基于单片机的酒精探测仪设计Word格式.docx

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第1章绪论

传感器是人类探知自然界信息的触角。

在人类文明的发展历史中，感受处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。

在古代，传感技术由人的感官来实现，人观天象而仕农耕，察火色而冶铜铁。

从18世纪产业革命以来，特别是在20世纪信息革命中，传感技术越来越多的由人造感官，即传感器来实现。

目前，传感器的应用如此广泛，可以说任何机械电气系统都离不开它。

人们常常将传感器称之为电五官，这是说如果将计算机比作人的大脑而称为电脑的话，那么传感器的地位和功能就相当于人的眼，耳，鼻，舌，身五官。

由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段，气体传感器发挥着极其重要的作用。

常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气体传感器和半导体气体传感器等。

接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；

通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。

电化学气体传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。

半导体气体传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛。

酒精是人类健康的大敌。

一般白酒的酒精含量为45％～65％，果酒的酒精含量为16％～18％，啤酒中酒精含量较少，占3％～5％。

酒精进入胃肠壁后，被迅速吸收溶解于血液中，一般在饮酒后5分钟便可以在血液中发现酒精，大约经过2.5小时，所饮酒中的酒精便被人体全部吸收，渗透到肌体各组织内部。

有资料表明，人体只要吸收30—80mg／ml的酒精，就会出现健谈、行动笨拙、絮叨不休、感情冲动、反应迟钝等状况；

吸收120mg／ml以上的酒精，就已经是醉酒状态了，出现疲劳嗜睡、大小便失去控制、昏迷；

吸收600mg／ml的酒精，就将直接致人于死命了。

酒后驾车发生事故的机率高达27％。

随着摄入酒精量的增加，选择反应错误率显著增加，当血液中酒精含量由0.5‰增至1‰，发生车祸的可能性便增加5倍，如果增至1.5‰，可能性再增加6倍。

当然对付这些饮酒开车者，现在最便捷的就是使用酒精测试仪，可以当场直接测试。

司机只要将嘴对着传感器使劲吹气，仪器就会马上显示出酒精浓度的高低，对照这个数字交警们就可以马上判断该司机是否喝酒了。

第2章传感器基础知识

2.1传感器的定义

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：

“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

2.2传感器的分类

目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：

（1）按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。

（2）按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅热电偶等传感器。

　　（3）按传感器输出信号的性质分类，可分为：

输出为开关量（“1”和“0”或“开”和“关”）的开关型传感器；

输出为模拟型传感器；

输出为脉冲或代码的数字型传感器。

电阻式传感器 

　电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。

主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。

电阻应变式传感器

　　传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。

电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。

半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。

压阻式传感器 

压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。

其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。

当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。

用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。

热电阻传感器 

热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。

在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。

目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。

用于测量-200°

C～+500°

C范围内的温度。

2.3传感器的特性

（1）传感器的静态特性

　传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。

因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。

表征传感器静态特性的主要参数有：

线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。

（2）传感器的动态特性

　　所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。

在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。

这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。

最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

（3）传感器的线性度

　　通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。

在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。

拟合直线的选取有多种方法。

如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；

或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。

（4）传感器的灵敏度

　　灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。

它是输出-输入特性曲线的斜率。

如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。

否则，它将随输入量的变化而变化。

　　灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。

例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。

当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。

提高灵敏度，可得到较高的测量精度。

但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。

（5）传感器的分辨力

　　分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。

也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。

当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。

只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。

　　通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。

上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。

（6）传感器的迟滞特性

　　迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程之间输出-输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·

S的百分比表示，迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。

2.4传感器的选择

传感器千差万别，即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，因此，要根据需要选用最适宜的传感器。

（1）测量条件

如果误选传感器，就会降低系统的可靠性。

为此，要从系统总体考虑，明确使用的目的以及采用传感器的必要性，绝对不要采用不适宜的传感器与不必要的传感器。

测量条件列举如下，即测量目的，测量量的选定，测量的范围，输入信号的带宽，要求的精度，测量所需要的时间，过输入发生的频繁程度。

（2）传感器的性能

选用传感器时，要考虑传感器的下述性能，即精度，稳定性，响应速度，模拟信号或者数字信号，输出量及其电平，被测对象特性的影响，校准周期，过输人保护。

（3）传感器的使用条件

传感器的使用条件即为设置的场所，环境（湿度、温度、振动等），测量的时间，与显示器之间的信号传输距离，与外设的连接方式，供电电源容量。

2.5传感器的发展方向

（1）向高精度发展：

随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。

目前能生产精度在万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求。

（2）向高可靠性、宽温度范围发展：

传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。

提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-20°

C~70°

C，在军用系统中要求工作温度在-40°

C~85°

C范围，而汽车锅炉等场合要求传感器工作在-20°

C~120°

C，在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。

（3）向微型化发展：

各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。

如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。

（4）向微功耗及无源化发展：

传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。

目前，低功耗损的芯片发展很快，如TI2702运算放大器，静态功耗只有1.5mA，而工作电压只需2~5V。

（5）向智能化数字化发展：

随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0~10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。

第3章方案论证

3.1气体传感器的选择

3.1.1MQ-3基本介绍

一个新型的气体检测系统应该包括：

（1）基于一种或几种传感技术的气体传感器。

（2）组合了气体传感器和采样调理电路的探头。

（3）配有人机接口软件的中心监测和控制系统。

（4）在一些应用中，与其它安全系统和仪器的接口。

本设计中的酒精气体传感器采用河南汉威电子有限公司的MQ-3型,它属于MQ系列气敏元件的一种。

如图3-1所示：

图3-1

特点:

检测范围为10ppm～2000ppm

灵敏度高，输出信号为伏特级；

响应速度快，小于10秒；

功耗≤0.75W，

尺寸：

D17*H10

连续工作使用寿命大于三年，可靠性好。

可根据用户要求调整外型参数提供应用设计服务。

MQ-3型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物（二氧化锡）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，所以能重复使用。

MQ-3的灵敏度特性曲线如图3-2所示：

灵敏度特性曲线

图3-2

3.1.2MQ-3的检测

图3-3

如图3-3所示，当电源开关S断开时，传感器加热电流为零，实测A，B之间电阻>

20M欧。

S接通，则f，f之间电流由开始时155mA降至153mA而稳定。

加热开始几秒钟后A，B之间电阻迅速下降至1M欧以下，然后又逐渐上升至20M欧以上后并保持着。

此时如果将内盛酒精棉花的小瓶瓶口靠近传感器，我们立即可以看到数字万用表显示值马上由原来大于20M欧降至1M欧以下。

移开小瓶过15-40s后，A，B之间电阻恢复至大于20M欧。

这种反应可以重复试验，但要注意使空气恢复到洁净状态。

3.2编程语言的选择

对于8051单片机，现有四种语言支持，即汇编、PL／M、C和BASIC。

（1）BASIC通常附在PC机上，是初学编程的第一种语言。

一个新变量名定义后可在程序中做变量使用，非常易学，根据解释的行可以找到错误而不是当程序执行完才能出来。

BASIC由于逐行解释自然很慢，每一行必须在执行时转换成机器代码，需要花费许多时间，不能做到实时性。

BASIC为简化使用变量，所有变量都用浮点值。

2＋2这样简单的运算完全是浮点算术操作，因而程序复杂且执行时间长。

即使是编译BASIC，也不能解决此浮点运算问题。

8052单片机片内固化有解释BASIC语言，BASIC适用于要求编程简单而对编程效率或运行速度要求不高的场合。

（2）PL／M是lntel从8080微处理器开始为其系列产品开发的编程语言。

它很像PASCAL，是一种结构化语言，但它使用关键字去定义结构。

PL／M编译器像好的汇编器一样可产生紧凑代码。

PL／M总的来说是高级汇编语言，可详细控制着代码生成。

但对8051系列，PL／M不支持复杂的算术运算、浮点变量，也无丰富的库函数支持。

学习PL／M无异于学习一种新语言。

（3）C是一种源于编写UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生紧凑代码。

C结构是以括号{}而不是字和特殊符号的语言。

C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。

与汇编相比，有如下优点：

＊对单片机指令系统不要求了解，仅要求对8051的存贮器结构有初步了解；

＊寄存器分配、不同存贮器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理；

＊程序有规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化；

＊具有将可变的选择与特殊操作组合在一起能力，改善了程序的可读性；

＊关键字及运算函数可用近似人的思维过程方式使用；

＊编程及程序高度调试时间显著缩短，从而提高效率；

＊提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；

＊已编好程序可容易地植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。

C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不作修改就可根据单片机的不同较快地移植过来。

（4）8051汇编语言非常像其它汇编语言，指令系统比第一代微处理器要强一些。

8051的不同存贮器区域使得其复杂一些。

尽管懂汇编语言不是你的目的，但看懂一些可帮助你了解影响任何语言效率的8051特殊限定。

例如，懂得汇编语言指令就可使用在片RAM做变量的优势，因为片外变量需要几条指令才能设置累加器和数据指针进行存取。

要求使用浮点和启用函数时只有具备汇编程经验才能避免生成庞大的、效率低的程序，这需要考虑简单的算术运算或先算好的查表法。

最好的单片机编程者应是由汇编转用C而不是原来用过标准C语言的人。

从实用性和语言的熟悉程度考虑，选用汇编语言编制主要程序，用C语言辅助设计。

3.3开发工具

3.3.1单片机选择

单片机是把CPU、内存及I／O压缩在同一块芯片上，再外加一些电子元件便可以构成一套简易的控制系统。

如此一来可以降低硬件成本，由于单片机芯片设计及制造技术的限制，在面积有限的芯片上无法设计出太大的内存空间，因此单片机上ROM及RAM的容量都比较小，不过却也加入了位输入输出控制，计时计数器及外部中断的控制功能，有些单片机还有串行传输的接口，甚至还提供有A／D（模拟至数字转换）及D／A（数字至模拟转换）的接口，真可谓麻雀虽小五脏俱全。

8051单片机是INTEL公司在8048的基础上，对其功能加以改进所开发出来的8位单片机，表3-1是8048与8051硬件功能的比较表。

从表中可以看出8051在功能上比8048强很多，程序代码（存于外部ROM中）的设计空间如同传统8位的单片机，像Z80、6502CPU等，寻址至64K字节的范围，更甚者，其随机存储器（存于外部RAM中）可额外再寻址64K字节，这是8051特别优异的一点，加上I／O控制端口、中断功能、定时器及串行接口，使得在一块8051芯片上外加少许外接元件便可组成一个完整的单片机控制系统。

表3-1列出了8051系列的成员：

其中8751H有可擦除可编程只读存储器（EPROM），可以存放程序代码，同时具有程序保密的特性，可以防止程序代码被任意地拷贝，只是价格较贵。

电路构成类型如为CMOS则耗电较低，而8031与8051的差别在于8031内部本身没有可存放程序代码的存储空间（没有内部ROM的型态），因此程序代码必须由外部提供并外加EPROM。

表3-18048和8051的功能比较

比较项目80488051

指令周期2.5us1us

内部RAM64字节128字节

内部ROM1K字节4K字节

外部RAM256字节64K字节

外部ROM4K字节64K字节

I／O引脚数2732

中断源25

定时器8位1组16位2组

串行端口无一组

表3-28051系列内部ROM和内部RAM的内存容量

编号电路类型ROM存储容量（字节）RAM存储容量（字节）

8051AHHMOS4KROM128

8031AHHMOS没有128

8751HHMOS4KEPROM128

80C51CMOS4KROM128

80C31CMOS没有128

8052HMOS8KROM256

8032HMOS没有256

8051主要功能列举如下：

为一般控制应用的8位单片机；

芯片内部有时钟振荡器（传统最高工作频率可达12MHZ）；

内部只读存储器（ROM）为4K字