酒精浓度检测仪的设计(2)

第1章 绪论

检测仪向更迅速更快捷发展，方便携带等要求发展。传统的机械检测仪或酒精计一般灵敏度和准确度也比较低或者检测方法难，同时单片机既有通用计算机的基本部件，又不同于计算机。有体积小，实时快速的对外部事件做出响应，迅速采集大量数据，做出逻辑判断与推理后实现被控对象的参数调整与控制，且能满足检测仪的设计要求，所以基于单片机的酒精浓度检测仪的开发有很大意义。

1.1酒精浓度检测仪的背景

以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型，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，常用的只有燃料电池型（电化学型）和半导体型两种。

燃料电池可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染，酒精传感器只是燃料电池的一个分支。燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满特种催化剂，使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比。

与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性好，精度高，抗干扰性好的优点。但是由于燃料电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大。

从传感器技术发展的角度看，根据使用传感器原理的不同，常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域，新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流，现在的酒精浓度检测仪都是采用可替代吹管，酒精仪从传统的机械检测或酒精计到现在的利用传感器和单片机位核心技术的酒精浓度检测仪式在技术上是一大突破，大大提高了检测酒精的精确度。

1.2酒精浓度检测仪现状及发展趋势

根据使用传感器原理的不同，常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域，新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流，如今的酒精浓度检测仪都是采用可替代吹管，酒精仪从传统的机械检测或酒精计到现在的利用传感器和单片机位核心技术的酒精浓度检测仪式在技术上是一大突破，大大提高了检测酒精的精确度，更能满足市场的需求。

但是当前大部分一般的酒精浓度检测仪价格较低的灵敏度并不是很强，准确度高的一般售价也比较昂贵，并且大多只是对结果进行预警、低报、高报三限报警点设置，所以在LED显示酒精浓度数值上应实现普及，得到准确的浓度数值。同时很多其他气体会可能会对其影响，从而影响准确度。所以在传感器的腐蚀性以及排除其他干扰的能力值得提升。现在大多都是检测气体浓度或液体浓度的检测，最好是能解决一个检测仪同时检测气体和液体两种不同状态的酒精浓度。

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1.3本课题实现目标

本论文主要完成酒精浓度检测仪软件设计，设计内容包括：A/D转换器程序、控制程序、超标报警、键盘检测、数据显示等。

系统采用单片机为控制核心，以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、超标报警。本系统设计采用功能模块化的设计思想，设计器件简介和选择；电路的设计和调试。

硬件设计部分主要包括：MCU、A/D、LCD、外围扩展数据RAM等芯片的选择。

1.4本章小结

如今各个地方对安全意识增强，对检测的精度高，准确度高，携带方便要求。再加上气体传感器的发展，单片机具有受集成限制，片内储存量较小，可靠性好，扩展简单，控制功能强等特点，基于单片机的酒精浓度检测仪的研究和开发生产具有十分广泛的现实市场和潜在的市场需求。

本章主要从单片机和传感器以及基于单片机的酒精浓度监测仪的研究背景，国内外现状及其发展趋势，本设计所要实现的目标三个方面作出的阐述。其中最重要的是本设计所要实现的目标，其次是基于单片机的酒精浓度检测仪的发展趋势。

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第2章 设计方案和元器件选择

通过对单片机和传感器的了解，在智能仪表上的优势有很多，耗能小、准确度高、超强集成化、以及稳定性能等等，注定了单片机在各个领域的应用。所以在酒精浓度检测的设计中也选择了单片机作为控制核心。同时需要的部件包扩酒精浓度传感器、数模转换器、、LED显示器、键盘以及声音报警。无需其他计算机，用户就可以进行交互工作，完成数据的采集、储存、计算、分析等过程。该仪器电路简单，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、低功耗、低成本等优点。

2.1设计方案

由酒精浓度测试仪对待测气体（液体）进行检测，气体传感器是将一种气体体积分时转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器的对气体样品进行处理，通常包括滤除杂质和干燥气体、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的测量。转换成输出电压信号。然后以单片机为核心的控制：定时进行各个功能模块的自诊断，并对外界的异常情况做出快速处理。对无法解决的问题，应及时切换到后背装置或报警。具有完善的输入输出通道和实时控制能力：对生产过程进行检测和控制，有多种信号需要传送，因此要求系统配备完善的模拟量和数字量输入输出通道和完善的中断系统和处理功能。信号采集处理、声光报警电路以及显示、键盘、PC接口电路。测试仪进行气体检测的基本步骤是单片机采集酒精传感器的响应信号，并且进行转换，模数转换就是用于快速，高精度的对输入信号采样编码，然后转化成数字量储存在数据储存器中，然后单片机通过特定的算法进行气体浓度的识别，同时和所设值进行对比，超出则报警同时显示浓度数值，没超出只显示浓度数。并且将结果输出到LCD显示屏幕上。

2.2元器件选择

2.2.1单片机的选择

本系统采用单片机为控制核心。我们选择单片机STC89C51为控制核心；主要基于考虑STC89C51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。

STC89C51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， 89C5X可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。同时STC89C51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

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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。[1] STC89C51单片机单片机引脚功能（如图2.1）：

?Vcc：电源电压 ?GND：地

图2.1 单片机引脚图

STC89C51是的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256K bytes的随机存取数据存储器，器件采用高密度，非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8051产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大，STC89C51单片机适合于许多较为复杂控制应用场合[3]。

主要性能参数：

?8K字节可重擦写FLASH闪存存储器 ?1000次写/擦循环

?时钟频率：0Hz—24MHz ?三级加密存储器 ?256字节内部RAM

?32个可编程I/O口线

?3个16位定时/计数器 ?6个中断源

?可编程串行UART通道 ?低功耗的空闲和掉电模式 ?片内振荡器和时钟电路

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2.2.2传感器

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[2]。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[4]。

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[6]。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2.2所示，标准回路如图2.3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，一般在测量前需要将传感器预热20s。

图2.2 MQ3 的结构和外形

图2.3 MQ3 标准回路

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