酒精测试仪的设计说明说.docx

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酒精测试仪的设计说明说

基于51单片机的酒精报警器设计

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私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频频发生。

如今国家法律出台道路交通安全法规定，饮酒后或者醉酒驾驶机动车发生重大交通事故，构成犯罪的，依法追究刑事责任，并由公安机关交通管理部门吊销机动车驾驶证，终生不得重新取得机动车驾驶证。

鉴于人们对于醉酒驾驶的逐渐重视，酒精测试课题便引起了广泛的关注。

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。

为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LCD显示功能的空气酒精浓度监测仪。

此需要设计一智能仪器能够监测驾驶员体内酒精含量。

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和呼气中酒精浓度值，并根据不同的环境设定不同的阀值，对超过的阀值进行声报警，并显示阀值．来提示危害。

从而达到以下目的：

有利于社会公共交通安全；提高人们法律意识；使之便捷、安全、准确、高效，便于提高家庭酒精测试的普及化。

本作品是基于51单片机控制ADC0809对酒精浓度取样来反映人体血液酒精浓度；以及对MQ-3型电化学酒精传感获取温度。

关键词：

ADC0809；MQ-3；51单片机

abstract

Inrecentyears,withthedevelopmentofourcountryeconomy,people'slivingstandardsimprove,moreandmorepeoplehavetheirownprivatecars,anddrunkdrivingcausetrafficaccidentalsooccurfrequently.Nownationallawonroadtrafficsafetyregulations,majortrafficaccidentafterdrinkingordrunkdrivingmotorvehicle,ifthecaseconstitutesacrime,shallbeinvestigatedforcriminalresponsibilityaccordingtolaw,andbythetrafficadministrativedepartmentofthepublicsecurityorganhismotorvehicledrivinglicenserevoked,andtoregainthemotorvehicledrivinglicenseshallnotbeforlife.

Inviewofthepeoplefordrunkdrivinghasgradually,alcoholtestingissuehascausedwideattention.Drunkdrivingcausetrafficaccidentiscausedbydriver'sexcessivedrinkingalcoholconcentrationistoohigh,inthehumanbodyparalysisnerve,causethebrainslowresponse,thesymptomsuchasuncontrolledbody.ForthistopicresearchisakindofgassensorandMCUisgivenpriorityto,monitoringairalcoholconcentration,alcoholandwhichhasthefunctionoftheLCDdisplayairconcentrationmonitor.Theneedtodesignanintelligentinstrumenttomonitordriver'salcoholcontentinthebody.ThistopicresearchisakindofgassensorandMCUisgivenpriorityto,monitoringairalcoholconcentration,andhasthefunctionofvoicealarmandLCDdisplayairalcoholconcentrationmonitor.Itcandetectandbreatheoutthealcoholdensityinairenvironment,andaccordingtothedifferentenvironmentsetdifferentthreshold,tosoundalarm,morethanthethresholdanddisplaysathreshold.Topromptthehazards.

Soastoachievethefollowingobjectives:

conducivetosocialandpublictrafficsafety;Improvepeople'slegalconsciousness;Makeitconvenientandsafe,accurate,efficient,easytoimprovefamilyalcoholtestisblossoming.

Thisworkisbasedon51singlechipmicrocomputercontrolADC0809samplingonthealcoholconcentrationtoreflectthehumanbodybloodalcoholconcentration;AswellastotheMQ-3electrochemicalsensorfortemperaturealcohol.

Keywords:

ADC0809;MQ-3;51singlechipmicrocomputer

第1章绪论

1.1酒精测试仪发展现状

喝酒后，呼出的气体会有酒味，表情行为会有反常。

远古时代人们利用鼻子作为传感器，进行简单的呼出气体酒精测量。

19世纪末出现了用体液对酒精进行定量分析。

1927年，有科学家建议使用呼出气体做酒精浓度分析。

用足球胆收集呼出气体后，通过硫酸和重铬酸钾的混合溶液，溶液的颜色会发生蓝一绿一黄的变化，同已知酒精浓度的标准试剂色，就得到相应的BAC。

现在，肺泡气中酒精的测量技术有了很大的进步，有先进微处理器的酒精测试仪已被商品化。

越来越多的国家开始禁止酒后驾车。

精确的呼出气体酒精测试和传统的法医血液酒精分析相比有许多优点，例如，进行无毒的采样，能进行现场处理，这样为交警节省了时间，使交通控制更高效，能避免运输和贮存有艾滋病病毒和肝炎病毒的血样。

由于最早使用BAC极限值来分辨酒后驾车，当呼出气体酒精浓度测量用于交通执法时，情况就变得错综复杂，要把所测量的呼出气体酒精浓度换算成血液酒精浓度。

一般认为，2100：

1呼出气体中所含的酒精和11血液中所含的酒精量相等。

对于把结果转化成BAC的呼出气体酒精测量仪，呼气／血液酒精转换系数是决定测试精度的重要因素。

在美国、加拿大、澳大利亚，定量分析呼出气体酒精测试仪已用了十多年，转化系数为2100：

1。

在美国许多州，0.10~2101BAC为饮酒驾驶处罚极限，2100：

1的BAC/BAC的转化系数直接体现在立法条例中，如果不这样，立法确定大于等于0.47m~1为犯罪极限，还得强调2100：

1的转化系数。

假设有这种可能，BAC是合法的，而BAC不合法，反之亦然。

立法中存在的这种进退两难的问题，至今没有很好地解决。

1.2研究内容

MQ-3对酒精浓度的变化，其阻值产生相应的变化，然后通过取样电阻分压的变化表现出来；人体血液酒精浓度的不同，其呼出的气体中酒精浓度也不同。

通过MQ-3对呼出气体中酒精浓度的反应以取样电压的形式送入到ADC0809，进行A/D转换后并将转换的数据送入单片机进行分析处理，并判断是否醉酒驾车，再通过液晶板显出来。

MQ-3其自身的温度传感器所产生的温度数字数据存入其自身的存储器，单片机对其控制读出温度数据，然后经过计算处理，将当前环境温度由液晶板输出。

第2章总体设计

2.1本课题设计任务及要求

2.1.1设计任务

设计并制作酒精测试仪，其组成如图2.1所示。

MQ-3对酒精浓度的变化，其阻值产生相应的变化，然后通过取样电阻分压的变化表现出来；人体血液酒精浓度的不同，其呼出的气体中酒精浓度也不同。

通过MQ-3对呼出气体中酒精浓度的反应以取样电压的形式送入到ADC0809，进行A/D转换后并将转换的数据送入单片机进行分析处理，并判断是否醉酒驾车，再通过液晶板显出来。

MQ-3其自身的温度传感器所产生的温度数字数据存入其自身的存储器，单片机对其控制读出温度数据，然后经过计算处理，将当前环境温度由液晶板输出。

图1基本工作原理图

2.2设计要求

（1）数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有LCD显示以及键盘响应电路，无需要其他计算机，用户就可以与之进行交互工作，完成数据的采集、存储、计算、分析等过程。

（2）系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。

（3）从便携式的角度出发，系统成功使用了液晶显示器以及小键盘。

由单片机系统控制键盘和LCD显示来实现人机交互操作，界面友好。

（4）软件设计简单易懂。

第3章系统硬件

3.1系统硬件设计原理图分析

3.2实物图

图3.2.1

图3.2.2

3.3液晶显示器介绍

在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。

液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。

在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：

发光管、LED数码管、液晶显示器。

发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍。

3.3.1晶液显示器作为输出器件优点

（1）显示质量高

由于液晶显示每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新亮点。

因此，液晶显示画质高且不会闪烁。

（2）数字式接口

液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

（3）体积小、重量轻

液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比显示面积的传统显示器要轻得多。

（4）功耗低

相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

3.3.2液晶显示简介

（1）液晶显示原理

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。

液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

（2）液晶显示器的分类

液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。

除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。

如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。

（3）线段的显示

点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。

例如屏的第一行的亮暗RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。

这就是LCD显示的基本原理。

（4）字符的显示

用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。

这样一来就组成某个字符。

但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。

（5）汉字的显示

汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列，送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。

（6）1602字符型LCD简介

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。

下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。

一般1602字符型液晶显示器实物如图3-2：

图3-2字符型液晶显示器实物图

（7）1602LCD的基本参数及引脚功能

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图10-54所示：

图3-2.21602LCD尺寸图

（8）1602LCD主要技术参数：

显示容量:

16×2个字符

芯片工作电压:

4.5—5.5V

工作电流:

2.0mA（5.0V）

模块最佳工作电压:

5.0V

字符尺寸:

2.95×4.35（W×H）mm

3.4单片片机的选择

3.4.1stc89c5单片机介绍

STC89C5是低功耗、高性能、采用CMOS工艺的8位单片机，其片内具有8KB的可在线编程的Flash存储器。

该单片机采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器技术，与工业标准型80C51单片机的指令系统和引脚完全兼容；片内的Flash存储器可在线重新编程，或者使用通用的非易失性存储器编程；通用的8位CPU与在线可编程Flash集成在一块芯片上，从而使STC89C5功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性能价格比，使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景。

STC89C5单片机都采用40引脚的双列直插封装方式。

下图为引脚排列图，40条引脚说明如下：

1．主电源引脚Vss和Vcc

（1）Vss接地

（2）Vcc正常操作时为+5伏电源

2．外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

（1）XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。

当采用外部振荡器时，此引脚接地。

（2）XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。

是外接晶体的另一端。

当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。

3．控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/和/Vpp

（1）RST/VPD当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在Vcc掉电期间，此引脚可接下图8051引脚排列图上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。

（2）ALE/正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的）周期性地发出正脉冲信号。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（功能）。

（3）外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，在每个机器周期内两次有效，同样可以驱动LSTTL输入。

（4）/Vpp、/Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。

当/Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当/Vpp为低电平时，则访问外部程序存储器。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。

4、输入/输出引脚P0.0-P0.7，P1.0-P1.7，P2.0-P2.7，P3.0-P3.7。

（1）P0口（P0.0-P0.7）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。

（2）P1口（P1.0-P1.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。

能驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。

（3）P2口（P2.0-P2.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。

P2口可以驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。

（4）P3口（P3.0-P3.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。

能驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。

3.4.2adc0809介绍

1主要特征

1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs（时钟为640KHz时），130μs（时钟为500KHz时）。

4）单个+5V电源供电。

5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～+85摄氏度。

7）低功耗，约15mW。

内部结构

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

2外部特性（引脚功能）

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。

下面说明各引脚功能：

∙IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

∙2-1～2-8：

8位数字量输出端。

∙ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

∙ALE：

地址锁存允许信号，输入端，高电平有效。

∙START：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

∙EOC：

A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

∙OE：

数据输出允许信号，输入端，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

∙CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHz。

∙REF（+）、REF（-）：

基准电压。

∙Vcc：

电源，单一+5V。

∙GND：

地。

3工作过程

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。

为此可采用下述三种方式。

（1）定时传送方式

对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。

可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

（2）查询方式

A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。

因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。

（3）中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

3.5酒精传感器模块

3.5.1传感器性能分析

MQ-3气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。

当传感器所处环境中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-3气体传感器对酒精的灵敏度高，可以抵抗汽油、烟雾、水蒸气的干扰。

这种传感器可检测多种浓度酒精气氛，是一款适合多种应用的低成本传感器。

表一MQ-3性能表

气体

酒精（乙醇）

探测范围

10～1000ppm酒精

特征气体

125ppm酒精

灵敏度

Rinair/Rintypicalgas≥5

敏感体电阻

1～20KΩinair空气中

响应时间

≤10s（70%Response）

恢复时间

≤30s（70%Response）

加热电阻

31Ω±3Ω

加热电流

≤180mA

加热电压

5.0V±0.2V

加热功率

≤900mW

测量电压

≤24V

工作条件

环境温度：

-20℃～+55℃

湿度：

≤95%RH

环境含氧量：

21%

贮存条件

温度:

-20℃～+70℃

湿度:

≤70%RH

续表1

3.3.2呼出酒精气体浓度与血液酒精浓度关系

表二血液与呼气酒精含量换算一览表

序号

呼出气体中酒精

浓度mg/L

呼出气体中酒精

浓度10¯6

血液中酒精

浓度mg/100mL

1

0.0227

11.85

5

2

0.0454

23.69

10

3

0.0681

35.53

15

4

0.0909

47.43

20

5

0.1136

59.28

25

6

0.1363

71.13

30

7

0.1591

83.02

35

8

0.1818

94.86

40

9

0.2045

106.71

45

10

0.2272

118.56

50

11

0.2500

130.45

55

12

0.2727

141.26

60

13

0.2954

154.15

65

14

0.3181

166.0