervapor.Theconversionbetweenvoltageandconcentrationindifferentrangeistreatedaslinearrelationship.Thedesignofsensorcandetectdifferentthealcoholgaswithdifferentconcentration.Itplaysanimportantroletosolvethedrunk-drivingaccidentsandalcoholtestingforspecialoccasionsafterimprovement.

KeyWords:

Gassensor,A/Dconversion,Single-chipMicrocomputer

1绪论

1.1设计背景

我国传感器市场的增长率超过15%，2003年销售额为186亿元人民币，2006年销售额为283亿元人民币，预计2007年为325亿元人民币，2008年为374亿元人民币。

我国传感器4大类中，工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。

近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段，新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它将不仅促进系统产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新的经济增长点[1]。

由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段，气体传感器发挥着极其重要的作用。

气体传感器是把气体中的特定成分检测出来，并转化为电信号的一类器件，用来对有害气体，易燃易爆气体等进行安全检测和报警，对生产生活中需要了解的气体进行检测，分析，研究等。

近年来，我国气敏传感器产业有了较快的发展，但与国外相比，从技术水平，产业化及应用等领域均存在着不小的差距。

目前，气敏传感器领域还存在一些问题。

一是元件的稳定性差。

由于元件电阻和灵敏度随时间而不断变化，漂移大给检测结果的可靠性带来不稳定的因素。

二是选择性差。

由于在检测气体时，往往还存在着其它的干扰气体（如烟酒等），使气敏元件发生交叉响应，产生误报。

三是催化剂中毒。

掺有催化剂的气敏元件接触某些气体后，活性组分被毒化，将会改变元件的选择性，降低其敏感度和稳定性，另外催化剂本身也存在着不稳定性问题。

灵敏度问题。

四是SnO2元件有时由于灵敏度过大导致误报，但是在检测某些低浓度气体时灵敏度却难以达到要求[2]。

1.2气敏传感器的研究现状

气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构及制作工艺密切相关。

用金属氧化敏感材料制作的半导体式气敏元件具有灵敏度高，结构简单，体小质轻，坚固耐用等优点而得到广泛的应用，目前仍以SnO2材料为主[3]。

SnO2是一种广普型的气敏材料，围绕SnO2为基体材料的气敏材料的制备及其气敏元件制备的研究课题十分活跃。

纯SnO2的气敏特性不甚好，尤其是它的热稳定性不高。

为改善其气敏特性，常在SnO2基体中掺入贵金属或其他金属氧化物。

尽管SnO2基传感材料具有许多优点，作为材料也存在一定缺点。

通过控制气敏材料微粒大小，颗粒纳米化，掺杂其它添加剂或催化剂，利用过滤设备或透气膜来获得选择性，控制工作温度及环境湿度影响，改进制备等方法可以改善SnO2传感器的气敏性能[4]。

纳米科学技术（Nano—ST）是研究尺寸在0.1—100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

纳米技术的发展，不仅为传感器提供了优良的敏感材料，而且为传感器制作提供了许多新型方法。

纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度，工作温度大大降低，大大缩小了传感器的尺寸。

当然，在己获得明显进展的纳米传感领域中尚存在很多问题，从敏感材料到制作技术都很不成熟，其性能也有不尽人意的地方[5]。

气敏传感器在家用电器中也有相当广泛的应用。

吸油烟机等产品上常用MQ-3型半导体气敏传感器，它采用旁热式结构，陶瓷管内装有高阻抗加热丝，管外涂有梳状金属电极，金属电极之外涂有SnO2材料，使SnO2烧结体位于两电极之间[6]。

气敏传感器工作时，加热器通电加热，若无被检气体侵入时，气敏元件的阻值基本不变当气敏元件表面产生吸附作用，其阻值将随气体浓度的变化变化。

当被检气体浓度增大到一定值时，气敏元件的阻值将随之下降到某一值，使电压比较器的状态发生变化，输出控制信号经电流放大后，控制继电器或双向晶闸管接通电动机电源使吸排油烟机工作[7]。

1.3设计酒精浓度探测仪的意义

本设计基于AT89S51单片机设计的酒精气体浓度探测仪，可用来检测酒精气体浓度，最主要的用途是检测司机的酒精含量。

酒后驾车发生事故的机率高达27%。

随着摄入酒精量的增加，选择反应错误率显著增加，当血液中酒精含量由0.5‰增至1‰，发生车祸的可能性便增加5倍，如果增至1.5‰，可能性再增加6倍。

机动车驾驶人员“酒后驾车”及“醉酒驾车”极易发生道路交通事故,严重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。

人饮酒后,酒精通过消化系统被人体吸收,经过血液循环,约有90%的酒精通过肺部呼气排出,因此测量呼气中的酒精含量,就可判断其醉酒程度。

开车司机只要将嘴对着传感头使劲吹气，仪器就能发上显示出酒精浓度的高低，从而判断该司机是否酒后驾车，避免事故的发生。

当然，最好的办法是在车内安装这种测试仪，司机一进入车内检测仪就检测司机的酒精含量，如果超出允许值，系统控制引擎无法启动，这样就可从根本上解决酒后驾车问题。

酒精气体浓度探测仪在生产生活中也有重要的应用，比如，在一些环境要求严格的生产车间，用这种酒精浓度探测仪，可随时检测车间内的酒精气体浓度，当酒精气体浓度高于允许限定值时，发出警报，提醒人们及时通风换气，做到安全生产。

1.4本文主要研究工作

本文以AT89S51单片机为核心，设计了用于测量酒精浓度的探测仪，主要研究工作包括以下3个方面。

（1）硬件电路方面，对气体传感器MQ-3按检测电路，接上一定阻值的负载电阻，检测它的技术参数，确定MQ-3所接负载电阻的大小，完成信号采样电路的设计；采样到的模拟电压电信号通过A/D转换，得到可供单片机处理的数字信号，再由单片机作相应的数据处理；发光二极管报警显示和3个单位8段共阴数码管浓度值显示。

（2）软件方面，标准的确定是该部分要做的主要工作。

因为原始的采样值是一个间接的负载分压值，需要将它转化为被测酒精浓度值。

通过多个样品的测量确定多个浓度区间的转换标准，并将每个区间的转换关系近似线性化处理，然后通过软件编程的方法来实现。

（3）为了尽量减少设计的气体传感器的测量误差，在测量酒精溶液样品时要考虑并解决3个主要问题。

一是外界环境流动空气对传感器的影响和对气体样品的稀释，二是样品的稳定性对测量带来的误差，三是水蒸气对测量的影响。

针对这3个主要问题提出以下解决方案和验证方法。

测量样品时，将探头尽量放入塑料瓶内，可以在一定程度上消除流动空气的影响，同时应选择空气流动较小的室内环境来测量。

水蒸气对MQ-3的影响很小，这一点可以通过对只装有纯净水的塑料瓶的多次测量来验证。

用相同容量的塑料瓶配制好不同浓度的酒精溶液后，将它密封并放置一段时间，待其稳定后再测量。

再通过反复多次测量多组数据，求其平均值的方法来缩小测量误差。

2硬件电路设计与实现

2.1单片机开发流程

（1）可行性调研。

可行性调研的目的，是分析完成这个项目的可能性。

进行这方面的工作，可参考国内外有关资料，看是否有人进行过类似的工作。

如果有，则可分析他人是如何进行这方面工作的，有什么有点和缺点，有什么值得借鉴的；如果没有，则需要作进一步的调研，此时的重点应放在能否实现这个环节，首先从理论上进行分析，探讨实现的可能性，所需求的客观条件是否具备，然后结合实际情况，再决定能否立项的问题。

（2）系统总体方案的设计。

在进行可行性调研后，如果可以立项，下一步工作就是系统总体方案的设计。

工作的重点应放在该项目的技术难度上，此时可参考这一方面更详细、更具体的资料，根据系统的不同部分和要实现的功能，参考国内外同类产品的性能，提出合理而可行的技术指标，编写出设计任务书，从而完成系统总体方案设计。

（3）设计方案细化，确定软硬件功能。

一旦总体方案确定下来，下一步的工作就是将该项目细化，即需明确哪些部分用硬件来完成，哪些部分用软件来完成。

由于硬件结构与软件方案会相互影响，因此，从简化电路结构、降低成本、减少故障率、提高系统的灵活性与通用性方面考虑，提倡软件能实现的功能尽可能由软件来完成；但也应考虑软件代硬件的实质是以降低系统的实时性、增加处理进行为代价的，而且软件设计费用、研制周期也将增加，因此系统的软硬件功能分配应根据系统的要求及实际情况而合理安排，统一考虑。

在确定软硬件功能的基础上，设计者的工作就开始涉及到具体的问题，如仪器的体积及与具体技术指标相对应的硬件实现方案，软件的总体规划等。

在确定人员分工、安排工作进度、规定接口参数后，就比须考虑硬件软件的具体问题了。

（4）一个单片机应用系统经过调研、总体设计、硬件软件设计、制版、元件安装后，在系统的程序存储器中放入编制好的应用程序，系统即可运行。

但一次性成功的几乎是不是不可能的。

由于单片机在执行程序时人工是无法控制的，为了能够调试程序，检查硬件、软件运行情况，这就需要借助某种开发工具模拟用户实际的单片机，并且能随时观察运行的中间过程而不改变运行中有的数据性能和结果，从而进行模拟现场的真实调试。

2.2硬件系统框图

基于AT89S51单片机用MQ-3型气体传感器实现酒精气体浓度的检测，需要信号采集模块用于对酒精浓度信号的采集，该信号是通过MQ-3气体传感器和负载电压得到分压电信号。

信号转换模块用来把采集到得模拟电压信号转换位可以用单片机处理的数字信号。

数码管显示模块是对单片机处理后的数字信号的显示，用来显示酒精的浓度。

报警模块是对设定值提供报警功能，该功能用发光二极管显示。

根据各功能模块的设计，可得到它的系统总框图，如图1所示。

图1系统总框图

2.3信号采集电路

2.3.1气体传感器的选择

根据被检测气体的不同，气敏传感器可分为以下三类:

（1）可燃性气体气敏传感器。

目前该类气敏传感器