酒精浓度检测仪论文：基于单片机的酒精浓度检测仪设计

科技广场 2009.3 0 引言 从工厂企业到居民家庭，酒精泄露的、监控以及对 酒后驾车的监测对居民的人身和财产安全都是十分重要且 必不可少的。现如今，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，再加上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 阔的现实市场和潜在的市场要求。 本文设计的基于单片机的酒精浓度检测仪以单片机和 酒精传感器为核心，具有声光报警功能及 LCD显示功能。根 据不同的环境设定不同的阈值，超过阈值即进行声光报警， 提示危害。采用汇编语言来实现其软件功能。该仪器硬件电 路设计简单、软件功能完善、灵敏度高、工作性能好，并且具 有尺寸小、方便携带的优点。此外，低功耗、低成本的特点可 以使其吸引更多的市场目光。 1 酒精浓度检测仪整体结构 本文设计的酒精浓度测试仪具有如下特点： （1）数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有 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，系统成功使用了大屏幕液晶 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）软件系统采用汇编语言编写，在兼顾实时性处理的 同时也能很方便地进行数据处理。 2 硬件设计及功能概述 本文设计的酒精浓度检测仪主要是以酒精传感器和单 片机为平台设计而成的，其硬件系统功能框图如图一所示。 图一硬件系统功能框图 酒精浓度检测仪主要是用来检测酒精浓度的，它主要由 酒精传感器、模数转换器、单片机、LCD显示、键盘以及声音 报警构成。 酒精传感器将检测到的酒精浓度转化为电信号，然后将 电信号传送给模数转换器，经过模数转换器转换后，把转换 基于单片机的酒精浓度检测仪设计 Design of Alcohol Concentration Detector Based on Single Chip Computer 李丽华 1 黄秋野 1 王 琦 2 Li Lihua Huang Qiuye Wang Qi (1.沈阳工业安装工程股份有限公司,辽宁沈阳 110168; 2.沈阳建筑大学信息与控制工程学院,辽宁沈阳 110168) (1.Shenyang Industrial Installation Engineering Stock Limited Company, Liaoning Shenyang 110168; 2.School of Information and Control Engineering, Shenyang Jianzhu University, Liaoning Shenyang 110168) 摘 要：以单片机和气体传感器为核心，设计了酒精浓度检测仪,实现了不同环境下酒精浓度的检测。本文主要介绍了酒 精浓度检测仪整体结构，设计了系统硬件电路，阐述了各模块功能并着重研究了气体传感器的选择。 关键词：单片机；A/D转换；酒精传感器 中图分类号：TP311.1 文献标识码：B 文章编号：1671-4792-(2009)3-0166-03 Abstract : an alcohol concentration detector is designed taken single chip computer and gas sensor as ker- nel . The alcohol concentration in different environment can be measured . In this paper , the whole construct of the alcohol concentration detector is introduced ; the system hardware circuit is designed ; the function of each model and how to select the gas sensor are discussed especially . Keywords : Single Chip Computer ; A/D Transformer ; Alcohol Sensor 166 基 于 单 片 机 的 酒 精 浓 度 检 测 仪 设 计 2.2各功能模块的设计 2.2.1 AT89S52的特性 AT89S52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 AT89S52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。 2.2.2 ADC的选择 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。 根据 A/D转换器的工作原理可将 A/D转换器分成两大 类：一类是直接型 A/D转换器；另一类是间接型 A/D转换 器。在直接型 A/D转换器中，输入的模拟电压被直接转换成 数字代码，不经任何中间变量。在间接型 A/D转换器中，首 先把输入的模拟电压转换成某种中间变量（时间、频率、脉冲 宽度等等），然后再把这个中间变量转换为数字代码输出。 2.2.3气体传感器的选择 气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头 内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转 化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样 品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处 理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进 行更快速地测量。 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 MQ3型酒精传感器。 MQ3酒精传感器是气敏传感器，其具有很高的灵敏度、 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者不锈钢的腔体内，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 后得到的数字信号传给单片机，单片机对所输入的数字信号 进行分析处理，最后将分析处理的结果通过显示器显示出 来。由于不同的环境对酒精浓度的要求也不一样，所以，可以 通过键盘来设定不同环境中酒精浓度的不同阀值。如果所检 测到的空气中的酒精浓度超过了所设定的阀值，那么单片机 将会控制蜂鸣器发出声音报警，用来提示危害。 2.1硬件电路 依据硬件系统功能框图设计出系统硬件的整体电路图 如图二和图三所示。其中图二是单片机与 LCD、键盘以及声 音报警电路的电路连接图。 图二 单片机与 LCD、键盘及声音报警电路的电路连接图 167 科技广场 2009.3 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的变化。传感器表面电 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。二者之间的关系表述为：RS/RL= (VC－VRL)/VRL，其中 VC为回路电压，10V。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如 图三所示，标准回路如图四所示，传感器阻值变化率与酒精 浓度、外界温度的关系如图五所示。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，一般在测量前需要将 传感器预热 5分钟。 图三 MQ3的结构和外形 图四MQ3标准回路 图五传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系 为了更好地使用酒精传感器 MQ3，现将 MQ3的标准工 作条件和环境条件进行介绍，如表一和表二所示。 表一 标准工作条件 表二酒精传感器MQ3的环境条件 3 结束语 本文设计了基于单片机的酒精浓度检测仪，设计过程包 括了硬件电路设计和软件程序的编写两部分。硬件电路部分 结构简单、使用方便、适合大众化使用。软件部分采用模块化 设计思想，各个子程序的功能相对独立，便于调试和修改。通 过软、硬件联合调试，实验结果满足设计基本要求，达到设计 指标。 参考文献 [1]王幸之.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京： 北京航空航天大学出版社，2004. [2]郑学坚，周斌.微型计算机原理及应用[M].北京：清华 大学出版社，2006. [3]纪宗南.单片机外围器件使用手册———输入通道器件 分册[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005. [4]郑义,陈俊.用 AT89C52和 TLC1543实现数据采集系 统[J].电子世界,2004，(12):24-25. [5]卢丽君.基于 TLC1543的单片机多路采样监测系统的 设计[J].仪器仪表与分析监测，2007,(04):5-7. [6]何希才.传感器技术与应用[M].北京:北京航空航天大 学出版社,2005. 作者简介 李丽华(1982—），女，本科，沈阳工业安装工程股份有限 公司，主要研究方向：智能建筑； 黄秋野（1982—），男，本科，沈阳工业安装工程股份有限 公司，主要研究方向：智能建筑; 王琦(1981—），男，法学硕士，沈阳建筑大学信息与控制 工程学院，主要研究方向：马克思主义中国化，智能建筑技术 应用。 168