1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設計實現了對不同濃度酒精的檢測和顯示，通過適當改進可以用于檢測酒后駕車。設計用AT89S51單片機與MQ-3型氣體傳感器實現了對酒精濃度的測量，并對測量數據進行顯示，同時利用LCD簡單顯示濃度的高低，在超過允許值時發(fā)出報警，并且可以根據具體情況通過按鍵改變報警閥值。</p><p>　　硬件方面主要

2、研究了MQ-3氣體傳感器技術參數的檢測和將它接入到酒精濃度檢測模塊中；將模擬電壓信號通過LCD顯示，并且驅動發(fā)光二極管點亮與蜂鳴器報警；軟件方面主要研究了電壓到濃度的線性轉換和最終濃度值的LCD顯示。設計的傳感器對酒精氣體反應靈敏，能在有效范圍內測量它的濃度值。并且在檢測低濃度酒精時誤差較小。</p><p>　　本設計的傳感器可以檢測不同濃度的酒精氣體，改進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。&

3、lt;/p><p>　　關鍵詞：氣體傳感器，模數轉換，單片機</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The design and implementation of the different concentrations of alcohol detection and display, through app

4、ropriate improvements can be used to detect drunk driving. Designed AT89S51 microcontroller and MQ-3-type gas sensors to achieve a measure of alcohol concentration, and measurement data show that while using a simpl

5、e LCD display concentration level of alarm when exceeding the allowable value, and can be based on the specific circumstances through the key change the alarm threshold. The mai</p><p>　　Key Words

6、: Gas sensor, A/D conversion, Single-chip Microcomputer</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 設計背景1</p><p>　　1.2 氣敏傳感器的研究現

7、狀2</p><p>　　1.3 設計酒精濃度探測儀的意義3</p><p>　　1.4 本文主要研究工作3</p><p>　　第2章 方案選擇與分析4</p><p><b>　　2.1方案選擇5</b></p><p>　　2.1.1控制器選擇分析5</p><

8、;p>　　2.1.2顯示模塊的選擇分析6</p><p>　　2.1.3傳感器模塊的選擇分析7</p><p>　　2.2 可行性分析8</p><p>　　第3章 硬件電路設計與實現9</p><p>　　3.1 單片機最小系統(tǒng)9</p><p>　　3.2 信號采集電路13</p>

9、<p>　　3.3 信號轉換電路15</p><p>　　3.4 發(fā)光二極管顯示與蜂鳴器報警電路17</p><p>　　3.5 LCD1602顯示電路18</p><p><b>　　3.6 按鍵20</b></p><p>　　第4章 軟件編程21</p><p>　　4.

10、1 開發(fā)環(huán)境21</p><p>　　4.2 主程序流程21</p><p>　　4.3 程序代碼編寫23</p><p>　　4.3.1程序初始化23</p><p>　　4.3.2 按鍵設計23</p><p>　　4.3.3 模數轉換設計24</p><p>　　第5章 電路調

11、試與測試結果26</p><p>　　5.1 電路調試26</p><p>　　5.2 濃度與顯示之間的關系27</p><p>　　5.2.1 傳感器的定標27</p><p>　　5.2.2 酒精濃度測試結果29</p><p><b>　　結 論30</b></p>

12、<p><b>　　致 謝31</b></p><p><b>　　參考文獻32</b></p><p>　　附錄 系統(tǒng)部分原代碼33</p><p><b>　　Contents</b></p><p>　　Chapter 1 Introduction

13、1</p><p>　　1.1 Background1</p><p>　　1.2 Research status2</p><p>　　1.3 Purpose and significance3</p><p>　　1.4 The main work of this article 3</p><p>　　

14、Chapter 2 Program selection and analysis……………………………….4</p><p>　　2.1 Scheme Selection………………………………………………..…….5</p><p>　　2.1.1 Controller Selection Analysis……………………………………5</p><p>　　2.

15、1.2 The selection of the display module…………………………….....6</p><p>　　2.1.3 Choice of sensor module…………………………………………..7</p><p>　　2.2 Feasibility Analysis……………………………………………………...8</p><p>　

16、　Chapter 3 Program Hardware Design and Implementation9</p><p>　　3.1 Microcontroller development process9</p><p>　　3.2 Hardware system block diagram13</p><p>　　3.3 Signal acquisit

17、ion circuit15</p><p>　　3.4 The signal conversion circuit17</p><p>　　3.5 LED display and buzzer alarm circuit18</p><p>　　3.6 LCD1602 display circuit20</p><p>　　Chapt

18、er 4 Software Programming21</p><p>　　4.1 Smallest single-chip system21</p><p>　　4.2 Program flow21</p><p>　　4.3 Program code is written23</p><p>　　4.3.1 Program ini

19、tialization………………………………………………..23</p><p>　　4.3.2 Button design……………………………………………………......23</p><p>　　4.3.3 ADC Design…………………………………………………………..24</p><p>　　Chapter 5 Circuit debugging a

20、nd test results26</p><p>　　5.1 Circuit Debugging26</p><p>　　5.2 The relationship between concentration and display27</p><p>　　5.2.1 Calibration of the sensor27</p><p&

21、gt;　　5.2.2 Alcohol concentration test results29</p><p>　　Conclusions30</p><p>　　Acknowledgements31</p><p>　　References32</p><p>　　Appendix system part of the origin

22、al code33</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　現代社會電子科學技術飛速的發(fā)展，電子產品已經滲透了社會的各個領域，酒后駕車是一件非常危險的事情，通過設計酒精檢測，來減少酒后駕車的發(fā)生。</p><p><b>　　1.1 設計背景</b></p><p>　　我國

23、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，2007年為325億元人民幣，2008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)型向新型傳感器轉型的發(fā)展階段，新型傳感器的特點是微型化、數字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網絡化，它將不僅促進系統(tǒng)產業(yè)的改造，而且可導致建立新型工業(yè)和軍事變革，是21世紀新的經濟增長點[1]。

24、</p><p>　　由于氣體與人類的日常生活密切相關，對氣體的檢測已經是保護和改善生態(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，易燃易爆氣體等進行安全檢測和報警，對生產生活中需要了解的氣體進行檢測，分析，研究等。近年來，我國氣敏傳感器產業(yè)有了較快的發(fā)展，但與國外相比，從技術水平，產業(yè)化及應用等領域均存在著不小的差距。

25、</p><p>　　目前，氣敏傳感器領域還存在一些問題。一是元件的穩(wěn)定性差。由于元件電阻和靈敏度隨時間而不斷變化，漂移大給檢測結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，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，產生誤報。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

26、度問題。四是SnO2元件有時由于靈敏度過大導致誤報，但是在檢測某些低濃度氣體時靈敏度卻難以達到要求[2]。</p><p>　　1.2 氣敏傳感器的研究現狀</p><p>　　氣敏元件性能與敏感功能材料的種類、結構及制作工藝密切相關。用金屬氧化敏感材料制作的半導體式氣敏元件具有靈敏度高，結構簡單，體小質輕，堅固耐用等優(yōu)點而得到廣泛的應用，目前仍以SnO2材料為主[3]。SnO2是一種廣普

27、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躍。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，作為材料也存在一定缺點。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，改進制備等方法可以改善SnO2傳感器的氣敏性能[4]

28、。</p><p>　　納米科學技術(Nano—ST)是研究尺寸在0.1—100nm的物質組成體系的運動規(guī)律和相互作用以及可能的實際應用中的技術問題的科學技術。納米技術的發(fā)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。當然，在己獲得明顯進展的納米傳感領域中尚存在很多問題，從敏

29、感材料到制作技術都很不成熟，其性能也有不盡人意的地方[5]。</p><p>　　氣敏傳感器在家用電器中也有相當廣泛的應用。吸油煙機等產品上常用MQ-3型半導體氣敏傳感器，它采用旁熱式結構，陶瓷管內裝有高阻抗加熱絲，管外涂有梳狀金屬電極，金屬電極之外涂有SnO2材料，使SnO2燒結體位于兩電極之間[6]。氣敏傳感器工作時，加熱器通電加熱，若無被檢氣體侵入時，氣敏元件的阻值基本不變當氣敏元件表面產生吸附作用，其阻值

30、將隨氣體濃度的變化變化。當被檢氣體濃度增大到一定值時，氣敏元件的阻值將隨之下降到某一值，使電壓比較器的狀態(tài)發(fā)生變化，輸出控制信號經電流放大后，控制繼電器或雙向晶閘管接通電動機電源使吸排油煙機工作[7]。</p><p>　　1.3 設計酒精濃度探測儀的意義</p><p>　　本設計基于AT89S51單片機設計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的酒精含量。

31、酒后駕車發(fā)生事故的機率高達27%。隨著攝入酒精量的增加，選擇反應錯誤率顯著增加，當血液中酒精含量由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。機動車駕駛人員“酒后駕車”及“醉酒駕車”極易發(fā)生道路交通事故，嚴重危害了道路交通安全和人民生命財產安全。人飲酒后,酒精通過消化系統(tǒng)被人體吸收, 經過血液循環(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。開車司機只要將嘴

32、對著傳感頭使勁吹氣，儀器就能發(fā)上顯示出酒精濃度的高低，從而判斷該司機是否酒后駕車，避免事故的發(fā)生。當然，最好的辦法是在車內安裝這種測試儀，司機一進入車內檢測儀就檢測司機的酒精含量，如果超出允許值，系統(tǒng)控制引擎無法啟動，這樣就可從根本上解決酒后駕車問題。</p><p>　　酒精氣體濃度探測儀在生產生活中也有重要的應用，比如，在一些環(huán)境要求嚴格的生產車間，用這種酒精濃度探測儀，可隨時檢測車間內的酒精氣體濃度，當酒精

33、氣體濃度高于允許限定值時，發(fā)出警報，提醒人們及時通風換氣，做到安全生產。</p><p>　　1.4 主要研究工作</p><p>　　設計以AT89S51單片機為核心，用于測量酒精濃度的探測儀，主要研究工作包括以下3個方面。</p><p>　　（1）硬件電路方面，對氣體傳感器MQ-3按檢測電路，接上一定阻值的負載電阻，檢測它的技術參數，確定MQ-3所接負載電阻的

34、大小，完成信號采樣電路的設計；采樣到的模擬電壓電信號通過A/D轉換，得到可供單片機處理的數字信號，再由單片機作相應的數據處理；發(fā)光二極管報警顯示和LCD濃度值顯示。</p><p>　?。?）軟件方面，標準的確定是該部分要做的主要工作。因為原始的采樣值是一個間接的負載分壓值，需要將它轉化為被測酒精濃度值。通過多個樣品的測量確定多個濃度區(qū)間的轉換標準，并將每個區(qū)間的轉換關系近似線性化處理，然后通過軟件編程的方法來實

35、現。</p><p>　　（3）為了盡量減少設計的氣體傳感器的測量誤差，在測量酒精溶液樣品時要考慮并解決3個主要問題。一是外界環(huán)境流動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個主要問題提出以下解決方案和驗證方法。</p><p>　　測量樣品時，將探頭盡量放入塑料瓶內，可以在一定程度上消除流動空氣的影響，同時應選擇空氣流動較小

36、的室內環(huán)境來測量。水蒸氣對MQ-3的影響很小，這一點可以通過對只裝有純凈水的塑料瓶的多次測量來驗證。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間，待其穩(wěn)定后再測量。再通過反復多次測量多組數據，求其平均值的方法來縮小測量誤差。</p><p>　　第2章 方案選擇與分析</p><p>　　本章主要介紹方案選擇與分析兩部分，通過多種方案的選擇與分析，從中選出最理想、穩(wěn)

37、定性強的設計方案，通過分析來確定最終的選擇方案。</p><p><b>　　2.1方案選擇</b></p><p>　　方案選擇是對于企業(yè)重要的應用系統(tǒng)而言，保證系統(tǒng)能持續(xù)、可靠地提供服務是非常重要的，因此就出現了對高可用性的需求和高可用性的解決方案。</p><p>　　2.1.1控制器選擇分析</p><p>　　

38、控制器是整個單片機系統(tǒng)的控制中樞，它指揮外圍器件協(xié)調工作，從而完成特定的功能，系統(tǒng)的所有數據處理和控制都要經過單片機最小系統(tǒng)來實現。考慮到需要實現多個功能的要求及各個模塊引腳的數目，列出以下方案，對其分析、論證、選擇。</p><p><b>　　1.方案一</b></p><p>　　采用ATMEL公司的ATmega128。ATmega128是一款基于AVR的內核，

39、采用RISC結構，高性能，低功耗、具備1MIPS / MHz的高速運行處理能力CMOS的8位單片機。其芯片具有16位PWM功能的定時/計數器，53個通用I/O口，實時時鐘計數器，1個8位面向字節(jié)的TWI(IIC)總線接口，8通道單端或差分輸入的10位ADC。同時其處理速度也比較快，寄存器也較多，而本系統(tǒng)設計對處理速度要求不是很高，若采用該方案，將會在設計的過程中遇到許多不必要的麻煩，而且該芯片價格相對比較昂貴，也必將增加設計成本。<

40、;/p><p><b>　　2.方案二</b></p><p>　　采用高端處理器S3C2410。S3C2410是一款ARM內核的處理器，其處理速度更快，相對操作起來將更加麻煩，同時根據本設計的實際情況，使用起來其內部資源將會嚴重浪費，同時設計成本較高，不利于產品的推廣應用。</p><p><b>　　3.方案三</b>&l

41、t;/p><p>　　采用ATMEL公司的AT89S51。AT89S51單片機支持在線編程，易于操作,價格便宜，技術成熟，應用廣泛。而且AT89S51 單片機引腳較少，寄存器少，便于編程控制，軟件實現簡單，可以滿足各個模塊端口的要求，完全可以實現系統(tǒng)設計的功能要求。</p><p>　　綜合對比以上三種方案，考慮到系統(tǒng)的可行性以及軟硬件成本，選擇方案三。</p><p>

42、;　　2.1.2顯示模塊的選擇分析</p><p>　　顯示模塊在系統(tǒng)運行中，主要用來顯示實時時間以及溫濕度數據，應便于使用者對相應數據信息的讀取。</p><p><b>　　1.方案一</b></p><p>　　采用普通的數碼管。這種方法簡單易行，并且適合于硬件操作，但是數碼管消耗電流特別大，對電源的容量要求很高，而且不能顯示漢字，可視化

43、效果不好，不便于對實時數據的觀察。</p><p><b>　　2.方案二</b></p><p>　　采用LCD1602。LCD1602液晶也叫1602字符型液晶，它由若干個5*7或者5*11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模

44、塊，價格低。</p><p><b>　　3.方案三</b></p><p>　　采用LCD12864液晶。LCD12864液晶是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊。其顯示分辨率為128×64，內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方

45、式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字。也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一特點，但是成本高。</p><p>　　因此，綜合對比以上三個方案，從可行性角度考慮，選擇方案二。</p><p>　　2.1.3傳感器模塊的選擇分析</p><p><b>　　1.方案一</b&g

46、t;</p><p>　　SD-31酒精傳感器是以二氧化錫為基本敏感材料的,專門用于呼氣中酒精濃度檢測的一種半導體型氣體傳感器。它的基本特征是：極高靈敏度和極快的響應速度。SD-31型酒精傳感器適用于呼氣中酒精濃度的檢測,用于便攜式酒精檢測。</p><p><b>　　2.方案二</b></p><p>　　MQ-3氣體傳感器所處環(huán)境中存在酒

47、精蒸汽時，傳感器的電導率隨空氣中酒精氣體濃度的增加而增大，MQ-3氣體傳感器對酒精的靈敏度高，可以抵抗汽油、煙霧、水蒸氣的干擾。這種傳感器可檢測多種濃度酒精氣氛，是一款適合多種應用的低成本傳感器。對酒精氣體具有良好的靈敏度、長壽命、低成本，簡單的驅動電路即可應用，綜合以上兩種方案，考慮到效果的準確性，選擇方案二。</p><p><b>　　2.2 可行性分析</b></p>

48、<p>　　采用AT89S51單片機作為控制核心，其豐富的內部資源足夠本系統(tǒng)設計所需。設計所需的各種元器件易于采購，學院的硬件實驗室具備各種實驗工具，可以為焊接和調試提供良好的條件。</p><p>　　同時大學期間所開設的《C程序設計》、《單片機技術》、《模擬電子技術》、《數字電路技術》等相關課程，可以為本系統(tǒng)的設計與實現提供理論知識。</p><p>　　綜合以上條件，本系統(tǒng)

49、的設計完全可行。</p><p>　　第3章 硬件電路設計與實現</p><p>　　本章主要介紹該設計的硬件設計，從硬件系統(tǒng)上設計單片機最小系統(tǒng)，信號采集電路模塊、信號轉換電路模塊和發(fā)光二極管顯示與蜂鳴器報警電路LCD1602顯示電路按鍵模塊的電路進行詳細設計。</p><p>　　3.1單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　單片微機是單片微

50、型計算機的譯名簡稱，在國內也常稱為“單片微機”或“單片機”。它包括中央處理器CPU，隨機存儲器RAM，只讀存儲器ROM，中斷系統(tǒng)，定時器/計數器，串行口和I/O口等等?，F在，單片微機已不僅指單片計算機，還包括微計算機，微處理器，微控制器和嵌入式控制器，單片微機已是它們的俗稱[8]。</p><p>　　AT89S51是美國ATMEL公司生產的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4K的可系統(tǒng)編程的Flash只讀

51、程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器，既可在線編程也可以用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，可靈活應用于各種控制領域。AT89S51提供以下標準功能：4KBFlash閃存存儲器，128B內部RAM，32個I/O口線，看門狗，兩個數據指針，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。</

52、p><p>　　根據實際需要，本次設計選用的是以8051為核心單元Atmel公司的低耗AT89S51單片機。AT89S51芯片有40條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3-1所示。下面說明各引腳功能。 </p><p>　　圖3-1 AT89S51芯片管腳</p><p>　　VCC：運行和程序校驗時接電源正端。</p><p><b>　

53、　GND：接地。</b></p><p>　　XTAL1：輸入到單片機內部振蕩器的反相放大器。</p><p>　　XTAL2：反相放大器的輸出，輸入到內部時鐘發(fā)生器。</p><p>　　P0口：8位漏極開路的。使用片外存儲器時，作低八位地址和數據分時復用，能驅動8個LSTTL上拉電阻。</p><p>　　P1口：8位、準雙向

54、I/O口。</p><p>　　P2口：8位、準雙向I/O口。當使用片外存儲器（ROM及RAM）時，輸出高8位地址?？梢则寗?個LSTTL負載。</p><p>　　P3口：8位、準雙向I/O口，具有內部上拉電路，提供各種替代功能。P3.0——RXD串行口輸入口，P3.1——TXD串行口輸出口，P3.2——外部中斷0輸入，P3.3——外部中斷1輸入，P3.4——T0定時器/計數器0的外部輸

55、入，P3.5——T1定時器/計數器1的外部輸入，P3.6——低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通，P3.7——低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。</p><p>　　RST：復位輸入信號，高電平有效。在振蕩器工作時，在RST上作用兩個機器周期以上的高電平，將器件復位。</p><p>　　/VCC：片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。高電平時選擇片內程序存儲器，低電平時程序存儲器全部在

56、片外而不管片內是否有程序存儲器。</p><p>　　ALE/PROG：地址鎖存允許信號，輸出。ALE以1/6的振蕩頻率固定速率輸出，可作為對外輸出的時鐘或用作外部定時脈沖。</p><p>　　單片機最小系統(tǒng)的設計包括電源，晶振和復位電路三個部分。這是使單片機正常工作的必要外圍電路部分。針對不同型號的單片機在最小系統(tǒng)設計上會有一些差別。對于選用的AT89S51單片機，根據美國ATMEL公

57、司提供的技術資料，可以對它的最小系統(tǒng)作恰當的設計，如圖2所示[9]。</p><p>　　對于電源部分，技術資料中性能參數里給出的標準工作電壓是4.0～5.5V。因此，單片機的引腳40對應的VCC接到+5V電源的正極，引腳10對應的GND接到+5V電源的接地端，為AT89S51單片機提供正常的工作電壓。</p><p>　　對于晶振部分，AT89S51單片機中有一個用于構成內部振蕩器的高增

58、益反相放大器，引腳19對應的XTAL1和18對應的XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器。如圖8所示，石英晶體及電容C1和C2接在放大器的反饋回路中構成并聯諧振電路。石英晶體的兩端分別接到引腳XTAL1 和引腳XTAL2，同時石英晶體的兩端分別接一個電容C1和C2，電容的另一端接地。對于外接電容C1和C2的大小雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小還是會對振蕩頻率

59、的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度和溫度穩(wěn)定性帶來一定的影響。根據技術資料的推薦，使用石英晶體推薦電容容量為30pF±10pF，使用陶瓷諧振器推薦電容容量為40pF±10pF。因為電路中接的是石英晶體，所以設計中接的兩個電容C1和C2的容量都為30pF。</p><p>　　對于復位電路部分，AT89S51技術資料給出，當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上的高電平將使單片機復

60、位。復位是單片機的初始化操作，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，可以按復位鍵以重新啟動，所以復位電路的設計很有必要。復位操作有上電自動復位、按鍵電平復位和外部脈沖復位三種方式，本設計選用按鍵電平復位方式。如圖3-2所示，22μF的電容C3與470Ω的電阻并聯，電容的正極端接到電源的正極，電容的另一端接至引腳RST。設計中選用的石英晶體大小為11.0952MHz,但復位鍵按下后，電容和電阻選用的參數值能夠保證

61、給復位端RST提供大于2個機器周期的高電平復位信號[10]。</p><p>　　圖3-2 AT89S51單片機最小系統(tǒng)設計電路</p><p>　　3.2 信號采集電路</p><p>　　根據被檢測氣體的不同，氣敏傳感器可分為以下三類:</p><p>　?。?）可燃性氣體氣敏傳感器。目前該類氣敏傳感器需求量最大，包含各種無機和有機類氣體

62、檢測，主要用于抽油煙機、泄露報警器和空氣清新劑等方面，并已經形成生產規(guī)模，在油田、礦區(qū)、化工、企業(yè)及家庭等生產和生活領域廣泛用作氣體泄露報普，特別是用于家庭氣體泄露報警，需求量不斷增加，使該類傳感器有著廣泛的發(fā)展空間。</p><p>　　（2）CO和H2氣敏傳感器。CO氣敏元件可用于工業(yè)生產、環(huán)保、汽車、家庭等CO泄露和不完全燃燒檢測報警；H2氣敏元件除應用于工業(yè)等領域外，主要用于家庭管道煤氣泄露報警。由于我國

63、管道煤氣中H2含量很高，而氫敏元件較氧化碳元件價格低，靈敏度高，因此，用氫敏元件做城市管道煤氣泄露報警更為適宜。</p><p>　?。?）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，但應用最多的仍是電解式化學傳感器。</p><p>　　傳感器的分類方式有很多種，以上是根據

64、被檢測氣體的性質進行的分類，也有根據元件的物理特性進行分類的。</p><p>　　一個新型的氣體檢測系統(tǒng)應該包括：</p><p>　?。?）基于一種或幾種傳感技術的氣體傳感器。</p><p>　　（2）組合了氣體傳感器和采樣調理電路的探頭。</p><p>　?。?）配有人機接口軟件的中心監(jiān)測和控制系統(tǒng)。</p><

65、p>　?。?）在一些應用中，與其它安全系統(tǒng)和儀器的接口。</p><p>　　本設計中的酒精氣體傳感器采用河南漢威電子有限公司的MQ-3型,它屬于MQ系列氣敏元件的一種。如圖3-3所示：</p><p><b>　　圖3-3 MQ-3</b></p><p>　　特點:檢測范圍為10ppm～2000ppm ；靈敏度高，輸出信號為伏特級；響

66、應速度快，小于10秒；功耗小于0.75W，尺寸：D17*H10。</p><p>　　MQ-3型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物（二氧化錫）的N型半導體微晶燒結層構成。當其表面吸附有被測氣體酒精分子時，表面導電電子比例就會發(fā)生變化，從而其表面電阻會隨著被測氣體濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復使用。</p><p>　　MQ-3的靈敏度特性曲線如圖3-4所示。</p

67、><p>　　圖3-4 MQ-3靈敏度特性曲線</p><p>　　檢測電路如圖3-5所示，當電源開關S斷開時，傳感器加熱電流為零，實測A，B之間電阻大于20MΩ。S接通，則f，f之間電流由開始時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。此時如果將酒精溶液樣品靠近MQ-3傳感器，可以看到數字萬用表顯示值馬上由

68、原來大于120KΩ降至10KΩ以下。移開小瓶過1分鐘左右后，A，B之間電阻恢復至大于120KΩ。這種反應可以重復試驗，但要注意使空氣恢復到潔凈狀態(tài)。經實驗的反復檢測，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，響應時間和恢復時間都正常，可以開始作信號采樣模塊電路的設計。</p><p>　　圖3-5 MQ-3檢測電路</p><p>　　3.3 信號轉換電路</

69、p><p>　　ADC0832 為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉換時間僅為32μS，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。</p><

70、;p>　　正常情況下ADC0832 與單片機的接口應為4條數據線，分別是CS、CLK、DO、DI。如圖3-6，下面說明各引腳功能。</p><p>　　圖3-6 ADC0832BP芯片</p><p>　　CS_片選使能，低電平芯片使能。</p><p>　　CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。</p><p>　　CH1 模

71、擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。</p><p>　　GND 芯片參考0 電位（地）。</p><p>　　DI 數據信號輸入，選擇通道控制。</p><p>　　DO 數據信號輸出，轉換數據輸出。</p><p>　　CLK 芯片時鐘輸入。</p><p>　　Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復用）。&l

72、t;/p><p>　　ADC0832BP的工作過程是：將DO和DI并聯在一根數據線上使用。ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK和DO/DI 的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK 輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數據信號。在第1個時鐘脈沖的下沉之前DI端

73、必須是高電平，表示啟始信號。在第2、3個脈沖下沉之前DI端應輸入2位數據用于選擇通道功能。</p><p>　　當此2位數據為“1”、“0”時，只對CH0進行單通道轉換。當2位數據為“1”、“1”時，只對CH1進行單通道轉換。當2位數據為“0”、“0”時，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負輸入端IN-進行輸入。當2位數據為“0”、“1”時，將CH0作為負輸入端IN-，CH1作為正輸入端IN+進行輸入。到第3

74、個脈沖的下沉之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI端則開始利用數據輸出DO進行轉換數據的讀取。從第4個脈沖下沉開始由DO端輸出轉換數據最高位DATA7，隨后每一個脈沖下沉DO端輸出下一位數據。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數據DATA0，一個字節(jié)的數據輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數據，即從第11個字節(jié)的下沉輸DATA0。隨后輸出8位數據，到第19個脈沖時數據輸出完成，也標志著一次A/D轉換的結束。最后將CS置

75、高電平禁用芯片，直接將轉換后的數據進行處理就可以了。</p><p>　　3.4 發(fā)光二極管顯示與蜂鳴器報警電路</p><p>　　發(fā)光二極管的負極間接一個1K的電阻，正極接在P26引腳上，當酒精濃度到達閥值是，點亮。蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電， 直流蜂鳴器是給一定的驅動直流電壓就會響。而交流蜂鳴器是需要給蜂鳴器一個脈沖才會響。我的板子上配的就是交流蜂鳴器。蜂鳴

76、器的2號引腳接一個電阻加一個電容，當酒精濃度達到閥值是，蜂鳴器報警。報警電路如圖3-7。</p><p>　　圖3-7 發(fā)光二極管與蜂鳴器</p><p>　　3.5 LCD1602顯示電路</p><p>　　液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，用LCD顯示一個字符時比較復雜，因為一個字符由6×8或8×8點陣組成，

77、既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數找出顯示RAM對應的地址，設立光標，在此送上該字符對應的代碼即可。</p><p>　　碼即可顯示部分采用LCD1602液晶屏進行

78、數據顯示，其接口信號說明如表1所示。</p><p>　　表3-1 液晶屏接口信號說明</p><p>　　LCD1602液晶與單片機接口電路如圖3-8所示。其中P0.0—P0.7接LCD數據線，P2.1—P2.2接LCD控制線。</p><p>　　圖3-8 LCD與單片機接口電路</p><p><b>　　3.6 按鍵<

79、;/b></p><p>　　本設計采用二鍵鍵盤，電路如圖3-9所示。</p><p><b>　　圖3-9 鍵盤電路</b></p><p>　　按鍵KEY1,KEY2，直接接單片機P3.2—P3.3。其中：</p><p>　　（1）KEY1為上調鍵，用來上調濃度閥值</p><p>　

80、?。?）KEY2為下調鍵，用來下調濃度閥值。</p><p><b>　　第4章 軟件編程</b></p><p>　　系統(tǒng)的軟件設計采用C語言，對單片機進行編程實現各項功能。程序是在Windows XP環(huán)境下采用Keil軟件編譯的。</p><p><b>　　4.1 開發(fā)環(huán)境</b></p><p&

81、gt;　　選用的開發(fā)平臺為Keil單片機集成開發(fā)環(huán)境，只需在PC機上安裝Keil軟件，然后在Keil軟件代碼編輯器編輯程序代碼，經匯編，修改，產生代碼，形成輸入輸出口實驗十六進制.HEX文件。</p><p>　　打開Microcontrmller ISP Software，在菜單options選項中選擇select device，在彈出的窗口中選擇器件AT89S51，并選Byte Mode點擊OK。初始化器件后

82、，將經過編譯生成的.HEX十六進制文件下載到單片機。</p><p>　　對于8051系列單片機，現有四種語言支持，即匯編、PL/M、C和BASIC。本設計軟件編程部分選用C語言來寫程序代碼。</p><p><b>　　4.2 主程序流程</b></p><p>　　當檢測到酒精氣味時，氣體傳感器MQ-3兩個電極端A-B間電阻將變小，對應與氣

83、體傳感器負載電阻的分壓將變大。因為ADC0832BP的模擬輸入端IN0與負載電阻的一端用導線連在了一起。所以單片機在啟動測試模數轉換芯片之前要選擇通道0，寫入模數轉換芯片，并將用作查詢的單片機引腳P3.3置位，然后啟動對通道IN0端輸入的采集電壓信號作模數轉換，等待轉換的結束。利用單片機豐富的I/O口可以采用查詢方式來檢測模數轉換是否結束，當單片機引腳P3.3為1時轉換未結束等待，當查詢到P3.3為0時表示模數轉換已經結束，可以開始讀取

84、數據了。單片機通過I/O口與模數轉換芯片的數據輸出口相連讀取轉換后的數據。讀取后的數據送到數據存儲器單元中，經過單片機作相應的處理，即要將該電壓值轉換為酒精濃度值，然后處理后的數據用LCD顯示，并同時檢測按鍵，加減濃度閥值，對比是否產生報警。程序流程圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 主程序流程圖</p><p>　　4.3 程序代碼編寫</p><p&

85、gt;　　4.3.1程序初始化</p><p>　　系統(tǒng)電源線接通系統(tǒng)復位后，程序從主程序入口進入運行。因為在程序中每次對模數轉換后讀取的數據，需要相應的存儲空間，同時對讀取的數據作適當處理后也要送到特定的存儲空間存儲起來，以供后面的LCD顯示用。當然，在程序運行的過程當中，還要用到工作寄存器，因為工作寄存器都是臨時存儲數據，不需要保存作為以后處理要用到的數據，所以工作寄存器的初始化這部分可以省去。于是，對于程序

86、的初始化程序代碼可以相應寫出[13]。</p><p>　　4.3.2 按鍵設計</p><p>　　按鍵處理是先檢測按鍵K1是否按下，K1=0時，去抖，然后加1，檢測按鍵K2是否按下，按下則時減1，檢測完畢后返回值送給液晶顯示濃度閥值。如流程圖4-2。</p><p><b>　　Y</b></p><p><b

87、>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　N</b></p><p>　　圖4-2 按鍵流程圖 </p><p>　　4.3.3 模數轉換設計</p><p>　　把模擬電壓值轉換成8位二進制數并返回，片選，DO為

88、高阻態(tài)，第一個脈沖，起始位，第二個脈沖，DI=1表示雙通道單極性輸入，第三個脈沖DI=1表示選擇通道1（CH2），DI轉為高阻態(tài)，DO脫離高阻態(tài)為輸出數據作準備，在每個脈沖的下降沿DO輸出一位數據，最終ch為8位二進制數，取消片選，一個轉換周期結束。如圖4-3。</p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b><

89、;/p><p>　　圖4-3 模數轉換流程圖</p><p>　　根據程序流程圖和各個子程序的編寫可以得到整個設計的總程序代碼見附錄。打開實驗開發(fā)平臺Keil單片機集成開發(fā)環(huán)境，在Keil軟件代碼編輯器編輯程序代碼，經匯編，修改，產生代碼。</p><p>　　第5章 電路調試與測試結果</p><p>　　本章主要介紹當整體完成后，對本設計的各

90、個模塊進行電路調試，調試通過后，用于測試，測試酒精濃度，可以正常工作。</p><p><b>　　5.1 電路調試</b></p><p>　　根據各個模塊功能的設計和繪制的整體電路圖，找到各功能模塊的連接點。按照設計的步驟，并對照總電路圖，在面包板上連接電路。電路的連接順序是，先連接好各個模塊，在調試檢查正確的前提下再把各個模塊連接起來。</p>&

91、lt;p>　　打開Keil軟件，將寫好的調試程序代碼在計算機上輸入、匯編、修改、產生代碼，形成輸入輸出口實驗.HEX文件。打開Microcontrmller ISP Software軟件，在菜單options選項中選擇select device，在彈出的窗口中選擇器件AT89S51，并選Byte Mode點擊OK。初始化器件后，將經過編譯生成的,HEX十六進制文件下載到單片機。</p><p>　　電路連接

92、好，并將調試程序代碼（注釋電壓到酒精濃度轉換關系代碼）燒寫到AT89S51單片機上后，接上+5V電源開始調試。先把氣體傳感器探頭用一個阻值為20kΩ的電阻替代，復位單片機，觀察LCD上的顯示數據和發(fā)光二極管的點亮情況。用萬用表測量采樣點的電壓值，看用萬用表測得的電壓值與LCD上顯示數據是否一致。因為各導線和元器件對電壓電流的影響，LCD顯示的數據與萬用表測得的數據存在一定的偏差，但在可接受的范圍內。調節(jié)電位器，觀察LCD數據顯示的變化，

93、同樣用萬用表測量電壓值作比較。測量數據與LCD顯示數據基本一致，說明電路LCD顯示部分連接正確。</p><p>　　調試電路其他功能模塊正確后，將預熱足夠長時間能正常工作的氣體傳感器MQ-3換上原來20kΩ的電阻。準備好若干個不同濃度的酒精氣體樣品，檢測氣體傳感器是否能正常工作。當把不同濃度的酒精溶液樣品靠接氣敏傳感器時，各自對應一個不同的數據顯示，說明整體電路已經完全正確。</p><p&

94、gt;　　硬件電路中發(fā)光二極管顯示和LCD顯示都正確后，表明所連接的硬件電路已經調試成功。這時候可以配制幾個酒精溶液對調試電路作初步測試。</p><p>　　5.2 濃度與顯示之間的關系</p><p>　　主要介紹傳感器所測濃度與電壓之間的關系，和本設計在實驗中所得到的數據。</p><p>　　5.2.1 傳感器的定標</p><p>

95、　　在系統(tǒng)電路調試正確以后，要作改進工作，使LCD上正確顯示所測的酒精氣體濃度值。之前顯示的是酒精濃度值與電壓的對應關系，所以要顯示酒精濃度值，需要找到電壓與濃度之間的關系，然后才能建立酒精濃度值與顯示的映射關系。</p><p>　　測量用的酒精溶液是用無水乙醇和純凈水按體積比來配制的，單位mL/mL表示的是1mL酒精溶液中含酒精的體積。準備多個不同濃度的酒精氣體樣品，從小到大，依次用氣敏傳感器檢測，記錄對應的

96、電壓值，記錄樣品的濃度和電壓值之間的關系，如圖5-1所示。根據曲線圖的走向可以看出傳感器的酒精濃度檢測大致范圍，然后根據這個范圍選擇7個合適的濃度值，多次測量電壓值，再取平均值作為最后電壓值，把6個標準區(qū)間范圍定下來，如表5-1所示。</p><p>　　圖5-1 濃度與電壓關系曲線圖</p><p>　　表5-1 樣品對應電壓值</p><p>　　在酒精氣體濃度

97、的每個小區(qū)間內，將電壓值與LCD顯示值之間的關系當作線性處理，即每段小區(qū)間對應著一個線性映射關系，如表5-2所示。</p><p>　　在要作不同線性轉換電壓區(qū)間范圍和對應的線性轉換關系確定好了以后，根據表4所對應的關系，修改數據處理程序部分，建立酒精濃度和電壓之間的關系。使最終顯示的數據為酒精濃度值。根據編寫的數據處理程序，LCD最終顯示的是酒精濃度值小數部分的前2位數字。這樣，一個完整的基于AT89S51單片

98、機酒精濃度探測儀就設計出來了。</p><p>　　表5-2 濃度與電壓線性映射關系</p><p>　　5.2.2 酒精濃度測試結果</p><p>　　將配制好的濃度為0.011mL/mL、0.014mL/mL、0.025mL/mL、0.170mL/mL用做成的探測儀檢測，其結果分別顯示為：11%、15%、23%、41%。測量的最大誤差為8.2%對于檢測濃度低的

99、酒精誤差比檢測濃度高的酒精誤差小，這也是設計的該酒精濃度探測儀適合與檢測酒后駕車的原因，因為人在飲酒后，從呼吸道呼出的酒精氣體濃度一般都不是很高。因此，對設計的傳感器可以在定標上作適當的改進，就可以用于檢測酒后駕車。</p><p>　　如圖所示是最終的測試電路，可以用來檢測不同濃度的酒精溶液。圖中所示的是檢測濃度為0.170mL/mL的酒精溶液，顯示濃度值的結果是41%。</p><p>

100、;<b>　　結 論</b></p><p>　　MQ-3傳感器屬于金屬半導體電阻式傳感器，靈敏度高，響應速度快，可重復性使用。當傳感器的敏感部分吸附有酒精分子時，表面的導電電子比例就會發(fā)生變化，從而其表面電阻會隨著被測酒精氣體濃度的不同而發(fā)生相應的變化，且這種變化是可逆的，可重復使用。MQ-3接上一定阻值的負載電阻，即可構成對酒精氣體濃度的檢測部分。負載電阻的分壓值即對應著一個酒精氣體的

101、濃度值，只需對該分壓值采樣，就可得到要測酒精氣體濃度值的信號。將該信號通過A/D轉換，將模擬信號轉化為數字信號。轉換后的數字信號由單片機作相應的數據處理，得到ASCII 碼送LCD顯示。在發(fā)光二極管顯示報警模塊中，將采集信號輸入二極管集成功率放大器，對該采集信號放大后驅動相應的發(fā)光二極管點亮，起到報警的作用。</p><p>　　當然可以對本系統(tǒng)作一定改進，并在此基礎上制作酒精檢測鑰匙。即在車鑰匙上設計一個小吹管

102、，由一組信號發(fā)射器連接至車上的電子控制組件，如果駕駛者在開門之前所做的酒精吹氣測試樣本被發(fā)現超過法定允許的標準值，則系統(tǒng)將使引擎維持在靜止狀態(tài)無法啟動。當駕駛者按下遙控器上的開門按鈕，酒精探測儀也隨之啟動，然后駕駛者對著小管口吹氣，酒精濃度會經由感應器上的小綠燈或小紅燈顯示出來。當顯示綠燈時，鑰匙將傳送允許信號至車輛的電子控制系統(tǒng)，也就是通過檢測，可以上路了；但是如果測試結果為紅燈，則車輛將維持在鎖定狀態(tài)，即使鑰匙插入鑰匙孔也無法發(fā)動車

103、子。</p><p>　　半導體氣敏傳感器和電化學固體電解質氣敏傳感器具有測量精度高、所需試樣少、響應快等特點，廣泛應用于化工、建筑、環(huán)保、醫(yī)療、家電、安全保衛(wèi)等領域。隨著納米技術、薄膜技術等新材料研制成功，微機械與微電子技術、計算機技術等的綜合應用，高性能的氣敏傳感器將會不斷出現。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>

104、;　　首先，要感謝學校這四年來的悉心栽培，并提供我們試驗室，給我們好的環(huán)境。其次感謝我的指導老師**老師。本次設計是在**老師的悉心指導和幫助下完成的，她為我們提供了很多相關的資料，并在設計遇到困難時，及時給與了指導與幫助。在畢業(yè)設計過程中，她提供了許多寶貴的思路和建議，結合工作體會和經歷，提出了很多有價值的觀點，為完成本次設計給予了極大的幫助。在與蔡桂英老師的接觸中，蔡老師嚴謹求實的學術作風深深感染了我，催促我不斷追求卓越，竭盡所能使

105、自己的論文更加嚴密，體系更加完整。讓我在校外實習階段仍能感受到學校領導和老師對14屆畢業(yè)生的關懷，感受到學校濃郁的人文氣息。</p><p>　　與此同時，我還要感謝與我共同作戰(zhàn)的同學們。在畢業(yè)設計即將完成的時候，我遇到了一些了理論性和技術性的難題，在這段時間里，我的同學和我一起分析問題、解決問題，給我提出了許多具有建設性的重要建議，讓我在浩瀚的知識海洋中找到了指引航向的燈塔，并最終抵達成功的彼岸。</p&

106、gt;<p>　　通過這次設計，使我受益非淺。畢業(yè)設計是大學四年學習的大綜合；是一場綜合的考試；是一次社會實踐。通過這次設計，培養(yǎng)了自學能力，為以后的繼續(xù)學習打下基礎。</p><p>　　再次感謝所有支持和幫助過我的領導、老師和同學們！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1 司士輝．生物傳感器[J

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