基于qmj3酒精传感器的酒精检测仪资料.docx

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基于qmj3酒精传感器的酒精检测仪资料

黄山学院

单片机课程设计

专业：

自动化

班级：

xx自动化班

学生姓名：

xxxxxxxxxx

指导教师：

xxxxxxxxx

成绩：

2015年12月26日

单片机课程设计任务书

课程设计题目

基于QM-J3酒精传感器的酒精检测仪

1.内容概述

2.方案框图

1.内容概述:

基于QM-J3酒精传感器的酒精检测仪主要是用来检测酒精浓度的，它主要由酒精传感器、模数转换器、单片机、蜂鸣器、发光二极管及LED数码管显示构成。

酒精传感器将检测到的酒精浓度转化为电信号，然后将电信号传送给AD转换器，经过AD转换器转换后，把转换后得到的数字信号传给单片机，单片机对所输入的数字信号进行分析处理，最后将分析处理的结果通过LED数码管显示器显示出来。

当酒精浓度超过设定的上限值时，蜂鸣器会发出响声，此时发光二极管也会发出光芒。

1.方案框图:

1.应用价值

2.技术指标

1.应用价值:

本次酒精检测仪的设计是一个基于STC89C51单片控制的仪器，可以实现酒精浓度的检测，应用到生活中，常见的是用来检测驾驶员的酒驾问题。

酒精测试仪的工作原理是通过测试呼吸气体中的酒精含量，便可测出此人的醉酒程度。

人在饮酒之后，大概有百分之九十酒精会经过肺部的呼吸系统排出，这样我们通过测试呼吸气体中的酒精含量，驾驶员只需要对着传感器呼出气体，进行检测，酒精测试仪便可显示出相应的结果。

当然酒精测试仪不仅仅可以用来查酒驾，还可以应用于室内的环境检测，检测出某些特殊的工厂，车间等地，根据空气中酒精的浓度来进行报警，避免人们处于危险的环境当中。

2.技术指标:

（1）LM358技术指标:

内部频率补偿；

低输入偏流；

低输入失调电压和失调电流；

④共模输入电压范围宽，包括接地.差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；

直流电压增益高（约100dB）；

⑥单位增益频带宽（约1MHz）；

⑦电源电压范围宽：

单电源（3—30V）；

⑧双电源（±1.5一±15V）。

（2）QM-J3技术指标表：

类别

说明

加热电压（

）

AC或DC5±0.2V

回路电压（

）

最大DC24V

负载电阻（

）

4KΩ（或可调）

清洁空气中电阻（

）

2000KΩ

灵敏度（

））

5（在100ppm

蒸汽中）

分辨率（

）

3（在100ppm汽油蒸汽中）

响应时间（tres）

10S

恢复时间（tres）

30S

元件功耗

0.7W

监测范围

50—5000ppm

使用寿命

2年

（3）TLC1543技术指标:

A0～A10（1～9、11、12脚）为11个模拟输入端；

REF+（14脚，通常为VCC）和REF-（13脚，通常为地）为基准电压正负端；

CS（15脚）为片选端，在CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器并控制和使能ADDRESS、I/OCLOCK（18脚）和DATAOUT（16脚）；

ADDRESS（17脚）为串行数据输入端，是一个1的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压；

EOC（19脚）输出端变高表明转换完成。

内部转换器具有高速（10µS转换时间），高精度（10分辨率，最大±1LSB不可调整误差）。

发挥部分

当酒精达到设定值时，我们利用LM358，当其输出高电平时，使三极管导通，蜂鸣器和发光二极管（红色）接通，蜂鸣器就会发出报警响声，二极管就会发出红色报警灯。

2115年12月26日

摘要

酒后驾车问题越来越得到社会的关注，酒精浓度对工业安全生产也很重要，为此设计了酒精测试仪来检测空气中酒精浓度。

AT89C51是一种可编程控制的微处理器，具有体积小，价格低，性能稳定的特点,被广泛的应用于工业自动化、智能仪器仪表等领域。

酒精传感器QM-J3以其灵敏度高、性能稳定、价格便宜、体积小在酒精检测设计中被广泛使用。

酒精测试仪硬件主要由89C51、酒精传感器QM-J3、A/D转换器TLC1543、数码管、发光二极管、比较器LM258、蜂鸣器七部分组成，其中89C51是核心。

软件用C语言进行编程，采用模块化设计思想。

在该装置中，QM-J3将检测到的酒精浓度值转化为电压信号，电压信号经TLC1543转化为数字信号，并送入单片机，单片机对所输入数字信号分析处理，并送至数码管显示。

当酒精浓度大于设定值时，通过比较器，使蜂鸣器发出警报，发光二极管发出亮光，实现了对酒精浓度的监测、显示、报警功能。

关键词：

酒精测试仪，89C51，TLC1543，酒精传感器QM-J3，LM358

ABSTRACT

Drinkingdrivingisbecomingaserioussocialproblemwithmoresocialconcerns,alcoholconcentrationisalsoimportantinindustrialproduction,soanalcoholdetectorisdesignedtodetectthealcoholconcentrationintheair.

89C51isaprogrammablecontrolmicroprocessor,withsmallvolume,lowprice,stableperformancecharacteristics,andwidelyappliedtoindustrialautomation,intelligentinstrument,etc.AlcoholsensorMQ-J3iswidelyusedforitshighsensitivity,stability,pricecheap,smallvolume.

Alcoholdetector'shardwareconsistsofSTC89C52,alcoholsensorMQ-J3,A/DconverterTLC1543,,keyboardandbuzzer.SoftwarewithClanguageprogramming,theuseofmodulardesign.Inthedevice,QM-J3willdetectthatthealcoholconcentrationvaluetransformationintoavoltagesignal,voltagesignalbyTLC1543transformedintodigitalsignals,andintotheSCM,SCMtotheinputdigitalsignalprocessingandanalysisandsendtothedigitaltubedisplay.Whenthealcoholconcentrationishigherthanthesetvalue,thebuzzersendsoutthealarmthroughthecomparator,andthelightemittingdiodeemitslighttorealizethemonitoring,thedisplayandthealarmfunctionofthealcoholconcentration.

KEYWORDS:

AlcoholConcentrationMonitor,89C51,TLC1543,AlcoholSensorMQ-J3，LM358

目录

第1章设计内容及方案概述1

1.1设计思路1

1.2设计方案1

1.3方案框图1

第2章硬件电路设计3

2.1电源和开关模块3

2.2QM-J3传感器模块3

2.3蜂鸣器和发光二极管模块4

2.4单片机最小系统模块4

2.5AD采集模块5

2.6数码管显示模块5

第3章电路工作原理及各器件介绍7

3.1QM-J3酒精传感器部分7

3.2TLC1543数据采集部分8

3.3数据数据处理（单片机系统）部分9

3.3.1单片机的选择与介绍9

3.3.2引脚功能描述10

3.4数码管显示的原理12

第4章软件设计14

第5章原理图和PCB图17

5.1原理图17

5.2PCB图17

第6章结论与心得18

参考文献19

第1章设计内容及方案概述

1.1设计思路

基于QM-J3酒精传感器的酒精检测仪主要是用来检测酒精浓度的，它主要由酒精传感器、模数转换器、单片机、蜂鸣器、发光二极管及LED数码管显示构成。

酒精传感器将检测到的酒精浓度转化为电信号，然后将电信号传送给AD转换器，经过AD转换器转换后，把转换后得到的数字信号传给单片机，单片机对所输入的数字信号进行分析处理，最后将分析处理的结果通过LED数码管显示器显示出来。

当酒精浓度超过设定的上限值时，蜂鸣器会发出响声，此时发光二极管也会发出光芒。

1.2设计方案

1.2.1硬件部分

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（变化不大），外部干扰小等。

因此，可以直接把传感器输出电压值经过TLC1543采集数据送入单片机进行处理。

将输出的电压值与参考的标定电压值进行比较，如果在某一个范围内就将这个范围的档数显示到LED上。

当酒精浓度超过设定的上限值时，经过LM358比较器比较后蜂鸣器会发出响声，同时发光二极管也会发出光芒。

1.2.2软件部分

采用STC89C51单片机，并用C语言进行程序编写，主要流程是单片机对采集的数据进行处理和数码管显示这两个环节，具体见软件流程图。

1.3方案框图

1.3.1硬件原理设计框图

酒精传感器

AD转换器

LM358比较器

STC89C51单片机

蜂鸣器

发光二极管

数码管

图1硬件设计框图

1.3.2软件原理设计框图（流程图）

定时器初始化

延时500ms，采集数据进行AD转换

将AD转换后的数据进行数码管显示

结束

图2软件设计框图（流程图）

第2章硬件电路设计

2.1电源和开关模块

对于一个完整的电子设计来讲,首要问题就是为整个系统提供电源供电模块,电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。

51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广是在实际使用过程中,一个典型的问题就是相比其他系列的单片机,51单片机更容易受干扰而出现程序跑飞的现象,克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。

图3电源和开关模块

上图电源模块通过排针P1来接外输入+5V电源；接入电源后，六角自锁开关K1来控制电源的通断；电路中接入二极管D2就是防止电源的正负极接反对其他模块造成损坏；电容C5、C6起滤波的作用，稳定了输出的VCC电压值；发光二极管POWER检测电源是否接通，正负极接的是否正确，亮就表示电源连接的正确，否则连接错误没接通。

2.2QM-J3传感器模块

根据QM-J3传感器[1]性能，可知其电导率随气体浓度的增加而迅速升高，就相当于其阻值随气体浓度的增加而减小,VOUT输出端输出电压约0.02V-5V,经过滑动变阻器RP1分压后再接到比较器LM358[2]正极端，与负极端电压1.6V进行比较，来控制后面的蜂鸣器等原件（见后面蜂鸣器和发光二极管模块）。

VOUT输出端还与AD转换器TLC1543连接（见后面AD采集模块）。

图4QM-J3传感器模块

2.3蜂鸣器和发光二极管模块

VOUT输出端输出电压经过滑动变阻器RP1分压后再接到比较器LM358正极端，与负极端电压1.6V进行比较，当大于1.6V时，比较器LM358输出高电平作为三极管VT1的基极输入信号，而三极管的发射极接地，所以三极管就被导通，YBZ就相当于接地了，蜂鸣器BZ和发红光的二极管D1就接通了，会发出响声和发出红光。

反之，VOUT输出端输出电压没有1.6V，则三极管没有导通，蜂鸣器和发光二极管就不会被接通，不会有任何反应。

图5蜂鸣器和发光二极管模块

2.4单片机最小系统模块

本设计的复位电路采用按键复位，利用按动开关产生高电平使单片机复位。

晶振用12MHz的，是给51单片机提供工作动力的。

P1.0-P1.3端口连接的是TLC1543芯片，P0口由于硬件上漏极开路，所以需要接上拉电阻，此端口接数码管。

P2.6-P2.7连接数码管公共选择端。

图6单片机最小系统

2.5AD采集模块

模数转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量，是架起模拟系统跟数字系统之间连接的桥梁。

对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

从VOUT端输入模拟信号，DOUT端输出转换后的数字信号，CS是片选引脚。

图7AD采集模块

2.6数码管显示模块

LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。

LED数码管常用段数一般为7段，有的另加一个小数点。

我采用两位数码管显示，P0口连接数码管的7段和一个小数点，而P2.6和P2.7连接两位数码管的选择位，通过这两个引脚来空着两个数码管显示出各自对应的数字。

图8数码管显示模块

第3章电路工作原理及各器件介绍

3.1QM-J3酒精传感器部分

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。

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，由于设计要求是能够抗干扰而且测量范围在0-3000ppm范围内，常见的气敏传感器MQ3、QM-J3、TGS822三种传感器，可是第一种的测量范围只在0-1000ppm之内，故排除，后面两种传感器的性能相似但是TGS822并不常见，而且价格比QM-J3贵，综合以上考虑这里选择QM-J3。

QM-J3[3]是以复合金属氧化物为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触乙醇蒸汽时，其电导率随气体浓度增加而迅速升高。

其对汽油蒸汽有抗干扰能力、灵敏度高、响应速度好、寿命长、工作稳定可靠等特点。

表1QM-J3技术指标表

类别

说明

加热电压（

）

AC或DC5±0.2V

回路电压（

）

最大DC24V

负载电阻（

）

4KΩ（或可调）

清洁空气中电阻（

）

2000KΩ

灵敏度（

））

5（在100ppm

蒸汽中）

分辨率（

）

3（在100ppm汽油蒸汽中）

响应时间（tres）

10S

恢复时间（tres）

30S

元件功耗

0.7W

监测范围

50—5000ppm

使用寿命

2年

使用方法和注意事项：

（1）元件开始通电工作时，没有接触检测气体，其电导率也急剧增加，约1分钟后达到稳定，这时方可正常使用，这段变化在设计中电路时可采用延时处理解决。

基本酒精测试电路如图4所示。

（2）加热电压的改变会直接影响元件的性能，所以在规定的电压范围内使用为佳。

（3）元件在接触标定气体100ppm

10秒钟以内负载电阻两端的电压可达到（

）差值的80%（即响应时间）；脱离标定气体100ppm

30秒钟以内负载电阻两端的电压下降到（

）差值的80%（即恢复时间）。

（4）负载电阻可根据需要适当改动，不影响元件灵敏度。

（5）使用条件：

温度－15～35℃；相对湿度45～75%RH;大气压力80～106KPa。

（6）环境适度的变化会给元件电阻带来小的影响，当元件在精密仪器上使用时，应进行温度补偿，最简便的方法是采用热敏电阻补偿之。

传感器检测原理：

半导体气敏传感器是利用待测气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化来检测气体的种类和浓度的。

当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处时，如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而形成正离子吸附。

如H2、CO、碳氢化合物等，被称为还原型气体。

当还原型气体吸附到N型半导体上时，载流子增多，使半导体电阻值下降。

根据模块电路的设计，当吹进一定量的含有酒精的气体时，测试电压从电路中输出，由于在我们所要求的范围内其测试电压在0-5V之间，另外一个模块电路是回路电压VCC产生，同样我们利用运放将标准的5V电压进行进过滤波除噪，电路中的稳压管保证输出回路电压能稳定在5V左右。

3.2TLC1543数据采集部分

模数转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量，是架起模拟系统跟数字系统之间连接的桥梁。

对于本系统而言，就是用于快速、高精度地对输入的酒精浓度信号进行采样编码，将其转换成单片机所能够处理的数字量。

模数转换电路是本系统的关键部分，其性能的好坏直接影响整个系统的质量。

模数转换采用TLC1543,TLC1543是由TI公司开发的开关电容式AD转换器，该芯片具有如下的一些特点：

10位精度、11通道、三种内建的自测模式、提供EOC（转换完成）信号等。

该芯片与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接简单。

图9是TLC1543的引脚示意图，其中A0-A10是11路输入，Vcc和GND分别是电源引脚，REF+和REF-分别是参考电源的正负引脚，使用时一般将REF-接到系统的地，达到一点接地的要求，以减少干扰。

其余的引脚是TLC1543与CPU的接口，其中CS为片选端，如不需选片，可直接接地。

I/OClock是芯片的时钟端，Adress是地址选择端，DataOut是数据输出端，这三根引脚分别接到CPU的三个I/O端即可。

EOC用于指示一次AD转换已完成，CPU可以读取数据，该引脚是低电平有效，根据需要，该引脚可接入CPU的中断引脚，一旦数据转换完成，向CPU提出中断请求；此外，也可将该引脚接入一个普通的I/O引脚，CPU通过查询该引脚的状态来了解当前的状态，甚至该引脚也可以不接，在CPU向TLC1543发出转换命令后，过一段固定的时间去读取数据即可。

图9TLC1543的引脚示意图

3.3数据数据处理（单片机系统）部分

3.3.1单片机的选择与介绍

根据常见的单片夹类型再结合本次设计方案可以选择出STC89C51[5]是最适合的。

STC89C51是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。

STC89C51系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。

主要性能:

（1）增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU

（2）（5V单片机）/2.0V~3.8V

（3）相当于普通8051的0～420MHz,实际工作频率可达48MHz

（4）用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节

（5）片上集成512字节RAM

（6）通用I/O口（27/23个），复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA

（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器

可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

（8）EEPROM功能

（9）看门狗

（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）

（11）时钟源：

外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器。

用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。

常温下内部R/C振荡器频率为：

5.2MHz～6.8MHz。

精度要求不高时，可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选4MHz～8MHz

（12）有2个16位定时器/计数器

（13）外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

（14）PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列），也可用来再实现4个定时器或4个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可支持）

（15）通用异步串行口（UART）

（16）SPI同步通信口，主模式/从模式

（17）工作温度范围：

0~75℃/-40~+85℃

3.3.2引脚功能描述

图9AT89C51的引脚

（1）VCC:

供电电压。

（2）GND:

接地。

（3）P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

（4）P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

（5）P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器