论文便携式酒精检测仪器设计方案与仿真.docx
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论文便携式酒精检测仪器设计方案与仿真
毕业设计(论文>
课题名称便携式酒精浓度监测仪的设计与仿真
学生姓名罗永如
学号0540827048
系、年级专业05级电子信息工程
指导教师刘伟
职称讲师
2009年5月10日
摘要
本文研究了一款基于单片机的便携式酒精浓度监测仪的设计过程。
该产品可通过声光报警信号来提示驾驶员是否饮酒过度,不适合开车,旨在减少交通事故的发生,具有一定的市场前景和实用价值。
设计中选用AT89C51单片机作为系统主控
芯片,采用MQ3气敏传感器进行酒精气体浓度的检测,利用ADC0809进行模数转换后并通过12864液晶显示器进行浓度显示。
同时,设计了键盘控制部分,用于针对不同人士输入不同阈值,当浓度超过阈值时,给出声光报警信号。
软件设计部分采用模块化思想,运用汇编语言进行编程,该检测器的特点在于简洁的硬件结构、高效的软件设计和较高的性价比。
关键字:
便携式;酒精浓度;单片机
个人资料整理仅限学习使用
ABSTRACT
Inthispaper,amicrocontroller-basedportablemonitoralcoholconcentrationofthedesignprocess.Theproductcanbesoundandlightalarmsignalstopromptthedriverwhethertheexcessivedrinking,notsuitablefordriving,aimedatreducingtrafficaccidents,withacertaindegreeofmarketprospectsandpracticalvalue.AT89C51single-chipdesignselectedasthesystemcontrolchip,theuseofalcoholMQ3gassensorsforthedetectionofgasconcentrationsusingADC0809analog-to-digitalconversiontoandthroughtheconcentrationof12864toshowtheliquidcrystaldisplay.Atthesametime,partofthedesignofthekeyboardtocontrolfordifferentpeoplefordifferentinputthreshold,whentheconcentrationexceedsthethresholdvalue,toasilentalarmsignallight.Partofmodularsoftwaredesignthought,theuseofassemblyIanguageprogramming,thecharacteristicsofthedetectorhardwarestructureissimpleandefficientsoftwaredesignandhighercostperformanee.
Keywords:
Portable。
alcoholconcentratior。
single-chip
个人资料整理仅限学习使用
、八
前言
资料显示,我国近几年发生的重大交通事故中,有将近三分之一是由酒后驾车引的因此,对驾驶员饮酒程度的检测正越来越受到重视,酒精浓度检测器逐渐得到了广泛的应用。
酒精浓度检测器不仅可以作为交警快速准确地判断驾驶员是否酒后驾车的取证工具,同时也可以用于驾驶员自测是否饮酒过量。
此外,也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度的场合。
由此可见,酒精浓度检测器具有巨大的潜在用户群,市场前景十分广阔。
人民的生活水平迅速提高,越来越多的人有了自己的私家车,而酒后驾车造成的交通事故也频频发生:
酒后驾车引起的交通事故是由于司机的过量饮酒造成人体内酒精浓度过高,麻痹神经,造成大脑反应迟缓,肢体不受控制等症状。
少量饮酒并不会有上述症状,即人体内酒精浓度比较低时,而人体内酒精超过某一个值时就会引起危险。
为此,需要设计一智能仪器能够监测驾驶员体内酒精含量。
目前全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测,以确定被测量者体内酒精含量的多少,以确保驾驶员的生命财产安全。
此外,空气酒精浓度监测仪还能监测某一特定环境的酒精浓度如酒精生产车间可避免发生起火、爆炸及工业场地酒精中毒等恶性事故,确保环境安全。
本课题研究的是一种以气敏传感器和单片机为主,监测空气酒精浓度,并具有声光报警功能及LCD显示功能的空气酒精浓度监测仪。
其可监测出空气环境中酒精浓度值,并根据不同的环境设定不同的阈值,对超过的阈值进行声光报警,来提示危害。
本课题采用MQ3气敏传感器,AT89C51单片机实现空气酒精浓度实时测量,通过LCD显示屏进行显示。
可以通过键盘设定阈值,超过阈值具有声光报警提示。
论文的总体思路如下:
第1章为系统总体方案的设计与论证,主要是对系统的可行性进行分析及元器件的选择以便设计出最佳方案。
第2章是则包含各个模
块进行了电路测试到最后设计出总体电路图的整个设计过程。
其中对电源电路的设计比较简单,而对LCD液晶显示模块及键控模块做了比较详细的设计介绍。
第3
章主要针对系统的软件设计及格子模块的软件分析并设计制作了各个模块的的流程图。
第4章为系统的调试分析部分,经过系统的调试分析用以确定整个系统是否可投入生产。
综上经过各章节的有序衔接从而本设计得以实现。
第1章方案设计与论证
1.1总体方案设计
本课题研究的是一种以气敏传感器和单片机为主,监测空气酒精浓度,并具有声光报警功能及LCD显示功能的空气酒精浓度监测仪。
其可监测出空气环境中酒精浓度值,并需要根据不同环境不同驾驶员的水平设置不同的阈值,对超过的阈值进行声光报警,来提示危害。
所以需要增设键盘控制模块实现人机交互功能,超过阈值进入声光报警功能。
1.1.1传感器的选择
可以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型,分别是:
燃料电池型<
电化学)、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型⑴。
由于价格和使用是否方便等因素所决定,目前普遍使用的只有燃料电池型<电化
学型)和半导体型二种。
这二种能够制造成便携型呼气酒精测试器,适合于现场使用。
燃料电池型呼气酒精测试仪采用燃料电池酒精传感器作为气敏元件,它属于电化学类型,因此又称为电化学型。
燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源,它可以直接把可燃气体转变成电能,而不产生污染。
作为酒精传感器只是燃料电池的一个分支。
燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极,在燃烧室内充满了特种催化剂,它能使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能,也就是在二个电极上产生电压,电能消耗在外接负载上。
此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比,这就是燃料电池型呼气酒精测试仪的基本工作原理
半导体型采用氧化锡<等其他半导体氧化物)半导体作为传感器,这类半导体器件具有气敏特性,当接触的气体中其敏感的气体浓度增加,它对外呈现的电阻值就降低,半导体型呼气酒精测试仪就是利用这个原理做成的⑵。
这种半导体在不同工
作温度时,对不同的气体敏感程度是不同的,因此半导体型呼气酒精测试仪中都采用加热元件,把传感器加热到一定的温度,在该温度下,该传感器对酒精具有最高的敏感度。
本设计中经过比较后采用MQ3型气敏传感器是由微型A12O3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不锈钢的腔体内,而加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。
1.1.2单片机的选择
纵观现有的酒精检测器,系统实现方案上大部分以传统的单片机(如MICROCHIP公司的PIC系列〉为基础,并借助相应的外围电路,将检测结果通过LED、LCD等显示方式告知使用者。
考虑到技术先进性和人性化设计的需要,如果能在上述方案中加入语音提示、语音播报检测结果等新功能,将是非常有益的。
从技术的角度看,在现有方案中加入专用的语音处理芯片(如AC48105〉,从而实
现语音功能,并不是非常复杂,但是这样会使原有的系统结构上变得不够精简,且导致性价比下降。
如果选用的单片机本就方便地处理语音信号,那么实现语音功能就将变得相对简单。
但考虑到经济以及自己所学的AT89C51是一款八位单片机,
它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。
它是第三代单片机的代表。
第三代单片机包括了INTEL公司发展MCS-51系列的新一代产品,如8xC152、AT89C51FA/FB、AT89C51GA/GB、8xC451、8xC452,还包括了PHILIPS、SIEMENS、ADM、FUJUTSU、OKI、HARRIA-METRA、ATMEL等公司以AT89C51为核心推出的大量各具特色、与AT89C51兼容的单片机。
新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展,以实现MICROCOMPUTER完善的控制功能为己任,将一些外部接口功能单元如A/D、PWM、PCA(可编程计数器阵列>、WDT(监视定时器〉、高速I/O口、计数器的捕获/比较逻辑等。
这一代单片机中,在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线,为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。
PHILIPS公
司还为这一代单片机AT89C51系列8xC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线----CAN(CONTROLLERAREANETWORKBUS[3]。
新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构,为系统的扩展与配置打下了良好的基础,本设计亦选择AT89C51进行汇编语言的编写。
1.1.3总体方案框图
硬件设计时,考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量,而且传感器输出的是0-5伏的电压值且电压值稳定,外部干扰小等。
因此,可以直接把传感器输出电压值经过ADC0809采集数据送人单片机进行处理。
此外,还需接入LCD显
示,8279键盘/显示器接口芯片,声光报警电路等。
其系统总体方案框图如图1所示
图1.1系统总体方案框图
第2章硬件电路设计
2.1主控模块设计
AT89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。
如果按功能划分,它由如下功能部件组成,即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。
它们都是通过片内单一总线连接而成,其基本结构依旧是CPU加上外
围芯片的传统结构模式。
但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容:
一是系统扩展,即单片机内部的功能单元,如ROM、RAM、I/O口、定时/记数器、中断系统等容量不能满足应用系统的要求时,必须在片外进行扩展,选择适当的芯片,设计相应的电路。
二是系统配置,既按照系统功能要求配置外围设备,如键盘显示器、打印机、A/D、D/A转换器等,要设计合适的接口电路。
2.1.1微处理器
该单片机中有一个8位的微处理器,与通用的微处理器基本相同,同样包括了运算器和控制器两大部分,只是增加了面向控制的处理功能,不仅可处理数据,还可以进行位变量的处理。
2.1.2数据存储器
AT89C51片内为128个字节,片外最多可外扩至64K字节,用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等,所以称为数据存储器。
2.1.3程序存储器
由于受集成度限制,片内只读存储器一般容量较小,如果片内的只读存储器的容量不够,则需用扩展片外的只读存储器,片外最多可外扩至64K字节。
2.1.4并行I/O口
AT89C51共有4个并行8位I/O口 并行I/O口主要是用于实现与外部设备中数据的并行输入/输出,有些I/O口还具有其他功能。 2.1.5特殊功能寄存器 AT89C51共有21个,用于对片内的各功能的部件进行管理、控制、监视。 实际上是一些控制寄存器和状态寄存器,是一个具有特殊功能的RAM区。 由上可见,AT89C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全,功能强等特点。 特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器,它实际上是一个完整的1位微计算机,这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。 1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效;而8位机在数据采集,运算处理方面有明显的长处。 MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起,二者相辅相承,它是单片机技术上的突破,也是MCS-51单片机在设计的精美 之处⑻。 2.1.6时钟电路 AT89C51虽然有内部振荡电路,但要形成时钟,必须外部附加电路。 AT89C51单片机的时钟产生方法有两种。 内部时钟方式和外部时钟方式。 本设计采用内部时钟方式,禾U用芯片内部的振荡电路,在XTAL1、XTAL2引 脚上外接定时元件,内部的振荡电路便产生自激振荡。 本设计采用最常用的内部时钟方式,即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。 振荡晶体可在1.2MHZ到 12MHZ之间选择。 电容值无严格要求,但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响,C1>C2可在20PF到100PF之间取值,但在 60PF到70PF时振荡器有较高的频率稳定性。 所以本设计中,振荡晶体选择12MHZ,电容选择65PF。 在设计印刷电路板时,晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装,以减少寄生电容,更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。 为了提高温度稳定性,应采用NPO 电容。 2.1.7复位电路 AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。 复位引脚RST通过一个斯 密特触发器用来抑制噪声,在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由 复位电路采样一次,然后才能得到内部复位操作所需要的信号⑷。 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。 最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。 只要VCC的上升时间不超过1MS,就可以实现自动上电复位。 时钟频率用6MHZ时C取22卩F,R取10KQ。 除了上电复位外,有时还需要按键手动复位。 本设计就是用的按键手动复位。 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。 其中电平复位是通过RST端经电阻与 电源VCC接通而实现的。 按键手动复位电路见图3.2。 时钟频率选用6MHZ时,C取22卩F,R1取200Q,R2取10KQ。 2.1.8最小应用系统设计 AT89C51是片内有ROM/EPROM的单片机,因此,这种芯片构成的最小系统简单、可靠。 用AT89C51单片机构成最小应用系统时,只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可,如图2-1.AT89C51单片机最小系统所示。 由于集成度的限制,最小应用系统只能用作一些小型的控制单元⑷。 其应用特点: <1)有可供用户使用的大量I/O口线。 <2)内部存储器容量有限 <3)应用系统开发具有特殊性。 AT89C51 图2.1AT89C51单片机最小系统 2.2电源电路的设计 7805集成稳压器典型应用电路图如图所示: 电容C1用于抵消输入线较长时的电感效应,防止电路产生自激振荡,容量取值一般小于1卩F;电容CO用于消除输出电压中的高频噪声,其容值可大于或小于1卩F。 但若CO容值较大,一旦7805输入端断开,C0将从7805的输出端向其放电,极易导致7805的损坏,为此在集成稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管,可起到正向导通,箔位电压的保护作用其中输入电源可以用6-12V直流电源,满足便携的要求 图2.25V电源电路图 2.3传感器的筛选 2.3.1气敏传感器的分类和性能 气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来,并将其转化为电信号的器件。 通常根据气敏特性来分类,主要分为: 半导体气敏传感器、固体电解质气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器、电化学式气敏传感器、光学式气敏传感器、高分子气敏传感器、导热式传感器等,下面是几种目前技术成熟、应用广泛的气敏传感器[5] 。 (1>半导体气敏传感器 半导体气敏传感器应用最为广泛,它主要是以氧化物半导体作为基本材料,使气体吸附在该半导体表面,利用由此而产生的电导率变化现象而制作的器件。 然而,半导体电导率变化的机理,即气敏机理是非常复杂的,事实上在某些方面尚无定论,一般认为下列六个因素会对其产生影响。 1气敏材料不是单晶体。 2为了改善元件的选择性和灵敏度,一般往金属氧化物中添加催化剂,为提高元件强度还需要添加粘合剂。 3利用的是物质的表面。 4元件在较高的温度下<一般100-400C)。 5被测气体种类繁多,它们各有不同的特性。 6吸附过程本身比较复杂,既有物理型吸附,又有化学型吸附等。 人们通过长期的基础研究,将这些非常复杂的因素影响的气敏现象,归纳成四种模式,即整体原子价控制理论、能级生成理论、表面电荷层理论、接触粒界位垒理论,分别从不同角度来解释不同类型半导体传感器的工作原理。 最常见的SNO2、ZNO半导体传感器的气敏机理就是用能级生成理论来解释的。 该元件由涂一层半导体的圆筒状陶瓷骨构成,半导体有P型、N型之分,这取 决于加入的金属成分。 由于还原性气体时候容易给出电子,使得N型半导体中电子 数目增大,载流子增加,电阻降低;当它遇到氧化性气体<如02)时,由于氧化性 气体容易夺取电子,使得N型半导体中电子数目减少,载流子减少,电阻增大 ⑺。 P型半导体传感器中多数载流子是空穴,遇到还原性气体时,由于还原性气体容易给出电子,中和了部分空穴,载流子减少,电阻增大;当它遇到氧化性气体时,由于氧化性气体容易夺取电子,使得空穴数目增加,载流子增加,电阻减少。 (2>固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。 从70年代开 始,由于固体电解质气体传感器导电率高,灵敏度和选择性好,获得了迅速的发展,现在几乎在环保、节能、矿业、汽车工业等各个领域得到了广泛的应用,其产量和应用仅次于金属氧化物半导体气敏传感器。 该种传感器主要分为以下三类: 一类: 材料中吸附由待测气体派生的离子与电解质中的移动离子相同的传感器,例如氧传感器等;二类: 材料中吸附由待测气体派生的离子与电解质中的移动离子不相同的传感器,例如用于测量氧气的由固体电解质SRF2H和PT电极组成的气体传 感器;三类: 材料中吸附由待测气体派生的离子与电解质中的移动离子以及材料中的固定离子都不相同的传感器。 目前开发的高质量固体传感器绝大多数属于第三类。 (3>接触燃烧式气敏传感器 接触燃烧式气敏传感器的基本原理是在一根铂丝上涂上高阻的燃烧催化剂,另 一根铂丝上以惰性气体密封,组成阻值相等的一对元件,常称为黑元件、白元件,有时也用其它金属丝代替铂丝。 由这一对元件和外加的两个固定电阻组成桥式检测电路,在一定的桥流下,黑白元件保持在300—500C的高温状态,当可燃性气体 一旦与黑白元件接触,就会发生无烟燃烧反应,使铂丝上温度升高,电阻增大,原来平衡的电桥失去平衡,输出一个电信号,这一电信号与可燃性气体的浓度成线性关系,可以很容易地求出对应的气体浓度值,电路中白元件起环境温度补偿作用。 这种元件成本低廉,性能稳定,寿命长,便于推广使用,但是它要消耗一定的被检气体。 日本三菱株式会社生产的在线监测仪就是用这种传感器检测可燃气体的,北京电科院研制的变压器油中溶解氢气在线监测仪也用了这种传感器。 (4>电化学式气敏传感器 电化学式气敏传感器可以分为原电池式、定电位电解式、电量式、离子电极式四种类型。 原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的浓度,市场上销售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器,今年来,又开发恶劣检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。 定电位式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的浓度,和原电池式不同的是,它需要由外界施加特定的电压,它除了能检测CO、 NO、NO2、O2、SO2等气体以外,还能检测血液中氧浓度。 电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的浓度。 离子电极式气体传感器出现的较早,通过测量离子极化电流来检测气体的浓度。 电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高,选择性好。 (5>光学式气体传感器 光学式气体传感器主要是以红外线吸收式气体分析仪为主,由于不同气体的红外吸收峰不同,通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。 目前的最新动向是研制开发流体切换式、流程直接测定式和傅立叶变换式在线红外分析仪。 该传感器具有高抗振能力和抗污染能力,与计算机相结合,能连续测试分析气体,具有自动校正、自动运行的功能。 光学式气体传感器还包括化学发光式、光纤荧光式和光纤波导式传感器,其主要优点是灵敏度高,可靠性好。 (6>高分子气敏传感器 近年来,国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展。 高分子气敏材料由于具有易于操作性,工艺简单,常温选择性好,价格低廉,易于与微结构传感器和声表面波器件相结合,在毒性气体和食品保鲜度等方面检测具有重要作用。 (7>导热式传感器 导热式传感器的检测电路与接触燃烧式基本相同,将测量元件<铂或其它金属电 阻线圈)和补偿元件(以惰性气体密封>接在桥式检测电路中,基本工作原理是,将铂电阻通电流加热使之保持一定的温度,当待测气体流过传感器时,由于向待测气体传送热量会造成温度降低,不同种类,不同浓度气体的热导系统不同,引起的温度变化也不同;温度变化引起电阻值的变化,使原来平衡的电桥失去平衡,输出一个电信号,这一信号与被测气体的浓度有很好的线性关系。 热导系数是气体的固有物理特性,所以该传感器不会消耗被测气体,而且不容易被氧化物腐蚀而使气敏性能变差,具有良好的稳定性。 测量范围大,可以测高达100%的浓度。 这种传感器 的气敏条件是待测气体与环境气体<空气)的热导系数有很大的差别,一些和空气热导系数相近的气体vCO、N2、O2等)就无法测量。 常规色谱仪中所用的热导池监测器vTCD)的气敏原理与这种传感器类似。 2.3.2各种气敏传感器的性能比较 表2.1和表2.2列出了上述各种气敏传感器的性能比较,是选择传感器的重要依据。 表2.1各种气敏传感器可检测气体的种类 传感器种类 H2 CO CO2 CH4 C2H4,C2H2,C2H6 半导体 台匕冃匕 能 能 台匕冃匕 台匕冃匕 接触燃烧 台匕冃匕 不太好 不能 能 能 电化学 台匕冃匕 台匕冃匕 台匕冃匕 不能 不能 导热 台匕冃匕 台匕冃匕 台匕冃匕 能 能 表2.2各种气敏传感器性能比较 半导体 接触燃烧式 电化学式 导热式 灵敏度 非常好 好 非常好 差 测量精度 好 非常好 好 好 选择性 好 不太好 好 差 响应速度 非常好 好 不太好 好 长期稳定性 好 好 差
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