基于单片机的酒精浓度测试仪.docx
- 文档编号:30617746
- 上传时间:2023-08-18
- 格式:DOCX
- 页数:41
- 大小:462.59KB
基于单片机的酒精浓度测试仪.docx
《基于单片机的酒精浓度测试仪.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于单片机的酒精浓度测试仪.docx(41页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的酒精浓度测试仪
摘要
由于经济的快速发展,人们的生活水平越来越高,私家车也越来越多,酒后驾车行为所造成事故也就越来越普遍,对社会的安定和经济发展也造成了很大的影响,酒精正在成为越来越凶残的“马路杀手”。
为此,我国将酒驾列入了刑法范围内,那么就需要设计一个智能仪器能够检测驾驶员体内酒精含量。
本课题设计的是一种以酒精浓度传感器、单片机和A/D转换器为主的,检测驾驶员呼出气体的酒精浓度的,而且还带有声光报警功能的酒精浓度检测仪。
这种检测仪不仅可以检测出空气环境中酒精浓度值,还可以由不同的环境来设定不同的阈值,当空气中酒精浓度超过设定的阈值时进行声光报警。
我的这个毕业设计分主要为两部分:
硬件设计部分和软件设计部分。
硬件设计部分是利用MQ3气敏传感器先测量空气中的酒精浓度,然后转换为电压信号,再通过A/D转换器转换成数字信号后再传给单片机系统,最后由单片机系统和相应外围电路进行信号处理,并由LCD显示酒精浓度值并且对超过的阈值进行报警。
软件设计部分的程序采用的是模块化设计思想,各个子程序的功能相对独立,便于调试和修改。
电路可分为单片机小系统电路、A/D转换电路、声光报警电路、LCD显示电路,按键电路。
各部分电路的设计及原理图将会在硬件电路设计部分作出详细的介绍。
关键词酒精浓
度传感器(MQ3),A/D转换器,软件设计,硬件设计
ABSTRACT
Duetotherapiddevelopmentofeconomy,people'sstandardoflivingishigherandhigher,moreandmoreprivatecars,theaccidentcausedbydrunkendrivingbehaviorareincreasinglycommon,socialstabilityandeconomicdevelopmentalsocausedgreatinfluence,alcoholisbecomingincreasinglyviolent"roadkiller".Tothisend,Chinawilldrunkdrivingintothescopeofcriminallaw,youwillneedtodesignaintelligentinstrumentcandetectdriver'salcoholcontentinthebody.
ThistopicdesignisAkindoftoalcoholconcentrationsensorandsinglechipmicrocomputerA/Dconverter,Adriverexhaledgasalcoholconcentration,alcoholconcentrationmonitorwithsoundandlightalarmisandair.itcandetectthealcoholdensityintheairenvironment,alsocanaccordingtothedifferentenvironmentsetdifferentthreshold,thethresholdvalueofmorethanaudibleandvisualalarm.Thistopicisdividedintotwoparts:
hardwaredesignandsoftwaredesignpart.thehardwarepartisusingMQ3gassensorsmeasurethealcoholconcentrationintheair,andconvertedintovoltagesignal,afterA/DconverterconvertedintoAdigitalsignaltothe
SCMsystem,bysingle-chipmicrocomputeranditscorrespondingperipheralcircuitforsignalprocessing,displaythealcoholdensityandultraaudibleandvisiblealarmthreshold.programadoptsmodulardesignthought,functionofeachsubroutineisrelativelyindependent,easytodebugandmodify.Thehardwarecircuitcanbedividedintothesinglechipprocessorsystemcircuit,A/Dconversioncircuit,soundandlightalarmcircuit,LEDdisplaycircuit,keycircuit.Theprinciplediagramofthecircuitdesignofeachpartandwillbeinthehardwarecircuitdesignpartmakeadetailedintroduction.
KeywordsAlcoholconcentrationsensor(MQ3),A/Dconverter,Softwaredesign,Hardwaredesign
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论3
1.1课题的研究背景、发展历史及意义3
1.2本课题研究的主要内容4
2酒精浓度测试仪的硬件设计5
2.1总体设计框图5
2.289C51单片机5
2.2.189C51单片机功能简介5
2.2.289C51单片机片内结构介绍6
2.2.389C51芯片介绍7
2.2.4晶振电路和复位电路9
2.3MQ303A酒精传感器10
2.3.1MQ303A酒精传感器简介10
2.3.2MQ303A酒精传感器特点12
2.3.3MQ303A酒精传感器的工作条件及环境12
2.3.4MQ303A酒精传感器使用方法13
2.4A/D转换设计14
2.5LCD显示电路15
2.5.1液晶显示器的优点15
2.5.2LCD1602液晶显示16
2.6报警电路17
3酒精浓度测试仪的软件设计18
3.1编译语言的选择18
3.2主程序设计18
3.3子程序设计19
4PROTEUS仿真结果与分析20
4.1Proteus简介20
4.2仿真过程20
5结论23
参考文献24
附录125
致谢36
1绪论
1.1课题的研究背景、发展历史及意义
19世纪后期和20世纪初,当人口和汽车增多时,酒后驾车问题就引起了人们的重视。
第一批起草的反对酒后驾车的法律反映了早期的运输状况,当时使用的是马车、牛车以及蒸汽发动机作为运输工具,评判酒后驾车的依据是以主观评价为主。
近年来由于经济迅速的发展,人们的生活水平日夜提高,私家车也越来越多,各种应酬也是越来越多,所以酒后驾车就频频发生,受到酒精影响的司机通常会有以下这些特征:
对信号灯反应速度慢;逆向行驶;驾驶时摇摆不定、突然转向、或在道路中线驾驶;乱踩刹车;转弯幅度大;无缘无故的乱停车;开车速度极慢;突然转弯或不遵守交通规则的转弯;天黑时不开前灯等。
据统计,驾驶员在酒后开车,其发生交通事故的几率大约为没有饮酒情况下的16倍。
根据日常道路交通安全违法行为和交通肇事的案例来看,机动车驾驶员酒后驾车约占38.6%;而摩托车交通肇事中,酒后驾驶的比例则高达72.3%。
这给人们的生活和生命安全带来了巨大的伤害。
但是人体内的酒精浓度低于一个特定值时就会不出现上述症状,从而可以避免发生危险,所以研究一个酒精测试是非常有必要和意义的事。
现在世界上绝大数国家都在使用呼吸酒精测试仪对驾驶员进行现场检测来确定其体内酒精浓度的多少以确保其生命财产的安全,除此之外酒精浓度测试仪还可以测定某一特定环境下的酒精浓度,比如酒精生产车间,在车间内安装上检测仪可以避免因酒精浓度过高发生的危险。
最常见的测定BAC的方法是通过检测呼出气体的酒精浓度,然后将这个数据换算成BAC。
有人认为呼出气体酒精浓度并不能可靠地反映血液中酒精浓度水平。
因此某些国家如澳大利亚、法国等除了有BAC标准外,还明确立法规定了“呼出气体酒精浓度”(breathalcoholconcentration,BrAC)标准。
呼出气体酒精浓度测试的主要优点就是容易操作且能够马上知道BAC结果。
其他酒精浓度测试方法如体液测定,一般需要在临床机构进行,尿液检测酒精浓度和从呼出气体检测酒精浓度一样需要转化成BAC。
另外需要说明的是从操作执行的角度来看,尿样本和血样本检测都不如测定呼出气体酒精浓度实际可行,因为在送交样本的过程中,样本中的酒精浓度就可能发生改变。
近来出现的BAC测定方法是通过皮肤排汗测定酒精浓度,然后转换成BAC浓度,然而对这种方法的可靠性也有争议。
现在对气体中酒精浓度进行检测的设备有这几种基本类型,即:
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。
但由于价格和使用方便的原因,现在常用的一般是燃料电池型(电化学型)和半导体型两种。
酒精传感器只是燃料电池的一个部分,在全球范围内,燃料电池是正在被广泛研究的一种环保型能源,它可以直接把可燃性气体转变成电能,并且还不产生污染。
燃料电池酒精传感器的电极采用的是白金这种贵金属,燃烧室里充满了一些特别的催化剂,这样就可以使燃烧室里的酒精充分地燃烧并且转变成电能,也就是会在两个电极上产生电压,该电压与燃烧室里气体的酒精浓度成正比关系。
和半导体型电池相比,燃料电池型呼气酒精测试仪具有精度高,稳定性好,抗干扰性强的优点。
但是也正是因为燃料型电池酒精传感器要求结构非常精密,制造难度相当大,加上材料成本高,因此价格相当昂贵。
尽管现在燃料电池的市场需求有限,但发展前景值得看好。
预计在2013-2017年间,由于科技技术的进步与经济效益的增加,燃料型电池的生产成本与使用成本将会下降,竞争力会提高,燃料电池的潜在市场将会逐步发展起来。
现在对于便携式燃料型电池的需求虽然还比较少,但是我相信便携式燃料型电池市场必然会是未来增长最快的市场。
1.2本课题研究的主要内容
本课题研究的是一种以MQ3酒精浓度传感器和AT89C51单片机为主的用来监测空气中的酒精浓度,并具有报警功能的酒精浓度测试仪。
这种酒精浓度测试仪可以检测出空气环境中的酒精浓度值,并且根据不同的环境来设定不同的阈值,然后在检测到的酒精浓度超过设定的阈值时进行声光报警,来提示危害。
而且我们还可以尝试将这种酒精浓度检测仪安装在汽车的驾驶位上,对于安装有该系统的车辆,在驾驶员刚进入车内时,汽车的启动系统处于锁死状态,汽车根本无法启动,驾驶员必须等待酒精传感器检测完成后发出的控制信号。
当检测到的酒精浓度没有超过设定值时,继电器常闭触点不动作,正常指示灯亮起,驾驶员可以启动汽车正常行驶;反之指示灯如果不亮,点火电路将会断开,蜂鸣器就会报警,并会显示出当前的浓度值。
该课题的设计内容主要包括:
A/D转换器程序、控制程序、超标报警、键盘检测、数据显示。
该系统采用51单片机为控制的核心,实现便携式酒精浓度检测仪的基本控制功能。
系统主要功能内容包括:
数据处理、时间设置、开始测量、超标报警、键盘检测等。
2酒精浓度测试仪的硬件设计
2.1总体设计框图
在硬件设计的时候,考虑到传感器可以把酒精浓度这种非电量转换为电量,可以输出0-5V的电压值并且电压值比较稳定,外部干扰较小等特点。
所以,可以直接把传感器输出的电压值经过ADC0832采集数据送入单片机内进行处理。
酒精浓度检测仪的硬件电路设计主要包括:
传感器测量电路、89C51单片机系统、A/D转换电路、LCD显示电路、键盘电路、声光报警电路。
酒精浓度检测仪的硬件设计电路框图如图2-1。
图2-1硬件方案总体框图
2.289C51单片机
2.2.189C51单片机功能简介
单片机是一种集成电路芯片,也被叫做微型计算机,它采用超大规模技术把具有数据处理能力(如逻辑运算、算术运算、中断处理、数据传送)的微处理器(CPU),只读程序存储器(ROM),随机存取数据存储器(RAM),输入输出电路(I/O口),可能还包括串行通信口(SCI),定时计数器,脉宽调制电路(PWM),显示驱动电路(LED或LCD驱动电路),A/D转换器和模拟多路转换器等电路集成到一个芯片上,构成一个虽小然却很完善的计算机系统。
这些电路能够在软件的控制下迅速、准确、高效地完成任务。
在本次设计中我们选择单片机AT89C51为控制核心,主要基于考虑AT89C51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。
AT89C51有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含3个16位可编程定时计数器,2个外中断口,2个读写口线,2个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路,89C5X可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
同时89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并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。
断电方式保存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。
2.2.289C51单片机片内结构介绍
89C51单片机的片内结构如图2-2所示。
它把那些控制应用必需的基本内容都集成在一个有限大小的集成电路芯片上。
按它的功能划分,它由以下部件组成:
(1)微处理器(CPU);
(2)程序存储器(ROM/EPROM)
(3)数据存储器(RAM);
(4)4个8位并行I/O口(P0口、P1口、P2口、P3口);
(5)一个串行口;
(6)2个16位定时器、计数器;
(7)中断系统;
(8)特殊功能寄存器(SFR)。
图2-251单片机片内结构
上述功能部件都是由单片机内的一条总线连接而成的,它的基本结构仍然是CPU再加上外围芯片这种传统的结构模式。
但是CPU对各功能部件的控制采用却是特殊功能寄存器的集中控制方式。
从硬件角度来看,与MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列机,比在那种片外加EPROM的8031单片机的抗干扰性能要强,和87C51单片机的技能相当,但是功耗却比她小。
修改程序时直接就可以用+5V或+12V电源擦除,这样就更加方便、并且它的工作电压放宽到2.7V-6V,所以受电压波动的影响更小,并且4K的程序存储器已经能够完全满足单片机系统的软件要求,故此次设计中选择AT89C51单片机是比较理想的。
2.2.389C51芯片介绍
要想熟练掌握MCS-51单片机,首先应该了解MCS-51的引脚,并且熟悉并牢记各引脚的功能,MCS-51系列中各种型号芯片的引脚是互相兼容的。
制作工艺为HMOS的MCS-51的单片机都采用40只引脚的双列直插封装方式,如图2-3所示:
图2-3AT89C51芯片管脚图
40只引脚按其功能来分,可分为如下3类:
⑴电源及时钟引脚:
VCC、VSS、XTAL1、XTAL2。
①电源引脚接入单片机的工作电源,VCC接+5V电源,VSS接地。
②时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了1个晶体振荡器,单片机内的始终控制信号就是由它提供的,晶体振荡器也可以外接到这2个时钟引脚上。
XTAL1接外部的一个引脚,该引脚的内部是一个反相放大器的输入端,这个反相放大器构成的就是片内振荡器。
在采用外接晶体振荡器的时候,这个引脚就要接地。
XTAL2接的是外部晶体的另一个端口,在这个引脚的内部接到内部反相放大器的输出端。
如果采用的是外部时钟振荡器,该引脚接受的是时钟振荡器的信号,也就是把该信号接到内部时钟发生器的输入端。
⑵控制引脚:
、ALE、
、RESET(RST)。
这类引脚提供的是控制信号,有的还有复用的功能。
①RST/VPD引脚:
RESET(RST)是复位信号的输入端,在高电平时有效。
单片机正在运行时,在该引脚上加持续时间大于两个机器周期(24个振荡周期)的高电平时,就能完成复位操作。
在单片机工作时,此引脚应为≤0.5V低电平。
VPD为本引脚的第二功能,即备用电源的输入。
当主电源发生故障,降低到某一规定值的低电平时,将+5V电源自动接入RST端,为内部RAM提供备用电源,以保证片内RAM的信息不丢失,从而使单片机在复位后能正常进行。
②ALE/
引脚:
地址锁存有效输出端。
在访问片外程序存储器期间,每机器周期该信号出现两次,其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址。
ALE的引脚输出的是地址锁存允许信号,当单片机通电并正常工作时,ALE的引脚就不断地输出一种正脉冲信号。
如果单片机访问的是外部存储器,ALE输出信号的负跳沿就用于单片机发出的低8位地址并经外部锁存器锁存的控制信号。
就算不访问外部的锁存器,ALE端仍然会输出正脉冲信号,这种频率是时钟振荡器频率的1/6。
为该引脚的第二种功能。
在对片内EPROM型单片机编程写入时,此引脚作为编程脉冲输入端。
③
引脚:
程序存储器允许输出控制端。
单片机在访问外部程序存储器时,此引脚输出的脉冲负跳沿就作为读外部程序存储器的选通信号。
此引脚接外部程序存储器的OE(输出允许端)。
④
/VDD引脚:
功能为片内程序存储器的选择控制端。
在
引脚是高电平的时候,单片机就访问片内程序存储器,如果PC值超过0FFFH,即超出片内程序存储器的4KB地址范围时将自动地转向执行外部程序存储器内的程序。
当
引脚为低时,单片机只访问外部程序存储器,不论是否有内部程序存储器。
⑶I/O口引脚:
P0、P1、P2、P3,为四个8位I/O口的外部引脚。
P0口、P1口、P2口、P3口是3个8位准双向的I/O口,各口线在片内均有固定的上拉电阻。
当这3个准双向I/O口作输入口使用时,要向该口先写1,另外准双向口I/O口无高阻的“浮空”状态。
由于单片机具有体积小、质量轻、价格便宜、耗电少等突出特点,所以本系统采用89C51单片机。
89C51内部有4KB的EPROM,128字节的RAM,所以一般都要根据所需存储容量的大小来扩展ROM和RAM。
本电路
接高电平,没有扩展片外ROM和RAM。
2.2.4晶振电路和复位电路
电路图如下:
图2-4晶振与复位电路
2.3MQ303A酒精传感器
2.3.1MQ303A酒精传感器简介
气敏传感器是气体检测系统的核心,从本质上来讲气敏传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应的电信号的转换器,一般是安装在探测头内。
探测头通过气敏传感器对气体样品进行调理,通常包括干燥或者制冷处理、过滤杂质以及干扰气体、样品的抽吸,甚至是化学处理样品,以便传感器更快速地进行测量。
在选择传感器的时候,一定要考虑到稳定性、灵敏度、选择性和抗腐蚀性,本系统选择的是MQ3型酒精浓度传感器。
MQ3酒精浓度传感器是气敏传感器,其相对于其它传感器来说具有灵敏度高、使用寿命长、稳定性好这些优点。
MQ3气敏传感器是一种固定在塑料或不锈钢腔体内的由SnO2敏感层、微型Al2O3陶瓷管、加热器和测量电极组成的一种敏感元件。
传感器的标准回路的组成有两部分:
第一部分是加热回路;第二部分是信号的输出回路,该回路可以准确地反映出传感器的表面电阻Rs的变化。
传感器的表面电阻值的变化,是通过和它串联的负载电阻Rl的有效电压信号VRL输出面获得的。
它们的关系可以表述为:
RS/RL=(VC-VRL)/VRL,其中VC是10V的回路电压。
负载电阻Rl的可调范围为0.5~200K,加热电压Uh是5V。
上面的这些参数可以使传感器的输出电压从0到5V。
MQ3型气敏传感器的外形和结构如图2-5所示,酒精浓度与输出电压的关系如图2-6所示,MQ-3酒精传感器模块如图2-7所示。
为了让测量精度能够达到最高,误差最小,就需要找到一个合适的温度,在测量前需要把传感器先预热20s。
也可在正常检测前给传感器施加5-10秒钟2.2±0.2V的高电压,使传感器尽快稳定并进入工作状态。
因为酒精传感器的信号输出阻抗较小,故而信号放大可以采用普通廉价运放LM324。
在软件仿真的时候,因条件有限,所以我用的是滑动变阻器两端的电压来代替酒精传感器输出的电压。
图2-5MQ3的结构和外形
图2-6酒精浓度与输出电压的关系
我的LCD显示的酒精浓度值就是根据这个函数关系式得到的,但是还有一种算法,但是经过我们的实验,这种算法没有上面的那种算法精确。
图2-7MQ-3酒精传感器模块
2.3.2MQ303A酒精传感器特点
MQ303A酒精传感器是一种省电模式的酒精传感器,下面我们简单介绍一下其特点。
1、高灵敏度2、快速的响应恢复3、长寿命4、低功耗5、小巧的外型。
2.3.3MQ303A酒精传感器的工作条件及环境
MQ303A酒精传感器的工作条件算不上非常苛刻,那么我们下面就介绍一下这种传感器工作的状态以及内部数据。
表1MQ303A运行温度
符号
参数
技术条件
备注
Tao
使用温度
-20oC—+50oC
推荐使用范围20ppm-1000ppm乙醇
Tas
储存温度
-20oC—+70oC
RH
相对湿度
≤95%RH
(O2)
氧气浓度
21%±1%(标准条件)
不得小于16%
氧气浓度会影响灵敏度
表2MQ303A内部电阻
符号
参数名称
技术条件
备注
Rs
元件电阻
(4kΩto400kΩ)
在洁净空气中
电阻比
(0.50±0.15)
Rs(300ppm酒精)/Rs(100ppm酒精)
标准测试条件:
温度:
20oC±2oCVC:
3.0V±0.1VDC
湿度:
65%±5%VH:
0.9V±0.1VDC
RL:
可调
预热时间:
大于48小时
表3MQ303A内部运行环境
符号
参数
技术条件
备注
VH
加热电压
0.9V±0.1V
ACorDC
VC
回路电压
≤6V
DC
IH
加热电流
120±20mA
RH
加热电阻
4.5Ω±0.5Ω
室温
RL
负载电阻
可调
PS<10mW
PH
加热功率
≤140mW
PS
元件功率
≤10mW
2.3.4MQ303A酒精传感器使用方法
一:
给模块输入5V的直流电压(注意正负极别接反,否则容易烧毁芯片)。
二:
如果选择DOUT,TTL高低电平端,输出信号可以直接接单片机IO口或者接一个NPN型三极管去驱动继电器,电位器RP在这里用于调节输出电平跳变的阀值,由下图原理图可以分析,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 单片机 酒精 浓度 测试仪