智能仪器论文酒精测量仪.docx

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智能仪器论文酒精测量仪

智能仪器综合设计报告

题目：

基于单片机的酒精浓度测量仪设计

班级：

研1109班

姓名：

李斌

时间：

2012.1

目录

1.绪论2

1.1选题意义：

2

1.2国内外现状：

2

2．设计方案3

2.1方案的制定3

2.2系统框图3

3．硬件设计4

3.1单片机STC89C524

3.2MQ-3酒精传感器5

3.2.1功能介绍5

3.2.2MQ-3传感器的检测电路6

3.3TLC549模数转换6

3.4LCD1602液晶作为人机接口7

3.5网络测量功能7

4软件设计7

4.1编译语言的选择7

4.2主程序模块8

4.3A/D转换模块8

4.4按键输入模块9

4.5液晶显示输出模块10

5.实验测试方法10

参考文献10

附录硬件电路原理图11

1.绪论

1.1选题意义：

近年来随着经济迅速发展，人们的生活水平日夜提高。

私家车也越来越多。

各种应酬也越来越多酒这东西贴近了我们的生活。

而酒后驾车也频频发生给人们的生活和生命安全带来了巨大的伤害。

酒后驾车是导致交通事故的一个主要因素，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起的。

酒后驾驶引起的交通事故是由于司机饮酒过多造成酒精浓度较高。

精神麻痹反应迟钝肢体不受大脑控制。

人体酒精浓度低于一个特定值时就不出现上述症状从而可以避免发生危险。

由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求的提高,为了防止机动车辆驾驶人员酒后驾车，现场实时对人体呼气中酒精含量的检测已日益受到重视，酒精浓度测试仪逐渐得到广泛应用。

此外，酒精测试仪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。

如今，气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展，因此，酒精浓度检测仪具有十分广阔的现实市场和重要意义。

1.2国内外现状：

酒精测试仪的精度关键的一部就是对乙醇的检测。

这就关系到传感器的研发。

目前气体传感器正在向着低功耗，多功能，集成化方向发展。

气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。

其现状是：

（1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90％以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品;

（2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料;

（3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试;

（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。

产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。

然而国外气体传感器发展很快，气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为（27～30）％。

目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：

一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。

如美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。

二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。

如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化。

2．设计方案

2.1方案的制定

本文是利用单片机为控制核心来设计一个酒精浓度测量仪，检测结果用LED或LCD显示器显示。

这里选的是STC89C52单片机，传感器选择的是MQ-3酒精浓度传感器，另外该仪器除了具有酒精浓度的测量功能外，还具有酒精浓度超限报警功能。

因此我所选用的方案是用MQ-3酒精传感器采集气体信号，并通过数模转换器将模拟信号转换成数字信号送至单片机，单片机对数字信号进行分析处理，并将所得的结果显示出来，可以通过键盘设置不同环境下酒精浓度的不同阀值，如果所检测出的酒精浓度超过了所设定的门限值，那么单片机就能控制发光二极管来实现灯光报警功能。

2.2系统框图

该方案的总体结构框图如图1所示：

图1方案总体结构框图

3．硬件设计

由于本次设计需要用到单片机来完成对酒精浓度的检测，另外经过查阅相关资料，得知酒精浓度传感器MQ-3来完成酒精浓度检测系统是非常精准的，所以选用的是MQ-3酒精传感器。

另外，本次设计中采用的是STC89C52单片机来控制整个电路，电路中采用的是LCD1602来显示实验实时数据。

A/D芯片的选择中，用到的是TI公司生产的TLC549，主要是这块芯片的性能优良，时序操作简单，能很好的解决本次设计中对实时数据转换的要求。

3.1单片机STC89C52

基于本系统设计内容的需要，综合考虑后，我们选择STC89C52单片机为控制核心。

主要基于考虑STC89C52是低功耗,超低价,高速，高可靠,强抗静电，强抗干扰,功能强大的单片机。

STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，片内振荡器及时钟电路。

同时STC89C52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。

掉电方式保存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。

STC单片机有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

STC89C52单片机引脚如图2：

图2STC89C52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：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

•XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端

3.2MQ-3酒精传感器

3.2.1功能介绍

本设计中的酒精气体传感器采用河南汉威电子有限公司的MQ-3型,它属于MQ系列气敏元件的一种。

如图3所示：

图3

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及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

MQ-3型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物的N型半导体微晶烧结层构成。

当其表面吸附有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。

3.2.2MQ-3传感器的检测电路

图4

如图4所示，当电源开关S断开时，传感器加热电流为零，实测A，B之间电阻>20M欧。

S接通，则f，f之间电流由开始时155mA降至153mA而稳定。

加热开始几秒钟后A，B之间电阻迅速下降至1M欧以下，然后又逐渐上升至20M欧以上后并保持着。

此时如果将内盛酒精棉花的小瓶瓶口靠近传感器，我们立即可以看到数字万用表显示值马上由原来大于20M欧降至1M欧以下。

移开小瓶过15-40s后，A，B之间电阻恢复至大于20M欧。

这种反应可以重复试验，但要注意使空气恢复到洁净状态。

3.3TLC549模数转换

TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，最大转换速率为40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V至6V。

它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。

TLC549有8引脚，为双列直插是封装，其相应引脚功能如下：

REF+：

正基准电压输入2.5V≤REF+≤Vcc+0.1。

REF－：

负基准电压输入端，-0.1V≤REF-≤2.5V。

且要求：

（REF+）－（REF-）≥1V。

VCC：

系统电源3V≤Vcc≤6V。

GND：

接地端。

：

芯片选择输入端，要求输入高电平VIN≥2V，输入低电平VIN≤0.8V。

DATAOUT：

转换结果数据串行输出端，与TTL电平兼容，输出时高位在前，低位在后。

ANALOGIN：

模拟信号输入端，0≤ANALOGIN≤Vcc，当ANALOGIN≥REF+电压时，转换结果为全“1”（0FFH），ANALOGIN≤REF-电压时，转换结果为全“0”（00H）。

I/OCLOCK：

外接输入/输出时钟输入端，同于同步芯片的输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。

3.4LCD1602液晶作为人机接口

LCD1602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行等的液晶显示模块，模块组件内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。

3.5网络测量功能

本测试仪中我采用串口进行仪器与计算机之间的数据通讯，由于是本地数据传输，距离较短，这里就选用了串行通讯RS232它的原理如下：

RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用亍串行通讯的标准。

RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，其中RS是RecommendedStandard的缩写，代表推荐标准，232是标识符，C代表RS-232的最新一次修改（1969年），它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）乊间串行二迕制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，迓对各种信号的电平加以规定。

DB25的串口一般只用到的管脚只有2（RXD）、3（TXD）、7（GND）返三个，随着设备的丌断改迕，现在DB25针很少看到了，代替它的是DB9的接口，DB9所用到的管脚比DB25有所变化，是2（RXD）、3（TXD）、5（GND）返三个。

因此现在也都把RS232

接口叫做DB9。

尽管它有传输距离有限，抗干扰差等缺点，但由于其设备简单，成本低廉，目前RS-232仍然是PC机不通信工业中应用最广泛的一种串行接口。

因此这里选用串口来实现数据的通讯，从而与计算机共享，达到网络测量的功能。

其原理图见附录。

4软件设计

4.1编译语言的选择

对于单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，C语言就是其中的一种。

汇编语言的可控性较高级语言来说更具优越性。

程序编写语言比较常见的有C语言、汇编语言。

汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。

C语言编写的程序比用汇编编写的程序更符合人们的思考习惯。

还有很多处理器都支持C编译器，这样意味着处理器也能很快上手。

且具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点，且编写的模块程序易于移植。

基于C语言和汇编语言的优缺点，本系统采用C语言编写方法。

4.2主程序模块

主程序实现的功能：

与硬件相结合实现酒精浓度检测系统的各个功能。

主要是检测与显示，门限调整与显示，检测数据显示功能子函数的调用。

见图7

图7主程序流程图

4.3A/D转换模块

模数转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量，是架起模拟系统跟数字系统之间连接的桥梁。

对于本系统而言，就是用于快速、高精度地对输入的酒精浓度信号进行采样编码，将其转换成单片机所能够处理的数字量。

模数转换电路是本系统的关键部分，其性能的好坏直接影响整个系统的质量。

本系统模数转换模块将经放大器放大的模拟电压信号转化为MCU能够处理的数字信号，并传送给MCU。

TLC549转换的流程图见下图8

图8数转换流程图

当

变为低电平后，TLC549芯片被选中，同时前次转换结果的最高有效位MSB（A7）自DATAOUT端输出，接着要求自I/OCLOCK端输入8个外部时钟信号，前7个I/OCLOCK信号的作用，是配合TLC549输出前次转换结果的A6-A0位，并为本次转换做准备：

在第4个I/OCLOCK信号由高至低的跳变之后，片内采样/保持电路对输入模拟量采样开始，第8个I/OCLOCK信号的下降沿使片内采样/保持电路进入保持状态并启动A/D开始转换。

转换时间为36个系统时钟周期，最大为17us。

直到A/D转换完成前的这段时间内，TLC549的控制逻辑要求：

或者

保持高电平，或者I/OCLOCK时钟端保持36个系统时钟周期的低电平。

由此可见，在自TLC549的I/OCLOCK端输入8个外部时钟信号期间需要完成以下工作：

读入前次A/D转换结果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次A/D转换开始。

4.4按键输入模块

按键时显现人机对话的一个控制按钮，通过按键的操作，对系统进行发送操作指令，后经与MCU串行通信，然后在液晶上显示。

通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。

因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖。

按键的消抖，可用硬件或软件两种方法。

这里采用的是软件消抖，即检测出按键闭合后执行一个延时程序，5ms～10ms的延时，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。

当检测到按键释放后，也要给5ms～10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。

其按键查询式的流程图见图10:

图7按键查询式的流程图

按键的四个键分别接P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,由于P1口具有上拉电阻，所以不再需要加上拉电阻进行电压的放大。

4.5液晶显示输出模块

LCD1602模块在本系统中主要起着开界面数字显示，以及各控制效果的显示。

采用直接访问方式。

液晶显示D0到D7口接P0.0到P0.7，单独使用一个口，为了避免数据的干扰，由于P0口没有上拉电阻，所以需要一个排阻进行电压的扩大.

5.实验测试方法

本次设计的基于单片机AT89C52的酒精浓度测量仪，通过MQ-3酒精传感器采集气体信号，并通过数模转换器将模拟信号转换成数字信号送至单片机，单片机对数字信号进行分析处理，并将所得的结果显示出来。

最后实现了实时检测酒精浓度，并的在LCD1602上显示的目的。

通过按键可以实现调整门限值，对于检测到的酒精浓度高于设定门限值时，也会显示实时酒精浓度值，并且系统会自动实现灯光报警功能。

可以拿一杯酒精放在测量仪旁边，就可以通过观察灯光的亮灭和LCD1602来检测酒精的浓度。

并且可以通过串口来实现测量仪显示数据的采集，从而与计算机共享，拥有网络测量的功能。

参考文献

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重庆大学出版社，2003．

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电子工业出版社，2000．

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北京航空航天大学出版社，2006．

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北京航空航天大学出版社，2006．

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北京航空航天大学出版社，2006．

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清华大学出版社，2003．

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哈尔滨工业大学出版社，2004．

附录硬件电路原理图