基于AT89S51單片機(jī)酒精濃度探測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)〔論文〕主要內(nèi)容：要求設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于AT89S51單片機(jī)的酒精濃度探測儀系統(tǒng)，其中酒精傳感器采用MQ-3型，利用該傳感器將酒精氣體濃度信號轉(zhuǎn)化為電信號，選擇適當(dāng)?shù)姆糯笃鞣糯笃潆妷盒盘?，?qū)動(dòng)發(fā)光二極管顯示酒精濃度的高度，同時(shí)利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并由單片機(jī)控制，最后用數(shù)碼管顯示。要求完成的主要任務(wù)：1、查閱不少于15篇的相關(guān)資料，其中英文文獻(xiàn)不少于2篇，完成開題報(bào)告。2、掌握C51系列單片機(jī)原理及編程技術(shù)，熟悉ADC0809的工作原理及特性；熟悉數(shù)碼管顯示技術(shù)。3、用protel繪制其原理圖，完成整體電路的安裝與調(diào)試，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。4、完成不少于5000字的英文文獻(xiàn)翻譯。5、完成不少于12000字的畢業(yè)論文。必讀參考資料：[1]張培仁．基于匯編語言編程MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003．[2]吳桂秀．傳感器應(yīng)用制作入門[M]．浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2004．本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告1、目的及意義〔含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析〕從18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命以來，到20世紀(jì)信息技術(shù)的快速開展，傳感技術(shù)逐漸走向成熟，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中的應(yīng)用也漸漸在普及。傳感器應(yīng)用廣泛，在各個(gè)領(lǐng)域都有著舉足輕重的作用，所以傳感器不斷向高精度，高可靠性，微型化，微功耗無源化和智能化數(shù)字化開展，以便更好的效勞于我們的生產(chǎn)和生活。氣體與人類的日常生活密切相關(guān)，檢測氣體是保護(hù)和改善我們居住環(huán)境的必要工作，要檢測氣體就少不了用到氣體傳感器。本設(shè)計(jì)基于AT89S51單片機(jī)設(shè)計(jì)的酒精濃度探測儀，可用來檢測酒精氣體濃度，最主要的用途是檢測司機(jī)的酒精含量。開車司機(jī)只要將嘴對著傳感頭使勁吹氣，儀器就能發(fā)上顯示出酒精濃度的上下，從而判斷該司機(jī)是否酒后駕車，防止事故的發(fā)生。當(dāng)然，最好的方法是在車內(nèi)安裝這種測試儀，司機(jī)一進(jìn)入車內(nèi)檢測儀就檢測司機(jī)的酒精含量，如果超出允許值，系統(tǒng)控制引擎無法啟動(dòng)，這樣就可從根本上解決酒后駕車問題。酒精濃度探測儀在生產(chǎn)中也有重要的應(yīng)用，比方，在一些環(huán)境要求嚴(yán)格的生產(chǎn)車間，用這種酒精濃度探測儀，可隨時(shí)檢測車間內(nèi)的酒精氣體濃度，當(dāng)酒精氣體濃度高于允許限定值時(shí)要及時(shí)通風(fēng)換氣，做到平安生產(chǎn)。當(dāng)然，依照同樣的原理也可設(shè)計(jì)檢測其他氣體的探測儀，與我們的生活息息相關(guān)的是檢測有毒氣體。傳感頭是酒精濃度探測儀中感受酒精的重要局部。目前，所設(shè)計(jì)的該類傳感器多項(xiàng)選擇用以二氧化錫為根本材料，添加不同物質(zhì)制成的氣敏傳感器。本設(shè)計(jì)所選用的MQ-3氣敏傳感器的敏感局部是由二氧化錫的N型半導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成，靈敏度高，響應(yīng)速度快，可靠性好。也有選擇以其他氧化物為根本材料制成的傳感器，如選二氧化鈦?zhàn)鳛闅怏w傳感材料。雖然目前的二氧化鈦薄膜有電阻值高，工作溫度高，敏感性差的缺點(diǎn)，但是二氧化鈦薄膜具有良好的電學(xué)性能，優(yōu)異的光學(xué)性能，化學(xué)穩(wěn)定性高，機(jī)械強(qiáng)度高，且可用于多種氣體的檢測。單片機(jī)在整個(gè)傳感器中起操作和相應(yīng)數(shù)據(jù)處理并送顯示的作用，是傳感器的核心局部。目前，氣敏傳感器已有較高的精度，可達(dá)萬分之一以上。隨著新材料開展和新加工技術(shù)的提高，有了高可靠性和低功耗的氣體傳感器。智能化數(shù)字化的氣體傳感器克服了目前氣敏傳感器人工測試帶來的效率低，誤差大和操作人員長時(shí)間工作等問題。2、根本內(nèi)容和技術(shù)方案敏感局部由二氧化錫的N型半導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成的MQ-3型氣敏傳感器，當(dāng)其外表吸附有被測氣體酒精分子時(shí)，外表導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而其外表電阻會(huì)隨著被測氣體的濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。MQ-3型氣敏傳感器靈敏度高，響應(yīng)速度快。AT89S51單片機(jī)是一般控制應(yīng)用的8位單片機(jī)。芯片內(nèi)部有時(shí)鐘振蕩器，只讀存儲(chǔ)器為4K字節(jié)，外部可擴(kuò)充至64K字節(jié)，128字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器，外部可擴(kuò)充至64K字節(jié)。32條雙向輸入輸出線，每條均可以單獨(dú)做I/O的控制。5個(gè)中斷向量源。2個(gè)獨(dú)立的16位定時(shí)器。1個(gè)全雙工串行通信端口。選用的開發(fā)平臺(tái)為MedWin單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境。發(fā)光二極管顯示選用集成驅(qū)動(dòng)器LM3914。內(nèi)部有10個(gè)電壓比擬器，可驅(qū)動(dòng)10個(gè)發(fā)光二極管。相鄰分壓端之間的電壓差是?？蛇x擇點(diǎn)狀顯示也可選擇條狀顯示。ADC0809為8路8位的A/D轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，模擬輸入電壓值范圍是0～+5V，+5V電壓供電。三位數(shù)碼管顯示具體數(shù)值。根據(jù)以上內(nèi)容選定技術(shù)方案。氣體傳感器遇到酒精氣體后，阻值發(fā)生變化，所要測的電壓發(fā)生相應(yīng)的變化。變化的電壓值送LM3914放大比擬，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光，顯示酒精濃度的上下。單片機(jī)不斷采集經(jīng)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換后的變化的電壓值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理交數(shù)碼管顯示。3、進(jìn)度安排第1-3周：查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，明確研究內(nèi)容，了解研究所需理論知識和設(shè)計(jì)所需的元器件。確定方案，完成開題報(bào)告。第4-6周：畫出流程圖，編寫程序。第7-10周：建立系統(tǒng)模型，畫出電路圖，并對軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。第11-13周：完成硬件電路的安裝，并進(jìn)行硬件電路的調(diào)試。第14-15周：完成并提交論文，對論文進(jìn)行修改定稿。第16周：完成并修改畢業(yè)論文。第17周：準(zhǔn)備論文辯論。4、指導(dǎo)教師意見指導(dǎo)教師簽名：年月日目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 IAbstract II1緒論 11.1設(shè)計(jì)背景 11.2氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀 11.3設(shè)計(jì)酒精氣體傳感器的意義 21.4本文主要研究工作 22硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 42.1單片機(jī)開發(fā)流程 42.2硬件系統(tǒng)框圖 42.3信號采集電路 52.4信號轉(zhuǎn)換電路 82.5發(fā)光二極管顯示報(bào)警電路 142.6數(shù)碼管顯示電路 162.7系統(tǒng)整體電路圖 183軟件編程 203.1開發(fā)環(huán)境 203.2程序流程 203.3程序代碼編寫 224電路調(diào)試與測試結(jié)果 284.1電路調(diào)試 284.2濃度與顯示之間的關(guān)系 295結(jié)束語 33參考文獻(xiàn) 34附錄 35致謝 38摘要本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對不同濃度酒精的檢測和顯示，通過適當(dāng)改良可以用于檢測酒后駕車。本文用AT89S51單片機(jī)與MQ-3型氣體傳感器實(shí)現(xiàn)了對酒精濃度的測量，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)利用二極管簡單顯示濃度的上下，在設(shè)計(jì)允許值時(shí)發(fā)出報(bào)警。%滿足設(shè)計(jì)要求。本文的特色在于標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)定。對于流動(dòng)空氣，樣品的穩(wěn)定性和水蒸氣的影響，提出了解決方案和驗(yàn)證方法。對不同的區(qū)間濃度和電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系做線性化處理，簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的傳感器可以檢測不同濃度的酒精氣體，改良之后對解決酒后駕車事故和特殊場合酒精檢測都可以使用。關(guān)鍵詞：氣體傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)AbstractDifferentconcentrationsofalcoholsolutionaredetectedandshowedinthedesign.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.Andinthelowconcentrationofalcoholinthetesttheerrorissmallwiththemaximumerror%,meetingrequirementsofthedesign.Thecharacteristicsofthethesisaretodeterminethestandard.Thesolutionsandverificationmethodsareproposedabouttheflowofairsamples,thesamplestabilityandwatervapor.Theconversionbetweenvoltageandconcentrationindifferentrangeistreatedaslinearrelationship.Thedesignofsensorcandetectdifferentthealcoholgaswithdifferentconcentration.Itplaysanimportantroletosolvethedrunk-drivingaccidentsandalcoholtestingforspecialoccasionsafterimprovement.KeyWords:Gassensor,A/Dconversion,Single-chipMicrocomputer1緒論1.1設(shè)計(jì)背景我國傳感器市場的增長率超過15%，2003年銷售額為186億元人民幣，2006年銷售額為283億元人民幣，預(yù)計(jì)2007年為325億元人民幣，2021年為374億元人民幣。我國傳感器4大類中，工業(yè)和汽車電子產(chǎn)品占市場份額的33.5%。近年來，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的開展階段，新型傳感器的特點(diǎn)是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，它將不僅促進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè)和軍事變革，是21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)[1]。由于氣體與人類的日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少的手段，氣體傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。氣體傳感器是把氣體中的特定成分檢測出來，并轉(zhuǎn)化為電信號的一類器件，用來對有害氣體，易燃易爆氣體等進(jìn)行平安檢測和報(bào)警，對生產(chǎn)生活中需要了解的氣體進(jìn)行檢測，分析，研究等。近年來，我國氣敏傳感器產(chǎn)業(yè)有了較快的開展，但與國外相比，從技術(shù)水平，產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用等領(lǐng)域均存在著不小的差距。目前，氣敏傳感器領(lǐng)域還存在一些問題。一是元件的穩(wěn)定性差。由于元件電阻和靈敏度隨時(shí)間而不斷變化，漂移大給檢測結(jié)果的可靠性帶來不穩(wěn)定的因素。二是選擇性差。由于在檢測氣體時(shí)，往往還存在著其它的干擾氣體(如煙酒等)，使氣敏元件發(fā)生交叉響應(yīng)，產(chǎn)生誤報(bào)。三是催化劑中毒。摻有催化劑的氣敏元件接觸某些氣體后，活性組分被毒化，將會(huì)改變元件的選擇性，降低其敏感度和穩(wěn)定性，另外催化劑本身也存在著不穩(wěn)定性問題。靈敏度問題。四是SnO2元件有時(shí)由于靈敏度過大導(dǎo)致誤報(bào)，但是在檢測某些低濃度氣體時(shí)靈敏度卻難以到達(dá)要求[2]。1.2氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀氣敏元件性能與敏感功能材料的種類、結(jié)構(gòu)及制作工藝密切相關(guān)。用金屬氧化敏感材料制作的半導(dǎo)體式氣敏元件具有靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體小質(zhì)輕，鞏固耐用等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，目前仍以SnO2材料為主[3]。SnO2是一種廣普型的氣敏材料，圍繞SnO2為基體材料的氣敏材料的制備及其氣敏元件制備的研究課題十分活潑。純SnO2的氣敏特性不甚好，尤其是它的熱穩(wěn)定性不高。為改善其氣敏特性，常在SnO2基體中摻入貴金屬或其他金屬氧化物。盡管SnO2基傳感材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，作為材料也存在一定缺點(diǎn)。通過控制氣敏材料微粒大小，顆粒納米化，摻雜其它添加劑或催化劑，利用過濾設(shè)備或透氣膜來獲得選擇性，控制工作溫度及環(huán)境濕度影響，改良制備等方法可以改善SnO2傳感器的氣敏性能[4]。納米科學(xué)技術(shù)(Nano—ST)是研究尺寸在—100nm的物質(zhì)組成體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)。納米技術(shù)的開展，不僅為傳感器提供了優(yōu)良的敏感材料，而且為傳感器制作提供了許多新型方法。納米固體材料具有龐大的界面，提供了大量氣體通道，從而大大提高了靈敏度，工作溫度大大降低，大大縮小了傳感器的尺寸。當(dāng)然，在己獲得明顯進(jìn)展的納米傳感領(lǐng)域中尚存在很多問題，從敏感材料到制作技術(shù)都很不成熟，其性能也有不盡人意的地方[5]。氣敏傳感器在家用電器中也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。吸油煙機(jī)等產(chǎn)品上常用MQ-3型半導(dǎo)體氣敏傳感器，它采用旁熱式結(jié)構(gòu)，陶瓷管內(nèi)裝有高阻抗加熱絲，管外涂有梳狀金屬電極，金屬電極之外涂有SnO2材料，使SnO2燒結(jié)體位于兩電極之間[6]。氣敏傳感器工作時(shí)，加熱器通電加熱，假設(shè)無被檢氣體侵入時(shí)，氣敏元件的阻值根本不變當(dāng)氣敏元件外表產(chǎn)生吸附作用，其阻值將隨氣體濃度的變化變化。當(dāng)被檢氣體濃度增大到一定值時(shí)，氣敏元件的阻值將隨之下降到某一值，使電壓比擬器的狀態(tài)發(fā)生變化，輸出控制信號經(jīng)電流放大后，控制繼電器或雙向晶閘管接通電動(dòng)機(jī)電源使吸排油煙機(jī)工作[7]。1.3設(shè)計(jì)酒精濃度探測儀的意義本設(shè)計(jì)基于AT89S51單片機(jī)設(shè)計(jì)的酒精氣體濃度探測儀，可用來檢測酒精氣體濃度，最主要的用途是檢測司機(jī)的酒精含量。酒后駕車發(fā)生事故的機(jī)率高達(dá)27%。隨著攝入酒精量的增加，選擇反響錯(cuò)誤率顯著增加，當(dāng)血液中酒精含量由0.5‰增至1‰，發(fā)生車禍的可能性便增加5倍，如果增至1.5‰，可能性再增加6倍。機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T“酒后駕車〞及“醉酒駕車〞極易發(fā)生道路交通事故,嚴(yán)重危害了道路交通平安和人民生命財(cái)產(chǎn)平安。人飲酒后,酒精通過消化系統(tǒng)被人體吸收,經(jīng)過血液循環(huán),約有90%的酒精通過肺部呼氣排出,因此測量呼氣中的酒精含量,就可判斷其醉酒程度。開車司機(jī)只要將嘴對著傳感頭使勁吹氣，儀器就能發(fā)上顯示出酒精濃度的上下，從而判斷該司機(jī)是否酒后駕車，防止事故的發(fā)生。當(dāng)然，最好的方法是在車內(nèi)安裝這種測試儀，司機(jī)一進(jìn)入車內(nèi)檢測儀就檢測司機(jī)的酒精含量，如果超出允許值，系統(tǒng)控制引擎無法啟動(dòng)，這樣就可從根本上解決酒后駕車問題。酒精氣體濃度探測儀在生產(chǎn)生活中也有重要的應(yīng)用，比方，在一些環(huán)境要求嚴(yán)格的生產(chǎn)車間，用這種酒精濃度探測儀，可隨時(shí)檢測車間內(nèi)的酒精氣體濃度，當(dāng)酒精氣體濃度高于允許限定值時(shí)，發(fā)出警報(bào)，提醒人們及時(shí)通風(fēng)換氣，做到平安生產(chǎn)。1.4本文主要研究工作本文以AT89S51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了用于測量酒精濃度的探測儀，主要研究工作包括以下3個(gè)方面。〔1〕硬件電路方面，對氣體傳感器MQ-3按檢測電路，接上一定阻值的負(fù)載電阻，檢測它的技術(shù)參數(shù)，確定MQ-3所接負(fù)載電阻的大小，完成信號采樣電路的設(shè)計(jì)；采樣到的模擬電壓電信號通過A/D轉(zhuǎn)換，得到可供單片機(jī)處理的數(shù)字信號，再由單片機(jī)作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；發(fā)光二極管報(bào)警顯示和3個(gè)單位8段共陰數(shù)碼管濃度值顯示。〔2〕軟件方面，標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)定是該局部要做的主要工作。因?yàn)樵嫉牟蓸又凳且粋€(gè)間接的負(fù)載分壓值，需要將它轉(zhuǎn)化為被測酒精濃度值。通過多個(gè)樣品的測量確定多個(gè)濃度區(qū)間的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，并將每個(gè)區(qū)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系近似線性化處理，然后通過軟件編程的方法來實(shí)現(xiàn)?！?〕為了盡量減少設(shè)計(jì)的氣體傳感器的測量誤差，在測量酒精溶液樣品時(shí)要考慮并解決3個(gè)主要問題。一是外界環(huán)境流動(dòng)空氣對傳感器的影響和對氣體樣品的稀釋，二是樣品的穩(wěn)定性對測量帶來的誤差，三是水蒸氣對測量的影響。針對這3個(gè)主要問題提出以下解決方案和驗(yàn)證方法。測量樣品時(shí)，將探頭盡量放入塑料瓶內(nèi)，可以在一定程度上消除流動(dòng)空氣的影響，同時(shí)應(yīng)選擇空氣流動(dòng)較小的室內(nèi)環(huán)境來測量。水蒸氣對MQ-3的影響很小，這一點(diǎn)可以通過對只裝有純潔水的塑料瓶的屢次測量來驗(yàn)證。用相同容量的塑料瓶配制好不同濃度的酒精溶液后，將它密封并放置一段時(shí)間，待其穩(wěn)定后再測量。再通過反復(fù)屢次測量多組數(shù)據(jù)，求其平均值的方法來縮小測量誤差。2硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)開發(fā)流程〔1〕可行性調(diào)研。可行性調(diào)研的目的，是分析完成這個(gè)工程的可能性。進(jìn)行這方面的工作，可參考國內(nèi)外有關(guān)資料，看是否有人進(jìn)行過類似的工作。如果有，那么可分析他人是如何進(jìn)行這方面工作的，有什么有點(diǎn)和缺點(diǎn)，有什么值得借鑒的；如果沒有，那么需要作進(jìn)一步的調(diào)研，此時(shí)的重點(diǎn)應(yīng)放在能否實(shí)現(xiàn)這個(gè)環(huán)節(jié)，首先從理論上進(jìn)行分析，探討實(shí)現(xiàn)的可能性，所需求的客觀條件是否具備，然后結(jié)合實(shí)際情況，再?zèng)Q定能否立項(xiàng)的問題。〔2〕系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行可行性調(diào)研后，如果可以立項(xiàng)，下一步工作就是系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。工作的重點(diǎn)應(yīng)放在該工程的技術(shù)難度上，此時(shí)可參考這一方面更詳細(xì)、更具體的資料，根據(jù)系統(tǒng)的不同局部和要實(shí)現(xiàn)的功能，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能，提出合理而可行的技術(shù)指標(biāo)，編寫出設(shè)計(jì)任務(wù)書，從而完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。〔3〕設(shè)計(jì)方案細(xì)化，確定軟硬件功能。一旦總體方案確定下來，下一步的工作就是將該工程細(xì)化，即需明確哪些局部用硬件來完成，哪些局部用軟件來完成。由于硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)相互影響，因此，從簡化電路結(jié)構(gòu)、降低本錢、減少故障率、提高系統(tǒng)的靈活性與通用性方面考慮，提倡軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來完成；但也應(yīng)考慮軟件代硬件的實(shí)質(zhì)是以降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、增加處理進(jìn)行為代價(jià)的，而且軟件設(shè)計(jì)費(fèi)用、研制周期也將增加，因此系統(tǒng)的軟硬件功能分配應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求及實(shí)際情況而合理安排，統(tǒng)一考慮。在確定軟硬件功能的根底上，設(shè)計(jì)者的工作就開始涉及到具體的問題，如儀器的體積及與具體技術(shù)指標(biāo)相對應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案，軟件的總體規(guī)劃等。在確定人員分工、安排工作進(jìn)度、規(guī)定接口參數(shù)后，就比須考慮硬件軟件的具體問題了?！?〕一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)研、總體設(shè)計(jì)、硬件軟件設(shè)計(jì)、制版、元件安裝后，在系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器中放入編制好的應(yīng)用程序，系統(tǒng)即可運(yùn)行。但一次性成功的幾乎是不是不可能的。由于單片機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)人工是無法控制的，為了能夠調(diào)試程序，檢查硬件、軟件運(yùn)行情況，這就需要借助某種開發(fā)工具模擬用戶實(shí)際的單片機(jī)，并且能隨時(shí)觀察運(yùn)行的中間過程而不改變運(yùn)行中有的數(shù)據(jù)性能和結(jié)果，從而進(jìn)行模擬現(xiàn)場的真實(shí)調(diào)試。2.2硬件系統(tǒng)框圖基于AT89S51單片機(jī)用MQ-3型氣體傳感器實(shí)現(xiàn)酒精氣體濃度的檢測，需要信號采集模塊用于對酒精濃度信號的采集，該信號是通過MQ-3氣體傳感器和負(fù)載電壓得到分壓電信號。信號轉(zhuǎn)換模塊用來把采集到得模擬電壓信號轉(zhuǎn)換位可以用單片機(jī)處理的數(shù)字信號。數(shù)碼管顯示模塊是對單片機(jī)處理后的數(shù)字信號的顯示，用來顯示酒精的濃度。報(bào)警模塊是對設(shè)定值提供報(bào)警功能，該功能用發(fā)光二極管顯示。根據(jù)各功能模塊的設(shè)計(jì)，可得到它的系統(tǒng)總框圖，如圖1所示。酒精酒精氣敏傳感器LM3914發(fā)光二極管ADC0809單片機(jī)數(shù)碼管圖1系統(tǒng)總框圖2.3信號采集電路氣體傳感器的選擇根據(jù)被檢測氣體的不同，氣敏傳感器可分為以下三類:〔1〕可燃性氣體氣敏傳感器。目前該類氣敏傳感器需求量最大，包含各種無機(jī)和有機(jī)類氣體檢測，主要用于抽油煙機(jī)、泄露報(bào)警器和空氣清新劑等方面，并已經(jīng)形成生產(chǎn)規(guī)模，在油田、礦區(qū)、化工、企業(yè)及家庭等生產(chǎn)和生活領(lǐng)域廣泛用作氣體泄露報(bào)普，特別是用于家庭氣體泄露報(bào)警，需求量不斷增加，使該類傳感器有著廣泛的開展空間。〔2〕CO和H2氣敏傳感器。CO氣敏元件可用于工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保、汽車、家庭等CO泄露和不完全燃燒檢測報(bào)警；H2氣敏元件除應(yīng)用于工業(yè)等領(lǐng)域外，主要用于家庭管道煤氣泄露報(bào)警。由于我國管道煤氣中H2含量很高，而氫敏元件較氧化碳元件價(jià)格低，靈敏度高，因此，用氫敏元件做城市管道煤氣泄露報(bào)警更為適宜?！?〕毒性氣體傳感器。毒性氣體傳感器又稱為環(huán)境有毒有害氣體傳感器，主要用于檢測煙氣、尾氣、廢氣等環(huán)境污染氣體，雖然SnO2氣敏傳感器對CO，H2S等有毒有害氣體敏感，但應(yīng)用最多的仍是電解式化學(xué)傳感器。傳感器的分類方式有很多種，以上是根據(jù)被檢測氣體的性質(zhì)進(jìn)行的分類，也有根據(jù)元件的物理特性進(jìn)行分類的。一個(gè)新型的氣體檢測系統(tǒng)應(yīng)該包括：〔1〕基于一種或幾種傳感技術(shù)的氣體傳感器。〔2〕組合了氣體傳感器和采樣調(diào)理電路的探頭?！?〕配有人機(jī)接口軟件的中心監(jiān)測和控制系統(tǒng)。〔4〕在一些應(yīng)用中，與其它平安系統(tǒng)和儀器的接口。本設(shè)計(jì)中的酒精氣體傳感器采用河南漢威電子的MQ-3型,它屬于MQ系列氣敏元件的一種。如圖2所示：圖2MQ-3特點(diǎn):檢測范圍為10ppm～2000ppm；靈敏度高，輸出信號為伏特級；響應(yīng)速度快，小于10秒；功耗小于0.75W，尺寸：D17*H10。MQ-3型氣敏傳感器的敏感局部是由金屬氧化物〔二氧化錫〕的N型半導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。當(dāng)其外表吸附有被測氣體酒精分子時(shí)，外表導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而其外表電阻會(huì)隨著被測氣體濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。MQ-3的靈敏度特性曲線如圖3所示。圖3MQ-3靈敏度特性曲線檢測電路如圖4所示，當(dāng)電源開關(guān)S斷開時(shí)，傳感器加熱電流為零，實(shí)測A，B之間電阻大于20MΩ。S接通，那么f，f之間電流由開始時(shí)155mA降至153mA而穩(wěn)定。加熱開始幾秒鐘后A，B之間電阻迅速下降至10KΩ以下，然后又逐漸上升至120KΩ以上后并保持著。此時(shí)如果將酒精溶液樣品靠近MQ-3傳感器，我們立即可以看到數(shù)字萬用表顯示值馬上由原來大于120KΩ降至10KΩ以下。移開小瓶過1分鐘左右后，A，B之間電阻恢復(fù)至大于120KΩ。這種反響可以重復(fù)試驗(yàn)，但要注意使空氣恢復(fù)到潔凈狀態(tài)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)的反復(fù)檢測，MQ-3傳感器可以正常工作使用，對不同濃度的酒精溶液有不同的變化，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間都正常，可以開始作信號采樣模塊電路的設(shè)計(jì)。圖4MQ-3檢測電路信號采樣電路信號的采樣模塊電路如圖5所示。MQ-3的加熱電阻兩端即H引腳接至+5V直流穩(wěn)壓電源，用于電阻絲對敏感體電阻的加熱。MQ-3的兩個(gè)A引腳相連，作為敏感體電阻的一個(gè)電極。MQ-3的兩個(gè)B引腳也連接在一起，作為敏感體電阻的另一個(gè)電極。將電極斷A接到電源正極，電極端B接兩個(gè)270Ω并聯(lián)的電阻。MQ-3型氣敏傳感器與電位器串聯(lián)構(gòu)成分壓電路，采樣點(diǎn)為電位器的分壓。MQ-3型氣敏傳感器的敏感局部是由金屬氧化物SnO2的N型半導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。當(dāng)其外表吸附有被測氣體酒精分子時(shí)，外表導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而其外表電阻會(huì)隨著被測氣體濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。當(dāng)氣敏傳感器的敏感體電阻阻值發(fā)生改變時(shí)，對應(yīng)的電位器的分壓值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，即一個(gè)電壓值對應(yīng)著一個(gè)被測酒精氣體濃度。對酒精氣體濃度的采樣就可以轉(zhuǎn)化為對電位器分壓的采樣。在采樣硬件電路中實(shí)際要考慮到MQ-3的實(shí)際技術(shù)參數(shù)，即加熱電阻和敏感體電阻的大小，該局部應(yīng)與電源正極相連。負(fù)載電阻要根據(jù)MQ-3實(shí)際的技術(shù)參數(shù)而選擇阻值適宜的電阻。應(yīng)為實(shí)驗(yàn)所用的MQ-3在預(yù)熱5到10分鐘后，它的敏感體電阻只有120KΩ，所以負(fù)載電阻選用兩個(gè)270Ω并聯(lián)，構(gòu)成采樣局部的分壓電阻。圖5采樣模塊2.4信號轉(zhuǎn)換電路單片微機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的譯名簡稱，在國內(nèi)也常稱為“單片微機(jī)〞或“單片機(jī)〞。它包括中央處理器CPU，隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，只讀存儲(chǔ)器ROM，中斷系統(tǒng)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，串行口和I/O口等等?，F(xiàn)在，單片微機(jī)已不僅指單片計(jì)算機(jī)，還包括微計(jì)算機(jī)，微處理器，微控制器和嵌入式控制器，單片微機(jī)已是它們的俗稱[8]。AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲(chǔ)器，既可在線編程也可以用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4KBFlash閃存存儲(chǔ)器，128B內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。根據(jù)實(shí)際需要，本次設(shè)計(jì)選用的是以8051為核心單元Atmel公司的低耗AT89S51單片機(jī)。AT89S51芯片有40條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖6所示。下面說明各引腳功能。圖6AT89S51芯片管腳VCC：運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)接電源正端。GND：接地。XTAL1：輸入到單片機(jī)內(nèi)部振蕩器的反相放大器。XTAL2：反相放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。P0口：8位漏極開路的。使用片外存儲(chǔ)器時(shí)，作低八位地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用，能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL上拉電阻。P1口：8位、準(zhǔn)雙向I/O口。P2口：8位、準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器〔ROM及RAM〕時(shí)，輸出高8位地址?？梢则?qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載?！狤Q\x\to(INT0)——EQ\x\to(INT1)——————EQ\x\to(WR)——EQ\x\to(RD)低電平有效，