酗酒报警器软件设计论文Word格式文档下载.docx
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我国传感器市场的增长率超过15%，2010年销售额为436亿元人民币，2011年销售额为501亿元人民币，预计2012年为576亿元人民币，2013年为663亿元人民币。
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[3]。
1．3本文主要研究工作
本文以AT89S52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）硬件电路分析：
了解整个设计的硬件电路构成和所用引脚。
对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；
采用液晶显示和3个单位不同超标浓度报警。
（2）软件电路设计：
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。
2硬件电路设计与实现
2．1整体设计
基于AT89S52单片机用MQ-3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-3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的模拟电压信号转换位可以用单片机处理的数字信号。
液晶显示模块是对单片机处理后的数字信号的显示，用来显示酗酒情况。
语音报警模块是对设定值提供报警功能。
根据各功能模块的设计思想，可得到它的系统总框图，如图2-1所示。
图2-1系统总框图
2．2芯片的选型
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[4]。
单片机具有全电脑功能，且体积小、可靠性高、价格便宜、简单易学和开发应用方便，深受广大科技人员的欢迎。
单片机具有众多的I/O口线，丰富的操作指令，较强的逻辑能力，非凡适用于各类工业测控系统。
在此领域，单片机的应用主要有以下方面：
①过程控制：
如电镀工艺加工过程控制，塑料注射成型加工过程控制等。
②数据采集：
工业生产过程需要各类采集系统，如电厂运行数据采集系统和轧钢机运行数据采集系统等，借此实现智能化测量和自动控制。
③智能化仪器仪表：
如发动机油耗测试仪和液压系统参数测试仪等。
④机电设备的现代化改进：
如将普通机床改为数控机床和将原生产线改为全自动生产线等[5]。
将单片机应用于工业测控系统，有利于提高测控精度和智能水平，有利于提高设备的自动化水平及可靠性，有利于降低生产成本。
介于本设计所要求对单片机性能要求并不太高。
所以采用美国ATMEL公司的基于51内核的AT89S52单片机为主控制芯片。
本系统采用单片机为控制核心。
单片机/MCU主要有51基本型和52增强型，而相比之下52型比51型功能更为强大，ROM和RAM存储空间更大，52还兼容51指令系统。
基于本系统设计内容的需要，综合考虑后，我们选择单片机AT89S52为控制核心；
主要基于考虑AT89S52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。
AT89S52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，89S5X可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
同时AT89S52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。
AT89S52是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4K的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器，既可在线编程也可以用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，可灵活应用于各种控制领域。
AT89S52提供以下标准功能：
4KBFlash闪存存储器，128B内部RAM，32个I/O口线，看门狗，两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路[6]。
根据实际需要，本次设计选用的是以8052为核心单元Atmel公司的低耗AT89S52单片机，如图2-2所示。
AT89S52芯片有40条引脚，采用双列直插式封装，如图2-3所示。
下面说明各引脚功能。
图2-2AT89S52实物图图2-3AT89S52引脚图
VCC：
运行和程序校验时接电源正端。
GND：
接地。
XTAL1：
输入到单片机内部振荡器的反相放大器。
XTAL2：
反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。
P0口：
8位漏极开路的。
使用片外存储器时，作低八位地址和数据分时复用，能驱动8个LSTTL上拉电阻。
P1口：
8位、准双向I/O口。
P2口：
当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。
可以驱动4个LSTTL负载。
P3口：
8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路，提供各种替代功能。
P3.0——RXD串行口输入口，P3.1——TXD串行口输出口，P3.2——INT0外部中断0输入，P3.3——INT1外部中断1输入，P3.4——T0定时器/计数器0的外部输入，P3.5——T1定时器/计数器1的外部输入，P3.6——WR低电平有效，输出，片外存储器写选通，P3.7——RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。
RST：
复位输入信号，高电平有效。
在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。
EA/VCC：
片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。
高电平时选择片内程序存储器，低电平时程序存储器全部在片外而不管片内是否有程序存储器。
ALE/PROG：
地址锁存允许信号，输出。
ALE以1/6的振荡频率固定速率输出，可作为对外输出的时钟或用作外部定时脉冲[6]。
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AT89S52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[7]。
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AT89S51单片机提供正常的工作电压。
对于晶振部分，AT89S52单片机中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚19对应的XTAL1和18对应的XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。
石英晶体及电容C1和C2接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路。
石英晶体的两端分别接到引脚XTAL1和引脚XTAL2，同时石英晶体的两端分别接一个电容C1和C2，电容的另一端接地。
对于外接电容C1和C2的大小虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小还是会对振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度和温度稳定性带来一定的影响。
根据技术资料的推荐，使用石英晶体推荐电容容量为30pF±
10pF，使用陶瓷谐振器推荐电容容量为40pF±
10pF。
因为电路中接的是石英晶体，所以设计中接的两个电容C1和C2的容量都为33pF。
对于复位电路部分，AT89S52技术资料给出，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。
复位是单片机的初始化操作，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，可以按复位键以重新启动，所以复位电路的设计很有必要。
复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种方式，本设计选用按键电平复位方式。
如图7所示，10μF的电容C3与270Ω的电阻并联后再与一个10KΩ的电阻串联，电容的正极端接到电源的正极，电容的另一端接至引脚RST。
设计中选用的石英晶体大小为11.0952MHz,但复位键按下后，电容和电阻选用的参数值能够保证给复位端RST提供大于2个机器周期的高电平复位信号[8]。
2．3QM-3气体酒精传感器选型及介绍
2.3.1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，气体传感器是将一种气体体积几分数传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，通常包括滤除杂志和干扰气体，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的测量。
气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。
当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性（例如电导率）发生变化。
目前流行的定性模型是：
原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。
1、半导体气敏元件的特性参数
①气敏元件的电阻值
将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件（电阻型）的固有电阻值，表示为Ｒａ。
一般其固有电阻值在（103～105）Ω范围。
测定固有电阻值Ｒａ时,要求必须在洁净空气环境中进行。
由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。
因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。
②气敏元件的灵敏度
气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。
它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。
表示方法有三种：
（a）电阻比灵敏度K；
（b）气体分离度RC1—气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值；
RＣ2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。
通常C1＞C2；
（c）输出电压比灵敏度KV；
Va：
气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；
Vg：
气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出。
③气敏元件的分辨率
表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。
气敏元件分辨率S表示为Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；
Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压；
Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压。
④气敏元件的响应时间
表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。
一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63％时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。
⑤气敏元件的加热电阻和加热功率
气敏元件一般工作在200℃以上高温。
为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻（指加热器的电阻值）称为加热电阻，用RH表示。
直热式的加热电阻值一般小于5Ω；
旁热式的加热电阻大于20Ω。
气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用ＰＨ表示。
一般在（0.5～2.0）W范围。
⑥气敏元件的恢复时间
表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63％时所需时间。
2、烧结型SnO2气敏元件
SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。
烧结型应用最广泛性。
其敏感体用粒径很小（平均粒径≤１μm）的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。
主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。
根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。
直接加热式SnO2气敏元件（直热式气敏元件） 由芯片（敏感体和加热器），基座和金属防爆网罩三部分组成。
因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。
3、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。
②CO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[9]。
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[10]。
2.3.2QM-3型气体传感器特点及用法
本设计中的酒精气体传感器采用河南汉威电子有限公司的MQ-3型,它属于MQ系列气敏元件的一种。
如图2-4所示：
图2-4MQ-3型传感器实物图
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-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[3]。
它可以用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业的人员现场检测；
也用于其他乙醇蒸汽的检测[11]。
QM-3酒精传感器的标准工作条件，环境条件及灵敏度特性分别如表2-1，表2-2，表2-3所示。
表2-1标准工作条件
符号
参数名称
技术条件
备注
VC
回路电压
≤15V
ACorDC
VH
加热电压
5.0V±
0.2V
RL
负载电阻
可调
RH
加热电阻
31Ω±
3Ω
室温
PH
加热功耗
≤900mW
表2-2环境条件
Tao
使用温度
-10℃~50℃
Tas
储存温度
-20℃~70℃
相对湿度
小于95%RH
O2
氧气浓度
21%（标准条件）
氧气浓度会影响灵敏度特性
最小值大于2%
表2-3灵敏度特性
Rs
敏感体电阻
1MΩ~8MΩ
（200ppmalcohol）
适用范围：
10~1000ppmalcohol
α（200/100）
alcohol
浓度斜率
≤0.6
标准工作条件
温度：
20℃±
2℃Vc:
0.1V
相对湿度：
65%±
5%Vh:
预热时间
不小于24小时
MQ-3的灵敏度特性曲线如图2-5所示。
图2-5MQ-3灵敏度特性曲线
检测电路如图2-6所示，现在HH端通入加热电流，实测A，B之间电阻大于20MΩ。
则H，H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-3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-3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[10]。
图2-6检测电路
2．4信号采集电路设计
图2-7信号采集电路
如图所示，SENOR代表气体酒精传感器MQ-3，RP是一个10K的电位器，通过图上接法，通过采集电位器和传感器之间的电压。
并通过ADC0809模数转换器转换成8位数字信号后传送给单片机处理，只需要配置相应的几根控制引脚，ADC0809就能以最快的速度完成AD转换并将结果传送给单片机。
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D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A/D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[12]。
图2-8ADC0809内部逻辑结构
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图2-9所示。
下面说明各引脚功能[13]。
图2-9ADC0809引脚图
IN0~IN7：
8路模拟量输入端。
2-1~2-8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。
。
ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
START：
A/D转换启动信号，输入，高电平有效。
EOC：
A/D转换结束信号，输出，当A/D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A/D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。
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A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D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A/D转换。
表2-4ADC0809通道地址
ADDCADDBADDA
选通通道
000
IN0
001
IN1
010
IN2
011
IN3
100
IN4
101
IN5
110
IN6
111
IN7
单片机引脚P3.1与模数转换芯片的EOC端用导线相连接，用于单片机对模数转换是
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