酒精浓度检测器.docx
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酒精浓度检测器
酒精浓度检测器
为了能实现酒精浓度的检测,本论文以STC12C5A32AD作为核心控制芯片，进展了酒精浓度检测仪的设计与制作。
论文详细地表达了系统电路的工作原理并对核心控制芯片STC12C5A32AD作出了介绍，以与对各核心器件的工作原理和在电路中的主要作用进展了详细介绍，并阐述了应用Protel实现电路原理图的绘制与PCB设计过程，最终对实物调试情况进展了介绍。
实物的调试结果说明，本设计能够成功地实现酒精浓度的检测。
[关键词]检测酒精浓度酒精传感器PCBSTC12C5A32ADAT24C04
TitleAlcoholconcentrationdetector
Abstract
Inordertoachievethedetectionofalcoholconcentration，Inthisthesis,ThedesignandproductionofthealcoholconcentrationdetectorregardSTC12C5A32ADasthecorecontrolchip,ThepaperdescribesindetailtheworkingprincipleofthesystemcircuitandintroducesthecorecontrolchipSTC12C5A32AD.Describedindetailaswellasthecoreofthedeviceworkingprincipleandthemainroleinthecircuit.AnddescribedtheapplicationProtelcircuitschematicdrawingandPCBdesignprocess,Ultimatelythephysicaldebuggingsituationwasintroduced.Thephysicalofdebuggingresultsindicatethatthepresentdesignisabletosuccessfullyachievedetectionofthealcoholconcentration.
[Keywords]:
DetectAlcoholconcentrationAlcoholsensorPCBSTC12C5A32ADAT24C04
目次
1绪论
1.1本课题研究的背景以与现实意义
为了防止驾驶人员酒后驾车，现场随时对人体呼吸中酒精含量进展检测已成为一种必要，酒精检测仪逐渐得到广泛的应用和青睐。
从工厂企业到居民家庭，酒精泄露的检测、监控以与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、集成化方向的开展，因此，酒精浓度检测仪具有十分广阔的现实市场。
酒精的测量在交通管理以与日常生活中具有极为重要的作用。
传统的抽血测量具有时效性差、不方便等多方面的缺点。
为了保障人民的生命财产安全，需要设计一智能仪器能够检测驾驶员体内酒精含量，以确定被测者体内酒精含量的多少，确保驾驶员的安全，酒精检测仪的设计与使用有着不可替代的作用，也有着相当好的前景和意义。
本设计就是希望能够设计出这样一款产品，以满足社会的需要。
1.2本课题的研究概况与开展趋势综述
随着电子信息技术的快速开展，传感器技术逐渐走向成熟，在生活中得到了广泛的应用。
由于传感器在各个领域都有着举足轻重的作用，因此，高精度，高可靠性，微型化，微功耗无源化和智能数字化成为其开展方向[11]。
至今为止，对气体中酒精含量进展检测的设备有燃料电池型〔电化学〕、半导体型、红外线型、气体色谱分析型和比色型五种类型。
但由于价格和使用方便的原因，目前常用的只有燃料电池型〔电化学型〕和半导体型两种。
燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源，它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细，制造难度相当大，目前只有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产，加上材料本钱高，因此价格相当昂贵，是半导体酒精传感器的几十倍。
所以应用半导体酒精传感器成为了一种趋势。
1.3本课题对于专业知识的综合应用情况
本课题主要研究的是以单片机、气敏传感器和显示器为主，能够实时检测空气中的酒精浓度，并且具有报警功能的酒精浓度检测仪。
其可检测出空气环境中和人体呼出的气体的酒精浓度值，并根据不同的环境和要求设定不同的阈值，当读数超过设定的阈值时，会发出报警提示。
采用C语言来实现其软件功能。
通过电路设计软件设计其电路原理图，然后运用熟练地焊接技术完成硬件设备的组装，该仪器功能完善、灵敏度高、工作性能好，并且具有尺寸小、方便携带的优点。
在设计中力求以最简单的电路来可靠完成测量系统的功能。
在测量系统的PCB设计中严格按照PCB设计的工艺要求进展元器件的布局以与布线等设计，力求使得所设计的产品符合工艺化以与工程化的要求。
在设计中综合应用了大学期间所学习的《模拟电子产品的安装与测试》、《数字电子产品的安装与测试》以与《电子产品的安装与调试》等多门专业课程。
同时运用了单片机接口原理和C语言编程[16]。
本课题的选题难度适中，能够对应用电子技术专业学习的专业课程有较为全面的应用与掌握，同时也与自己的专业能力符合。
2酒精浓度检测仪电路的工作概述以与原理分析
2.1酒精浓度检测仪电路的工作概述
酒精浓度检测仪由酒精传感检测、信号转换电路、信号承受处理、结果显示等四个模块组成。
酒精浓度的的采集是应用MQ-3型酒精传感器，它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，本设计中模数转换器集成在STC12C5A32AD芯片中，单片机对所输入的数字信号进展分析处理，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LED灯点亮来报警，来提示其已经超过设定值，起到报警作用。
整体电路的设计功能完善，结构简洁，符合模块化的设计思路以与工程化的产品要求。
经过理论分析以与实际检验，产品的工作性能良好。
2.2需要解决的问题与拟采用的研究手段
本文以STC12C5A32AD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-3按检测电路，接上一定阻值的负载电阻，检测它的技术参数，确定MQ-3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A/D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。
（2）软件方面，标准确实定是该局部要做的主要工作。
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[17]。
本次设计需要研究解决的问题是：
（1）传感器电路的设计。
首先设计一个基准电压2.5V,采用差动输入使得V输出=V酒精浓度-2.5V。
从而使得传感器的输出X围符合STC12C5A32AD的X围。
发光二极管点越亮，酒精浓度越高燃烧产生的电压值越大，超过设定值，电路报警。
（2）使用LCD显示器来显示酒精浓度和输入的相关信息器；
〔3〕采用STC12C5A32AD芯片进展电路的总控制和检测。
2.3系统硬件电路总体结构框图
酒精检测仪电路总体结构框图如图2.1
MQ-3气体传感器
信号调理电路
模/数转换
电压/酒精浓度转换
阈值比拟
外部EEPROM
酒精浓度显示
过阈报警
图2.1酒精检测仪电路总体结构框图
2.4各局部单元电路介绍
2.4.1乙醇信号检测与调理电路
MQ-3乙醇气体传感器可以应用用于机动车驾驶人员与其他严禁酒后作业人员的现场检测，也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。
其技术特点为：
（1）对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性
（2）快速的响应恢复特性
（3）长期的寿命和可靠的稳定性
（4）简单的驱动回路
1主要技术指标如表2-1：
表2-1MQ-3主要技术指标
2MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线如图2.2所示，其传感原理为气敏电阻的输出阻值随乙醇气体等浓度变化而变化。
图2.2MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线
3MQ-3乙醇气体传感器管脚与测试电路如图2.3所示。
（a）管脚图（b）测试电路
图2.3MQ-3乙醇气体传感器管脚与测试电路
4MQ-3乙醇气体传感器与其调理电路,经过调理，检测信号由电阻值转变成电压值，便于后续电路进展A/D转换和处理。
信号调理电路是把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强等...但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进展调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入[12]。
然后，ADC对模拟信号进展数字化，并把数字信号送到MCU或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
其外形如图2.4所示
图2.4传感器实物图
5该传感器模块具有如下特点，方便与单片机系统接口组成检测仪器。
（1）具有信号输出指示。
（2）双路信号输出〔模拟量输出与TTL电平输出〕。
（3）TTL输出有效信号为低电平。
（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）。
（4）模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。
2.4.2单片机电路
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〞[10]。
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I/O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[1]。
本设计选用宏晶公司高性能单片机STC12C5A32AD，其实物和管脚如图2.5和2.6所示。
图2.5STC12C5A32AD单片机实物图图2.6STC12C5A32AD单片机管脚图
该芯片为52内核8位单片机，内部集成了10位多路A/D转换模块，适用于常用检测电路。
由于此芯片集成了AD转换器，所以传感器输出的信号可以直接接单片机，不需用再进展AD转换[2]。
由STC12C5A32AD组成的单片机系统原理图如图2.7所示。
AOUT为MQ-3传感器模块输出的检测电压信号，送入ADC7端口进展处理，DOUT为传感器模块输出的数字电平信号，该信号可以根据乙醇气体浓度直接输出报警信号，报警阈值通过模块上的电位器进展调节。
这是宏晶的mcs-51兼容单片机，最大频率可以达到35HMz，最大速度可以达到35MIPS。
这种单片机有32kBFlash，其中局部可以作为EEPROM使用；有1280BytesRAM，其中256Bytes是根本RAM，其他是扩展RAM，需要采用外部RAM方式访问；有2路10位ADC，可以简化外部硬件；多组PWM输出，可以免除外部DAC；有上电复位电路和看门狗，可以大大降低最简系统本钱和体积
单片机最小系统如图2.7：
图2.7单片机系统原理图
图2.7中，按键K2和K3为醉酒阈值调整键，其中K2为“增加〞，K3为“减小〞按键。
L2和L3为报警指示灯，分别可以进展酒后和醉酒两级报警。
2.4.3显示电路
显示局部采用SMC1602液晶屏进展数据显示，LCD1602每行可以输出16个字符，可以显示两行，故称1602，它不带中文字库，故只能显示数字、字母和普通字符。
液晶显示输出D0到D7口接P0.0到P0.7，单独使用一个口，另外还要接上10K上拉电阻来提高P0口带负载能力。
1602液晶屏主要技术参数如表2-2：
表2-2液晶屏技术指标
显示容量
16X2个字符
芯片工作电压
4.5~5.5V
工作电流
2.0mA（5.0V）
模块最正确工作电压
5.0V
字符尺寸
2.99X4.35〔WXH〕mm
接口信号说明如表2-3所示。
表2-3液晶屏接口信号说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DateI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DateI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DateI/O
4
RS
数据/命令选择端〔H/L〕
12
D5
DateI/O
5
R/W
读/写选择端〔H/L〕
13
D6
DateI/O
6
E
使能信号
14
D7
DateI/O
7
D0
DateI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DateI/O
16
BLK
背光源负极
LCD1602接口电路如图2.8所示。
其中J2的3脚为背光引脚，R7和R8电阻用于调节背光亮度。
J2的4、5、6引脚分别接液晶的RS、R/W和E控制引脚，J2的7—14引脚为数据引脚。
液晶屏接口如图2.8所示
图2.8液晶接口电路
2.4.4阈值存储
AT24C02是Ateml公司的2KB得电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10uA（5.5V），芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。
简而言之，AT24C02是一个在突然掉电的情况下存储数据的芯片，即掉电存储芯片。
醉酒阈值存储在EEPROM芯片AT24C04中，并可以通过“增加〞、“减少〞按键调节并保存。
AT24C04是IC接口的EEPROM芯片，可以用于掉电不易失数据的存储。
其电路如图2.9所示。
图中A0、A1和A2为芯片的地址引脚，一般接地即可。
SCL和SDA为AT24C04和单片机IIC通信的时钟线和数据线。
EEPROM存储电路如图2.9所示：
图2.9阈值存储电路
2.4.5供电与程序下载电路
本设计采用USB接口供电，电源电压5V。
同时，USB接口通过内含PL2303芯片的转换电路对单片机进展程序编写。
其电路原理如图2.10所示。
图2.10供电与程序下载电路
2.5其它外围电路
1电源指示灯电路如图2.11：
图2.11电源指示灯电路
发光二极管L1为电源指示灯，它的正极接电源正极，通过开关与电源正极相连，负极与1k的电阻相连接GND，L1亮，表示电路板已通电。
2阈值报警指示电路如图2.12：
图2.12阈值报警指示电路
发光二极管L1和L2为报警指示灯，当酒精浓度超过设定下限值时，L2灯亮，当酒精浓度值超过设定上限值时，指示灯L3亮。
灯的正极接5V电压，负极接1k的电阻分别接在单片机的P3.4和P3.5脚。
3按键设计
按键的功能是根据用户的不同需要，自行设定酒精限值，图中K2增加酒精浓度限值，K3减小酒精浓度限值
按键没按下去是1、4脚连通，2、3脚连通，当按下去四个脚都连通，本次按键的焊接是按键斜对角线，按键没有按下4脚和2脚不导通，按下4脚和2脚导通。
每个按键还需要一个上拉电阻，上拉电阻一端接VCC，一端接单片机16、17脚。
按键控制电路如图2.13：
图2.13按键控制电路
4晶振和滤波电路
晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，准确的单频振荡。
在单片机系统里晶振的作用非常大，它结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，给单片机作为一个时间基准，决定单片机的运行速度，单片机的一切指令的执行都是建立在这个根底上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。
晶振2脚和单片机18、19脚相连，没有正负极，2个20pf电容一个脚接地，一个脚和晶振相连。
滤波电路由22uf电解电容和0.1uf电容组成，22uf电解电容有正负极，长脚为正极接板子VCC，短脚为负极接板子GND，0.1uf没有正负极[5]。
晶振与滤波电路如图2.14：
图2.14晶振与滤波电路
5复位电路
为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一局部。
复位电路使用一个电解电容和一个10K的电阻。
电解电容使用10uf，长脚接VCC，短脚接单片机9脚，电阻一端接GND,一端接9脚。
复位电路如图2.15：
图2.15复位电路
2.6酒精检测仪总体电路原理图
硬件设计时，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伏的电压值并且电压值稳定，外部干扰小等[4]。
因此，可以直接把传感器输出电压值经过模数转换器送入单片机进展处理。
由于此设计中模数转换器集成在单片机中，所以直接把信号送入单片机就行了。
酒精浓度监测仪的硬件电路设计主要包括：
传感器测量电路、STC12C5A32AD单片机系统、光报警电路、LCD显示电路[8]。
图2.16为电路总原理图[6]：
图2.16酒精浓度检测仪电路总原理图
3Protel硬件开发软件
Protel是目前国内最流行的通用EDA软件，它是将电路原理图设计、PCB板图设计、电路仿真和PLD设计等多个实用工具软件组合后构成的EDA工作平台，是第一个将EDA软件设计成基于Windows的普与型产品。
它集成了软件界面、仿真功能和PLD设计和信号完整性分析，在此根底上Protel99SE又增加了一些新的功能，用户使用更加方便灵活。
Protel的功能十分强大，在电子电路设计领域占有极其重要的地位。
它以其强大功能和实用性，逐渐获得广阔硬件设计人员的青睐，是目前众多EDA设计软件中用户最多的产品之一[9]。
3.1Protel软件组成
Protel软件主要由电路原理图设计模块、印制电路板设计模块〔PCB设计模块〕、电路信号仿真模块和PLD逻辑器件设计模块等组成，各模块具有强大的功能，可以很好的实现电路设计与分析。
（1）原理图设计模块〔Schematic模块〕
电路原理图是表示电气产品或电路工作原理的重要技术文件，电路原理图主要由代表各种电子器件的图形符号、线路和结点组成。
图2.2所示为一X电路原理图。
该原理图是由Schematic模块设计完成的。
Schematic模块具有如下功能：
丰富而灵活的编辑功能、在线库编辑与完善的库管理功能、强大的设计自动化功能、支持层次化设计功能等。
（2）印制电路板设计模块〔PCB设计模块〕
印制电路板〔PCB〕制板图是由电路原理图到制作电路板的桥梁。
设计了电路原理图后，需要根据原理图设计成印制电路板的制板图，然后在根据制板图制作具体的电路板。
印制电路板设计模块具有如下主要功能和特点：
可完成复杂印制电路板〔PCB〕的设计；方便而又灵活的编辑功能；强大的设计自动化功能；在线式库编辑与完善的库管理；完备的输出系统等。
（3）电路信号仿真模块
电路信号仿真模块是一个功能强大的数字/模拟混合信号电路仿真器，能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真。
它运行在Protel的EDA/Client集成环境下，与ProtelAdvancedSchematic原理图输入程序协同工作，作为AdvancedSchematic的扩展，为用户提供了一个完整的从设计到验证仿真设计环境[15]。
在Protel中进展仿真，只需从仿真用元器件库中放置所需的元器件，连接好原理图，加上激励源，然后单击防真按钮即可自动开始。
3.2PCB板设计与实物图
（1）定元件的封装
①打开网络表〔可以利用一些编辑器辅助编辑〕，将所有封装浏览一遍，确保所有元件的封装都正确无误并且元件库中包含所有元件的封装，网络表中所有信息全部大写。
②标准元件全部采用公司统一元件库中的封装。
③元件库中不存在的封装，应自己建立元器件库。
（2）建立PCB板框
①根据PCB结构图，或相应的模板建立PCB文件，包括安装孔、禁布区等相关信息。
②尺寸标注。
在钻孔层中应标明PCB的准确结构，且不可以形成封闭尺寸标注。
（3）载入网络表
①载入网表并排除所有载入问题，具体请看《PROTEL技术大全》。
其他软件载入问题有很多相似之处，可以借鉴。
②如果使用PROTEL，网表须载入两次以上〔没有任何提示信息〕才可以确认载入无误。
（4）布局
①首先要确定参考点。
一般参考点都设置在左边和底边的边框线的交点〔或延长线的交点〕上或印制板的插件的第一个焊盘。
②一但参考点确定以后，元件布局、布线均以此参考点为准。
布局推荐使用25MIL网格。
③根据要求先将所有有定位要求的元件固定并锁定。
④布局的根本原那么
A遵循先难后易、先大后小的原那么。
B布局可以参考硬件工程师提供的原理图和大致的布局，根据信号流向规律放置主要原器件。
C总的连线尽可能的短，关键信号线最短。
D强信号、弱信号、高电压信号和弱电压信号要完全分开。
E高频元件间隔要充分。
F模拟信号、数字信号分开。
⑤一样结构电路局部应尽可能采取对称布局。
⑥按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准来优化布局。
3酒精浓度检测仪PCB如图3.1所示：
图3.1酒精浓度检测仪PCB
4软件编程
4.1软件流程图
本设计软件主程序流程图如下列图所示[3]。
是
否
是
否
图4.1主程序流程图
4.2程序见附录。
5酒精浓度检测仪的焊接与调试
5.1酒精浓度检测仪的焊接
5.1.1手工焊接的意义
手工焊接是一种比拟传统的焊接方法.手工焊接的质量直接影响到维修效果,而且它是一项实践性很强的技能,初学手工焊接人员一定要多练.多实践,才能达到较好的焊接效果,即有好的焊接质量[7]。
本次设计中用到的元件如下表：
表5-1元件列表
元件名称
元件个数
STC12C5A32AD单片机芯片
1个
AT24C02芯片
1个
六脚开关
1个
四角按键
2个
LED
绿色1个、红色2个
IN4148二极管
1个
电解电容
22uf1个、10uf1个
瓷片电容
20pf2个、0.1uf1个
电阻
1K6个、10K4个
晶振
1个
接口
假设干
5.1.2正确的焊接方法
焊接时利用烙铁头的对元件引线和焊盘预热，烙铁头与焊盘的平面最好成45°夹角，等待焊金属上升至焊接温度时，再加焊锡丝。
被焊金属未经预热，而将焊锡直接加在烙铁头上，使焊锡直接滴在焊接部位，这种焊接方法常常会导致虚焊。
5.1.3插件元件焊接步骤
（1
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