实时酒精含量测试仪的设计.docx
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实时酒精含量测试仪的设计
泉州师范学院
毕业论文（设计）
题目实时酒精含量测试仪的设计
物信学院电子信息科学与技术专业08级2班
学生姓名谢晓明学号080303091
指导教师柯跃前职称副教授
完成日期2012年4月
教务处制
实时酒精含量测试仪的设计
物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业080303091谢晓明
指导老师柯跃前副教授
【摘要】本设计采用MQ3酒精气敏传感器和单片机器件设计一款可编程的智能型实时酒精含量测试仪，可模拟实现对人体呼出气体中酒精含量的测试,并且通过LCD液晶实时显示测试数据。
该装置可设定浓度阈值,并具有超值报警功能。
系统通过MQ3传感器采集的数据，并转换为电压信号经A/D转换后传给单片机系统,由单片机及其外围电路进行信号的处理,实时显示酒精浓度值，当超阈值时报警。
用C语言进行编程,程序采用模块化设计思想。
【关键词】酒精含量，MQ3传感器，A/D549转换，单片机，LCD1602
摘要……………………………………………………………………………………………1
绪论……………………………………………………………………………………………3
第一章酒精含量测试仪硬件电路设计………………………………………………………3
1.1课题要求………………………………………………………………………………3
1.2硬件总体设计思路………………………………………………………………4
1.3硬件电路主要器件的选择……………………………………………………………5
1.4气体传感气及放大电路…………………………………………………………5
1.4.1MQ3气体传感器简介……………………………………………………………5
1.4.2放大器LM358功能及管脚…………………………………………………6
1.4.3酒精传感器MQ3与放大器OP07连接电路………………………………………7
1.5模数转换器TLC549及连接电路…………………………………………………7
1.5.1模数转换器TLC549功能及管脚简介……………………………………………7
1.5.2模数转换器TLC549工作原理………………………………………………8
1.6DS1302时钟模块……………………………………………………………………9
1.7单片机AT89S52最小系统连接电路……………………………………………10
1.7.1单片机AT89S52功能及管脚简介………………………………………………10
1.7.2本设计单片机最小系统连接电路…………………………………………11
1.8LCD1602功能特性及管脚…………………………………………………………11
1.9本设计1602LCD与单片机接口电路……………………………………………12
1.10报警系统电路……………………………………………………………………13
1.11系统其他电路简介……………………………………………………………………13
1.11.1电源指示电路………………………………………………………………13
1.11.2电源电路……………………………………………………………………13
1.11.3程序下载口电路……………………………………………………………14
1.11.4按键控制电路………………………………………………………………14
1.11.5稳压电路……………………………………………………………………15
1.12本章小结………………………………………………………………………………15
第二章酒精含量测试仪软件设计…………………………………………………………15
2.1主程序流程图及设计……………………………………………………………………15
第三章酒精含量测试仪软硬件调试及测试过程………………………………………………16
3.1软硬件的合成调试……………………………………………………………………16
3.2调试故障及分析………………………………………………………………………17
3.3酒精浓度检测的原理及依据…………………………………………………………17
3.3.1检测原理……………………………………………………………………………17
3.3.2检测依据……………………………………………………………………………17
3.4传感器浓度校准…………………………………………………………………………18
3.5数据测试及分析………………………………………………………………………18
3.6实物图展示……………………………………………………………………………19
第四章结论………………………………………………………………………………………20
致辞……………………………………………………………………………………………20
参考文献………………………………………………………………………………………21
附录1电路原理图及PCB图……………………………………………………………………23
附录2系统程序…………………………………………………………………………………25
绪论
随着汽车制造业的发展，全球汽车拥有量的增加，据德国一家调研机构预测，全球汽车（包括个人用车和商用车）保有量最迟到2010年将突破10亿量。
随着汽车保有量的增加，交通事故也在不断的增加，全世界每年约有120万人死于道路交通事故，受伤者多达5000万人，同时全球道路交通事故每年造成的直接经济损失为5180亿美元，可见道路交通安全问题已成为全球性的主题。
随着我国经济的快速发展，公路建设也得到了前所未有的发展机遇。
随着公路运输业的发展，公安部交管局透露，截至2011年8月底，全国机动车保有量达到2.19亿辆。
其中，汽车保有量首次突破1亿辆，占机动车总量的45.88%，是机动车的主要构成部分。
随着汽车使用量的增加和道路交通事业的发展，也给社会带来了负面影响。
为了能够有效的防止酒后驾驶造成的此类危害，研究一种酒精含量测试仪来测量驾驶员呼气中酒精浓度是否超标是非常必要的，降低交通事故的发生率。
驾驶员酒后驾车就像一颗颗流动的“炸弹”，随时随地都有可能爆炸，威胁着我们的安全。
据调查研究中显示，酒精对驾驶员有很大的影响，主要表现在以下几个方面：
（1）酒精能麻醉人的中枢神经系统，使其功能失调，反应迟钝，动作不协调，酒后驾驶人的判断能力和操作能力明显下降，因为低浓度血中酒精可导致认知和驾驶能降低，特别是对光、声、图像、画面的反应时间延长，眼、手、脚之间的配合功能发生障碍，无法正确判断车速和车距。
（2）酒精使驾驶人的意识模糊，注意力减弱或分散。
驾驶人在中枢神经系统被麻醉情况下，无法集中注意力，视野范围缩小，视像模糊，对处于视野边缘的危险隐患难以发现。
（3）酒精涉入一定量后使人的危险感受性下降,在酒精的麻痹下，人的触觉敏感度降低，危险感受性也会随着酒精作用而降低，因而容易对自己的能力过高估计，对周围人的劝告不予理睬，驾车行驶在路上也不会感觉有危险的存在，易于我行我素，横冲直撞。
[1]
第一章酒精含量测试仪硬件电路设计
1.1课题要求
设计一个便携式驾驶员酒精含量测试仪，测试人体呼出气体中酒精含量。
它对酒精快速响应，预热时间短，灵敏度高，测量直观，功耗低。
测试仪可以采用气体传感器作为敏感单元,把气体中含有的乙醇气态浓度转换成电信号,经电子电路放大以及微处理器处理,由LCD直观显示被测气体中的乙醇浓度。
设计要求：
（1）侦测浓度:
危险浓度为大于0.4mg/L，安全浓度为小于0.25mg/L,介于两者之间是警戒浓
度。
（2）显示方式:
使用LCD显示测量出来的酒精浓度值，并使用绿色LED亮指示安全状态，橙
色LED亮指示警戒状态，红色LED亮指示危险状态。
（3）使用环境:
0℃-40℃
（4）使用电池:
3VDC（AAA电池×2）
（5）暖机时间:
20秒内
（6）测试时间：
6秒
1.2硬件总体设计思路
思路从设计的要求出发，要求是测试酒精气体的浓度，必然要用到酒精传感器。
设计出来的仪器要对酒精快速响应，预热时间短，这就对酒精传感器的性能指标有一定的要求，首先这个酒精传感器本身就很好的灵敏度，和检测到的酒精气体发生化学反应快。
测量直观要求仪器有一个显示器，能直接从显示器上读取测试结果，这时选择一个LCD液晶做显示器。
又考虑到酒精传感器采集到的电信号是微弱模拟信号，而单片机所能处理的是数字信号，所以还要运用运放和一块A/D转换芯片，把酒精传感器采集到的模拟电信号放大，并转换成数字电信号，再送到单片机进行信号处理，经单片机运算处理的数字电信号最后送到LCD液晶进行显示。
以下是对本课题重点难点分析：
设计重点:
（1）掌握整个测试仪的工作过程、每个环节的原理。
（2）单片机、酒精传感器、时钟模块、运放等器件的选用。
（3）测量标定。
设计难点：
（1）酒精传感器、运放、A/D模数转换器、单片机、LCD显示的集成电路设计
（2）采集数据、处理数据、以及显示数据的程序的编写。
（3）酒精气体的采集过程。
（4）测试数据时，精度达到要求。
硬件设计总体框架
电信号信号放大数字信号信号显示
图1.1硬件设计总体框
1.3硬件电路主要器件的选择
在满足上诉测试要求的前提下，选择自己熟悉并且常用的器件，方便调试，而且容易买到，还要考虑到总体的成本，选择比较经济的器件，价格控制在一定范围内。
本设计选择的主要器件有如下：
（1）单片机：
AT89S52
（2）酒精传感器：
MQ3
（3）运算放大器：
LM358
（4）A/D：
TLC549
（5）LCD：
1602
（7）时钟：
DS1302
1.4气体传感气及放大电路
气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。
从本质上来讲，气体传感器是一种将气体体积分数转化成相对应的电信号的转换器。
探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，一般情况下包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理以及样品抽吸，甚至是对样品进行化学处理，以便化学传感器能够进行较快速地测量。
[2]这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，因而选择MQ3型酒精传感器。
1.4.1MQ3气体传感器简介
MQ3气敏元件的结构和外形如图1.2所示,电路连接图如图1.3所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极与加热器构成的敏感元件固定在塑料或是不锈钢制成的腔体里，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装较好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。
具有广泛的探测范围，适用于酒精检测。
对乙醇蒸气有很高的灵敏度和良好的选择性，快速的响应恢复特性，长期的寿命和可靠的稳定性，简单的驱动回路等特点。
通常用于机动车驾驶人员是否酗酒及其它严禁酒后作业人员的现场检测；也用于其它场所乙醇蒸气的检测.；也可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置。
图1.2MQ3结构与外形图1.3MQ3电路连接
回路中有两部分组成：
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。
二者之间的关系表述为：
RS/RL=（VCC－VRL）/VRL，其中VCC为回路电压，负载电阻RL可调为0.5～200K，VCC同时作为加热电压。
[3]
工作条件：
使用温度在-20℃—55℃范围；储存温度在-20℃-70℃范围；相对湿度要求不大于95%RH；氧气浓度在21%（标准条件）。
回路电压要求≤15V（ACorDC），加热电压要求是5.0V±0.2V，测量电压不大于24V。
负载电阻要可调，加热电阻是31Ω±3Ω；加热功耗≤900mW，属于小功率；探测空气中酒精浓度范围100ppm-2000ppm。
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5分钟。
MQ3灵敏度特性曲线资料如图1.4：
图1.4MQ3灵敏度特性曲线
本灵敏度曲线图条件：
温度：
20℃、相对湿度：
65%、氧气浓度：
21%RL=5kΩRs：
元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。
R0:
元件在洁净空气中的电阻值。
1.4.2放大器LM358功能及管脚
LM358内部包含有两个相互独立的、增益高、内部频率补偿的双运算放大器，适于电源电压范围较宽的单电源使用，也适于双电源的工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包含了传感放大器、直流增益模块与其他所有可用单电源供电使用运算放大器的场合。
图1.5LM358管脚图
管脚介绍：
1和7为偏置平衡，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源。
1.4.3酒精传感器MQ3与放大器OP07连接电路
图1.6MQ3与放大器LM358连接电路
工作原理：
图1.6是酒精传感器MQ3与放大器LM358连接电路，MQ3气体传感器接触到酒精昧后，就会发生化学反应，A（1和3角连接在一起）、B（4和6角连接在一起）间的电阻值减少，B点的电位升高，酒味越浓，B点电位越高。
此信号电压经灵敏度调节电位器RP滑动臂取出，加至放大器LM358的2、3脚，由LM358的1脚输出被放大的模拟电信号，这个模拟电信号将被提供给TLC459进行A/D转换。
[4]
1.5模数转换器TLC549及连接电路
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
1.5.1模数转换器TLC549功能及管脚简介
TLC549是TI公司生产的一种性价比非常高的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统.
主要特性
1、８位分辨率A/D转换器，总不可调整误差≤±0.5LSB。
2、采用三线串行方式与微处理器接口。
3、片内提供４ＭＨｚ内部系统时钟,并与操作控制用的外部I/OCLOCK相互独立。
4、有片内采样保持电路，转换时间≤17us，包括存取与转换时间转换速率达40000次／秒。
5、差分高阻抗基准电压输入，其范围是:
１V≤差分基准电压≤Vcc＋0.2V。
6、宽电源范围：
3V－6.5V，低功耗,当片选信号/CS为低，芯片选中处于工作状态。
管脚介绍：
1脚为正向参考电压；
2脚信号电压输入；
3脚为反向参考电压，一般直接接地；
4脚接地；
5脚为片选信号，低电平有效；
6脚为信号输出；
7脚为时钟信号；
8脚接电源。
图1.7TLC549管脚图
1.5.2模数转换器TLC549工作原理
图1.8TLC549连接电路图
工作原理：
首先将信号电压从2脚输入，令片选CS和时钟信号CLK为低电平，则开始转化！
转换结束后，结果数据已存入锁存器，通过6脚串行输出，将转换好的数字电信号传递给单片机进行数据处理。
1.6DS1302时钟模块
现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等。
这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。
本设计的实时时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力，可为掉电保护，系统时钟后备电源的供电下继续工作。
该电路晶振采用的是普通32.768kHz晶振。
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302电路原理图如图1.9所示。
图1.9DS1302时钟原理图
DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，Vcc2为主电源。
在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。
DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。
当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。
当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。
X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。
RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
RST输入有两种功能：
首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。
当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。
如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。
上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。
I/O为串行数据输入输出端（双向），后面有详细说明。
SCLK始终是输入端。
DS1302与单片机的连接，实际上，在调试程序时可以不加电容器，只加一个32.768kHz的晶振即可。
1.7单片机AT89S52最小系统连接电路
单片机也被称为微控制器，是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能。
本课题采用较常用且较经济的AT89S52单片机，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程存储器。
1.7.1单片机AT89S52功能及管脚简介
标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
[5]
管脚介绍：
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。
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）。
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）。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个。
TTL逻辑电平。
对P3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）。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。
EA/VPP：
外部访问允许，欲使CPU访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
晶振特性：
AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。
石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。
存储器结构：
MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。
外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。
程序存储器：
如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。
数据存储器：
AT89S52有256字节片内数据存储器。
高128字节与特殊功能寄存器重叠。
1.7.2本设计单片机最小系统连接电路
图1.10单片机最小系统连接电路
工作原理：
本单片机最小系统连接电路如图1.10，[6]本系统包括单片机AT89S52接口电路、晶振电路、复位电路、分频电路。
单片机AT89S52接口电路中，P2.4、P2.6及P2.8口分别控制TLC549的7脚、5脚及6脚；P2.6口用于控制系统报警，当所测试的浓度超过阈值时，输出一个低电平，红色指示灯会发光，蜂鸣器会发出声音。
P1.0-P1.7作为数据线，在单片机和液晶LCD1602之间用于传递单片机处理过的被测电压数字信号。
P3.0和P3.1口连接下载口。
P3.2口、P3.3口、P3.4口分别为INT0、INT1、T0，作为中断；P3.5口、P3.6口、P3.7口分别为E、R/W、RS，用来控制液晶，对液晶写入控制命令。
单片机的18号、19号管脚用于连接晶振电路，使单片机工作。
单片机31号管脚是EA/VPP，是访问外部程序存储器控制信号，当执行内部程序指令，EA应该接VCC；9号管脚是单片机复位；30号管脚是ALE/PROG，地址锁存控制信号ALE是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
复位电路包含了单片机上电复位和按键复位（高电平复位）。
P0口加上一个排阻，作为上拉电阻，提高驱动能力。
[7]
1.8LCD1602功能特性及管脚
功能介绍：
液晶显示器在一个电路系统中用于显示数据，本课题的硬件电路中采用1602LCD液晶作为显示器。
1602LCD具有40通道点阵LCD驱动；可选择当作行驱动或列驱动；输入/输出信号：
输出,能产生20×2个LCD驱动波形；接受控制器送出的串行数据和控制信号；通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来。
LCD1602显示容量为16×2个字符；芯片工作电压为4.5～5.5V；工作电流为2.0mA（5.0V）；模块最佳工作电压为5.0V；字符尺寸为2.95×4.35（W×H）mm。
[8]
1.9本设计1602LCD与单片机接口电路
图1.111602LCD与单片机接口电路
工作原理：
图1.11为1602LCD与单片机接口电路，其中D0～D7八位双向并行总线与单片机的P1口相连，用来传送命令和数据。
RS与单片机P3.7口相连，作为命令/数据选择引脚；R/W与单片机P3.6口相连，作为读写选择端；E与单片机P
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