酒精浓度测试系统的硬件设计.docx
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酒精浓度测试系统的硬件设计
毕业论文
酒精浓度检测仪设计
第一章前言
全球机械化水平的提高给人类的文明和进步带来了无可厚非的积极影响。
遗憾的是对道路交通安全却没有带来正面的影响，导致了人员的伤亡、财产和经济损失。
据1992年TransporiResearchLaboratoryofOverseasDevelopmentAdministration统计，全世界每年发生的交通事故中有30万人死亡，大约1500万人因交通事故而受伤。
1994年全球每年的交通事故中有50万人死亡，也即全球每分钟有1人死亡，有15000万人遭受交通伤害，其中有1%致残，每年因交通事故要支出的财政费用上亿美元。
1994年德国环境预测学会（theEnvironmcntalandPrognosisinstituteinHeidelherg,Germany）估计：
在1995～2030年期间，如果今后机动车交通仍按1994年趋势发展，以1995年各国家的人口数据为依据，全球因交通事故死亡人数将是法国人口总数的90%，受伤人数是中国人数的90%，目前全球机械化水平的进一步发展，结果将更是不容乐观的。
所以道路交通安全问题是全球性问题，各国都面临交通肇事对道路交通安全带来的危机。
由于各国资料统计口径的限制，显示了一些国家在1990～1993年间及2000年按国际统计指标口径统计的道路事故死亡人数和死亡率情况。
从这近三年的统计数据可以看到我国每万车死亡人数远远高出机械化水平较高的发达国家。
目前我国交通事故的严重性已受到了国际有关组织的关注，在我国从政府管理部门、交通执法机构、研究机构到每一位公民都应觉醒，关注道路交通安全、参与到治理道路交通安全的工作中来。
1.1交通安全的现状和发展趋势
我国汽车工业发展很快,汽车拥有量猛增,自1978年以来我国汽车保有量一直以两位数的百分比率在增长,至2002年底我国汽车已达2141万辆。
与此同时,每年因交通事故死亡的人数也在迅速增长,十年间翻了一番,1991年5.3万人,2001年已达10.6万人,2002年为10.9万人,居世界第一位。
更值得关注的是这种增长势头至今尚未受到有效遏制和减弱,如不作重大的政策调整,未来十年间道路交通事故年死亡人数还会再翻一番。
我国道路交通事故的致死率也很高,比工业发达国家高出10倍。
因此,我国道路交通安全形势十分严峻,已经引起全国各有关方面的重视。
迄今为止全世界被汽车夺去的生命已超过者已超过75万。
在全球范围内，平均每万辆汽车每年死亡人数在10人左右。
由于占人口优势的发展中国家的汽车总数在增加，全世界每年死于汽车事故的总人数也在增加交通事故，这场“和平时代的战争”还将无情地持续下去，全世界每年因道路交通事故造成的经济损失约为5180亿美元。
随着全世界汽车拥有量的增加，全球道路交通事故的死亡人数也在增加。
根据WHO数据，全球2003年的人均纯酒精消费量为6.2L，其中欧洲地区人均达11.9L，美洲地区人均为8.7L。
俄罗斯及其周边的东欧国家酒精消费量最高，其次为欧洲其他国家。
在人均国民生产总值低于7000美元的低收入国家，酒精消费量与人均GDP相关，GDP越高酒精消费量越高。
而随着我国近年来高速发展的经济水平和居民生活水平，酒精消费量亦呈直线上升趋势，随之而来的是因为饮酒而造成的一系列社会问题，例如酒后驾驶造成的交通意外。
当酒精在人体血液内达到一定浓度时，造成神经麻痹，大脑反应迟缓，肢体不受控制等症状。
人对外界的反应能力及控制能力就会下降，处理紧急情况的能力也随之下降。
对于酒后驾车者而言，其血液中酒精含量越高，发生撞车的几率越大。
而根据世界卫组织的事故调查，大约50%—69%的交通事故与酒后驾驶有关，酒后驾驶已经被列为车祸致死的主要原因。
为了实现对人权的尊重，对生命的关爱，使更多人的生命权、健康权及幸福美满的家庭能得到更好的保护，需要设计一智能仪器能够检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。
酒精检测仪的设计与使用有着不可替代的作用，也有着相当的前景和意义。
1.2本课题的研究内容和目标
本论文研究的是一种以气敏传感器和单片机为主的酒精浓度测试仪器。
通过酒精传感器检测空气酒精浓度，在数模转换时对数据进行处理，并判定是否超标。
如超标，则进行语音报警。
还有数码管显示功能和定时功能。
第二章系统总体设计
2.1系统总体功能分析
酒后驾驶是多数恶性交通事故的主要原因。
因此，杜绝酒后驾驶，是防止重大事故的根本。
交通安全部门对驾驶人员进行酒精测试就成为必须的措施。
本课题设计一种基于单片机的酒精测试系统。
系统功能要求：
通过传感器对酒精进行测试，计算出酒精浓度，精度：
≤1%，显示计算结果并可语音报告，超限报警。
2.2系统总体结构和原理
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、数码管显示以及语音报警构成。
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。
可以通过软件来设定一定的酒精浓度的阀值。
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语音报警，用来提示危害。
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2.1所示。
图2.1系统功能框图
第三章系统硬件设计
3.1信号采集电路模块
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3.1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3.2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3.1MQ3的结构和外形
图3.2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3.1和表3.2所示。
表3-1标准工作条件
表3-2酒精传感器MQ3的环境条件
信号采样电路
信号的采样电路如图3.3所示。
MQ-3的加热电阻两端即H引脚接至+5V直流稳压电源，用于电阻丝对敏感体电阻的加热。
MQ-3的两个A引脚相连，作为敏感体电阻的一个电极。
MQ-3的两个B引脚也连接在一起，作为敏感体电阻的另一个电极。
将电极断A接到电源正极，电极端B接两个270K并联的电阻。
MQ-3型气敏传感器与电位器串联构成分压电路，采样点为电位器的分压。
MQ-3型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物SnO2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，从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。
当气敏传感器的敏感体电阻阻值发生改变时，对应的电位器的分压值也会发生相应的变化，即一个电压值对应着一个被测酒精气体浓度。
对酒精气体浓度的采样就可以转化为对电位器分压的采样。
在采样硬件电路中实际要考虑到MQ-3的实际技术参数，即加热电阻和敏感体电阻的大小，该部分应与电源正极相连。
负载电阻要根据MQ-3实际的技术参数而选择阻值合适的电阻。
应该在MQ-3预热5到10分钟后，它的敏感体电阻只有120K，所以负载电阻选用两个270k并联，构成采样部分的分压电阻。
图3.3采样电路
3.2A/D转换模块
所谓A/D转换器就是模拟/数字转换器（ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号。
信号输入端可以是传感器或转换器的输出，而ADC的数字信号也可能提供给微处理器，以便广泛地应用。
CS、RD、WR是数字控制输入端，满足标准TTL逻辑电平。
其中CS和WR用来控制A/D转换的启动信号。
CS、RD用来读A/D转换的结果，当它们同时为低电平时，输出数据锁存器DB0～DB7各端上出现8位并行二进制数码。
ADC0801～0805片内有时钟电路，只要在外部“CLKI”和“CLKR”两端外接一对电阻电容即可产生A/D转换所要求的时钟，其振荡频率为fCLK≈1/1.1RC。
其典型应用参数为：
R=10K，C=150PF，fCLK≈640KHZ，转换速度为100μｓ。
若采用外部时钟，则外部fCLK可从CLKI端送入，此时不接R、C。
允许的时钟频率范围为100KHZ～1460KHZ。
INTR是转换结束信号输出端，输出跳转为低电平表示本次转换已经完成，可作为微处理器的中断或查询信号。
如果将CS和WR端与INTR端相连，则ADC0804就处于自动循环转换状态。
CS＝0时，允许进行A/D转换。
WR由低跳高时A/D转换开始，8位逐次比较需8×8=64个时钟周期，再加上控制逻辑操作，一次转换需要66～73个时钟周期。
在典型应用fCLK＝640KHZ时，转换时间约为103μｓ～114μｓ。
当fCLK超过640KHZ，转换精度下降，超过极限值1460KHZ时便不能正常工作。
被转换的电压信号从VIN（+）和VIN（-）输入，允许此信号是差动的或不共地的电压信号。
如果输入电压VIN的变化范围从0V到Vmax，则芯片的VIN（-）端接地，输入电压加到VIN（+）引脚。
由于该芯片允许差动输入，在共模输入电压允许的情况下，输入电压范围可以从非零伏开始，即Vmin至Vmas。
此时芯片的VIN（-）端应该接入等于Vmin的恒值电码坟上，而输入电压VIN仍然加到VIN（+）引脚上。
A/D转换器一般都有这两个引脚。
模拟地AGND和数字地DGND分别设置引入端，使数字电路的地电流不影响模拟信号回路，以防止寄生耦合造成的干扰。
参考电压VREF/2可以由外部电路供给从“VREF/2”端直接送入，VREF/2端电压值应是输入电压范围的二分之一所以输入电压的范围可以通过调整VREF/2引脚处的电压加以改变，转换器的零点无调整。
ADC0804接口电路设计
现以程序查询方式为例，说明ADC0804在数据采集系统中的应用，采集数据时，首先微处理器执行一条传送指令，在该指令执行过程中，微处理器在控制总线的同时产生CS1、WR1低电平信号，启动A/D转换器工作，ADC0804经100μs后将输入模拟信号转换为数字信号存在输出锁存器中，并在INTR端产生低电平表示转换结束，并通知微处理器可来取数。
当微处理器通过总线查询到INTR为低电平时，立即执行输入指令，以产生CS、RD2低电平信号到ADC0804相应引脚，将数据取出并存入存储器中。
整个数据采集过程，由微处理器有序地执行若干指令来完成。
ADC0804是8位全MOS中速A/D转换器、它是逐次逼近式A/D转换器，片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接接口。
单通道输入，转换时间大约为100us。
ADC0804转换时序是：
当CS＝0许可进行A/D转换。
WR由低到高时，A/D开始转换，一次转换一共需要66～73个时钟周期。
CS与WR同时有效时启动A/D转换，转换结束产生INTR信号（低电平有效），可供查询或者中断信号。
在CS和RD的控制下可以读取数据结果。
AD转换电路如图3.4所示。
图3.4ADC0804模数转换电路图
3.3主控模块
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。
在此系统中，选用单片机为主控模块。
就52和51单片机而言，由于52单片机的功能更为强大些，所以选用单片机STC89C52。
STC89C52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，89C5X可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
最小单片机系统可以由晶振电路和复位电路，STC89C52芯片组成，如下图3.5所示。
图3.5最小单片机电路图
3.3.1晶振电路
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，STC89C52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STC89C52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。
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。
在STC89C52单片机的内部有一个震荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振）就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号，图中电容器C1和C2稳定频率和快速起振，电容值在5—30pF，典型值是22pF，晶振CYS选择的是12MHz。
STC89C52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。
如图3.7所示，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30pF。
3.3.2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误动作，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STC89C52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）。
对于复位电路部分，STC89C52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3.7所示，10μF的电容C3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。
3.4时钟模块
3.4.1时钟芯片的工作原理
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片,内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM,通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路.提供秒分时日日期.月年的信息,每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式.DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需用到三个口线:
RES复位,I/O数据线,SCLK串行时钟.时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信.DS1302工作时功耗很低,保持数据和时钟信息时功率小于1mW.DS1302是由DS1202改进而来,增加了以下的特性.双电源管脚用于主电源和备份电源供应Vcc1,为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器.它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。
在DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，Vcc2为主电源。
在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。
DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。
当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。
当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。
X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。
RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
RST输入有两种功能：
首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。
当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。
如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。
上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。
I/O为串行数据输入输出端（双向）。
SCLK始终是输入端。
3.4.2时钟芯片接口电路
因为此系统需要记录测量发生的时间，所以需要时钟芯片来记录不同人在不同时间的监测数据，因此我们在系统中加入了时钟芯片。
对时钟芯片的要求首先是低功耗，其次是编程简单，缩短程序开发时间，实际上也就缩短了系统用于实际生产所用的开发周期以及成本。
在本系统，我们选择了DS1302时钟芯片，时钟电路如图3.6所示。
图3.6时钟电路图
⑴我们时钟电路选择的芯片是DS1302，其内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机通信。
而通信时，仅需要3个口线：
（1）RES（复位），
（2）I/O数据线，（3）SCLK（串行时钟）。
时钟/RAM的读/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。
其工作时功耗很低，广泛应用于电话，传真，便携式仪器等产品领域。
寄存器名
命令字
取值
范围
各位内容
写操作
读操作
7
6
5
4
3～0
秒寄存器
80H
81H
00～59
CH
10SEC
SEC
分寄存器
82H
83H
00～59
0
10MIN
MIN
时寄存器
84H
85H
01～1200～23
1/24
0
10/（A/P）
HR
HR
日寄存器
86H
87H
01～28，29、30、31
0
0
10DATE
DATE
月寄存器
88H
89H
01～12
0
0
0
10M
MONTH
周寄存器
8AH
8BH
01～07
0
0
0
0
DAY
年寄存器
8CH
8DH
01～99
10YEAR
YEAR
写保护寄存器
8EH
8FH
WP
0
0
0
0
慢充电寄存器
90H
91H
TCS
TCS
TCS
TCS
DS
DS
RS
RS
时钟突发寄存器
BEH
BFH
表3-3时钟控制字对照表
⑵DS1302主要性能有：
时实时钟能计算2100年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年的能力，还有闰年的调整能力；读/写时钟或RAM数据时，有单字节和多字节传送两种方式；与DS1202/TTL兼容。
⑶DS1302引脚概述：
X1,X2：
振荡源，外接32。
768KHZ晶振；SCLK：
串行时钟输入端。
⑷日历、时钟寄存器与控制字对照表、日历、时钟寄存器命令字、取值范围以及各位内容对照表。
见表3-3。
3.5语音模块
3.5.1语音芯片ISD1420工作原理
语音芯片ISD1420是语音处理集成电路，ISD1420芯片型号的最后2位数字表示语音录放时间的长度。
这种芯片录放音时间最长为20s；外围元件简单，仅需少量阻容元件、麦克风即可组成一完整录放系统；模拟信息存储重放音质极好，并有一定混响效果；待机时低功耗（仅0.5μA），典型放音电流15mA，可扩充级联；可持续放音，也可分段放音，最小分段20s/160段=0.125s/段，可分段数160段；录放次数达10万次；断电信息存储，无需备用电池，信息可保100年；操作简单，无需专用编程器及语音开发器；高优先级录音，低电平或负边沿触发放音，单电源供电，典型电压+5V。
ISD1420系列语音集成电路由内部时钟电路、自动增益控制电路、前置放大电路滤波器、差动功率放大器、电源电路、存储器EEPROM、地址译码电路、存储控制电路等组成，其内部物理结构如图3.10所示。
录音过程中，ISD1420在进行存储操作之前，要分几个阶段对信号进行调整。
首先要输入信号放大到存储电路动态范围的最佳电平，这个阶段由前置放大器、放大器和自动增益控制部分来完成。
前置放大器通过隔直流电容与麦克风连接，隔直流电容用来去掉交流小信号中的直流成份（大约2mV~20mV）。
信号的放大分两步完成，先经过输入前置放大器，然后经过固定增益放大器。
完成信号的通路要在模拟输出端（ANAOUT）和模拟输入端（ANAIN）两个管脚之间连接一个电容器。
自动增益控制电路动态的监控放大器输出的信号电平并发送增益控制电压到前置放大器。
前置放大器增益自动调节以便维持进入滤波器的信号为最佳电平，这样录音的信号能得到最高电平又使削波减至最小。
可以通过选择连接到AGC管脚的电阻和电容值来调节描述自动增益电路特性的两个时间常量，即响应时间和释放时间。
下一个阶段的信号调整是由输入滤波器完成的。
由于模拟信号的存储仍然是采用取样技术，因此还需要一个抗混淆滤波器以去掉（或至少减到可忽略不计的程度）取样频率1/2以上的输入频率分量。
这样就满足了所有数据采集系统都遵循的奈奎斯特取样定律。
语音的质量要想优于
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