酒精浓度测试仪.docx
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酒精浓度测试仪.docx
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酒精浓度测试仪
南阳理工学院
本科生毕业设计(论文)
学院(系):
机电工程系
专业:
测控技术与仪器
学生:
王成坤
指导教师:
李珍
完成日期二0一一年五月
南阳理工学院本科生毕业设计(论文)
酒精浓度测试仪的设计与实现
TheDesignandImplementationofAlcoholConcentrationTester
总计:
29页
表格:
4个
插图:
17幅
南阳理工学院本科生毕业设计(论文)
酒精浓度测试仪的设计与实现
TheDesignandImplementationofAlcoholConcentrationTester
学院(系):
机电工程系
专业:
测控技术与仪器
学生姓名:
王成坤
学号:
29107011
指导教师(职称):
李珍(高级工程师)
评阅教师:
毛翠丽
完成日期:
2011年5月
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
酒精浓度测试仪的设计与实现
测控技术与仪器专业王成坤
[摘要]:
本设计测试对象为空气中的酒精气体浓度。
首先通过气敏传感器MQ-J1完成了对空气中酒精气体浓度信号向电信号的转换,并利用集成芯片LM3914和发光二极管实现了对其浓度的简单指示,在此基础上,又利用单片机STC12C5A60S2和数码管对其浓度具体数值进行精确显示,可满足生产、生活中大多测量需求。
[关键词]:
气体传感器,模数转换,单片机
TheDesignandImplementationofAlcoholConcentrationTester
MeasurementandControlTechnologyandInstrumentsMajorWangChengkun
Abstract:
Thetestobjectinthisthesisisthegasconcentrationofalcoholintheair.Firstly,thegasconcentrationofalcoholintheairisconvertedtoelectricalsignalthroughthegassensorMQ-J1.Secondly,theintegratedchipLM3914andlightemittingdiodesareusedtoachievesimpleinstructionfortheconcentration.Basedonthis,themicrocontrollerSTC12C5A60S2andnixietubesareusedtoshowtheaccuratevaluesofitsconcentration.Thedesigncanmeetthemostneedsofthemeasurementsintheproductionandlife.
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KeyWords:
gassensor,A/Dconversion,MCU
1绪论
1.1引言
我国传感器市场的增长率超过15%,2003年销售额为186亿元人民币,2006年销售额为283亿元人民币,预计2007年为325亿元人民币,2008年为374亿元人民币。
我国传感器4大类中,工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。
近年来,传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段,新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化,它将不仅促进系统产业的改造,而且可导致建立新型工业和军事变革,是21世纪新的经济增长点[1]。
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。
气体传感器是把气体中的特定成分检测出来,并转化为电信号的一类器件,用来对有害气体,易燃易爆气体等进行安全检测和报警,对生产生活中需要了解的气体进行检测,分析,研究等。
近年来,我国气敏传感器产业有了较快的发展,但与国外相比,从技术水平,产业化及应用等领域均存在着不小的差距。
目前,气敏传感器领域还存在一些问题。
一是元件的稳定性差。
由于元件电阻和灵敏度随时间而不断变化,漂移大给检测结果的可靠性带来不稳定的因素。
二是选择性差。
由于在检测气体时,往往还存在着其它的干扰气体(如烟酒等),使气敏元件发生交叉响应,产生误报。
三是催化剂中毒。
掺有催化剂的气敏元件接触某些气体后,活性组分被毒化,将会改变元件的选择性,降低其敏感度和稳定性,另外催化剂本身也存在着不稳定性问题。
灵敏度问题。
四是SnO2元件有时由于灵敏度过大导致误报,但是在检测某些低浓度气体时灵敏度却难以达到要求[2]。
1.2气敏传感器的研究现状
气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构及制作工艺密切相关。
用金属氧化敏感材料制作的半导体式气敏元件具有灵敏度高,结构简单,体小质轻,坚固耐用等优点而得到广泛的应用,目前仍以SnO2材料为主[3]。
SnO2是一种广普型的气敏材料,围绕SnO2为基体材料的气敏材料的制备及其气敏元件制备的研究课题十分活跃。
纯SnO2的气敏特性不甚好,尤其是它的热稳定性不高。
为改善其气敏特性,常在SnO2基体中掺入贵金属或其他金属氧化物。
尽管SnO2基传感材料具有许多优点,作为材料也存在一定缺点。
通过控制气敏材料微粒大小,颗粒纳米化,掺杂其它添加剂或催化剂,利用过滤设备或透气膜来获得选择性,控制工作温度及环境湿度影响,改进制备等方法可以改善SnO2传感器的气敏性能[4]。
纳米科学技术(Nano—ST)是研究尺寸在0.1—100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。
纳米技术的发展,不仅为传感器提供了优良的敏感材料,而且为传感器制作提供了许多新型方法。
纳米固体材料具有庞大的界面,提供了大量气体通道,从而大大提高了灵敏度,工作温度大大降低,大大缩小了传感器的尺寸。
当然,在己获得明显进展的纳米传感领域中尚存在很多问题,从敏感材料到制作技术都很不成熟,其性能也有不尽人意的地方[5]。
气敏传感器在家用电器中也有相当广泛的应用。
吸油烟机等产品上常用MQ-J1型半导体气敏传感器,它采用旁热式结构,陶瓷管内装有高阻抗加热丝,管外涂有梳状金属电极,金属电极之外涂有SnO2材料,使SnO2烧结体位于两电极之间[6]。
气敏传感器工作时,加热器通电加热,若无被检气体侵入时,气敏元件的阻值基本不变当气敏元件表面产生吸附作用,其阻值将随气体浓度的变化变化。
当被检气体浓度增大到一定值时,气敏元件的阻值将随之下降到某一值,使电压比较器的状态发生变化,输出控制信号经电流放大后,控制继电器或双向晶闸管接通电动机电源使吸排油烟机工作[7]。
1.3设计酒精浓度探测仪的意义
本设计基于STC12C5A60S2单片机设计的酒精气体浓度探测仪,可用来检测酒精气体浓度,最主要的用途是检测司机的酒精含量。
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。
机动车驾驶人员“酒后驾车”及“醉酒驾车”极易发生道路交通事故,严重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。
人饮酒后,酒精通过消化系统被人体吸收,经过血液循环,约有90%的酒精通过肺部呼气排出,因此测量呼气中的酒精含量,就可判断其醉酒程度。
开车司机只要将嘴对着传感头使劲吹气,仪器就能发上显示出酒精浓度的高低,从而判断该司机是否酒后驾车,避免事故的发生。
当然,最好的办法是在车内安装这种测试仪,司机一进入车内检测仪就检测司机的酒精含量,如果超出允许值,系统控制引擎无法启动,这样就可从根本上解决酒后驾车问题。
酒精气体浓度探测仪在生产生活中也有重要的应用,比如,在一些环境要求严格的生产车间,用这种酒精浓度探测仪,可随时检测车间内的酒精气体浓度,当酒精气体浓度高于允许限定值时,发出警报,提醒人们及时通风换气,做到安全生产。
1.4本文主要研究工作
本文以STC12C5A60S2单片机为核心,设计了用于测量酒精浓度的探测仪,主要研究工作包括以下3个方面。
(1)硬件电路方面,对气体传感器MQ-J1根据检测电路,接上一定阻值的负载电阻,检测它的技术参数,确定MQ-J1所接负载电阻的大小,完成信号采样电路的设计;采样到的模拟电压电信号通过A/D转换,得到可供单片机处理的数字信号,再由单片机作相应的数据处理;发光二极管报警显示和4个单位8段共阴数码管浓度值显示。
(2)软件方面,标准的确定是该部分要做的主要工作。
因为原始的采样值是一个间接的负载分压值,需要将它转化为被测酒精浓度值。
通过多个样品的测量确定多个浓度区间的转换标准,并将每个区间的转换关系近似线性化处理,然后通过软件编程的方法来实现。
(3)为了尽量减少设计的气体传感器的测量误差,在测量酒精溶液样品时要考虑并解决3个主要问题。
一是外界环境流动空气对传感器的影响和对气体样品的稀释,二是样品的稳定性对测量带来的误差,三是水蒸气对测量的影响。
针对这3个主要问题提出以下解决方案和验证方法。
测量样品时,将探头尽量放入塑料瓶内,可以在一定程度上消除流动空气的影响,同时应选择空气流动较小的室内环境来测量。
水蒸气对MQ-J1的影响很小,这一点可以通过对只装有纯净水的塑料瓶的多次测量来验证。
用相同容量的塑料瓶配制好不同浓度的酒精溶液后,将它密封并放置一段时间,待其稳定后再测量。
再通过反复多次测量多组数据,求其平均值的方法来缩小测量误差。
2硬件电路设计与实现
2.1单片机开发流程
(1)可行性调研。
可行性调研的目的,是分析完成这个项目的可能性。
进行这方面的工作,可参考国内外有关资料,看是否有人进行过类似的工作。
如果有,则可分析他人是如何进行这方面工作的,有什么有点和缺点,有什么值得借鉴的;如果没有,则需要作进一步的调研,此时的重点应放在能否实现这个环节,首先从理论上进行分析,探讨实现的可能性,所需求的客观条件是否具备,然后结合实际情况,再决定能否立项的问题。
(2)系统总体方案的设计。
在进行可行性调研后,如果可以立项,下一步工作就
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