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王成坤毕业设计说明书

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南阳理工学院

本科生毕业设计（论文）

学院（系）：

机电工程系

专业：

测控技术与仪器

学生：

王成坤

指导教师：

李珍

完成日期二0一一年五月

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

酒精浓度测试仪的设计与实现

TheDesignandImplementationofAlcoholConcentrationTester

总计：

29页

表格：

4个

插图：

17幅

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

酒精浓度测试仪的设计与实现

TheDesignandImplementationofAlcoholConcentrationTester

学院（系）：

机电工程系

专业：

测控技术与仪器

学生姓名：

王成坤

指导教师（职称）：

李珍（高级工程师）

评阅教师：

毛翠丽

完成日期：

2011年5月

南阳理工学院

NanyangInstituteofTechnology

酒精浓度测试仪的设计与实现

测控技术与仪器专业王成坤

[摘要]：

本设计测试对象为空气中的酒精气体浓度。

首先通过气敏传感器MQ-J1完成了对空气中酒精气体浓度信号向电信号的转换，并利用集成芯片LM3914和发光二极管实现了对其浓度的简单指示，在此基础上，又利用单片机STC12C5A60S2和数码管对其浓度具体数值进行精确显示，可满足生产、生活中大多测量需求。

[关键词]：

气体传感器，模数转换，单片机

TheDesignandImplementationofAlcoholConcentrationTester

MeasurementandControlTechnologyandInstrumentsMajorWangChengkun

Abstract：

Thetestobjectinthisthesisisthegasconcentrationofalcoholintheair.Firstly，thegasconcentrationofalcoholintheairisconvertedtoelectricalsignalthroughthegassensorMQ-J1.Secondly,theintegratedchipLM3914andlightemittingdiodesareusedtoachievesimpleinstructionfortheconcentration.Basedonthis,themicrocontrollerSTC12C5A60S2andnixietubesareusedtoshowtheaccuratevalues​​ofitsconcentration.Thedesigncanmeetthemostneedsofthemeasurementsintheproductionandlife.

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∙IchbinvierzigJahrealt

∙आजमेराजन्मदिनहैं.

∙Lavoiture

∙Jeparleunpetitpeufrançais.

∙παραλία

∙มีสีสัน

∙ओहयार!

KeyWords:

gassensor,ADconversion,MCU

1绪论1

1.1引言1

1.2气敏传感器的研究现状1

1.3设计酒精浓度探测仪的意义2

1.4本文主要研究工作2

2硬件电路设计与实现3

2.1单片机开发流程3

2.2硬件系统框图4

2.3信号采集电路5

2.4信号转换电路7

2.5发光二极管显示电路13

2.6数码管显示电路15

2.7系统整体电路图17

3软件编程19

3.1开发环境19

3.2程序流程19

3.3程序编写19

4电路调试与测试结果22

4.1电路调试22

4.2浓度与显示之间的关系23

5结束语24

致谢26

附录27

1绪论

1.1引言

我国传感器市场的增长率超过15%，2003年销售额为186亿元人民币，2006年销售额为283亿元人民币，预计2007年为325亿元人民币，2008年为374亿元人民币。

我国传感器4大类中，工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。

近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段，新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它将不仅促进系统产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新的经济增长点[1]。

由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段，气体传感器发挥着极其重要的作用。

气体传感器是把气体中的特定成分检测出来，并转化为电信号的一类器件，用来对有害气体，易燃易爆气体等进行安全检测和报警，对生产生活中需要了解的气体进行检测，分析，研究等。

近年来，我国气敏传感器产业有了较快的发展，但与国外相比，从技术水平，产业化及应用等领域均存在着不小的差距。

目前，气敏传感器领域还存在一些问题。

一是元件的稳定性差。

由于元件电阻和灵敏度随时间而不断变化，漂移大给检测结果的可靠性带来不稳定的因素。

二是选择性差。

由于在检测气体时，往往还存在着其它的干扰气体（如烟酒等），使气敏元件发生交叉响应，产生误报。

三是催化剂中毒。

掺有催化剂的气敏元件接触某些气体后，活性组分被毒化，将会改变元件的选择性，降低其敏感度和稳定性，另外催化剂本身也存在着不稳定性问题。

灵敏度问题。

四是SnO2元件有时由于灵敏度过大导致误报，但是在检测某些低浓度气体时灵敏度却难以达到要求[2]。

1.2气敏传感器的研究现状

气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构及制作工艺密切相关。

用金属氧化敏感材料制作的半导体式气敏元件具有灵敏度高，结构简单，体小质轻，坚固耐用等优点而得到广泛的应用，目前仍以SnO2材料为主[3]。

SnO2是一种广普型的气敏材料，围绕SnO2为基体材料的气敏材料的制备及其气敏元件制备的研究课题十分活跃。

纯SnO2的气敏特性不甚好，尤其是它的热稳定性不高。

为改善其气敏特性，常在SnO2基体中掺入贵金属或其他金属氧化物。

尽管SnO2基传感材料具有许多优点，作为材料也存在一定缺点。

通过控制气敏材料微粒大小，颗粒纳米化，掺杂其它添加剂或催化剂，利用过滤设备或透气膜来获得选择性，控制工作温度及环境湿度影响，改进制备等方法可以改善SnO2传感器的气敏性能[4]。

纳米科学技术（Nano—ST）是研究尺寸在0.1—100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

纳米技术的发展，不仅为传感器提供了优良的敏感材料，而且为传感器制作提供了许多新型方法。

纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度，工作温度大大降低，大大缩小了传感器的尺寸。

当然，在己获得明显进展的纳米传感领域中尚存在很多问题，从敏感材料到制作技术都很不成熟，其性能也有不尽人意的地方[5]。

气敏传感器在家用电器中也有相当广泛的应用。

吸油烟机等产品上常用MQ-J1型半导体气敏传感器，它采用旁热式结构，陶瓷管内装有高阻抗加热丝，管外涂有梳状金属电极，金属电极之外涂有SnO2材料，使SnO2烧结体位于两电极之间[6]。

气敏传感器工作时，加热器通电加热，若无被检气体侵入时，气敏元件的阻值基本不变当气敏元件表面产生吸附作用，其阻值将随气体浓度的变化变化。

当被检气体浓度增大到一定值时，气敏元件的阻值将随之下降到某一值，使电压比较器的状态发生变化，输出控制信号经电流放大后，控制继电器或双向晶闸管接通电动机电源使吸排油烟机工作[7]。

1.3设计酒精浓度探测仪的意义

本设计基于STC12C5A60S2单片机设计的酒精气体浓度探测仪，可用来检测酒精气体浓度，最主要的用途是检测司机的酒精含量。

酒后驾车发生事故的机率高达27%。

随着摄入酒精量的增加，选择反应错误率显著增加，当血液中酒精含量由0.5‰增至1‰，发生车祸的可能性便增加5倍，如果增至1.5‰，可能性再增加6倍。

机动车驾驶人员“酒后驾车”及“醉酒驾车”极易发生道路交通事故,严重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。

人饮酒后,酒精通过消化系统被人体吸收,经过血液循环,约有90%的酒精通过肺部呼气排出,因此测量呼气中的酒精含量,就可判断其醉酒程度。

开车司机只要将嘴对着传感头使劲吹气，仪器就能发上显示出酒精浓度的高低，从而判断该司机是否酒后驾车，避免事故的发生。

当然，最好的办法是在车内安装这种测试仪，司机一进入车内检测仪就检测司机的酒精含量，如果超出允许值，系统控制引擎无法启动，这样就可从根本上解决酒后驾车问题。

酒精气体浓度探测仪在生产生活中也有重要的应用，比如，在一些环境要求严格的生产车间，用这种酒精浓度探测仪，可随时检测车间内的酒精气体浓度，当酒精气体浓度高于允许限定值时，发出警报，提醒人们及时通风换气，做到安全生产。

1.4本文主要研究工作

本文以STC12C5A60S2单片机为核心，设计了用于测量酒精浓度的探测仪，主要研究工作包括以下3个方面。

（1）硬件电路方面，对气体传感器MQ-J1根据检测电路，接上一定阻值的负载电阻，检测它的技术参数，确定MQ-J1所接负载电阻的大小，完成信号采样电路的设计；采样到的模拟电压电信号通过AD转换，得到可供单片机处理的数字信号，再由单片机作相应的数据处理；发光二极管报警显示和4个单位8段共阴数码管浓度值显示。

（2）软件方面，标准的确定是该部分要做的主要工作。

因为原始的采样值是一个间接的负载分压值，需要将它转化为被测酒精浓度值。

通过多个样品的测量确定多个浓度区间的转换标准，并将每个区间的转换关系近似线性化处理，然后通过软件编程的方法来实现。

（3）为了尽量减少设计的气体传感器的测量误差，在测量酒精溶液样品时要考虑并解决3个主要问题。

一是外界环境流动空气对传感器的影响和对气体样品的稀释，二是样品的稳定性对测量带来的误差，三是水蒸气对测量的影响。

针对这3个主要问题提出以下解决方案和验证方法。

测量样品时，将探头尽量放入塑料瓶内，可以在一定程度上消除流动空气的影响，同时应选择空气流动较小的室内环境来测量。

水蒸气对MQ-J1的影响很小，这一点可以通过对只装有纯净水的塑料瓶的多次测量来验证。

用相同容量的塑料瓶配制好不同浓度的酒精溶液后，将它密封并放置一段时间，待其稳定后再测量。

再通过反复多次测量多组数据，求其平均值的方法来缩小测量误差。

2硬件电路设计与实现

2.1单片机开发流程

（1）可行性调研。

可行性调研的目的，是分析完成这个项目的可能性。

进行这方面的工作，可参考国内外有关资料，看是否有人进行过类似的工作。

如果有，则可分析他人是如何进行这方面工作的，有什么有点和缺点，有什么值得借鉴的；如果没有，则需要作进一步的调研，此时的重点应放在能否实现这个环节，首先从理论上进行分析，探讨实现的可能性，所需求的客观条件是否具备，然后结合实际情况，再决定能否立项的问题。

（2）系统总体方案的设计。

在进行可行性调研后，如果可以立项，下一步工作就是系统总体方案的设计。

工作的重点应放在该项目的技术难度上，此时可参考这一方面更详细、更具体的资料，根据系统的不同部分和要实现的功能，参考国内外同类产品的性能，提出合理而可行的技术指标，编写出设计任务书，从而完成系统总体方案设计。

（3）设计方案细化，确定软硬件功能。

一旦总体方案确定下来，下一步的工作就是将该项目细化，即需明确哪些部分用硬件来完成，哪些部分用软件来完成。

由于硬件结构与软件方案会相互影响，因此，从简化电路结构、降低成本、减少故障率、提高系统的灵活性与通用性方面考虑，提倡软件能实现的功能尽可能由软件来完成；但也应考虑软件代硬件的实质是以降低系统的实时性、增加处理进行为代价的，而且软件设计费用、研制周期也将增加，因此系统的软硬件功能分配应根据系统的要求及实际情况而合理安排，统一考虑。

在确定软硬件功能的基础上，设计者的工作就开始涉及到具体的问题，如仪器的体积及与具体技术指标相对应的硬件实现方案，软件的总体规划等。

在确定人员分工、安排工作进度、规定接口参数后，就比须考虑硬件软件的具体问题了。

（4）一个单片机应用系统经过调研、总体设计、硬件软件设计、制版、元件安装后，在系统的程序存储器中放入编制好的应用程序，系统即可运行。

但一次性成功的几乎是不是不可能的。

由于单片机在执行程序时人工是无法控制的，为了能够调试程序，检查硬件、软件运行情况，这就需要借助某种开发工具模拟用户实际的单片机，并且能随时观察运行的中间过程而不改变运行中有的数据性能和结果，从而进行模拟现场的真实调试。

2.2硬件系统框图

基于STC12C5A60S2单片机用MQ-J1型气体传感器实现酒精气体浓度的检测，需要信号采集模块用于对酒精浓度信号的采集，该信号是通过MQ-J1气体传感器和负载电压得到分压电信号。

信号转换模块用来把采集到得模拟电压信号转换位可以用单片机处理的数字信号。

数码管显示模块是对单片机处理后的数字信号的显示，用来显示酒精的浓度。

报警模块是对设定值提供报警功能，该功能用发光二极管显示。

根据各功能模块的设计，可得到它的系统总框图，如图2.1所示。

图2.1系统总框图

2.3信号采集电路

气体传感器的选择

根据被检测气体的不同，气敏传感器可分为以下三类:

（1）可燃性气体气敏传感器。

目前该类气敏传感器需求量最大，包含各种无机和有机类气体检测，主要用于抽油烟机、泄露报警器和空气清新剂等方面，并已经形成生产规模，在油田、矿区、化工、企业及家庭等生产和生活领域广泛用作气体泄露报普，特别是用于家庭气体泄露报警，需求量不断增加，使该类传感器有着广泛的发展空间。

（2）CO和H2气敏传感器。

CO气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等CO泄露和不完全燃烧检测报警；H2气敏元件除应用于工业等领域外，主要用于家庭管道煤气泄露报警。

由于我国管道煤气中H2含量很高，而氢敏元件较氧化碳元件价格低，灵敏度高，因此，用氢敏元件做城市管道煤气泄露报警更为适宜。

（3）毒性气体传感器。

毒性气体传感器又称为环境有毒有害气体传感器，主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体，虽然SnO2气敏传感器对CO，H2S等有毒有害

气体敏感，但应用最多的仍是电解式化学传感器。

传感器的分类方式有很多种，以上是根据被检测气体的性质进行的分类，也有根据元件的物理特性进行分类的。

一个新型的气体检测系统应该包括：

（1）基于一种或几种传感技术的气体传感器。

（2）组合了气体传感器和采样调理电路的探头。

（3）配有人机接口软件的中心监测和控制系统。

（4）在一些应用中，与其它安全系统和仪器的接口。

本设计中的酒精气体传感器采用MQ-J1型,它属于MQ系列气敏元件的一种。

如图2.2所示：

图2.2MQ-J1

特点:

检测范围为10ppm～2000ppm；灵敏度高，输出信号为伏特级；响应速度快，小于10秒；功耗小于0.75W，尺寸：

D17*H10。

MQ-J1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。

检测电路如图2.3所示，当电源开关S断开时，传感器加热电流为零，实测A，B之间电阻大于20MΩ。

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10KΩ以下，然后又逐渐上升至120KΩ以上后并保持着。

此时如果将酒精溶液样品靠近MQ-J1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120KΩ降至10KΩ以下。

移开小瓶过1分钟左右后，A，B之间电阻恢复至大于120KΩ。

这种反应可以重复试验，但要注意使空气恢复到洁净状态。

经实验的反复检测，MQ-J1传感器可以正常工作使用，对不同浓度的酒精溶液有不同的变化，响应时间和恢复时间都正常，可以开始作信号采样模块电路的设计。

图2.3MQ-J1检测电路

信号采样电路

信号的采样模块电路如图2.4所示。

MQ-J1的加热电阻两端即H引脚接至+5V直流稳压电源，用于电阻丝对敏感体电阻的加热。

MQ-J1的两个A引脚相连，作为敏感体电阻的一个电极。

MQ-J1的两个B引脚也连接在一起，作为敏感体电阻的另一个电极。

将电极断A接到电源正极，电极端B接两个270Ω并联的电阻。

MQ-J1型气敏传感器与电位器串联构成分压电路，采样点为电位器的分压。

MQ-J1型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物SnO2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。

当气敏传感器的敏感体电阻阻值发生改变时，对应的电位器的分压值也会发生相应的变化，即一个电压值对应着一个被测酒精气体浓度。

对酒精气体浓度的采样就可以转化为对电位器分压的采样。

在采样硬件电路中实际要考虑到MQ-J1的实际技术参数，即加热电阻和敏感体电阻的大小，该部分应与电源正极相连。

负载电阻要根据MQ-J1实际的技术参数而选择阻值合适的电阻。

应为实验所用的MQ-J1在预热5到10分钟后，它的敏感体电阻只有120KΩ，所以负载电阻选用一个6.8kΩ串联，构成采样部分的分压电阻。

图2.4采样模块

2.4信号转换电路

单片微机是单片微型计算机的译名简称，在国内也常称为“单片微机”或“单片机”。

它包括中央处理器CPU，随机存储器RAM，只读存储器ROM，中断系统，定时器计数器，串行口和IO口等等。

现在，单片微机已不仅指单片计算机，还包括微计算机，微处理器，微控制器和嵌入式控制器，单片微机已是它们的俗称[8]。

根据实际需要，本次设计选用的是以8051为核心单元Atmel公司的低耗STC12C5A60S2单片机。

STC12C5A60S2芯片有40条引脚，采用双列直插式封装，如图2.5所示。

单片机最小系统的设计包括电源，晶振和复位电路三个部分。

这是使单片机正常工作的必要外围电路部分。

针对不同型号的单片机在最小系统设计上会有一些差别。

对于选用的STC12C5A60S2单片机，根据美国ATMEL公司提供的技术资料，可以对它的最小系统作恰当的设计，如图6所示[9]。

对于电源部分，技术资料中性能参数里给出的标准工作电压是4.0～5.5V。

因此，单片机的引脚40对应的VCC接到+5V电源的正极，引脚10对应的GND接到+5V电源的接地端，为STC12C5A60S2单片机提供正常的工作电压。

关于晶振电路:

如果外部时钟频率在33MHz以上时,建议直接使用外部有源晶振;

如果使用内部RC振荡器时钟（室温情况下5V单片机为:

11MHz～17MHz,3V单片机为8MHz～12MHz）,XTAL1和XTAL2脚浮空.如果外部时钟频率在27MHz以上时,使用标称频率就是基本频率的晶体，不要使用三泛音的晶体，否则如参数搭配不当，就有可能振在基频，此时实际频率就只有标称频率的13了，或直接使用外部有源晶振,时钟从XTAL1脚输入,XTAL2脚必须浮空.

图2.5STC12C5A60S2芯片管脚

对于复位电路部分，STC12C5A60S2技术资料给出:

关于复位电路：

时钟频率低于12MHz时,可以不用C1,R1接1K电阻到地,如图2.6所示。

时钟频率高于12MHz时,建议使用第二复位功能脚

（STC12C5A60S2系列在RST2EX_LVDP4.6口STC12C5201AD系列在RST2EX_LVDP1.2口）

当时钟频率小于12MHZ时，建议用第二复位功能脚，可以不用C1,R1接1K电阻到地，此时的最小系统电路如图2.7所示。

图2.6时钟频率低于12MHz时的最小电路图

由于STC12C5A60S2中，数模转换电路集成与芯片内部，我们就以ADC0809为例，对数模转换原理进行分析：

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图8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AD转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。

因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。

输入输出与TTL兼容。

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图9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、ADDC3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

如表1所示。

图2.7STC12C5A60S2单片机最小系统设计电路

图2.8ADC0809内部结构

图2.9ADC0809芯片

ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START：

AD转换启动信号，输入，高电平有效。

EOC：

AD转换结束信号，输出，当AD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，高电平有效。

当AD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。

ADC0809的工作过程是：

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AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD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。

当检测到酒精气味时，气体传感器的A-B间电阻变小，则ADC0809的模拟输入端IN0的电压变大。

采用查询方式对输入模拟信号进行AD转换，然后将数据通过三位八段数码管显示。

表1ADC08