基于单片机的数字酒精气体传感系统毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的数字酒精气体传感系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

12 全球汽车（包括个人用车和商用车）保有量最迟到 20xx 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 20xx 年 8月底，全国机动车保有量达到 亿辆。 其中，汽车保有量首次突破 1 亿辆，占机动车总量的 %，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。 精测试仪现状和发展趋势 喝酒后，呼 出的气体会有酒味，表情行为会有反常。 远古时代人们利用鼻子作为传感器，进行简单的呼出气体酒精测量。 19 世纪末出现了用体液对酒精进行定量分析。 1927 年，有科学家建议使用呼出气体做酒精浓度分析。 现在，肺泡气中酒精的测量技术有了很大的进步，有先进微处理器的酒精测试仪已被商品化。 越来越多的国家开始禁止酒后驾车。 精确的呼出气体酒精测试和传统的法医血液酒精分析相比有许多优点，例如，进行无毒的采样，能进行现场处理，这样为交警节省了时间，使交通控制更高效，能避免运输和贮存有艾滋病病毒和肝炎病毒的血样。 由于最早使用 BAC 极 限值来分辨酒后驾车 ，当呼出气体酒精浓度测量用于交通执法时，情况就变得错综复杂，要把所测量的呼出气体酒精浓度换算成血液酒精浓度。 一般认为， 2100： 1 呼出气体中所含的酒精和 11血液中所含的酒精量 相等。 对于把结果转化成 BAC 的呼出气体酒精测量仪，呼气／血液酒精转换系数是决定测试精度的重要因素。 在美国、加拿大、澳大利亚，定量分析呼出气体酒精测试仪已用了十多年，转化系数为 2100： 1。 在美国许多州，~2101BAC 为饮酒驾驶处罚极限， 2100： 1 的 BAC/BAC 的转化系数直接体现在立法条例中，如果不 这样 ，立法确定大于等于 ~1 为犯罪极限，还得强调 2100： 1的转化系数。 假设有这种可能， BAC 是合法的，而 BAC 不合法 ，反之亦然。 立法中存在 的这种进退两难的问题，至今没有很好地解决。 BAC 和 BAC 内在转化如下所述： 基于单片机的数字酒精气体传感系统 13 BAC=BACBAC/BAC 转化系数 研究内容 设计一个基于单片机的酒精浓度检测系统，检测结果用 LED 或 LCD 显示器显示。 基于 STC89C52 单片机， MQ3 酒精浓度传感器，本设计设计一种具有检测及超限报警功能的酒精浓度测试系统。 MQ3 对酒精浓度的变化，其阻值 产生相应的变化，然后通过取样电阻分压的变化表现出来；人体血液酒精浓度的不同，其呼出的气体中酒精浓度也不同。 通过 MQ3 对呼出气体中酒精浓度的反应以取样电压的形式送入到 ADC0809，进行 A/D 转换后并将转换的数据送入单片机进行分析处理，再通过液晶板显示出来。 基于单片机的数字酒精气体传感系统 14 第二章 硬件原理及设计 硬件总体设计思路 思路从设计的要求出发，要求是测试究竟气体的浓度，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由一定的要求，首先这个酒精传感器本身就有很好的灵敏度，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，这时选择一个数码管做显示器。 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事数字信号，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数码管进行显示 设计总体框架 总框架流程图 STC89C52 单片机 本系统采用单片机为控制核心。 单片机 /MCU 主要有 51 基本型和 52 增强型，而相比之下 52 型比 51 型功能更为强大， ROM 和 RAM 存储空间更大， 52 还兼容51 指令系统。 基于本系统设计内容的需要，综合考虑后，我们选择单片机STC89C52 为控制核心；主要基于考虑 STC89C52 是无法解密低功耗 ,超低价高速，高可靠强抗静电，强抗干扰 ,功能强大的单片机。 STC89C52 有 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2个外中断口， 3 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口， 2 个读写口线，片内振荡 器及时钟电路。 同时 STC89C52 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并酒精气体 MQ3传感器 ADC0809 52单片机 数码管显示 基于单片机的数字酒精气体传感系统 15 支持两种软件可选的节电工作模式。 空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发本。 STC 单片机有 PDIP、 PQFP/TQFP 及 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 STC89C52 单片机引脚如图 ： 图 STC89C52 引脚图 •Vcc：电源电压 •GND：地 •P0 口： P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址 /数据总线复用口。 •P1 口： P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。 •P2 口： P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 的输出缓冲级可驱（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。 •P3 口： P3 口时一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。 •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使单片机复位。 •ALE ：当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE(地址锁存允许 )输出脉基于单片机的数字酒精气体传感系统 16 冲用于锁存地址的低 8 位字节。 一般情况下， ALE 仍以时钟振荡频率的 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。 •错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 ：程序储存允许（ 错误 !未找到引用源。 ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 89C5X 单片机由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 有效，即输出两个脉冲。 在次期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 信号。 • EA /VPP：外部访问允许。 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFH）， 端必须保持低电平（接地）。 •XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 •XTAL2：振荡器反相放大器的输出端 MQ3 酒精传感器 MQ3 型气敏传感器由微型 Al2O 陶瓷管和 SnO2 敏感层 、 测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或者不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。 传感器的标准回路有两部分组成：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 出面获得的。 二者之间的关系表述为： RS/RL=(VC－ VRL)/VRL，其中 VC 为回路电压 10V。 负载电阻 RL 可调为 ～ 200K，加热电压 Uh 为 5V。 上述这些参数使得传感器输出电压为 0～5V。 MQ3 型气敏传感器的结构和外形如图 所示，标准回路如图四所示，传感器阻值变化率与酒精浓度 、 外界温度的关系如图 所示。 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酒精传感器对乙醇蒸气有很高的灵敏度，并且响应和恢复快速。 另外，MQ3 酒精传感器简单的驱动回路和可靠的稳定性是相比较于其他型号传感器的优点。 MQ3 酒精传感器可用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测，也可用于其 他场所乙醇蒸气的检测。 MQ3 酒精传感器有 6 只针状管脚，其中 4个管脚（两个 A和两个 B）用于信号读取，两个 H脚用于提供加热电流。 MQ3 型气敏传感器与电位器串联构成分压电路，采样点为电位器的分压。 MQ3 型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物 SnO2 的 N 型半导体微晶烧结层构成。 当其表面吸附有被测气体酒精分子时，表面导电电子比例就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化。 由于这种变化是可逆的，所基于单片机的数字酒精气体传感系统 17 以能重复使用。 当气敏传感器的敏感体电阻阻值发生改变时，对应的电位器的分压值也会发生相应的变化，即一个电压值对 应着一个被测酒精气体浓度。 对酒精气体浓度的采样就可以转化为对电位器分压的采样。 MQ3 型气敏传感器技术指标如下： 使用气体：酒精 (乙醇） 探测范围： 10~1000*106 特征气体： 100*106 灵敏度： Rin air/Rin typical gas 5 敏感体电阻： 400~4000kΩ（空气中） 响应时间：  10s（ 70% Response) 恢复时间：  30s（ 70% Response) 加热电阻： 31Ω 3Ω 加热电流：  180mA 加热电压： 5V 加热功率：  900mW 工作条件 ：环境温度：－ 10~65 摄氏度 湿度：  95%RH 贮存条件：温度：－ 20~70 摄氏度 湿度：  70%RH 灵敏度调整： MQ3 型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。 因此，在使用此类型气敏元件时 ，灵敏度的调整是很重要的。 建议使用 200ppm 的乙醇蒸汽校准传感器。 当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。 电路图如图 ： 图 MQ3 传感器电路图 基于单片机的数字酒精气体传感系统 18 MQ3 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（ AC or DC） ，加热电压要求是 177。 V，测量电压不大于 24V。 负载电阻要可调，加热电阻是 31Ω177。 3Ω；加热功耗 ≤900mW，属于小功率；探测空气中酒精浓度范围100ppm20xxppm。 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 ： 图 MQ3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=5kΩ Rs：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。 A/D 转换电路 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。 所谓 A/D 转换器就是模拟 /数字转换器（ ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号。 信号输入端可以是传感器或转换器的输出，而 ADC 的数字信号也可能提供给微处理器，以便广泛地应用。 基于单片机的数字酒精气体传感系统 19 CS 、 RD 、 WR 是数字控制输入端，满足标准 TTL 逻辑电平。 其中 CS 和 WR 用来控制 A/D 转换的启动信号。 CS 、 RD 用来读 A/D 转换的结果，当它们同时为低电平时，输出数据锁存器 DB0～ DB7 各端上出现 8 位并行二进制数码。 ADC0801～ 0805 片内有时钟电路，只要在外部“ CLKI”和“ CLKR”两端外接一对电阻电容即可产生 A/D 转换所要 求的时钟，其振荡频率为 fCLK≈ 1/。 其典型应用参数为： R=10K， C=150PF， fC。