1、酒精濃度檢測儀的設計酒精濃度檢測儀的設計一、前言一、前言對氣體中酒精含量進行檢測的設備有五種基本類型，即：燃料電池型(電化學)、半導體型、氣體色譜分析型、紅外線型、比色型。但由于價格和使用方便的原因，常用的只有燃料電池型和半導體型兩種。 燃料電池作為一種發(fā)電裝置，它的原理是將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能。當前各國家都在廣泛研究環(huán)保型能源，因為它直接可以把可燃氣體轉變成電能，并且不產生污染，酒精傳感器只是燃料電池的一方面應用。與半導體型的相比，燃料電池型呼氣酒精檢測儀有很多優(yōu)勢，即穩(wěn)定性好，精度高，抗干擾性好。但是燃料電池酒精傳感器的結構要求非常精密，制造難度相當大，并且材料成本高

2、，價格昂貴。如今的酒精濃度檢測儀都是采用可替代吹管，酒精儀從傳統(tǒng)的機械檢測或酒精計到現(xiàn)在的利用傳感器和單片機核心技術的酒精濃度檢測儀是在技術上是一大突破，提高了檢測酒精的精確度，社會公共安全系數(shù)也大大的提高。 但是現(xiàn)在大部分一般的酒精濃度檢測儀價格低的靈敏度低，準確度高的售價也比較昂貴，并且大多只是對結果進行預警、低報、高報三限報警點設置。為了得到準確的濃度數(shù)值，在 LED 顯示酒精濃度數(shù)值上應實現(xiàn)普及。同時很多其他氣體會可能會對檢測的結果產生影響，從而影響準確度，所以在傳感器的腐蝕性以及排除其他干擾的能力上也待提升?，F(xiàn)在大多都是對氣體濃度或液體濃度的單一檢測，最好是能解決一個檢測儀能同時對酒

3、精的氣體和液體兩種狀態(tài)下的檢測。本課題分為兩部分：硬件設計部分和軟件設計部分。硬件部分為利用 MQ3 氣敏傳感器測量空氣中酒精濃度，并轉換為電壓信號，經 A/D 轉換器轉換成數(shù)字信號后傳給單片機系統(tǒng)，由單片機及其相應外圍電路進行信號的處理，顯示酒精濃度值以及超閾值聲光報警。程序采用模塊化設計思想，各個子程序的功能相對獨立，便于調試和修改。而硬件電路又大體可分為單片機小系統(tǒng)電路、A/D 轉換電路、聲光報警電路、LED顯示電路，按鍵電路，各部分電路的設計及原理將會在硬件電路設計部分詳細介紹。二、酒精測試儀總體方案設計二、酒精測試儀總體方案設計2.1 酒精濃度檢測儀酒精濃度檢測儀設計要求分析設計要求

4、分析設計的酒精濃度測試儀應具有如下特點：（1）數(shù)據采集系統(tǒng)以單片機為控制核心，外圍電路帶有LED顯示以及鍵盤響應電路，無需要其他計算機，用戶就可以與之進行交互工作，完成數(shù)據的采集、存儲、計算、分析等過程。2（2）系統(tǒng)具有低功耗、小型化、高性價比等特點。（3）從便攜式的角度出發(fā)，系統(tǒng)成功使用了數(shù)碼管顯示器以及小鍵盤。由單片機系統(tǒng)控制鍵盤和LED顯示來實現(xiàn)人機交互操作，界面友好。（4）軟件設計簡單易懂。2.22.2 酒精濃度檢測儀設計方案酒精濃度檢測儀設計方案設計時，考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉換為電量，傳感器輸出的是0-5伏的電壓值且電壓值穩(wěn)定，外部干擾小等。因此，可以直接把傳感器輸出電壓值

5、經過A/D轉換器轉換得到數(shù)據送入單片機進行處理。此外，還需接人LED顯示，4*4鍵盤，報警電路等。其總體框圖如圖2-1所示。被測環(huán)境氣敏傳感器A/D 轉換電路單片機聲光報警電路LED 顯示鍵盤圖圖2-12-1 基本工作原理圖基本工作原理圖三、硬件設計三、硬件設計3.1 傳感器的選擇傳感器的選擇本系統(tǒng)直接測量的是呼氣中的酒精濃度，再轉換為血液中的酒精含量濃度，故采用氣敏傳感器?？紤]到周圍空氣中的氣體成分可能影響傳感器測量的準確性，所以傳感器只能對酒精氣體敏感，對其他氣體不敏感，故選用 MQ3 型氣敏傳感器。其有很高的靈敏度、良好的選擇性、長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。MQ3 型氣敏傳感器由微型A

6、l2O3，陶瓷管和 SnO2 敏感層、測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。傳感器的標準回路有兩部分組成。其一為加熱回路，其二為信號輸出回路，它可以準確反映傳感器表面電阻值的變化。傳感器的表面電阻 RS 的變化，是通過與其串聯(lián)的負載電阻 RL 上的有效電壓信號 VRL 輸出面獲得的。負載電阻 RL 可調為 05-200K。加熱電壓 Uh 為 5v。上述這些參數(shù)使得傳感器輸出電壓為 0-5V。MQ3 型氣敏傳感器的結構和外形、標準回路、傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關系圖如圖 3-3 所示。為了使測量的精度達到最高，誤差最小

7、，需要找到合適的溫度，一般在測量前需將傳感器預熱 5 分鐘。3圖圖3-13-1 MQ3MQ3 結構和外形結構和外形圖圖3-23-2 MQ3MQ3 結構圖結構圖圖圖3-3 傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關系傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關系43.23.2 A/DA/D轉換電路轉換電路在單片機應用系統(tǒng)中，被測量對象的有關變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，須經傳感器轉換成連續(xù)變化的模擬電信號（電壓或電流），這些模擬電信號必須轉換成數(shù)字量后才能在單片機中用軟件進行處理。實現(xiàn)模擬量轉換成數(shù)字量的器件稱為 A/D 轉換器（ADC）。A/D 轉換器大致分有三類：一是雙積分

8、 A/D 轉換器，優(yōu)點是精度高，抗干擾性好，價格便宜，但速度慢；二是逐次逼近型 A/D 轉換器，精度、速度、價格適中；三是-A/D 轉換器。該設計中選用的是 ADC0809 屬第二類，是 8 位 A/D 轉換器。0809 具有 8 路模擬信號輸入端口，地址線（23-25 腳）可決定那一路模擬信號進行 A/D 轉換。22 腳為地址鎖存控制，當輸入為高電平時，對地址信號進行鎖存。6 腳為測試控制，當輸入一個2s 的高電平脈沖時，就開始 A/D 轉換。7 引腳為 A/D 轉換結束標志，當 A/D 轉換結束時，7 腳輸出高電平。9 腳為 A/D 轉換數(shù)據輸出允許端，當 OE 腳為高電平時，A/D 轉換

9、數(shù)據輸出。10 腳為 0809 的時鐘輸入端。3.2.1 ADC0809 的引腳及功能逐次比較型 A/D 轉換器在精度、速度、和價格上都適中，是最常用的 A/D 轉換器件。芯片采用的是 ADC0809，以下介紹 ADC0809 的引腳及功能。芯片如圖 3-4 所示。 圖圖 3-43-4 ADC0809ADC0809 的引腳的引腳ADC0809 是一種逐次比較式 8 路模擬輸入、8 位數(shù)字量輸出的 A/D 轉換器。由圖可見，ADC0809 共有 28 個引腳，采用雙列直插式封裝。主要引腳功能如下： IN0-IN7 是 8 路模擬信號輸入端。 D0-D7 是 8 位數(shù)字量輸入端。 A、B、C 與

10、ALE 控制 8 路模擬通道的切換，A、B、C 分別與 3 根地址線或數(shù)據線相連，3 位編碼對應 8 個通道地址端口。需要注意的是：ADC0809 雖然有 8 路模擬通道可以同時輸入 8 路模擬信號，但每個5瞬間只能換 1 路，共用一個 A/D 轉換器進行轉換，各路之間的切換由軟件改變C、A、B 引腳上的代碼來實現(xiàn)。地址鎖存與譯碼電路完成對 A、B、C 3 個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉換結果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據總線相連，圖 3-5 為通道選擇表。圖圖 3-53-5 通道選擇表通道選擇表 OE、START、CLK 為控制信號端，OE 為輸出

11、允許端，START 為啟動信號輸入端，CLK 為時鐘信號輸入端。 VR(+)和 VR(-)為參考電壓輸入端。3.2.2 ADC0809 的結構及轉換原理ADC0809 的結構框圖如圖 3-6。ADC0809 采用逐次比較的方法完成 A/D 轉換的，由單一的+5V 電源供電。片內有鎖存功能的 8 路選 1 的模擬開關，由 C、B、A 引腳的功能來決定所選的通道。0809 完成一次轉換需 100s 左右，輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到 MCS-51 的數(shù)據總線上。通過適當?shù)耐饨与娐罚?809 可對 0-5V 的模擬信號進行轉換。6START CLKOEVR(+) VR()VCCGN

12、DEOCD0.D7三態(tài)輸出鎖存器8 位A/D轉換器地址鎖存與密碼CBAALE8 路模擬量開 關IN7.IN0圖圖 3-63-6 ADC0809ADC0809 的結構框圖的結構框圖3.2.3 ADC0809 連線圖ADC0809 與單片機的連線圖如圖 3-7：7圖圖 3-73-7 ADC0809ADC0809 的連線圖的連線圖3.33.3 89C5189C51 單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術把具有數(shù)據處理能力(如算術運算，邏輯運算、數(shù)據傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機存取數(shù)據存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O 口)，可能還包

13、括定時計數(shù)器，串行通信口(SCI)，顯示驅動電路(LCD 或 LED 驅動電路)，脈寬調制電路(PWM)，模擬多路轉換器及 A/D 轉換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構成一個雖小然而完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規(guī)定的任務。3.3.1 單片機片內結構51 單片機的片內結構如圖 3-8 所示。它把那些作為控制應用所必需的基本內容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。按功能劃分，它有如下功能部件組成： 微處理器（CPU） 。 數(shù)據存儲器(RAM)。 程序存儲器（ROM/EPROM） 。8 4 個 8 位并行 I/O 口（P0 口、P1 口、P2 口、

14、P3 口） 。 一個串行口。 2 個 16 位定時器、計數(shù)器。 2 個 16 位定時器、計數(shù)器。 中斷系統(tǒng)。 特殊功能寄存器（SFR） 。PSEN88EOCXTAL1CPU（運算器）（控制器）數(shù)據存儲器RAMP0P2程序存儲器ROM/EPROMP1串行口定時器/計數(shù)器中斷系 統(tǒng)特殊功能寄存器（SFR）P3ALEEAIN7.I0XTAL288RESET 圖圖 3-83-8 5151 單片機片內結構單片機片內結構上述功能部件都是通過片內單一總線連接而成，其基本結構依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結構模式。但 CPU 對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。從硬件角度來看，與 MC

15、S-51 指令完全兼容的新一代 AT89CXX 系列機，比在片外加EPROM 才能相當?shù)?8031 單片機抗干擾性能強，與 87C51 單片機技能相當，但功耗小。程序修改直接用+5V 或+12V 電源擦除，更顯方便、而且其工作電壓放寬至 2.7V-6V，因而受電壓波動的影響更小，而且 4K 的程序存儲器完全能滿足單片機系統(tǒng)的軟件要求，故 AT89C51 單片機是構造本檢測系統(tǒng)的更理想的選擇。3.3.2 89C51 芯片介紹掌握 MCS-51 單片機，應首先了解 MCS-51 的引腳，熟悉并牢記各引腳的功能，MCS-51 系列中各種型號芯片的引腳是互相兼容的。制作工藝為 HMOS 的 MCS-5

16、1 的單片機都采用 40 只引腳的雙列直插封裝方式，如圖 3-9 所示。9P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST(TXD) P3.1(INT0) P3.2(INT1) P3.3T0 P3.4T1 P3.5(WR) P3.6(RD) P3.7XTAL1XTAL2GNDVccP0.0 (AD0)P0.1 (AD1)P0.2 (AD2)P0.3 (AD3)P0.4 (AD4)P0.5 (AD5)P0.6 (AD6)P0.7 (AD7)EA/VPPPSENP2.7 (A15)P2.6 (A14)P2.5 (A13)P2.4 (A12)P2.3 (A11)P2.2 (A1

17、0)P2.1 (A9)P2.0 (A8)PDIP (RXD) P3.0ALE/PROG圖圖 3-93-9 AT89C51AT89C51 芯片管腳圖芯片管腳圖40 只引腳按其功能來分，可分為如下 3 類： 電源及時鐘引腳：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。電源引腳接入單片機的工作電源。Vcc 接+5V 電源，Vss 接地。時鐘引腳 XTAL1、XTAL2 外接晶體與片內的反相放大器構成了 1 個晶體振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號。2 個時鐘引腳也可外接獨立的晶體振蕩器。XTAL1 接外部的一個引腳。該引腳內部是一個反相放大器的輸入端。這個反相放大器構成了片內振蕩器。如果采用外接晶體振

18、蕩器時，此引腳接地。XTAL2 接外部晶體的另一端，在該引腳內部接至內部反相放大器的輸出端。若采用外部時鐘振蕩器時，該引腳接受時鐘振蕩器的信號，即把此信號直接接到內部時鐘發(fā)生器的輸入端。 控制引腳：、ALE、RESET（RST）。此類引腳提供控制信號，有的還PSENEA具有復用功能。 RST/VPD引腳：RESET（RST）是復位信號輸入端，高電平有效。當單片機運行時，在此引腳加上持續(xù)時間大于 2 個機器周期（24 個振蕩周期）的高電平時，就可以完成復位操作。在單片機工作時，此引腳應為0.5V 低電平。VPD為本引腳的第二功能，即備用電源的輸入。當主電源發(fā)生故障，降低到某一規(guī)定值的低電平時，將

19、+5V 電源自動接入 RST 端，為內部 RAM 提供備用電源，以保證片內 RAM 的信息不丟失，從而使單片機在復位后能正常進行。 ALE/ 引腳：ALE 引腳輸出為地址鎖存允許信號，當單片機上電正常工作PROG后 ALE 引腳不斷輸出正脈沖信號。當單片機訪問外部存儲器時，ALE 輸出信號的負跳沿用于單片機發(fā)出的低 8 位地址經外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號。即使不訪問外部鎖存器，ALE 端仍有正脈沖信號輸出，此頻率為時鐘振蕩器頻率的 1/6。 為該引腳PROG10的第二功能。在對片內 EPROM 型單片機編程寫入時，此引腳作為編程脈沖輸入端。 引腳：程序存儲器允許輸出控制端。在單片機訪問外部程

20、序存儲器時，此PSEN引腳輸出脈沖負跳沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。此引腳接外部程序存儲器的OE（輸出允許端）。 /VPP引腳：功能為片內程序存儲器選擇控制端。當引腳為高電平時，EAEAEA單片機訪問片內程序存儲器，但在 PC 值超過 0FFFH 時，即超出片內程序存儲器的 4KB地址范圍時將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序。當引腳為低時，單片機只訪EA問外部程序存儲器，不論是否有內部程序存儲器。 I/O 口引腳：P0、P1、P2、P3，為四個 8 位 I/O 口的外部引腳。P0 口、P1 口、P2 口、P3 口是 3 個 8 位準雙向的 I/O 口，各口線在片內均有固定的上拉電阻。當這

21、 3個準雙向 I/O 口作輸入口使用時，要向該口先寫 1，另外準雙向口 I/O 口無高阻的“浮空”狀態(tài)。由于單片機具有體積小、質量輕、價格便宜、耗電少等突出特點，所以本系統(tǒng)采用 89C51 單片機，硬件設計電路圖如圖 1 所示。89C51 內部有 4KB 的 EPROM，128 字節(jié)的 RAM，所以一般都要根據所需存儲容量的大小來擴展 ROM 和 RAM。本電路接高電EA平，沒有擴展片外 ROM 和 RAM。 3.3.3 晶振電路和復位電路電路圖如下：圖圖 3-103-10 晶振與復位電路晶振與復位電路3.43.4 LEDLED 顯示電路顯示電路LED 顯示有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。本

22、設計使用并行輸入硬件譯碼靜態(tài)顯示電路，靜態(tài)顯示電路中，各位可獨立顯示，只要在該位的段碼線上保持段碼電平，該位就能保持相應的顯示字符。電路中采用了鎖存譯碼器 MC14495 將 P1 口低 4 位輸11出的 BCD 碼譯成七段字型碼，利用 P1 口高四位做為各鎖存譯碼器的所存信號，實現(xiàn)穩(wěn)定顯示。LED 使用的是共陰極 7 段數(shù)碼管。數(shù)碼管顯示電路如下圖圖 3-113-11 數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路3.53.5 鍵盤電路鍵盤電路鍵盤有兩種工作方式：編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤。處理方式有掃描法和線反轉法。本設計采用的是非編碼鍵盤，并利用掃描法處理按鍵，消抖由軟件實現(xiàn)。鍵盤掃描電路圖 3-12：圖圖

23、 3-123-12 按鍵電路按鍵電路123.63.6 報警電路報警電路報警電路圖 3-13：圖圖 3-133-13 報警電路報警電路四、四、軟件設計軟件設計4.14.1 主程序框圖主程序框圖主程序流程圖如下圖 4-1 所示。初始化LCD 顯示子程序數(shù)據處理子程序鍵盤掃描子程序序A/D 轉換子程序序大于閾值？聲光報警N開始Y13圖圖 4-14-1 主程序框圖主程序框圖4.24.2 數(shù)據采集子程序程序框圖數(shù)據采集子程序程序框圖A/D 轉換子程序流程圖如下圖 3-2 所示。ADC0809 初始化后，把 0 通道輸入的 0-5V 的模擬信號轉換為對應的數(shù)字量 OOH-FFH，然后將對應數(shù)值存儲到內存單

24、元。程序框圖如圖 4-2圖圖 4-24-2 數(shù)據采集子程序框圖數(shù)據采集子程序框圖4.34.3 報警子程序程序框圖報警子程序程序框圖系統(tǒng)設定閾值并保存在以 50H 開始的 3 個單元，為了便于比較和顯示，閾值的千位放入 50H 中，百位和十位放入 5lH，個位放人 52H 中。報警電路分為蜂鳴器報警電路和 LED 發(fā)光報警電路組成。當輸入端 P3.5 為低電平時，有電流通過蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)出聲音報警。而當輸入端為高電平時不報警。報警子程序執(zhí)行之前，將報警閾值轉換為壓縮的 BCD 碼并存放在兩個存儲單元中。傳感器輸入值 A/D 轉換后，調用比較程序，經過數(shù)據處理后顯示的測量值與閾值比較，小于閾值則

25、繼續(xù)執(zhí)行顯示程序。若大于閾值則將單片機的 P3.5 口清零進行聲光報警。40H、4lH、42H 單元存放 A/D 轉換后，并進行十進制轉換后的結果。40H 和 50H 分別存放的是處理后的測量值與閾值的千位的壓縮 BCD 碼，41H 和 51H 分別存放的是處理后的測量值與閾值的百位、十位壓縮的 BCD 碼，42H 和 52H 分別存放的是處理后的測量值與閾值的個位的壓縮 BCD 碼。程序首先對 40H、50H 中的值進行比較大小，如果 40H 中的開始啟動 ADC0809 通道，并延時 100s轉換完？讀出 A/D 轉換結果結果存入內存單元返回YN14值大于 50H 中的值，則進行報警。依此類推，比較 41H 和 51H，42H 和 52H。程序框圖如圖