酒精浓度检测仪.docx
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酒精浓度检测仪
1引言
从工厂企业到居民家庭，酒精泄露的检测、监控以及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。
同时，随着我国经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，酒后驾车是导致交通事故的一个主要因素，资料显示,我国近几年发生的重大交通事故中,有将近三分之一是由酒后驾车引起的。
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,为了防止机动车辆驾驶人员酒后驾车，现场实时对人体呼气中酒精含量的检测已日益受到重视，酒精浓度测试仪逐渐得到广泛应用。
此外，酒精测试仪也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度的场合。
如今，气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展，因此，酒精浓度检测仪具有十分广阔的现实市场和潜在的市场要求。
综观现有的酒精检测器,系统实现方案上大部分以单片机为基础,并借助相应的外围电路,将检测结果通过LED、LCD等显示方式告知使用者。
本设计用的MQK2酒精传感器就是一种对气体敏感的化学传感器，它能随着外部气体的浓度或不同而改变敏感膜的电阻。
系统选AT89S52单片机为控制核心，对检测到的气体状况进行相应的处理分析、处理和显示，并通过报警进行提示。
关键词：
酒精传感器MQK2AT89S52单片机报警
第一章气敏传感器
2.1气敏传感器工作原理
气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的
电导率发生变化这一机理来进行检测的。
人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。
气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。
它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。
它的应用主要有：
一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
半导体气敏传感器对于低浓度气体具有很高的灵敏度，具有嗅觉功能，能自动检测瓦斯浓度。
一旦瓦斯超限，气敏传感器即可自动报警，然后采取先抽后采的原则，即可防止瓦斯爆炸事故的发生。
半导体气敏传感器是利用待测气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化来检测气体的种类和浓度的。
当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处时，如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而形成正离子吸附。
如H2、CO、碳氢化合物等，被称为还原型气体。
当还原型气体吸附到N型半导体上时，载流子增多，使半导体电阻值下降。
2.2气敏传感器
气敏传感器是酒精检测系统的核心，通常安装在探测头内。
从本质上讲气敏传感器是一种将某种气体的体积分数转化成对应电信号的转换器。
探测头通过气敏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的测量。
目前普遍使用的气敏传感器有燃料电池型（电化学型）和半导体型两种。
他们能够制造便携型呼气酒精浓度测试器，适合于现场使用。
与半导体传感器相比，燃料电池酒精传感器具有稳定性好、精度高、抗干扰性好等优点。
由于燃料电池酒精传感器的结构要求很精密，制造难度大，目前世界上只有美国、德国、英国等少数几个国家能够生产。
本测试器采用MQK2酒精浓度传感器，检测人体呼出气体中酒精浓度并且输出电压信号。
MQK2酒精浓度传感器主要由气敏元件和电阻丝组成，MQK2传感器外接+5V电压时，能将电阻丝加热到270℃～300℃。
，电路将MQK2传感器的阻值变化转化成输出电压的变化，从而可以通过A/D转换成数字量供单片机处理。
根据分析，乙醇浓度增加时元件电阻R减小反之异亦反，所以呼出气体中的气态乙醇逐渐扩散后元件电阻R敏感的变化。
第二章酒精浓度检测仪发展的现状
在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。
一是气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展国外气体传感器发展很快。
二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。
2.5.1气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展
国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。
因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为（27～30）％。
目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：
一是提高灵敏度和工作性能，降
低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。
如日本费加罗公司推出了检测（0.1～10）×10－6硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。
二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。
如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。
2.5.2国内现状与差距
气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。
其现状是：
（1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90％以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品;
（2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料;
（3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试;
（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。
产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。
总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。
2.5.3市场需求分析
气敏元件、传感器及其应用产品具有十分广阔的现实市场和潜在的市场需求。
以4类气敏元件传感器为例，作简要市场需求分析。
（1）可燃性气体气敏元件传感器
这是需求量最大的一类气敏元件传感器，包含各种烷类和有机蒸气类（VOC）气体，目前大量应用于抽油烟机、泄漏报警器和空气清新机，已形成批量生产规模，每年约有500万支以上的市场。
随着在油田、矿区、化工企业及家庭等生产生活领域广泛用作气体泄漏报警，非凡是用于家庭气体泄漏报警，如液化石油气、天燃气及其他可燃性气体的检测报警等，预计在2001年—2005年将会有成倍需求。
（2）一氧化碳和氢气气敏元件传感器
这两种也是最有需求量的气敏元件传感器。
一氧化碳气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃烧检测报警；氢气气敏元件除工业等领域应用外也同一氧化碳气敏元件一样，广泛用于家庭管道煤气泄漏报警。
由于我国管道煤气中氢气含量高，而氢敏元件较之一氧化碳元件价格低，灵敏度高，因此，用氢敏元件做城市管道煤气泄漏报警更为适宜。
由于管道煤气泄漏、灶具不合格导致不完全燃烧而造成CO中毒等灾难事故是十分严重的，每年都给我们留下惨痛的后果，仅哈尔滨市1998年11月2日一次管道煤气泄漏事故就造成37人中毒，8人死亡。
因此，安装煤气报警器已成为政府为保护人民生命财产安全而强制推动的一项措施。
目前我国已有黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市等发布文件。
随着城市燃气化的扩大、政府立法和人民安全保护意识的提高，城市家庭安装气体报警器必将很快推广普及，一氧化碳、氢气敏元件传感器的需求量将会急剧增加。
美国已有7个州11个城市通过立法要求家庭安装CO报警器。
据统计，按一间卧室安装一台CO报警器计算，美国CO报警器市场应该是9400万台，按目前价格计算是38亿美元，而且每年可新增40万台。
早在1994年，我国城市燃气用户就达到2978万户，用气人口10421.8万人。
我国660个城市，有液化石油气的城市513个，同时兼有人工煤气的城市170个，有天然气城市55个，国家计划到2000年城市人口平均气化率达到60％～70％。
目前大约有1.2亿居民、约（3000～4000）万户使用燃气，按这些燃气用户的40％安装气体报警器计算，需求量就达1200万台以上。
而随着城市燃气应用的扩大，用气人口增多，报警器需求量必将迅速增加。
另一个需要安装气体报警器的是使用燃气热水器非凡是直排式燃气热水器的场所。
由于燃气热水器使用不当或质量变坏发生不完全燃烧，造成CO中毒现象时有发生，南京、上海、福洲、北京、衡阳等都有过报道。
仅据来自中国消费者协会的投诉统计，1998年全国就有16人死于燃气热水器事故，伤4人，残2人，比1997年上升了200％。
为防止灾难事故，安装CO报警器十分重要。
目前我国颁发燃气热水器生产许可证企业153家，燃气热水器社会拥有量已在3000万台以上，其中50％以上是直排式。
为了安全，国家技术监督局已发布强制性标准（GB6932－94），要求燃气热水器必须有防止不安全燃烧的保护装置。
要求上述热水器5年内安装完CO报警（控制）器，仅此每年就需要600万台。
显然，其需求量是相当大的。
（3）氧传感器
氧传感器应用很广泛，在环保、医疗、冶金、交通等领域需求量很大。
以汽车用氧传感器为例，为提高汽车性能，降低排气污染，国外已采用电子燃油喷射系统（EFI）代替化油器，如美国、德国和日本，EFI系统的装车率已分别达100％、98％和90％。
我国八五期间将EFI列入国家科委攻关计划。
经过攻关，现已在切诺基、小红旗、桑塔纳等轿车上成功安装了EFI，在一个发动机电子喷射系统中要使用温度、压力、气体、爆震、位置等传感器（6～8）个，其中氧气传感器是控制发动机点火和尾气排放的最主要的传感器。
一套闭环控制系统要用（1～2）氧传感器。
目前我国尚不能生产汽车用氧传感器，主要依靠进口。
预计到2000年后，国内氧传感器配套将有大的需求，如上海汽车电子有限公司，EFI系统年产能力为120万套，全部配套传感器就要240万支。
我国1998年汽车生产超过10万辆的有上海大众、一汽、天汽、东风、长安、柳州五菱等六家企业。
按此估计，仅用于汽车的氧传感器，我国年需量也要在500万支以上。
酒后驾车测试仪的设计
摘要
以单片机和气体传感器为核心，设计了酒精浓度检测仪,实现了不同环境下酒精浓度的检测。
本文主要介绍了酒精浓度检测仪整体结构，设计了系统硬件电路，阐述了各模块功能并着重研究了气体传感器的选择。
关键词：
单片机；A/D转换；酒精传感器
Abstract
Analcoholconcentrationdetectorisdesignedtakensinglechipcomputerandgassensoraskernel.Thealcoholconcentrationindifferentenvironmentcanbemeasured.Inthispaper,thewholeconstructofthealcoholconcentrationdetectorisintroduced;thesystemhardwarecircuitisdesigned;thefunctionofeachmodelandhowtoselectthegassensorarediscussedespecially.
Keywords:
SingleChipComputer;A/DTransformer;AlcoholSensor
目录
摘要2
Abstract2
1引言4
1.1课题的背景和意义4
1.2本论文主要工作4
2总体设计方案4
2.1酒精浓度检测仪整体结构设计4
2.2硬件设计及功能概述5
2.3硬件电路设计6
2.4各功能模块的设计6
3总结与展望10
参考文献10
1、引言
1.1课题的背景和意义
近年来，随着我国经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频频发生。
酒后驾车引起的交通事故是由于司机的过量饮酒造成人体内酒精浓度过高，麻痹神经，造成大脑反应迟缓，肢体不受控制等症状。
少量饮酒并不会有上述症状，即人体内酒精浓度比较低时，而人体内酒精超过某一个值时就会引起危险。
为此，需要设计一智能仪器能够监测驾驶员体内酒精含量。
目前全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者体内酒精含量的多少，以确保驾驶员的生命财产安全。
此外，空气酒精浓度监测仪还能监测某一特定环境的酒精浓度如酒精生产车间可避免发生起火、爆炸及工业场地酒精中毒等恶性事故，确保环境安全。
1.2本论文主要工作
本课题研究的是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有声光报警功能及LCD显示功能的空气酒精浓度监测仪。
其可监测出空气环境中酒精浓度值，并根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警．来提示危害。
采用汇编语言来实现其软件功能。
该仪器硬件电路设计简单、软件功能完善、灵敏度高、工作性能好，并且具有尺寸小、方便携带的优点。
此外，低功耗、低成本的特点可以使其吸引更多的市场目光。
2、总体设计方案
2.1酒精浓度检测仪整体结构设计
（1）数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有LCD显示以及键盘响应电路，无需要其他计算机，用户就可以与之进行交互工作，完成数据的采集、存储、计算、分析等过程。
（2）系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。
（3）从便携式的角度出发，系统成功使用了大屏幕液晶显示器以及小键盘。
由单片机系统控制键盘和LCD显示来实现人机交互操作，界面友好。
（4）软件系统采用汇编语言编写，在兼顾实时性处理的同时也能很方便地进行数据处理。
2.2硬件设计及功能概述
本文设计的酒精浓度检测仪主要是以酒精传感器和单片机为平台设计而成的，其硬件系统功能框图如图一所示。
图一硬件系统功能框图
酒精浓度检测仪主要是用来检测酒精浓度的，它主要由酒精传感器、模数转换器、单片机、LCD显示、键盘以及声音报警构成。
酒精传感器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，经过模数转换器转换后，把转换后得到的数字信号传给单片机，单片机对所输入的数字信号进行分析处理，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蜂鸣器发出声音报警，用来提示危害。
2.3硬件电路设计
依据硬件系统功能框图设计出系统硬件的整体电路图如图二和图三所示。
其中图二是单片机与LCD、键盘以及声音报警电路的电路连接图。
图二单片机与LCD、键盘及声音报警电路的电路连接图
2.4各功能模块的设计
2.4.1AT89S52的特性
AT89S52是低功耗、高性能、采用CMOS工艺的8位单片机，其片内具有8KB的可在线编程的Flash存储器。
该单片机采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器技术，与工业标准型80C51单片机的指令系统和引脚完全兼容；片内的Flash存储器可在线重新编程，或者使用通用的非易失性存储器编程；通用的8位CPU与在线可编程Flash集成在一块芯片上，从而使AT89S52功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性能价格比，使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景。
2.4.2ADC的选择
模数转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量，是架起模拟系统跟数字系统之间连接的桥梁。
对于本系统而言，就是用于快速、高精度地对输入的酒精浓度信号进行采样编码，将其转换成单片机所能够处理的数字量。
模数转换电路是本系统的关键部分，其性能的好坏直接影响整个系统的质量。
根据A/D转换器的工作原理可将A/D转换器分成两大类：
一类是直接型A/D转换器；另一类是间接型A/D转换器。
在直接型A/D转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中间变量。
在间接型A/D转换器中，首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等等），然后再把这个中间变量转换为数字代码输出。
2.4.3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。
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。
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出面获得的。
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三所示，标准回路如图四所示，传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系如图五所示。
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5分钟。
图三MQ3的结构和外形
图四MQ3标准回路
图五传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系
为了更好地使用酒精传感器MQ3，现将MQ3的标准工作条件和环境条件进行介绍，如表一和表二所示。
表一标准工作条件
表二酒精传感器MQ3的环境条件
3、总结与展望
本文设计了基于单片机的酒精浓度检测仪，设计过程包括了硬件电路设计和软件程序的编写两部分。
硬件电路部分结构简单、使用方便、适合大众化使用。
软件部分采用模块化设计思想，各个子程序的功能相对独立，便于调试和修改。
通过软、硬件联合调试，实验结果满足设计基本要求，达到设计指标。
应用单片机编写不同的程序嵌入各种仪器中便形成不同功能的智能仪器。
作为广泛应用于工程中的智能仪器将有更大的运用空间。
空气酒精浓度监测仪将越来越深入的运用到普通人民的生活中。
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