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本科毕业论文（设计）
基于单片机的酒精浓度检测仪设计
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摘要
近年来，随着我国经济发展，越来越多的私家车进入了人们的视野，而酒后驾车造成的交通事故也屡屡攀升。
本文研究了一种用于公共场所具有检测及超限报警功能的酒精浓度检测仪设计。
设计方案基于89C51单片机和MQ3酒精浓度传感器，系统先将传感器输出的信号通过A/D转换电路处理后，再经单片机进行数据处理，最后由LCD显示酒精浓度值，从而告知驾驶人在合理安全的情况下才能驾车行驶。
经过大量实验，基于单片的酒精浓度测试仪比传统的机械检测仪或酒精计灵敏，扩展简单，准确方便，可靠性好，检测精度高，控制功能强大，对超出阀值进行声光报警，直观准确。
所以基于单片机的酒精浓度监测仪的研究对社会公共安全的提高具有很大促进作用。
关键词：
酒精浓度传感器，单片机，数模转换，硬件设计，报警
ABSTRACT
Inrecentyears,alongwithourcountryeconomydevelopment,moreandmoreprivatecarshavecomeintothevision.Whiledrunkdrivingtrafficaccidentscausedbytherepeated.Thispaperusedforpublicinspectionandoverrunwiththefunctionsofalcoholconcentrationintelligenttester.Designschemebasedon89C51andMQ3alcoholconcentrationsensor,thesystemwillbethefirstsensoroutputsignalthroughtheA/Dconvertercircuitaftertreatment,thentheMCUdataprocessing,andfinallybyLCDdisplayalcoholleel.Thustoldpeopleinthesafetyofreasonabledrivingcandrive.
Refinedoveralargenumberofexperiments,usingthealcoholconcentrationtestinstrumentthantraditionalmechanicaldetectororalcoholgauge,extendedsimple,accurateandconvenient,goodreliability,highprecision,strongcontrolfunction,togobeyondthresholdalarm,intuitiveandaccurate.SobasedonSCMalcoholconcentrationmonitorresearchforsocialpublicsecurityincreaseofgreatvalue.
Keywords:
Alcohol,concentrationsensor,microcontrolleranalog-to-digitalconversion,hardwaredesign,alarm
1引言
1.1酒精浓度检测仪的背景
对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型，即：
燃料电池型（电化学）、半导体型、气体色谱分析型、红外线型、比色型。
但由于价格和使用方便的原因，常用的只有燃料电池型和半导体型两种。
燃料电池作为一种发电装置，它的原理是将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能。
当前各国家都在广泛研究环保型能源，因为它直接可以把可燃气体转变成电能，并且不产生污染，酒精传感器只是燃料电池的一方面应用。
与半导体型的相比，燃料电池型呼气酒精检测仪有很多优势，即稳定性好，精度高，抗干扰性好。
但是燃料电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，并且材料成本高，价格昂贵[3]。
1.2酒精浓度检测仪现状及发展趋势
如今的酒精浓度检测仪都是采用可替代吹管，酒精仪从传统的机械检测或酒精计到现在的利用传感器和单片机核心技术的酒精浓度检测仪是在技术上是一大突破，提高了检测酒精的精确度，社会公共安全系数也大大的提高。
但是现在大部分一般的酒精浓度检测仪价格低的灵敏度低，准确度高的售价也比较昂贵，并且大多只是对结果进行预警、低报、高报三限报警点设置。
为了得到准确的浓度数值，在LED显示酒精浓度数值上应实现普及。
同时很多其他气体会可能会对检测的结果产生影响，从而影响准确度，所以在传感器的腐蚀性以及排除其他干扰的能力上也待提升。
现在大多都是对气体浓度或液体浓度的单一检测，最好是能解决一个检测仪能同时对酒精的气体和液体两种状态下的检测。
1.3本课题实现目标
本课题进行硬件部分和软件部分设计，硬件部分是利用酒精气敏传感器检测
空气中的酒精浓度并转为电压信号，经A/D转换器程序转换成数字信号传给单片机系统，并经单片机及其外围电路信号处理，显示酒精浓度值以及超阈值声光报警。
硬件设计部分主要包括：
MCU、A/D、LCD、外围扩展数据RAM等芯片的选择。
2设计方案和元器件选择
2.1设计方案
因为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伏电压值且电压值稳定，外部干扰小等，所以可以把传感器输出电压值经过A/D转换得到数据交给单片机进行处理。
因此要求系统配备完善的模拟量和数字量输入输出通道和完善的中断系统和处理功能。
单片机采集酒精传感器的响应信号，并且进行转换。
进行气体检测的基本步骤是信号采集处理、声光报警电路以及显示、键盘、PC接口电路测试。
模数转换就是用于快速、高精度的对输入信号采样编码，然后转化成数字量储存在数据储存器中，然后单片机通过特定的算法进行气体浓度的识别，同时和所设值进行对比，超出则报警同时显示浓度数值，没超出只显示浓度数并且将结果输出到LCD显示屏幕上。
2.2单片机的选择
我们选择单片机STC89C51为控制核心，主要基于考虑STC89C51具有低价高速，高可靠强抗静电，强抗干扰的特点。
STC89C51有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，并且有2个外中断口，2个全双工串行通信口，32个读写口线，片内振荡器及时钟电路，3个16位可编程定时计数器。
89C51能够按照常规方法进行编程，也能够在线编程。
同时STC89C51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。
STC单片机有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
STC89C51单片机单片机引脚功能，引脚如图2-2所示：
（1）Vcc：
电源电压
（2）GND：
地
图2-289C51单片机引脚图
STC89C51是低电压，高性能的CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256Kbytes的随机存取数据存储器，器件采用高密度，非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及89C51产品引脚兼容，片内置通用8位中央处器和FLASH存储单元，功能强大，STC89C51单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
主要性能参数：
（1）8K字节可重擦写FLASH闪存存储器
（2）1000次写/擦循环
（3）时钟频率：
0Hz—24MHz
（4）三级加密存储器
（5）256字节内部RAM
（6）32个可编程I/O口线
（7）2个16位定时/计数器
（8）5个中断源
（9）可编程串行UART通道
（10）低功耗的空闲和掉电模式
（11）片内振荡器和时钟电路[4]
2.3传感器
本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度，再转换为血液酒精含量浓度。
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、长久的使用时间和可靠的稳定性的特点。
传感器的标准回路有加热回路和信号输出回路两部分。
其中信号输出回路能比较精准的检测出传感器表面电阻值的变化。
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输出面获得的。
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下图2-3所示，标准回路如下图2-4所示。
为了使测量的精确度达到最高，误差最小，需要找到适宜的温度，一般在测量之前将传感器预热5分钟。
图2-3MQ3结构和外形
图2-4MQ3标准回路图
2.4数模转换器
实现A/D转换的基本方法很多，有计数法、逐次逼近法、双斜积分法和并行转换法。
由于逐次逼近式A/D转换具有速度，分辨率高等优点，而且采用这种方法的ADC芯片成本低，所以我们采用逐次逼近式A/D转换器。
逐次逼近型ADC包括1个比较器、一个模数转换器、1个逐次逼近寄存器（SAR）和1个逻辑控制单元。
逐次逼近型是将采样信号和已知电压不断进行比较，一个时钟周期完成1位转换，依次类推，转换完成后，输出二进制数。
这类型ADC的分辨率和采样速率是相互牵制的，优点是分辨率低于12位时，价格较低，采样速率也很好。
ADC0832模数转换器具有8位分辨率、双通道A/D转换、输入输出电平与TTL/CMOS相兼容、5V电源供电时输入电压在0～5V之间、工作频率为250KHZ、转换时间为32微秒、一般功耗仅为15MW等优点，适合本系统的应用，所以我们采用ADC0832为模数转换器[5]。
ADC0832具有以下特点：
（1）8位分辨率
（2）双向通道A/D转换
（3）输入电平与输出电平与TTL/CMOS相兼容
（4）5V电源供电时输入电压在0~5V之间
（5）工作频率是250KHZ，转换时间是32μS
（6）一般功耗仅为15mW
（7）8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装
商用级芯片温宽为0度to+70度,工业级芯片温宽为-40度to+85度；芯片接口说明：
（8）CS_片选使能，低电平芯片使能
（9）CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用
（10）CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用
（11）GND芯片参考0电位（地）
（12）DI数据信号输入，选择通道控制
（13）DO数据信号输出，转换数据输出
（14）CLK芯片时钟输入
（15）Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）
2.5AT24C02存储器
在本设计中使用的是24C02存储芯片，是电可擦除的PROM，8个引脚功能及两线串行接口，电压允许范围1.8V~5V。
串行E2PROM是基于I2C-BUS的存储器件，遵循二线制协议，由于其具有接口方便，体积小，数据掉电不丢失等特点，在仪器仪表及工业自动化控制中得到大量的应用。
在一般单片机系统中，24C02数据受到干扰的情况是很少的，基本的读写功能外，还对地址功能以及WP引脚保护功能进行了全面的检测[6]。
发现一种ATMEL（激光印字）以及XICOR牌号的24C02具有全面的符合I2C总线协议的功能，而有些牌号24C02要么没有WP引脚保护功能，要么没有器件地址功能（即2片24C02不能共用一个I2C总线）有些甚至两种功能均无，所以说一些同样功能型号的电子器件在兼容性上往往会带来意想不到的问题，值得引起注意。
2.6LCD显示模块
液晶显示模块与计算机的接口电路有两种方式，它与单片机的接口方法分为直接访问方式和间接控制方式。
直接访问方式是把液晶模块当作存储器或I/O设备直接接在单片机的总线上，单片机以访问存储器或I/O设备的方式操作液晶显示模块的工作。
间接控制方式只是利用它的I/O口来实现与显示模块的联系，而不使用单片机的数据系统。
这种访问方式既不占用存储器空间，接口电路又与时序
无关，其时序彻底地靠软件编程实现[7]。
表2-1LCD1602接口功能表
引脚号
引脚名
电平
输入输出
引脚说明
1
VSS
电源地
2
VDD
电源正极（+5V）
3
VL
液晶显示偏压信号
4
RS
0/1
输入
数据/命令选择端，0：
输入指令，1：
输入数据
5
R/W
0/1
输入
读/写选择端，0：
想LCD写入指令或数据，1：
从LCD读取信息
6
E
1→0
输入
使能信号，1时读取信息，1→0（下降沿）执行指令
7
D0
0/1
输入/输出
数据总线（最低位）
8
D1
0/1
输入/输出
数据总线
9
D2
0/1
输入/输出
数据总线
10
D3
0/1
输入/输出
数据总线
11
D4
0/1
输入/输出
数据总线
12
D5
0/1
输入/输出
数据总线
13
D6
0/1
输入/输出
数据总线
14
D7
0/1
输入/输出
数据总线（最高位）
15
BLA
+VCC
LCD背光电源正极
16
BLK
接地
LCD背光电源负极
LCD1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16×1，16×2，20×2和40×2行等的液晶显示模块，模块组件内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。
1602液晶显示屏采用标准的16脚接口，其中各接口的功能如上表2-1所示：
3系统硬件设计
基于单片机酒精浓度检测仪的硬件设计部分，首先，我们必须了解它的硬件设计原理其次，需要弄清楚它的总体构成及具体的外围电路最后，根据其原理框图和具体的外围电路得到完整的硬件总电路图。
3.1硬件设计原理
由酒精传感器对待测气体（液体）进行检测，转换成输出电压信号，以单片机为核心的控制、信号采集处理、声光报警电路以及显示、键盘、PC接口电路。
测试仪进行气体检测的基本步骤是单片机先采集酒精传感器的响应信号，然后进行转换，储存在数据储存器中，最后单片机通过特定的算法进行气体浓度的识别，同时将分析的值与设定值进行对比，对超出设定值进行报警，并且将结果输出到LED显示屏幕上[8]。
本系统由酒精传感器，数模转换器，单片机，键盘，声音报警以及LCD显示等部分组成，在这次的整体设计中详细涉及下面几个方面，其原理框图如图3-1所示：
图3-1系统总体流程图
3.2硬件设计外围电路
3.2.1晶振电路、复位电路设计
单片机工作的过程中各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序称作时序。
单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部各种微操作提供时间基准。
89C51的时钟产生方式有两种，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。
内部时钟方式即在单片机的外部接一个晶振电路与单片机里面的振荡器组合作用产生时钟脉冲信号。
外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内，此方式常用于多片89C51单片机同时工作，以便于各单片机的同步，一般要求外部信号高电平的持续时间大于20ns，且为频率低于12MHz的方波[9]。
对于CHMOS工艺的单片机，外部时钟要由XTAL1端引入，而XTAL2端应悬空。
本系统中为了尽量降低功耗的原则，采用了内部时钟方式。
晶振电路和复位电路如下图3-2所示：
图3-2晶振电路与复位电路
单片机开始工作的时候，必须处于一种确定的状态，否则，不知哪是第一条程序和如何开始运行程序。
端口线电平和输入输出状态不确定可能使外围设备操作失误，导致严重事故的发生，内部一些控制寄存器（专用寄存器）内容不确定可能导致定时器溢出、程序尚未开始就要中断及串口乱传向外设发送数据。
因此，任何单片机在开始工作前，都必须进行一次复位过程，使单片机处于一种确定的状态。
当在89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。
实际应用中，复位操作有两种基本形式：
一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。
上电复位，要求接通电源后，单片机自动实现复位操作常用的上电复位，上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降[10]。
本设计中复位电路采用的是开关复位电路，开关S9未按下是上电复位电路，上电复位电路在上电的瞬间，由于电容上的电压不能突变，电容处于充电（导通）状态，故RST脚的电压与VCC相同。
随着电容的充电，RST脚上的电压才慢慢下降。
选择合理的充电常数，就能保证在开关按下时是RST端有两个机器周期以上的高电平从而使STC89C51内部复位。
开关按下时是按键手动复位电路，RST端通过电阻与VCC电源接通，通过电阻的分压就可以实现单片机的复位。
如图3-3所示：
图3-3复位电路
RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以复位操作。
该电路典型的电阻和电容参数为：
晶振为12MHz时，C1为10Uf，R4为8.2K。
3.2.2报警设计设计
在单片机应用系统中，一般的工作状态可以通过指示灯或数码显示来指示，供操作人员借鉴。
但针对某些特定状态，例如系统检测到的错误状态等，为了使操作人员不小心忽视，及时采取措施，必须还需要有某种更能引人注意，提起警觉的报警信号。
这种报警信号一般有闪光报警、鸣音报警和语音报警三种类型。
其中，前两种报警装置因硬件结构简单，软件编程方便，往往在单片机应用系统中使用。
但语音报警虽然警报信息较直接，并且硬件成本高，结构相对复杂，软件量也增加[1]。
闪光报警实现单频音报警的接口电路比较简单，只要当值高于警报值的时候给一个低电频就能驱动二极管发光，简单易懂。
报警电路如下图3-4所示：
图3-4报警电路图
3.2.3电源电路设计
在本次设计中，需要一个比较大的电压源和一个5V的单片机供电源，为了实现便携式，设用一个9V的电压源，一般6节电池和一个9V的电池都可以提供，因而需要一个电压转换把9V转换成5V。
工作原理如图3-5低压层直流稳压电源电路原理图。
该电路是由电流放大、电压放大和基准电压等3个环节组成。
其中，基准电压产生，按图中电路连接，当通过R0的电流在0.5~10mA时可获得稳定的2.5V基准输出。
图3-5低压层电路原理图
输出电压的具体数值由运算放大器U确定，采用同相放大器的优势在于其输入阻抗极大，更能很好地将TL431输出的2.5V电压与后级电路隔离，使其免受负载变化的影响；运放与电阻R3和R2组成比例放大环节，可对基准电压按要求进行比例放大输出，但输出电压最大不能超过运放的电源电压。
3.2.4信号调制电路设计
图3-6信号调制图
上图为酒精传感器电极信号调理电路，采集到的信号都会很弱，首先将信号经过二阶有源滤波电路以后，经过3级放大电路，同相和反相放大电路构成一级和二级，互相抵消了零度漂移和失调，后面的差动放大电路构成第三极，将差分出入转换为单端输出。
3.2.5A/D转换电路设计
正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。
但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。
当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。
当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。
此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。
在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。
在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。
如图3-7所示：
图3-7数模转换图
本系统应用有人机对话功能，该功能既能随时发出各种控制命令和数据输入以及和LCD连接显示运行状态和运行结果。
键盘分为：
独立式和矩阵式两类，每一类按其编码方法又可以分为编码和非编码两种。
由于本系统只有+、-、设置、确认4个控制命令，所需按键较少，所以本系统选择独立式按键。
电路图见图3-8所示：
图3-8按键电路图
独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路。
每个独立式按键占有一根I/O口线。
各根I/O口线之间不会相互影响键盘抖动的消除：
抖动的消除大致可以分为硬件削抖和软件削抖。
（1）硬件削抖是采用硬件电路的方法对键盘的按下抖动及释放抖动进行削抖，经过削抖电路使按键的点评信号只有两种稳定状态。
（2）软件削抖的基本原理是当检测出键盘闭合时，先执行一个延时子程序产生数毫秒的延时，待接通时的前沿抖动消失后在判别是否有按键下。
当按键释放时，也要经过数毫秒延时，呆后沿抖动消失后在判别是否释放。
（3）由于应用硬件削抖还需要外加器件，成本相对较高，所以本系统选择软件延时削抖的方法[2]。
3.2.6外围扩充存储器电路设计
图3-9外围扩充存储器电路
基于STC89C51单片机具有4KB的程序存储器（ROM），256B的数据存储器（RAM），由于考虑到本系统的数据处理与存储所需的容量，现在需要扩充存储器的容量。
在应用中要保存一些参数和状态，据了解基于EEPROM的存储芯片是一种很好的选择。
我们选定了AT24C02存储器。
电路图见上图3-9所示：
4系统软件设计
4.1主程序流程图
主程序实现的功能：
与硬件相结合实现便携式酒精浓度检测仪的各个功能主要是检测与显示，数据存储功能子函数的调用。
流程图图4-1所示：
首先开启启动按钮，启动单片机和显示器，同时对单片机内部进行初始化，紧接着初始化显示屏，初始化完毕后显示开机画面显示主菜单,然后对键盘的读入。
图4-1主程序流程图
4.2A/D转换模块程序流程图
（1）模数转换模块的主要功能就是将经放大器放大的模拟电压信号转化为MCU能够处理的数字信号，并传送给MCU.芯片的数据CS口，A/D连接51单片机的P3.1口，接P3.2，CLKD1和D0接P3.3。
工作时序如下所示：
ADC0832有8只引脚，CH0和CH1为模拟输入端，CS为片选引脚，只有CS置低才能对ADC0832进行配置和启动转换。
CLK为ADC0832的时钟输入端。
CS在整CLKCS个转换过程中都必须为低，当CS为低时，在数据输入端DI（数据输入端）加一个高电平，接着在CLK上加一个时钟，DI上的逻辑1就会使ADC0832的DI脱离高阻态，然后通道配置数据伴随着时钟通过DI端移入多路器。
当最后一位数据
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