酒精浓度检测仪设计中北大学

测控电路课程设计 专业：测控电路与仪器 班级：12050342 姓名：李天照 学号：1205034219 目目录录 一、前言一、前言4 二、酒精测试仪总体方案设计二、酒精测试仪总体方案设计.4 2.1酒精浓度检测仪设计要求分析 .4 2.2 酒精浓度检测仪设计方案 4 三、硬件设计三、硬件设计 .5 3.1 传感器的选择 . 5 3.2 A/D 转换电路.6 3.3 89C51 单片机系统.9 3.4 LED 显示电路12 3.5 报警电路 .13 四、软件设计四、软件设计 14 4.1 主程序框图 .14 4.2 数据采集子程序程序框图 .15 4.3 报警子程序程序框图 .15 五、课程设计系的心得体会五、课程设计系的心得体会 17 六、参考文献六、参考文献 17 附图附图 整体电路图整体电路图.18 酒精浓度检测仪的设计 2 一、前言 近年来，我国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 繁发生。为此，我国将酒驾列入刑法范围内，所以需要设计一智能仪器能够检测驾驶员 体内酒精含量。本课程设计研究的是一种以气敏传感器和单片机A/D 转换器为主，检测 驾驶员呼出气体的酒精浓度，并具有声光报警功能的空气酒精浓度监测仪。其可检测出 空气环境中酒精浓度值，并可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。 本课题分为两部分：硬件设计部分和软件设计部分。硬件部分为利用MQ3 气敏传感 器测量空气中酒精浓度，并转换为电压信号，经A/D 转换器转换成数字信号后传给单片 机系统，由单片机及其相应外围电路进行信号的处理，显示酒精浓度值以及超阈值声光 报警。程序采用模块化设计思想，各个子程序的功能相对独立，便于调试和修改。而硬 件电路又大体可分为单片机小系统电路、 A/D 转换电路、 声光报警电路、 LED 显示电路， ， 各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍。 二、酒精测试仪总体方案设计 2.1 酒精浓度检测仪设计要求分析 设计的酒精浓度测试仪应具有如下特点： （1）数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有LED显示电路，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，系统成功使用了数码管显示器。由单片机系统控制LED 显示来实现人机交互操作，界面友好。 （4）软件设计简单易懂。 2.2 酒精浓度检测仪设计方案 设计时，考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量，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A/D转 换器转换得到数据送入单片机进行处理。此外，还需接人LED显示，报警电路等。 其总体框图如图2-1所示。 图2-1基本工作原理图 三、硬件设计 3 3.1 传感器的选择 本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度，再转换为血液中的酒精含量浓度，故采用 气敏传感器。考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性，所以传感器 只能对酒精气体敏感，对其他气体不敏感，故选用MQ3 型气敏传感器。其有很高的灵敏 度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。 MQ3 型气敏传感器由微型 Al2O3， 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， 加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。 传感器的标准回路有两部分组成。 其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻值的变化。传 感器的表面电阻 RS 的变化， 是通过与其串联的负载电阻 RL 上的有效电压信号 VRL 输出 面获得的。负载电阻 RL 可调为 0．5-200K。加热电压 Uh 为 5v。上述这些参数使得传感 器输出电压为 0-5V。MQ3 型气敏传感器的结构和外形、标准回路、传感器阻值变化率与 酒精浓度、外界温度的关系图如图 3-3 所示。为了使测量的精度达到最高，误差最小， 需要找到合适的温度，一般在测量前需将传感器预热 5 分钟。 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。 图图3-13-1 MQ3 结构和外形 4 图3-2 MQ3 结构图 图3-3传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系 在系统电路调试正确以后，要作改进工作，使数码管上正确显示所测的酒精气体浓 度值。之前显示的是酒精浓度值与电压的对应关系，所以要显示酒精浓度值，需要找到 电压与浓度之间的关系，然后才能建立酒精浓度值与显示的映射关系。 测量用的酒精溶液是用无水乙醇和纯净水按体积比来配制的， 单位 mL/mL 表示的是 1mL 酒精溶液中含酒精的体积。准备多个不同浓度的酒精气体样品，最小为100ppm，依 次增加 300ppm，再依次用气敏传感器检测，记录对应的电压值，记录样品的浓度和电压 值之间的关系，根据曲线图的走向可以看出传感器的酒精浓度检测大致范围，然后根据 这个范围选择 11 个合适的浓度值，多次测量电压值，再取平均值作为最后电压值，把 10 个标准区间范围定下来，如表 1。 档位酒精浓度C1C2C3 C 0100ppm 1400ppm 2700ppm 31000ppm 41300ppm 5 5 6 7 8 9 表 1 根据表所对应的关系，修改数据处理程序部分，建立酒精浓度和电压之间的关系。使最 终显示的数据为酒精浓度值。 1600ppm 1900ppm 2200ppm 2500ppm 2700ppm 3.2 A/D转换电路 在单片机应用系统中，被测量对象的有关变化量，如温度、压力、流量、速度等非 电物理量，须经传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），这些模拟电信号 必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。 实现模拟量转换成数字量的器件 称为 A/D 转换器（ADC）。 A/D 转换器大致分有三类：一是双积分 A/D 转换器，优点是精度高，抗干扰性好， 价格便宜，但速度慢；二是逐次逼近型 A/D 转换器，精度、速度、价格适中；三是∑∑ - - △△A/D 转换器。 该设计中选用的是 ADC0809 属第二类， 是 8 位 A/D 转换器。 0809 具有 8 路模拟信号 输入端口，地址线（23-25 脚）可决定那一路模拟信号进行 A/D 转换。22 脚为地址锁存 控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6 脚为测试控制，当输入一个 2μs 的高电平脉冲时，就开始A/D 转换。7 引脚为 A/D 转换结束标志，当A/D 转换结束时，7 脚输出高电平。9 脚为 A/D 转换数据输出允许端，当OE 脚为高电平时，A/D 转换数据输 出。10 脚为 0809 的时钟输入端。 3.2.1 ADC0809 的引脚及功能 逐次比较型 A/D 转换器在精度、 速度、 和价格上都适中， 是最常用的 A/D 转换器件。 芯片采用的是 ADC0809，以下介绍 ADC0809