带有语音播功能的报酒精浓度测试仪设计.docx
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带有语音播功能的报酒精浓度测试仪设计
学士学位毕业设计（论文）
语音播报酒精浓度测试仪设计
学生姓名：
学号：
指导教师：
所在学院：
专业：
本科毕业设计（论文）任务书
学生姓名
所在班级
导师姓名
导师职称
副教授
论文题目
语音播报酒精浓度测试仪设计
题目
分类
1．应用与非应用类：
〇工程〇科研〇教学建设〇理论分析〇模拟
2．软件与软硬结合类：
〇软件〇硬件〇软硬结合〇非软硬件
（1、2类中必须各选一项适合自己题目的类型在〇内打√）
主要研究内容及指标：
主要设计一款酒精浓度检测仪。
1、对环境中的酒精气体进行检测，并通过显示屏显示出测量结果。
2、按下按键之后，通过语言模块对当前的测量值进行播报。
3、根据环境的不同，通过按键可以对测量范围进行设定。
主要参考文献：
[1]（英）PotterD.OverviewandapplicationsoftheIEEEp1451.4smartsensorinterfacestandardAUTOTESTCONProceedindings,2002
[2]M．Penzaetal．Alcoholdetectionusingcarbonnanotubesacousticandoptical
sensors[M]．AppliedPhysicsLetters，2004．
[3]潘新民.微型计算机控制技术实用教程[M].北京：
电子工业出版社，2006
阶段规划：
2014.02.17-2014.02.25：
在互联网和书店查找相关资料。
2012.02.26-2012.03.07：
对材料进行整理以及规划设计的整体思路并绘制电路图。
2012.03.07-2012.04.01：
采集器件，焊接电路板，进行调试。
2012.04.02-2012.04.25：
编写程序。
2011.04.26-2012.05.17：
对软件和硬件进行整体联调。
开题时间
2014.2.17
完成论文时间
2014.5.17
专家审定意见：
系主任签字：
年月日
注：
1．任务书由指导教师填写后交给学生，要求学生妥善保存。
2．此任务书夹于论文扉页与论文一并装订，作为论文评分依据之。
摘要
随着近几年来国内经济的发展以及人们生活水平的不断提高，汽车已经成为人们生活和工作中不可或缺的重要交通工具。
但是，随着汽车在给人们的生活带来方便的同时，也给交通带来了很大的不便。
其中，有很大一部分交通事故的原因就是酒后驾车。
因此，设计一种酒精浓度检测器可以有效地检测出司机口腔中酒精气体的含量，以此来检验司机是否属于酒后驾车，从而能够在一定程度上减少酒后驾车的危害。
本次设计主要以AT89C51单片机进行主体控制，通过MQ-3气体传感器来对气体进行检测，之后经由LCD液晶显示和语音模块进行播报。
关键词：
酒精浓度语音AT89C51气体传感器
ABSTRACT
Inrecentyearsthedevelopmentofthedomesticeconomyandpeople'srisinglivingstandards,carshavebecomeanindispensablemeansoftransportinpeople'slifeandwork.However,asthecartothelifeofpeoplebringconvenientwhile,alsobroughttrafficalotofinconvenience.Amongthem,drunkdrivingisoccupyahighproportionofinthetrafficaccident.Accordingtoworldhealthorganization（who）accidentsaccordingtothesurveyresults,eachyearabout50%to60%ofthetrafficaccidentsrelatedtodrunkdrivinganddrunkdrivinghavebeenlistedasthemainreasonofthedeaththeaccident.Therefore,designakindofalcoholconcentrationdetectorcaneffectivelydetectthedriveralcoholgascontentintheoralcavity,inordertotestwhetherthedriverbelongstodrunkdriving,sothattheycantoacertainextent,reducethedangersofdrunkdriving.
Keywords:
AlcoholconcentrationSpeakingAT89C51Gassensor
前言
最近几年，随着人们生活水平不断提高，越来越多的人有了自己的私家车，可是酒后驾车造成的交通事故也频频发生。
资料显示，我国几年间发生的交通事故中，有大约1/3是由酒后驾车引起的。
酒后驾车已经成为交通事故的首要原因。
为此，需要设计一款酒精浓度测试仪来测试驾驶员体内酒精含量的多少，方便确保驾驶员的生命财产安全。
酒精浓度测试仪,是指在一定条件下,对人呼出的气体中酒精含量进行检测和分析的仪器。
理论上来讲,判断人体内的酒精含量的最准确的办法就是对驾驶员抽血，然后进行比对分析酒精含量。
但是在事故现场，如果要现场对驾驶员抽血进行分析测试并不符合实际,所以，现在交警在执法时普遍使用酒精测试仪进行执法取证,通过现场对驾驶员呼出气体进行检测，分析其中酒精的含量，进一步来判定驾驶员是否属于酒后驾车。
本设计课题研究主要是以气敏传感器和单片机为主，对人体或环境中的酒精含量进行检测，并具有语音播报、蜂鸣器报警、阈值调节及LCD显示功能的酒精浓度测试仪。
这一测试仪可以根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行报警，来对人进行提示，同时可以通过按键对当前所测得的酒精浓度值进行播报。
1绪论
1.1课题研究的目的和意义
近年来，随着我国经济的迅速发展，人民的生活水平也在逐渐提高，出租车和私家车的数量也在逐年上升。
人们在亲戚，同学，朋友之间的聚会上难免会喝酒，由此就导致了酒后驾车造成的交通事故也频频发生。
根据一些资料显示，我国发生的交通事故中，酒后驾车引起的交通事故所占的比例大约是30％。
由于司机的过量饮酒造成人体神经麻痹，大脑反应迟钝，肢体不受控制，眩晕嗜睡等症状，而过量饮酒的人一旦驾车，就会有极大的可能发生车祸，从而对自身以及他人的财产造成威胁，严重还会危及生命。
现在我国的汽车数量约占世界总数的2％，但交通事故死亡人数却大约占15%。
虽然我国加强了酒后驾车大的处罚力度和交通事故的预防措施，但是交通事故数量还是相当惊人，从2009年到2013年，我国近几年交通事故总数和死亡人数如表1。
表12009-2013期间全国交通事故起数和死亡人数
年份
交通事故起数（起）
死亡人数（人）
2009
517899
107077
2010
450254
98738
2011
378781
89455
2012
327209
81649
2013
265565
73990
据世界卫生组织对交通事故的调查显示，平均每年有50％到60％的交通事故是由于酒后驾车。
酒后驾驶已经成为车祸致死的首要原因。
在我国，每一年由于酒后驾车而死于交通事故的人要超过5000人。
有专家指出驾驶死亡人数占交通事故总死亡人数的比例正在以平均每年7.3%的速度增长，酒后驾车俨然成为了交通事故致死的主要原因。
根据一份调查数据显示：
平均每30分钟就会有一人死于与酒后驾车。
尽管大多数人抱有侥幸心理，认为酒后驾车引起的交通事故发生在自己的身上的概率很低，但专家的统计结果证明：
一个人一生中卷入与酒后驾车的交通事故的概率约为30%。
显然，当喝酒与开车结合在一起的时候，死亡很可能马上就会降临。
正是由于酒后驾车造成了无数个原本幸福美满的家庭瞬间支离破碎。
虽然我国现行法律规定对酒后驾车的处罚力度已经大大加强，但是还是有很多人以身试法。
因此酒后驾车者还是比较多。
当人体内酒精浓度超过一定含量时，人的控制能力和反应能力就会降低，特别是对紧急情况的处理能力会有所降低。
驾驶员体内酒精含量越高，发生撞车意外的几率也就越大。
据某网站的调查结果显示，有将近81%的人认为酒后驾驶属于违法行为，但当被问及是否有过酒后驾驶的经历时，仅有20%的人表明从来没有在饮酒后开车。
当被问及酒后驾驶是出于何种心理时，还有大约19%的人则是认为酒后驾驶的司机存在侥幸心理，大约27%的人认为酒后驾驶的人安全意识太差，大约39%的人认为酒后驾驶员过于相信自己的高超驾驶技术。
因此，针对这一现象，需要设计出一款能够测试驾驶员体内酒精含量的仪器，以便协助交警同志的执法与驾驶员的安全驾驶，从而减少酒后驾车而引起的交通事故的发生。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
由于司机酒后驾车事故频繁，国外很早便已经开始设计和研发针对酒后驾驶的检测设备。
1957年1月23日，世界上第一台酒精呼吸检测仪在瑞典投诞生，并当场进行测试。
它能检测出人呼出气体中酒精的含量，并将所测得的数据显示在仪器的显示屏上。
根据这一情况，就可以判断司机是否属于酒后驾车。
目前，美国、英国、澳大利亚、德国、法国、荷兰、、西班牙等欧洲国家，检查司机酒驾所普遍采用的办法就是在事故现场，由交警随身携带的酒精检测仪，对司机所呼出的气体中酒精的含量进行检测，之后，交警再根据所测得的结果对驾驶员做出相应的惩罚。
为了能够帮助驾驶员自行测试是否酒后驾驶，国外许多国家先后研究出了用在汽车上的不同的测试方法。
英国生产出了一种高智能汽车，来帮助司机进行酒精浓度监测。
上面装有一套名为“Manpolice”的检测系统，该系统由感应器、红外线摄像机以及具有分析功能的“小黑箱”构成。
首先通过摄像机探查司机眼球的活动情况，并且对由感应器探测到的方向盘旋转方向进行系统分析。
之后，再根据对方向盘转动情况的分析得到的数据与从扫描司机瞳孔移动装置所得到的信息进行比较和分析，经过这一对比就可以判断司机的头脑是否处于清醒状态。
再根据司机审视行车方向距离的长短，来对司机的醉酒程度进行判定。
意大利检测司机是否属于酒驾的办法则是将一种名为酒精检测MEMS传感器安装在车上，将MEMS传感器安装在方向盘的中间部位，MEMS传感器将元件植入在一个直径8毫米的密封壳内、连同信号处理电路等一起镶嵌在方向盘内，通过该传感器检测出驾驶员呼出的气体中酒精含量的多少，从而判定司机是否属于酒后驾车。
日本所采用的酒后驾驶控制系统则是通过变档器上的探测声纳来检测司机手上产生的汗液中所含有酒精的含量，如果检测到汗液中有酒精，汽车便会自动上锁，并经由车内的声音报警系统发出的提示音对司机进行提醒，该系统还可以通过汽车的行车状况来判断出司机是否酒后驾车，并会发出声音报警提示，同时在导航系统中显示出“您已酒后驾车”的信息。
1.2.2国内研究现状
在我国，一家香港公司研究出了一种名为“I—KEY”的车钥匙，它可以有效而方便地防止司机醉酒驾车。
这款车钥匙与其他车钥匙与众不同之处在于，它结合了远程信息处理、感应器等技术，如果将它跟普通的车钥匙相比的话，它在外形上多了一条锁棒。
在使用钥匙的时候，司机需要先按下“I—KEY”上面的开始按键，当绿色指示灯亮了之后，再对着“I-KEY”上面的气孔吹气大约两秒钟。
如果检测出气体中的酒精的含量不高于设定值的时候，“I-KEY”就会把锁棒收起，车钥匙就可以顺利插入钥匙孔。
如果检测出气体中的酒精的含量高于设定值的时候，钥匙将亮起红灯，锁棒就不会收起，使司机无法启动汽车。
进一步降低醉酒驾车所带来的危害。
国内目前也有很多汽车厂商模仿日本厂家开始进行研究，使用该公司生产的产品的机动车，会在司机的座位上安装了酒精气味传感器,通过检测司机所呼出的气体中酒精的含量来检测司机是否属于醉酒状态。
如果司机属于醉酒状态，系统将会发出警示，首先是系统进行声音报警，之后在液晶显示屏上显示出“您已酒后驾驶”的字样，倘若驾驶员仍然执意要驾驶的话，该产品的控制系统将会机动车断电，使汽车无法启动；等到车内酒精含量降低到测量标准以下，该系统就会解除对机动车的控制，恢复机动车行驶功能。
2总体方案设计思路
本次设计以AT89C51单片机为核心，设计出一款能够显示所测得的酒精浓度并带有语音播报功能的酒精浓度检测仪，并且随着环境的不同可以对检测浓度的范围进行调节。
2.1硬件系统设计思路
本研究设计通过该酒精传感器检测驾驶员呼出气体的酒精含量，判断驾驶员体内的酒精含量有没有超标，进一步判断驾驶员是否能够正常驾驶，通过硬件系统处理，可以再显示屏上显示测得的酒精浓度并进行语音播报，使执法人员能够清楚的了解自己是否饮酒过度。
由于需要对驾驶员呼出气体中的具体酒精浓度值进行显示，所以本次设计选用了LCD显示模块。
为了能够提示驾驶员是否处于醉酒状态，本系统中需要设计一种报警系统，如果驾驶员体内的酒精含量超出所设定的范围，系统就会播报出当前的浓度值，若超出范围就会发出警告。
由于在不同环境中，测量的范围就需要进行调节，因此，需要设计一个调节系统，使得设计出的产品应用的范围更广泛。
通过选用本方案中的元件，该检测仪能够快速通过传感器来检测驾驶员呼出气体中的酒精浓度的含量，再由单片机的放大、采集处理的功能来检测驾驶员呼出气体中的酒精含量是否符合标准，一旦检测到驾驶员体内酒精含量超出所设定的值，检测仪就会在显示屏上显示出酒精浓度值和语音播报并进行报警。
由于需要在驾驶员所呼出气体中测得其中酒精含量的浓度，再经由测量仪显示出来。
因此，硬件设计主要思路就是需要由酒精浓度传感器将检测到的浓度值转换为电压信号，然后将电压信号传送给模数转换器，经过模数转换器转换后，再将转换后的数字信号发送给单片机，单片机对这一数字信号进行处理分析，之后将处理分析的结果经由语音模块和显示屏表示出来。
2.2软件系统设计思路
确定标准是这一部分需要做的主要部分。
由于起初的采样值是一种间接的负载分压值，因此需要将它转化成被测酒精浓度值。
通过很多样品的测量确定很多浓度区间的标准，并将每一个区间的转换关系近似线性化处理，最后由软件编程的方法来体现。
3硬件系统设计
3.1硬件系统框图
应用MQ-3型气体传感器和AT89C51单片机实现检测酒精气体浓度的功能，之后用信号采集模块对酒精浓度信号进行采集，这一信号是由负载电压和MQ-3气体传感器得到的分压电信号[2]。
然后把所采集到的模拟电压信号通过信号转换模块来进行转换，之后就可以形成可以由单片机处理的数字信号。
最后LCD显示模块对单片机所处理后的数字信号进行显示，显示出测量结果。
报警模块是对设定值提供报警功能，这一功能需要用语音模块表达。
根据对各功能模块的设计，硬件系统框图如图1所示。
图1语音播报酒精浓度系统框图
3.2元器件的选择
3.2.1气敏传感器
根据被检测气体的不同，气敏传感器可分为三类:
（1）可燃性气体这种气敏传感器的需求量非常大，主要包括各类无机和有机气体的检测，主要应用领域有抽油烟机、泄露报警器等方面。
这种传感器在油田、矿区及家庭等领域被广泛用作气体泄漏报警，尤其是应用在家庭气体如煤气，液化气，天然气等可燃性气体等方面泄漏报警，使得这类传感器具有很大的发展前景和市场。
（2）一氧化碳和氢气一氧化碳气敏元件可以应用在环保、家庭、工业等一氧化碳泄漏检测报警；氢气气敏元件除了可以应用在工业领域外，还可以应用在家庭管道泄露报警。
由于氢气被称作是21世纪的新能源，但是化学性质很不稳定，容易爆炸，而同时氢敏元件与一氧化碳元件相比较来说价格相对低，灵敏度高，因此，氢气气敏传感器的应用也比较广泛。
（3）毒性气体毒性气体传感器也叫环境有害气体传感器，主要应用领域有检测汽车尾气、废气等环境污染气体等方面[4]。
尽管二氧化硅气敏传感器对一氧化碳，硫化氢得有毒有害气体也很敏感，但应用最为广泛的还是电解式化学传感器。
由于本次设计所检测的酒精气体属于可燃性气体，所以选用可燃性气体传感器中的酒精气体传感器。
而酒精传感器中最常见，使用最广泛的就是MQ-3气体传感器。
与其他气体传感器相比，MQ-3气体传感器对酒精气体具有灵敏度高，快速的相应恢复特性，功耗也比较低等特点。
除此之外，MQ-3气体传感器的使用寿命也比较长，稳定性也比较高，驱动回路也比较简单，性价比很高。
所以，本设计选择MQ-3气体传感器比较合适。
3.2.2单片机
单片机是一种集成电路芯片，它是采用一种超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、定时器、多种I/O口和中断系统等功能集中到一块具有一个小而完善的微型计算机系统的小硅片上，在工业控制领域中具有广泛的应用[1]。
单片机具有低功耗、小体积、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，在仪器仪表中具有广泛的应用，只要与各种类型的传感器相结合，就可以对一些物理量进行测量，如电压、电流、功率、温度、流量、速度、长度、压力等等[3]。
现如今单片机已经深入到人们生活的各种领域，例如对航天飞船上各种仪表进行控制，计算机的网络通讯和数据传输，过程的实时控制与数据处理，轿车的安全保障系统，各种智能IC卡，摄像机、录像机等，这些都需要由单片机进行控制。
目前最常用的单片机主要有MCS-51系列、PIC系列、AVR系列。
MCS-51系列单片机的优点是具有内部的硬件到软件有一套完整的按位操作的系统，因此也被叫作位处理器，可以进行的功能主要有位传送、逻辑运算、清零、置位、测试等[5]。
8051是Intel公司51系列产品中应用最广泛的产品，它具有4K字节的一次性程序存储器。
这可以使调试和编程有极大的便利，其产品主要包括AT89C51、AT89C52等，是现如今应用很广泛的8位单片机。
PIC系列单片机采用Harvard双总线结构，具有很快的运行速度和指令流水线结构，也可以并行处理数据存储器的访问和程序存储器的访问。
但在编程时扩展能力相对较弱，分页也很麻烦。
AVR集中了PIC和51的优势，它具有比PIC更快的指令周期，比PIC要高的性价比，AVR它的结构跟PIC相差不大，具有很多相似的共同点，只是在使用C语言开发置位相对比较麻烦，在位操作方面也不如PIC和51方便，因此在工业领域应用反而不太广泛，多用于仪器、通信上。
由于MCS-51系列单片机与其他两种单片机相比，调试和编程更方便，应用领域也更广泛，性价比也不错。
所以选择MCS-51系列单片机比较合适。
由于AT89C51单片机具有128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，可编程串行通道，使用寿命长，数据保留时间长的特点，而且，由于在平时的设计中也经常使用AT89C51单片机，对其比较了解。
基于以上的原因，选择AT89C51单片机比较符合本次设计的要求。
3.2.3模数转换器
A/D转换即模数转换，就是把模拟信号转换成数字信号。
A/D转换器常用的几种类型有：
逐次逼近型、积分型、并行比较型/串并行型。
（1）逐次比较型
逐次比较型模数转换器由一种D/A转换器和比较器经过依次比较逻辑构成，从MSB开始，按照一定顺序对每一位输入电压和内置的D/A转换器输出进行对比，经过n次比较之后输出数字值。
属于中等电路规模。
优点是低功耗，高速度。
（2）积分型
积分型模数转换器的工作原理是将输入电压转换成频率或时间，再由定时器或计数器得到数字值。
其优点是只要通过简单电路就能得到高分辨率，但是缺点则是由于转换精度过于依赖于积分时间，导致转换速率非常低。
早在初期的时候积分型在单片A/D转换器中很受追捧，现如今逐次比较型已经成为主流。
（3）并行比较型/串并行比较型
并行比较型模数转换器是应用很多比较器，只作一次比较而实行转换，又被作是Flash型。
因为转换速率很高，转换N位需要使用2N-1个比较器，但是电路规模也很大，价格也很高，所以并行比较型模数转换器只适用于速度特别高的领域，如视频模数转换器。
串并行比较型模数转换器具有处于并行型模数转换器和逐次比较型模数转换器之间的结构，其中比较典型的结构就是由两个N/2位的并行型模数转换器结合模数转换器构成，用两次比较进行转换，所以也称为Halfflash型。
这类模数转换器具有比逐次比较型更高的速度，比并行型更小的电路规模。
模数转换器的主要技术指标
（1）分辨率，指的是数字量变化为一个最小量时模拟信号的变化量，大小为满刻度与2N的比值。
所以分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。
（2）转换速率，指的是结束一次从模拟的模数转换到数字的模数转换所需要的时间的倒数。
积分型模数转换器的转换时间是毫秒级，属于低速模数转换器，逐次比较型模数转换器是微秒级，属于中速模数转换器，全并行/串并行型模数转换器可达到纳秒级，属于高速模数转换器。
由于
基于逐次比较型模数转换器的功耗低，转换速度快，应用领域更广泛，所以选择逐次比较型的模数转换器比较合适。
其中的ADC0832模数转换芯片与其他类型的模数转换器相比，它的体积小，兼容性，性价比更高，而且操作比较简单，更有助于了解模数转换器的原理，因此ADC0832模数转换芯片有很高的普及率。
由于这些因素，本次设计选择使用ADC0832模数转换器。
3.3AT89C51最小系统设计
为了使酒精浓度测试仪可以具有更高的性能，并且具有更好的实用性，需要对酒精浓度测试仪的硬件方面进行完整的设计。
本测试仪的硬件设计采用模块化的设计方案。
按实现的功能来分，可分为以下五个模块：
酒精气体检测模块，模数转换模块，数值显示模块，语音播报模块，阈值调节模块。
所以，整个电路的核心是AT89C51单片机，需要由单片机来对其他模块进行控制，以便完成各种功能。
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的高性能、低电压CMOS8位微处理器。
AT89C51具有2K字节闪存同时既可以编程也可以擦除只读存储器。
AT89C51单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除一千次[9]。
这款单片机制造技术是采用ATMEL高密度非易失存储器，并且它可以和工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相互兼容[10]。
由于这款单片机将多功能8位CPU与闪烁存储器整合在一个芯片中，因此，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
晶振电路的设计
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。
有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步[7]。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。
如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
本设计的晶振电路如图2所示。
图2晶振电路
由图可知，将晶振两端分别连接在单片机的XTAL1和XTAL2引脚，并在两端分别接入两个电容，之后接地。
3.4MQ-3气体传感器电路设计
MQ-3型气敏传感器的表面部分是由二氧化锡的N型半导体微晶烧结层组成。
当有被测气体内的酒精分子吸附在表面时，就会改变表面导电电子所占的比例，从而使得表面电阻阻值就会随着被测气体浓度的变
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