基于单片机的酒精浓度测试仪.docx
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基于单片机的酒精浓度测试仪
摘要
现如今，人们对生活的态度和生活方式变得不同,，不仅私家车成为了人们最普遍的交通工具，大多数人都有自己的私家车,而且人们对酒精的消耗量也越来越大，这些就导致酒后驾车行为越来越普遍，酒后驾车意外越来越频繁，涉及到的领域不断扩大，对社会的影响也不断增大。
酒精麻醉神经、使人大脑神经系统紊乱、身体不协调、身体难以自控等等，最终很容易造成事故。
因此本设计就非常有必要、非常具有现实意义，有了这个酒精浓度检测仪就能更好地对酒驾进行行为进行检测及控制。
本设计可以实现检测和显示不同浓度的酒精，而且体积小便于随身携带，非常适合人们自行检测和交警工作等，方便又安全。
这个设计在STC89C51单片机的控制、指导下，通过气体传感器MQ-3对外界的酒精浓度进行响应,然后传感器产生电阻变化，形成电压信号即模拟信号，A/D模数转换器将此信号转换成数字信号，并且将其转存起来，最后由LCD显示酒精密度。
关键词：
酒精浓度传感器（MQ3）；STC89C51单片机；A/D模数转换器；LCD1602液晶显示器
Abstract
Nowadays,people'slifeattitudeandlifestyleisdifferent,andnotonlyprivatecarsbecamethemostcommonmeansoftransportation,peoplemostpeoplehavetheirowncars,andpeopletotheconsumptionofalcoholisbecomingmoreandmorebig,thebehaviorleadstodrunkdrivingisbecomingmorecommon,drunkendrivingaccidentismoreandmorefrequent,'ssphereismoreandmorebroad,andtheimpactonthesocietyismoreandmorebig.Thealcoholanesthetizednerve,causesthepeopleofthepeople'speople'sbraintobenervoussystemdisorder,thebodyisnotcoordinated,thebodyisdifficultself-controlandsoon,itisveryeasytocauseanaccident.Sothisdesignisverynecessary,veryrealistic,withthealcoholconcentrationdetectorcanbetterfordetectionandcontrolofdrunkdrivingbehavior.Thisdesigncanachievedetectionanddisplayofdifferentconcentrationsofalcohol,smallvolumeandeasytocarry,verysuitableforpeopletodetectandpolicework,convenientandsafe.ThisdesignisinSTC89C51singlechipundertheguidanceofMQ-threeoftheworldthroughAgassensordetectalcoholconcentration,andthenproduceresistancechange,formAvoltagesignalthatisanalogsignalA/Danalog-to-digitalconverterconvertsthesignalsintodigitalsignals,andrippingitup,finallybytheLCDdisplayalcoholdensity.
Keywords:
Alcoholconcentrationsensor（MQ3）;STC85C5MUC;A/Dconverter;LCD
引言
自21世纪以来,中国各方面实力都越来越强，特别是经济实力，全国大多数人民基本上不需要再为温饱而发愁了，人们对生活的态度和生活方式变得不同,不仅私家车成为了人们最普遍的交通工具，大多数人都有自己的私家车,而且很多人对酒精的消耗量也越来越大，越来越多人在和朋友聚会及工作聚餐或者与客户吃饭等的情况下，或多或少都会喝酒，甚至有些人喜欢开着车去酒吧等娱乐场所，这些就导致酒后驾车行为越来越普遍酒后驾车意外越来越频繁，涉及到的领域不断扩大，对社会的影响也不断增大。
酒麻醉神经、使人大脑神经系统紊乱、身体不协调、身体难以自控等等，最终很容易造成事故。
酒后驾车不光会给人们的生命带来威胁,而且也会给国家的整体经济带来了巨大的财产损失。
因此，必须有一种检测人体内酒精浓度的设备来防止酒驾,现在大多数的交通警察检查酒后驾车都是通过检测司机呼出的气体从而检测司机是否过度饮酒。
所以酒精浓度检测仪的这个设计具有重要的现实意义。
本设计可以实现检测和显示不同浓度的酒精，而且体积小便于随身携带，非常适合人们自行检测和交警工作等，方便又安全。
这个设计是在STC89C51单片机的控制、指导下，通过气体传感器MQ-3对外界的酒精浓度进行响应，然后传感器产生电阻变化，形成电压信号即模拟信号，A/D模数转换器将此信号转换成数字信号，并且将其转存起来，最后由LCD显示酒精密度。
现在大多数的交通警察检查酒后驾车都是通过检测司机呼出的气体从而检测司机是否过度饮酒，从而对酒后驾驶行为进行遏制，这个设计就非常符合交警工作要求，同时这种便携的酒精浓度检测仪可随身携带，有利于司机对自己是否适合开车有很好的判断，同时也便于交警的工作，此设计有很大的现实意义。
1.绪论
1.1酒精浓度测试仪的开发背景
喝酒可以让人平静，让人轻松,让人有点小小的兴奋，这是很多人喜欢喝酒的主要原因。
但是，酒精会导致人抵制力明显降低,使人自我控制能力削弱、神经反应迟钝、动作不协调等等,从而导致创造力的出现,有时会导致实际的非理性行为。
司机酒后驾车一般会出现这些情况:
行驶速度不稳定，变速快，车辆行驶不正常，不安交通灯指示行驶；变更车道时不开转向灯，随性而为，甚至强行超车或在车辆之间穿行；不遵守各种交通信号灯指示，胡乱踩刹车，对色彩辨别能力下降、视力收到严重影响，对道路情况的变化不能很好地看清。
无论你喝多少酒之后，人的神经系统或多或少都会受到影响，使人随机应变能力减弱，知觉和感觉判断能力下降，意识混乱，注意力不能正常的集中。
酒后驾车不仅会给人们的生命带来威胁,而且给社会安定和谐带来了更多阻碍，也给国家的整体经济带来了巨大的财产损失，酒后驾驶行为是对自己、对他人、对国家的不负责任。
为了防止这类事故的再次发生，一个检测设备必不可少，本设计就是这类设备酒精浓度检测仪。
目前，现在大多数的交通警察检查酒后驾车都是通过检测司机呼出的气体从而检测司机是否过度饮酒，从而对酒后驾驶行为进行遏制，这个设计就非常符合交警工作要求，同时这种便携的酒精浓度检测仪可随身携带，有利于司机对自己是否适合开车有很好的判断，同时也便于交警的工作。
酒精浓度检测仪的设计具有一定的现实意义，此设计有利于司机对自己是否适合开车有很好的判断，同时也便于交警的工作。
1.2酒精浓度检测仪的现状及发展趋势
在当今世界，新型能源一直是最火热的话题，而半导体电池就是其中之一，它不仅能产高能，而且环保，可以说对环境几乎没有污染，最近两年出现了一种新型的半导体型酒精浓度检测仪CA2000，它不仅结构相对简单、使用起来简单、制作成本低，而且精确度高、抗干扰性能力强、可靠性也好，这次设计使用的就是类似的半导体型的酒精浓度检测仪。
现如今，酒精浓度检测仪的显示方式一般有发光管显示和数字显示，主要显示分为三部分：
未饮酒、饮酒、酗酒三区。
现在国内外酒精浓度检测技术主要趋势就是：
第一，手指按压检测技术。
在驾驶员启动车之前，通过指纹或者电子钥匙启动，同时车自带同步检测系统，要是司机体内酒精浓度超标则无法启动车子，有钥匙也不行，这样会很好的避免酒驾和醉驾，但是有个问题有待解决，在车子启动后不能无时无刻对驾驶员呼出气体进行检测，这个问题是今后必须解决的，这样才能更好的防止酒驾。
比如SABB公司的一种内嵌在汽车钥匙酒精呼气检测器。
第二，不接触的气体检测技术。
在机动车内部各个组件内均加个检测酒精浓度的仪器，如方向盘、仪表盘、座椅头枕和换挡杆，全方位全面的检测，能够无时无刻的对驾驶员体内酒精浓度进行检测,如丰田公司就推出了类似的一种防止酒驾的装置，在车子的方向盘上安装汗液传感器和皮肤传感器，在司机驾驶时可以对其的体内酒精浓度随时进行检测而且随时更新，通过司机皮肤和汗液来得出司机的体内酒精浓度，这种技术将来很有可能被广泛使用。
1.3酒精浓度检测仪设计内容及论文介绍
这个设计是在STC89C51单片机的控制、指导下，通过气体传感器MQ-3对外界的酒精浓度进行检测，然后传感器产生电阻变化，形成电压信号即模拟信号，A/D模数转换器将此信号转换成数字信号，并且将其转存起来，最后由LCD显示酒精密度。
本设计的设计内容主要是三个部分：
硬件部分：
（1）主要元件的介绍：
STC89C51单片机、传感器MQ3、ADC0832数模转换器、LCD液晶显示器；
（2）单片机系统的复位电路及晶振电路、按键电路设计、酒精传感器电路设计、液晶显示设计、A/D转换设计、外围扩充存储器电路设计、时钟芯片电路设计、报警电路设计。
软件部分：
（1）软件及编程语言的简介；
（2）主程序流程图介绍、按键输入模块流程图介绍、液晶显示输出模块流程图、模数转换器流程图、时钟模块流程图；（3）报警设置，当达到一定浓度值，会出现报警声音。
调试部分：
（1）硬件调试，对电路各个元件进行反复核查，对电路连接进行检测
（2）软件调试：
复位模块、显示模块、存储模块、传感器模块
本文主要分为6个章节，第一章主要介绍了酒精浓度检测仪的开发背景，并且对其发展现状及发展趋势；第二章主要是确认设计总体方案并且对主要器件进行选择；第三章主要介绍了各个模块的内部结构和主要原理，例如单片机，液晶显示器，气体传感器，模数转换器，同时也介绍了各个模块的电路并进行了分析；第四章主要对各个模块的程序框图进行介绍并进行了分析；第五章主要是此次电路的调试部分，分为了软件调试和硬件调试，最后对其进行了误差分析；最后一章是对此次设计做了一个总结。
1.4本章小结
本章主要介绍酒精浓度监测仪的研究背景、现状及其发展趋势，为酒精浓度检测仪地出现提供了依据，让我们对当今的情况有所了解。
本章让我们知道了酒精浓度检测仪具有有很大的现实意义，对人们生活健康都有一定的帮助。
也为后面的设计提供了现实依据。
同时，本也重点介绍了酒精浓度检测仪的主要设计内容，总设计方案的确定为后面的具体设计提供了很好地设计思路，也提供了一个比较完整的框架，后面具体剖析，对整个设计起到了铺垫作用。
2系统总体方案设计
2.1设计总方案简介
酒精浓度测试仪是非常具有实用价值的酒精浓度监测设备，既可以用于交警监测酒驾，也可以用于人们自我检测以便于进行自我判断。
MQ3型酒精传感器将外界气体酒精浓度转变成电阻的变化，即电压变化的信号，然后经过模数转换器的处理，接着单片机对来自模数转换器的信号进行采集，然后单片机对信号进行整理，并将得出的结果得转存起来，同时将得到的结果与设定值进行对比，对超出设定值进行报警，并将结果显示到LCD液晶显示器上。
此设计酒精浓度测试仪还可以设定浓度最大值，用户可以根据自己的需要对浓度最大值进行设定，并进行保存。
初步设计出一个总体设计方案，如下图2.1：
图2.1总设计方案
2.2元器件的确认
2.2.1单片机
由于STC89C51有低功耗,性价比较高，可靠性高，集成度高，体积小，控制功能强等优点，而且STC公司的芯片比AT公司的芯片功能更好用（比如flash），程序烧录也更加简单方便，此芯片具有传统51单片机不具备的很多功能，系统应用控制更加灵活．再者就是考虑到一些现实情况和本设计内容的需要，我们选择STC89C51单片机。
2.2.2传感器
选择传感器必须考虑其受环境影响程度、准确度、选择性、工作寿命等，MQ3酒精传感器是气敏传感器，其具有很高的准确度，良好的选择性，有效工作时间比较长而且性能比较稳定，最重要的是其电路结构不复杂、使用方便、所需费用低，因此，本设计选择MQ3型酒精传感器。
2.2.3模数转换器
A/D转换电路的传感器输出要求在0～5伏，系统需要采用A/D转换器将电压信号转换成数字信号送入单片机进行处理．考虑本设计的需求及现实情况，并且ADC0832转换器有体积小，稳定性能好，兼容性好，性价比高等优点，相当适合本系统的应用，所以本系统采用模数转换芯片ADC0809．该芯片是一个8位A/D转换器，具有8路模拟信号输入端口，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件改变A、B、C引脚上的代码来实现。
2.2.4液晶显示器
LCD1602是一种工业字符型液晶屏，专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块［20］，能够同时显示两行，每行16共32个字符液晶模块，满足本系统的显示要求．LCD1602字符型液晶显示器机身薄又轻、节约空间、省电、不产生高温、低辐射、画面肉柔和不伤眼且高清，最重要是这种液晶显示器价格低，采购容易，方便控制。
出于这些考虑，本设计选用LCD1602字符型液晶显示器。
3系统硬件设计
3.1单片机模块
3.1.1单片机简介
STC89C51有低功耗,性价比较高，可靠性高，集成度高，体积小，控制功能强等优点，而且STC公司的芯片比AT公司的芯片功能更好用（比如flash），程序烧录也更加简单方便，本设计中我选择了以STC89C51单片机为整个系统的核心。
主要STC89C51的组成部分：
（1）一个8位微处理器（CPU）；
（2）4KB程序存储器（ROM），可扩展到64KB；
（3）128B片内数据存储器（RAM），可扩展到64KB；
（4）4个8位输入/输出端口（P0口、P1口、P2口、P3口）；
（5）一个全双工异步串行口；
（6）2个16位定时/计数器；
（7）一个比较完整的中断系统；
（8）时钟电路（振荡电路和时序电路）
STC89C51的结构图如下图3.1：
RSTEAALEPSEN
P0P1P2P3
图3.1单片机结构
STC89C51的各个引脚介绍及功能（如下图3.2）：
图3.251引脚图
各个引脚的含义如下表3.3：
表3.3
VCC
供电电压
GND
接电引脚
RST
使能引脚
EA/VPP
存取外部程序代码
PORT0（P0.0～P0.7）
低8位地址线和8位数据总线/I/O端口
PORT1（P1.0～P1.7）
低八位地址、I/O端口
PORT2（P2.0～P2.7）
高8位地址总线及做通用I/O端口使用
PORT3（P3.0～P3.7）
双向I/O口及第二功能
ALE/PROG
地址锁存允许信号端
PSEN
外部程序存储器的选通信号
XTAL1
反向振荡放大器及内部时钟的输入
XTAL2
来自反向振荡器的输出
3.1.2单片机最小系统电路
在本次设计中是用STC89C51来设计的，图3.4是其最小系统电路图：
图3.4
上图中主要包括复位电路和晶振电路：
（1）.复位电路：
在单片机受外部因素的影响出现程序不能正常执行程序时，只需按下复位按钮，系统就会被初始化，系统程序将从头开始往下进行。
（2）晶振电路：
晶振电路的作用非常大，它能产生产生时钟频率，通常一个单片机系统全部都用一个晶振电路，以便于保持分不分统一。
3.2模数转换器
3.2.1模数转换器简介
A/D转换的实质就是将模拟信号转换为数字信号，在如今这个数字化时代，数字信号是存在于各个领域，而一般出现的都是模拟信号，因而模数转换器被应用于各个领域，模数转换器也越来越重要。
由于逐次逼近式A/D转换器相对而言转换速度更快，分辨率更高，制作成本更低等，本设计采用逐次逼近式A/D转换器。
逐次逼近型数模转换器主要由一个比较器，一个逐次逼近寄存器（SAR），一个模数转换器，一个逻辑控制单元组成。
ADC0832数模转换器主要具有以下这些特点:
（1）与TTL/CMOS之间是相互兼容的
（2）输入电压在0~5V之间（电源供电电压5V）
（3）工作频率为250KHZ，转换时间为32μS
（4）功耗一般为15mW左右
（5）商用芯片正常工作时的温度范围0到+70度，工用芯片温度范围在零下40到+80度之间
芯片接口说明如下表3.5：
表3.5
CS
片选使能端，低电平有效
CH0/CH1
两路模拟信号输入端
GND
电源地
DI
两路模拟信号输入选择端
D0
模拟转换结果串行输出端，即8位数字量输出引脚，输出转换结果
CLK
串行时钟输入端
VCC
正电源端及基准电压端
3.2.2模数转换器模块电路
ADC0832模数转换器一般在电路连接的时候主要有四个接口：
CS、CLK、DO、DI，在本设计中具体与单片机连接如下图3.6：
图3.6
DC0832模数转换器的工作原理：
VCC接电源，GND接地，CLK接P3.4引脚，使能端CS接P3.5,当CS端口被设置为高电平时，ADC0832模数转换器芯片在系统中形同虚设，即此时转换器在整个电路中无任何作用；当CS显示低电平时，ADC0832模数转换器芯片在系统中能正常起到作用，即ADC0832模数转换器开始执行转换功能，并且此时，DO/DI端根据ADC0832模数转换器会向单片机传送CLK时钟脉冲来实现负责对通道功能的选择，DO、D1共同接在单片机的P3.3引脚，其中DI端必须在第一个脉冲结束前一直保持高电平，后面两个脉冲就实行通道功能选择，有一点必须指出：
从开始到转换完成CS端必须一直保持低电平。
3.3液晶显示器
3.3.1液晶显示器简介
液晶显示器的物理特性是：
不通电时，阻止光线通过；当通电时导通，排列变得很有秩序，使光线容易通过。
利用这一特性，通过改变液晶显示器内部的通电情况，可以控制哪些区域通电，有电就显示黑色，这样就可以达到显示多个汉字、数字、字母等。
液晶显示器的显示面积大，画质也是高清的，给人的视觉效果特别好，而且其自身又薄又轻，比CRT起码轻几倍，厚度也薄很多，因此便于转移；液晶显示器的辐射很小，几乎可以忽略，对人体伤害几乎没有；最实用的的一点是液晶显示器节能效果好，相对CRT而言强很多。
LCD1602字符型液晶显示器机身薄又轻、节约空间、省电、不产生高温、低辐射、画面肉柔和不伤眼且高清，最重要是这种液晶显示器价格低，采购容易，方便控制。
出于这些考虑，本设计选用LCD1602字符型液晶显示器。
LCD1602液晶显示屏的主要技术参数如表3.7和引脚功能（如3.8）及其控制指令表如下表3.9所示：
主要技术参数表3.7
显示容量
16×2个字符
芯片工作电压
4.5~5.5V
工作电流
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压
5.0V
字符尺寸
2.95×4.35（mm）
引脚功能表3.8
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
0：
输入指令，1：
输入数据
5
R/W
0/1
输入
0向LCD写入指令或数据，1从LCD读取信息
6
E
1→0
输入
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
控制指令表3.9
指令
功能
清屏
清DDRAM和AC值
归位
AC=0，光标、画面回HOME位
输入方式设置
设置光标、画面移动方式
显示开关控制
设置显示、光标及闪烁开、关
光标、画面位移
光标、画面移动，不影响DDRAM
功能设置
工作方式设置
CGRAM地址设置
设置CGRAM地址。
A5～A0=0～3FH
DDRAM地址设置
DDRAM地址设置
读BF和AC值
读忙标志BF和和地址计数器AC值
写数据
数据写入DDRAM或CGRAM
读数据
从DDRAM或CGRAM数据读出
3.3.2液晶显示器模块电路
LCD1602液晶显示模块与计算机的接口电路有两种方式：
直接访问方式和间接控制方式。
本系统采用间接控制方式，即将液晶显示模块的数据线与单片机的P0口连接作为数据总线，另外三根时序控制信号线通常利用单片机的P2口中未被使用的I／O口来控制。
具体电路连接如下图3.10：
图3.10
图3.10中7－14脚是1602的8位双向数据线，与单片机P0口相连;6脚是LCD的使能端，与P2．4相连;ＲS是寄存器选择端，当它为高电平时，选择数据寄存器，反之选择指令寄存器。
LCD显示器包含当前酒精浓度值和标准浓度值。
MQ－3型气敏传感使用时，在使用之前，传感器先预热，此时液晶显示初始值，当预热完毕后，此时液晶屏显示酒精浓度标准值和当前酒精浓度值，并进入实时测量显示结果阶段［20］。
3.4传感器
3.4.1气体传感器简介
气体传感器是气体检测系统的核心［17］，考虑到稳定性、灵敏度、选择性和抗腐蚀［20］，系统采用MQ－3型气体传感器．MQ－3气体传感器对酒精的灵敏度高，当所处环境中存在酒精时，MQ-3气体传感器对其所处环境中酒精浓度进行响应，传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大，从而导致其内阻发生变化，再通过外部电路转换成电压信号，且浓度越高电压越高，从而便于ADC0832模数转换器的处理和转换。
MQ-3酒精传感器有以下这些突出特点：
（1）有效工作时间比较长而且性能比较稳定；
（2）响应时间短并且恢复时间短；
（3）对乙醇有较高的灵敏度和很强的选择性；
（4）驱动电路简单；
（5）恢复时间：
30s（70% Response）；
（6）探测范围：
10-1000*10-6；
（7）加热电阻：
31Ω±
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