车载酒精测试控制器的设计.docx
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车载酒精测试控制器的设计
摘要
近年来,随着我国经济的发展,人民的生活水平提高,越来越多的人有了自己的车,而酒后驾车造成的交通事故也越来越多,国家也出台了一系列的法律法规,试图通过法律的手段遏制这一现象的进一步发展。
介于人们对于醉驾的逐渐重视,酒精测试课题便更加受人关注。
酒驾引起的交通事故是由于司机饮酒过量造成酒精麻痹神经,使大脑反应迟钝,肢体不受控制的症状。
所以本设计研究的是以气敏传感器和单片机为主,监控空气酒精浓度,并由LCD显示功能的空气酒精浓度测控电路。
它可以监控空气中和呼气中酒精浓度值,对超过设定值进行报警,并显示数值,来提示危险。
车载酒精测控电路的设计可以达到以下目的:
(1)有利于社会公共交通安全;
(2)有效的降低交通事故的发生率;(3)使酒精测控变得更加便捷、安全、准确、高效,便于家庭酒精测控器的普与化。
关键词:
STG89C52;ADC0804;酒精传感器MQ-3;继电器
Abstract
Thisyear,withChineseeconomicdevelopment,people'slivingstandardsimprove,moreandmorepeoplehavetheirowncars,trafficaccidentscausedbydrunkdrivingmoreandmore,countrieshavealsointroducedaseriesoflawsandregulations,inanattempttocurbthefurtherdevelopmentofthisphenomenonthroughlegalmeans.
Betweentheincreasingemphasisondrunkdriving,alcoholtestsubjectwillbemorepeople'sminds.Trafficaccidentscausedbydrunkdrivingisthedriverdrinkingexcessiveamountsofalcoholicparalysisofnerves,thebrainisunresponsive,physicallyoutofcontrolsymptoms.Therefore,thisresearchprojectisagassensorandmicrocontroller-based,monitoringairalcoholconcentration,theLCDdisplaythefunctionsoftheairalcoholconcentrationmeasurementandcontrolinstrument.Itmonitorstheairandbreathalcoholconcentrationexceedsasetvaluealarm,anddisplaysthevalue,topromptdangerous.
Caralcoholmonitoringandcontrolofthedesigncanachievethefollowingobjectives:
(1)infavorofsocialandpublictransportationsecurity;
(2)effectivelyreducetheincidenceoftrafficaccidents;(3)alcoholmonitoringandcontrolhasbecomemoreconvenient,safe,accurateandefficient,tofacilitatethepopularizationofhomealcoholmonitoringandcontrol.
Keyword:
Microcontroller;theADC0804;MQ-3AlcoholSensor;relay
1绪论
1.1设计背景
我国传感器市场的增长率超过15%,2010年销售额为186亿元人民币,2011年销售额为283亿元人民币,预计2012年为325亿元人民币,2012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。
因为气体与人类的日常生活密切关系,对气体的检测已经是保护和改善人民居住环境不可或缺的手段,气体传感器在里面发挥了非常重要的作用。
气体传感器是把气体中的所含成分检测出来,并转化成电信号的一系列器件,用来对有害气体,易燃易爆气体等进行安全监控,对生活中需要监控的气体进行检测,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,在技术层面,实际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系列问题。
一是元件的稳定性不好。
由于元件电阻和灵敏度随时间而不断变化,误差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,通常在空气中含有其它的干扰气体(如烟酒等),使气敏元件发生交叉响应,造成误差。
三是催化剂中毒。
掺有催化剂的气敏元件接触某些气体后,活性部分度化,这将改变元件的选择性,降低传感器的敏感度和稳定性。
另外催化剂本身还存在着不稳定性因素,灵敏度问题。
四是SnO2元件有时由于灵敏度过高而产生误差,但是在检测某些低浓度气体的时侯灵敏度却往往达不到要求。
1.2气敏传感器的研究现状
金属氧气敏元件性能与敏感功能材料的选择、结构与其制作工艺有密切的关系。
用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,体积小质量轻,坚固耐用等优点而被广泛的应用,目前市场上以SnO2材料为主。
SnO2是一种被广泛应用的气敏材料,围绕SnO2为主材料的气敏材料的设备与其气敏元件制备的研究课题也相当广泛。
纯SnO2的气敏特性不是很好,尤其是它的热稳定性不高。
为改善其气敏特性,常在SnO2基体中加入其他元素金属或其他金属氧化物。
尽管SnO2传感材料有许多优点,但作为材料也存在一些缺点。
通过控制气敏材料微粒体积的大小,掺杂其它添加剂或催化剂,利用过滤设备或透气膜来增加选择性,也可以通过控制工作温度和环境湿度,改进设备等方法也可以改善SnO2传感器的气敏特性。
纳米科技(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与可能在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良好的气敏材料,而且为传感器设备提供了许多新型制作方法。
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。
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-3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。
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。
1.3设计酒精浓度测试控制电路的意义
本设计基于STG89C52单片机设计的车载酒精测试控制电路,用来检测司机的酒精含量,并控制汽车发动的启动。
酒后驾车发生事故的概率高达27%。
随着摄入酒精量的增加,发生事故的几率也随之增加,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。
汽车司机“酒后驾车”以与“醉酒驾车”都极易引发交通事故,严重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。
人饮酒后,酒精被消化系统吸收后,通过血液循环,大概90%的酒精通过呼吸排除体外,因此测量车内的酒精含量,就可判断其醉酒程度。
开车司机只要进入车内,仪器就能根据空气中的酒精含量显示出酒精浓度的高低,从而判断该司机是否酒后驾车,然后通过控制发动机的启动来避免事故的发生。
这样就可以从根本上解决酒后驾车问题。
2硬件电路设计与实现
2.1系统硬件设计原理图分析
车载酒精测试控制电路主要由部分组成:
单片机模块、模数转换模块、酒精传感器模块LCD显示模块。
系统硬件设计如图所示,工作原理如下,系统由AT89C52控制,模数转换芯片ADC0804将酒精传感器采集到的模拟电压信号转换成8位二进制的数字量输送给单片机控制处理,单片机将得到的8位二进制的数字量转化成为0-255的十进制数,然后通过LCD显示模块可以将值显示出来,单片机根据得到的十进制数值的大小,判断酒精浓度,从而控制继电器得电还是失电,当继电器得电的时候,汽车发动机可以启动。
反之,汽车发动机不能启动。
系统方框图如图2-1所示:
图2-1系统方框图
2.2单片机模块
本次设计选用的是STG89C52。
单片机STC89C52具有低能耗,高性能等特点,采用CMOS工艺的8位单片机。
具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
具有8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线。
STC89C52单片机采用40引脚双排列直插封装方式。
引脚排列如图2-2所示,以与40条引脚说明。
图2-2单片机STG89C52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。
•
:
程序储存允许(
)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
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。
•
/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFH),端必须保持低电平(接地)。
•XTAL1:
振荡器反相放大器与内部时钟发生器的输入端。
•XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端
2.3模数转换器模块
数模转换电路的功能是把连续变化的模拟量转换为离散的数字量,使模拟系统跟数字系统相互连接转换。
对于本系统而言,就是用来快速、精确地对输入的酒精浓度信号进行采样编码,把这些编码转换成单片机能处理的数字量。
根据转换器不同的工作原理可以分为直接型A/D转换器和间接型A/D转换器。
本次设计采用的是ADC0804模数转换器。
ADC0804为一只具有20引脚8位CMOS连续近似的A/D转换器,其规格如下:
(1)高阻抗状态输出
(2)分辨率:
8位(0~255)
(3)存取时间:
135ms
(4)转换时间:
100ms
(5)总误差:
-1~+1LSB
(6)工作温度:
ADC0804C为0度~70度;ADC0804L为-40度~85度
(7)模拟输入电压范围:
0V~5V
(8)参考电压:
2.5V
(9)工作电压:
5V
(10)输出为三态结构
1.接脚说明见下图2-3:
2.PIN1(CS):
ChipSelect,与RD、WR接脚的输入电压高低一起判断读取或写入与否,当其为低位准(low)时会active。
3.PIN2(RD):
Read。
当CS、RD皆为低位准(low)时,ADC0804会将转换后的数字讯号经由DB7~DB0输出至其它处理单元。
4.PIN3(WR):
启动转换的控制讯号。
当CS、WR皆为低位准(low)时ADC0804做清除的动作,系统重置。
当WR由0→1且CS=0时,ADC0804会开始转换信号,此时INTR设定为高位准(high)。
5.PIN4、PIN19(CLKIN、CLKR):
频率输入/输出。
频率输入可连接处理单元的讯号频率范围为100kHz至800kHz。
而频率输出频率最大值无法大于640KHz,一般可选用外部或内部来提供频率。
6.PIN5(INTR):
中断请求。
转换期间为高位准(high),等到转换完毕时INTR会变为低位准(low)告知其它的处理单元已转换完成,可读取数字数据。
7.PIN6、PIN7(VIN(+)、VIN(-)):
差动模拟讯号的输入端。
输入电压VIN=VIN(+)-VIN(-),通常使用单端输入,而将VIN(-)接地。
8.PIN8(AGND):
模拟电压的接地端。
9.PIN9(VREF∕2)︰模拟参考电压输入端。
VREF为模拟输入电压VIN的上限值。
若PIN9空接,则VIN的上限值即为VCC。
10.PIN10(DGND)︰数字电压的接地端。
11.PIN11~PIN18(DB7~DB0)︰转换后之数字数据输出端。
12.PIN20(Vcc)︰驱动电压输入端。
图2-3ADC0804模数转换器引脚图
2.4酒精传感器模块
本系统选用的是MQ-3酒精传感器,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;功耗小于0.75W,尺寸:
D17*H10。
MQ-3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,MQ-3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。
MQ-3酒精传感器可用于机动车驾驶人员与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。
其外部结构如图2-4所示:
部件
材料
1
气体敏感层
二氧化锡
2
电极
金(Au)
3
测量电极引线
铂(Pt)
4
加热器
镍铬合金(Ni-Cr)
5
陶瓷管
三氧化二铝
6
防爆网
100目双层不锈钢(SUB316)
7
卡环
镀镍铜材(Ni-Cu)
8
基座
胶木
9
针状管脚
镀镍铜材(Ni-Cu)
图2-4MQ-3外部结构图
MQ-3气敏元件的结构和外形如图2-4-1所示(结构A或B),由微型AL2O3陶瓷管、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制成的腔体内,加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装好的气敏元件有6只针状管脚,其中4个用于信号取出,2个用于提供加热电流。
整体电路图如下图2-5所示:
图2-5MQ-3整体电路图
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。
当其表面接触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2-6所示。
图2-6MQ-3灵敏度曲线图
其中:
温度:
20℃、相对湿度:
65%、氧气浓度:
21%RL=200kΩ
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。
MQ-3型气敏元件的温湿度特性曲线如图2-7:
图2-7MQ-3温湿度特性曲线图
其中:
Ro:
20℃,33%RH条件下,200ppm的乙醇蒸汽中元件电阻。
Rs:
不同温度,湿度下,200ppm的乙醇蒸汽中元件电阻。
2.5液晶显示模块
液晶屏1602是一种专门用来显示数字,符号,字母等的点阵型液晶模块,液晶屏1602是由多个5X7或5X11等点阵字符组成,在液晶屏1602中每一个单独的点阵字符位都可以显示一个字符;位与位之间有一个点距的间隔行与行之间也是一样也有间隔,就是这些间隔让液晶屏在显示的时候呈现出字符间的间隔和行距之间间隔,使我们观看的时候更直观,清晰。
但是就是这种因素的存在,所以它是不能显示出图形的。
1602LCD是指在显示屏上我们可以看到16X2,也就是说可以显示两行,每行16个字符液晶模块。
液晶屏1602管脚的一些功能:
1602液晶显示屏采用标准的16脚借口,下面一一介绍每个管脚的功能。
第一脚:
VSS是接电源地。
第二脚:
VDD接5V电源正极。
第三脚:
V0为液晶显示器对比度调整端口,当V0接至电源正极时,对比度最弱;相反当V0接地时,对比度却是最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。
第四脚:
RS是寄存器选择,当是高电平1时选择的是数据寄存器,低电平0时选择的是指令寄存器。
第五脚:
RW是读写信号线,执行读操作的指令是高电平1时,执行低电平的操作指令是低电平0。
第六脚:
EN端是使能端。
第七~十四脚:
D0~D7是8位双向数据端。
第十五~十六脚:
空脚或背灯电源,15脚是背光正极,16脚背光负极。
1602液晶显示屏的特性:
n+5V电压,对比度可调。
n内含复位电路。
n提供各种控制命令,如:
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。
n有80字节显示数据存储器DDRAM。
n内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM。
n8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。
1602LCD液晶显示屏的特征:
微功耗,体积较小,内容显示比较丰富,超薄轻巧,常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。
液晶1602有三条控制线,RS/数据命令端,RW/读写选择端、EN/使能端,一个8位的数据端口。
常用指令说明如表2-1:
表2-1常用指令说明
指令名称
控制信号
控制代码
D/IR/W
D7D6D5D4D3D2D1D0
清屏
00
00000001
归home位
00
0000001*
输入方式设置
00
000001I/DS
显示状态设置
00
00001DCB
光标画面滚动
00
0001S/CR/L**
工作方式设置
00
001DLNF**
CGRAM地址设置
00
01A5A4A3A2A1A0
DDRAM地址设置
00
1A6A5A4A3A2A1A0
读BF和AC
01
BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0
写数据
10
数据
读数据
11
数据
2.6系统功能电路
2.6.1最小系统电路
图2-8最小系统电路图
图2-9晶振电路
晶振电路是单片机的动力来源,单片机的XATL1和XATL211.0592M的晶振。
图2-10复位电路
上图为复位电路,复位电路分为手动按键复位和上电复位。
上电复位是指当系统刚上电时电容两端电压不会改变,相当于是短路,因此RSET上的电平为高电平,这个过程时间比较短,但还是能够让单片机复位。
手动按键复位的原理是在系统工作时可以通过手动按键来使单片机复位。
2.6.2蜂鸣器报警原理与其电路
图2-11蜂鸣器报警电路
这次设计,我采用的是有源蜂鸣器,蜂鸣器的报警状态由继电器控制。
当车内酒精浓度超出系统预置值时,继电器得电,蜂鸣器随之得电,从而发出警报声音,以提示车内酒精浓度超标。
当车内酒精浓度没有超过标准是,继电器失电,蜂鸣器也随之失电,不工作。
系统可以通过蜂鸣器的报警状态来判断车内酒精是否超标,那控制它的继电器模块是怎样工作的呢,下面我将给大家带来继电器模块。
2.6.3继电器驱动原理
图2-12继电器驱动电路
本系统采用的是电磁式继电器,这个继电器由控制线圈、铁芯、衔铁、触点簧片等组成,控制线圈和接点组之间是相互绝缘的,因此,可以为控制电路起到良好的电气隔离作用。
当我们再继电器的线圈两头加上线圈的额定电压的时候,线圈中有电流流过,产生电磁效应,衔铁将在电磁力的作用下向铁芯靠拢,从而使衔铁的动触点和静触点吸合。
当线圈断电后,电磁效应消失,衔铁返回原来的位置。
这样就能达到电路接通与切断的开关目的。
三极管Q1的基极B接到单片机的P3.7,三极管的发射极E接到继电器线圈的一端,线圈的另一端接到+5V电源VCC上;继电器线圈两端并接一个二极管,用来吸收释放继电器线圈断电时产生的反向电动势,从而达到保护三极管T5与保证其他电路不受干扰的作用。
2.6.4液晶1602显示原理
图2-131602LCD电路
液晶1602显示器共有16个引脚,其中每个引脚的功能意义都不相同。
其中4号5号6号是控制引线7号到14号引脚是信号线。
还有就是3号引脚是背光电源指示端,它这个所接的电阻阻值不一样,背光就会有不一样的结果,在此次我选用的背光电阻是10k的电阻
2.6.5电源电路原理
图2-14电源电路图
电源电路是由变压器,单相桥式整流电路,三端稳压器7805,滤波电路组成。
此次的设计需要的是一个5V的直流电源,但一般正常的日常电压是220V,不能直接接在电路上,所以在这里我们就需要一个变压器把电压降下来。
日常220V电压是交流电压,但我的设计需要的是直流,所以在此加上一个单相桥式整流电路,将交流电压转换成设计所需的直流电压,它是由四个二极管组成,桥式整流电路是利用二极管的单向导电性,利用四个二极管,使他们交替的导通,在负载上得到的始终是一个单向的脉动电压。
电解电容单位体积电容比较大,能比其他的大到几百倍,价格也比较合理,而且电解电容是有极性的,能够防止电压反相,电容的充放电也起到了滤波的作用,最后引出两个接口作为电源的正极和负极。
2.6.6ADC0804模数转换电路
图2-15ADC0804电路
ADC0804是逐次比较性的模数转换芯片,它的一些主要特性如下:
1.工作电压:
Vcc=+5V。
2.分辨率:
8位。
3.转换时间:
100us。
4.模拟输入电压范围:
0到+5v。
5.参考电压:
2.5V。
6.转换误差:
+-11SB。
引脚功能说明:
6号脚Vin(+)和7号脚Vin(-)是ADC0804模数转换器的两模拟信号输入端。
DB0~DB7是模数转换器的
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