关于酒精浓度检测的课程设计.docx

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关于酒精浓度检测的课程设计

课程设计

题目酒精浓度检测仪的设计

学院

专业

年级09级班级一班

学生姓名

指导教师

时间2013-1-07

摘要

本设计实现了对不同浓度酒精的检测和显示，通过适当改进可以用于检测酒后驾车。

本文用STC12C5A60S2单片机与MQ-3型气体传感器实现了对酒精浓度的测量，并对测量数据进行显示，同时利用二极管简单显示浓度的高低，在设计允许值时发出报警。

论文主要研究了：

（1）硬件方面，MQ-3气体传感器技术参数的检测和将它接入到酒精浓度检测模块中；将模拟电压信号放大驱动发光二极管点亮报警；将采集到的模拟电压信号通过单片机控制经A/D转换，得到数字电压信号；用于显示浓度的数码管显示模块。

（2）软件方面，主要研究了电压到浓度的线性转换和最终浓度值的数码管显示。

（3）对设计的传感器进行了标定。

设计的传感器对酒精气体反应灵敏，能在有效范围内测量它的浓度值。

本文的特色在于标准的确定。

对于流动空气，样品的稳定性和水蒸气的影响，提出了解决方案和验证方法。

对不同的区间浓度和电压转换关系做线性化处理，简化了硬件电路的设计。

设计的传感器可以检测不同浓度的酒精气体，改进之后对解决酒后驾车事故和特殊场合酒精检测都可以使用。

关键词：

气体传感器，模数转换，单片机

Abstract

Differentconcentrationsofalcoholsolutionaredetectedandshowedinthedesign.Thedesigncanbeusedtothedetectionofdrunkdrivingthroughimprovement.Inthisthesis,theconcentrationofalcoholcanbemeasuredanddisplayedbyusingthegassensorbasedonSTC12C5A60S2MCUandMQ-3.AtthesametimetheconcentrationisdisplayedbyLED,andthesystemallowtoalarminthecertainvalue.

InthethesisMajorresearchesarethreepoints.

（1）Inthehardware,detectingthetechnologyparametersMQ-3gassensor,andconnectingittoatestingpartofthealcoholgasconcentration;Analogvoltagesignalamplificationtodrivelight-emittingdiodelighttoalarm;conversingthevoltagesignalthroughtheA/Dconversionatthecontrolofthesingle-chip,obtainingthedigitalvoltagesignal;displayingtheconcentrationinthedigitaltubedisplaymodule.

（2）IntheSoftware,linearconversionbetweentheconcentrationofthealcoholandthevoltageandthedigitaldisplayofthefinalconcentrationvalue.

（3）Thedesignedsensoriscalibrated.Thedesignofgassensorisresponsivetothealcohol,canmeasureconcentrationintheeffectiverangeofitsconcentration.Andinthelowconcentrationofalcoholinthetesttheerrorissmall.Thecharacteristicsofthethesisaretodeterminethestandard.Thesolutionsandverificationmethodsareproposedabouttheflowofairsamples,thesamplestabilityandwatervapor.Theconversionbetweenvoltageandconcentrationindifferentrangeistreatedaslinearrelationship.Thedesignofsensorcandetectdifferentthealcoholgaswithdifferentconcentration.Itplaysanimportantroletosolvethedrunk-drivingaccidentsandalcoholtestingforspecialoccasionsafterimprovement.

KeyWords:

Gassensor,A/Dconversion,Single-chipMicrocomputer

1、绪论

1.1研究背景

我国传感器市场的增长率超过15%。

我国传感器4大类中，工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。

近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段，新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它将不仅促进系统产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新的经济增长点。

由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段，气体传感器发挥着极其重要的作用。

气体传感器是把气体中的特定成分检测出来，并转化为电信号的一类器件，用来对有害气体，易燃易爆气体等进行安全检测和报警，对生产生活中需要了解的气体进行检测，分析，研究等。

近年来，我国气敏传感器产业有了较快的发展，但与国外相比，从技术水平，产业化及应用等领域均存在着不小的差距。

目前，气敏传感器领域还存在一些问题。

一是元件的稳定性差。

由于元件电阻和灵敏度随时间而不断变化，漂移大给检测结果的可靠性带来不稳定的因素。

二是选择性差。

由于在检测气体时，往往还存在着其它的干扰气体（如烟酒等），使气敏元件发生交叉响应，产生误报。

三是催化剂中毒。

掺有催化剂的气敏元件接触某些气体后，活性组分被毒化，将会改变元件的选择性，降低其敏感度和稳定性，另外催化剂本身也存在着不稳定性问题。

灵敏度问题。

四是SnO2元件有时由于灵敏度过大导致误报，但是在检测某些低浓度气体时灵敏度却难以达到要求。

1.2气敏传感器的研究现状

气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构及制作工艺密切相关。

用金属氧化敏感材料制作的半导体式气敏元件具有灵敏度高，结构简单，体小质轻，坚固耐用等优点而得到广泛的应用，目前仍以SnO2材料为主。

SnO2是一种广普型的气敏材料，围绕SnO2为基体材料的气敏材料的制备及其气敏元件制备的研究课题十分活跃。

纯SnO2的气敏特性不甚好，尤其是它的热稳定性不高。

为改善其气敏特性，常在SnO2基体中掺入贵金属或其他金属氧化物。

尽管SnO2基传感材料具有许多优点，作为材料也存在一定缺点。

通过控制气敏材料微粒大小，颗粒纳米化，掺杂其它添加剂或催化剂，利用过滤设备或透气膜来获得选择性，控制工作温度及环境湿度影响，改进制备等方法可以改善SnO2传感器的气敏性能。

纳米科学技术（Nano—ST）是研究尺寸在0.1—100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

纳米技术的发展，不仅为传感器提供了优良的敏感材料，而且为传感器制作提供了许多新型方法。

纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度，工作温度大大降低，大大缩小了传感器的尺寸。

当然，在己获得明显进展的纳米传感领域中尚存在很多问题，从敏感材料到制作技术都很不成熟，其性能也有不尽人意的地方。

气敏传感器在家用电器中也有相当广泛的应用。

吸油烟机等产品上常用MQ-3型半导体气敏传感器，它采用旁热式结构，陶瓷管内装有高阻抗加热丝，管外涂有梳状金属电极，金属电极之外涂有SnO2材料，使SnO2烧结体位于两电极之间。

气敏传感器工作时，加热器通电加热，若无被检气体侵入时，气敏元件的阻值基本不变当气敏元件表面产生吸附作用，其阻值将随气体浓度的变化变化。

当被检气体浓度增大到一定值时，气敏元件的阻值将随之下降到某一值，使电压比较器的状态发生变化，输出控制信号经电流放大后，控制继电器或双向晶闸管接通电动机电源使吸排油烟机工作。

1.3设计酒精浓度探测仪的意义

本设计基于STC12C5A60S2单片机设计的酒精气体浓度探测仪，可用来检测酒精气体浓度，最主要的用途是检测司机的酒精含量。

酒后驾车发生事故的机率高达27%。

随着摄入酒精量的增加，选择反应错误率显著增加，当血液中酒精含量由0.5‰增至1‰，发生车祸的可能性便增加5倍，如果增至1.5‰，可能性再增加6倍。

机动车驾驶人员“酒后驾车”及“醉酒驾车”极易发生道路交通事故,严重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。

人饮酒后,酒精通过消化系统被人体吸收,经过血液循环,约有90%的酒精通过肺部呼气排出,因此测量呼气中的酒精含量,就可判断其醉酒程度。

开车司机只要将嘴对着传感头使劲吹气，仪器就能发上显示出酒精浓度的高低，从而判断该司机是否酒后驾车，避免事故的发生。

当然，最好的办法是在车内安装这种测试仪，司机一进入车内检测仪就检测司机的酒精含量，如果超出允许值，系统控制引擎无法启动，这样就可从根本上解决酒后驾车问题。

酒精气体浓度探测仪在生产生活中也有重要的应用，比如，在一些环境要求严格的生产车间，用这种酒精浓度探测仪，可随时检测车间内的酒精气体浓度，当酒精气体浓度高于允许限定值时，发出警报，提醒人们及时通风换气，做到安全生产。

2、工作原理

2.1气敏传感器工作原理

气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。

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。

本设计采用MQ-3传感器，属于半导体传感器。

2.2半导体气敏传感器工作原理

半导体气敏传感器由气敏部分、加热丝及防爆网等构成,它是在气敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2等金属氧化物中添加Pt、Pd等敏化剂的传感器。

半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体（主要是金属氧化物）表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。

半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散（物理吸附）,失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。

这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。

具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx,称为氧化型气体或电子接收性气体。

如果器件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,而成为正离子吸附。

具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等,称为还原型气体或电子供给性气体。

当氧化型气体吸附到N型半导体上,还原型气体吸附到P型半导体上时,将使载流子减少,而使电阻增大。

相反,当还原型气体吸附到N型半导体上,氧化型气体吸附到P型半导体上时,将使载流子增多,使电阻下降。

当这种半导体气敏传感器与气体接触时,其阻值发生变化时间（称响应时间）不到1min。

相应的N型材料有SnO2、ZnO、TiO2、W2O3等,P型材料有MoO2、CrO3等。

空气中的氧成分大体上是恒定的,因而氧的吸附量也是恒定的,气敏器件的阻值大致保持不变。

如果被测气体流入这种气氛中,器件表面将产生吸附作用,器件的阻值将随气体浓度而变化,从浓度与阻值的变化关系即可得知气体的浓度。

三、硬件电路设计

3.1总体方案设计

酒精浓度试系统包括气敏传感器、信号处理电路和执行指示机构等部分。

本设计是基于AT89S51片机，用MQ-3型气敏传感器实现对酒精气体浓度的检测，然后将传感器膜电阻的变化量转变为电压的变化量，再根据电压量与酒精浓度之间的对应关系，将电压量转化为浓度值，用数码管显示被测酒精气体的浓度。

根据各功能模块的设计，系统总框图如图1所示：

图1系统总框图

3.2信号采集模块

3.2.1气敏传感器的分类

气敏传感器的种类较多，根据被测气体不同，主要分为：

（1）可燃性气体气敏传感器

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。

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，特别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。

（2）一氧化碳和氢气气敏传感器

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；氢气气敏元件除应用于工业等领域外，主要应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很高，而氢敏元件较氧化碳元件价格低，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。

（3）氧传感器

在使用三元催化转换器以减少排气污染的发动机上，氧传感器是必不可少的元件。

由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对CO、HC和NOx的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，用以检测排气中氧的浓度，并向ECU发出反馈信号，再由ECU控制喷油器喷油量的增减，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近。

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。

（4）毒性气体传感器

毒性气体传感器又称为环境有毒有害气体传感器，主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体，应用最多的是定电位电解式电化学气体传感器。

其特点是灵敏度高，选择性好，低浓度输出线性好，主要用于对CO、H2O、NH3、SOX、NOX、Cl2及其他化合物蒸气，如HClHCN等有毒性气体的检测。

根据被检测对象不同，气敏传感器主要分为：

敏感气体种类的气敏传感器、敏感气体量的真空度气敏传感器，以及检测气体成分的气体成分传感器。

前者主要有半导体气敏传感器和固体电解质气敏传感器，后者主要有高频成分传感器和光学成分传感器。

由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等优点，所以应用很广。

根据工作原理不同，气敏传感器可分为：

3.2.2气敏传感器的选择

由于本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度，故采用气敏传感器。

考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性，所以传感器只能对酒精气体敏感，对其他气体不敏感，故选用MQ-3型气敏传感器，它属于MQ系列气敏元件的一种，如图2所示。

其由微型Al2O3陶瓷管、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不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。

封装好的气敏元件有6只针管引脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。

图2MQ-3结构和外形

MQ-3对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性，具有快速的响应恢复特性，可靠的稳定性，简单的驱动电路，已经寿命长等优点。

其广泛应用于对机动车驾驶人员及其他风险作业人员的酒后监督检测和其他对乙醇蒸汽探测的场所。

MQ-3特性：

酒精传感器气体

酒精（乙醇）

探测范围

10～1000ppm酒精

特征气体

125ppm酒精

灵敏度

Rinair/Rintypicalgas≥5

敏感体电阻

1～20KΩinair空气中

响应时间

≤10s（70%Response）

恢复时间

≤30s（70%Response）

加热电阻

31Ω±3Ω

加热电流

≤180mA

加热电压

5.0V±0.2V

3.2.3气敏传感器的采样电路

MQ-3采样电路如图3所示。

MQ-3的加热电阻两端即H引脚接电源，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；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A或B接到电源正极，另一个电极与RL并联。

MQ-3传感器与电位器RL串联构成分压电路，采样点为电位器的分压。

在洁净空气中，传感器的电阻较大，则RL两端的电压较小；当将待测酒精样品靠近MQ-3，其电阻会变小，则RL两端的输出电压就会变大。

MQ-3的阻值对不同浓度的酒精溶液有不同的变化，对应的电位器的分压值也会发生相应的变化，即一个电压值对应一个酒精浓度。

对酒精气体浓度的采样可以转化为对电位器分压的采样。

图3MQ-3采样电路

3.3信号转换模块

3.3.1A/D转换

3.3.1.1A/D转换器分类及选择

A/D转换器大致分有三类：

（1）双积分A/D转换器。

优点是精度高，抗干扰性好，价格便宜，但速度慢；

（2）逐次逼近式A/D转换器。

精度、速度、价格适中；

（3）并行A/D转换器。

速度快，价格也昂贵。

实验用ADC0809属第二类，是8位A/D转换器。

每采集一次一般需100μs。

由于ADC0809A/D转换器转换结束后会自动产生EOC信号（高电平有效），取反后将其与8031的INT0相连，可以用中断方式读取A/D转换结果。

3.3.1.2设计要求

1、A/D芯片0809应用目的

（1）掌握A/D转换与单片机的接口方法

（2）了解A/D芯片0809转换性能及编程方法

（3）通过实验了解单片机如何进行数据采集

2、实验内容

利用实验仪上的0809做A/D转换实验，〖ZH（〗实验仪上的W1电位器提供模拟量输入。

编制程序，将模拟量转换成数字量，通过发光二极管L1-L8显示。

3.3.1.3实验步骤

（1）把A/D区0809的0通道IN0用插针接至W1的中心抽头V01插孔（0-5V）。

（2）0809的CLK插孔与分频输出端T4相连。

（3）将W2的输入VIN接+12V插孔，+12V插孔再连到外置电源的+12上（电源内置时，该线已连好）。

调节W2，使VREF端为+5V。

（4）将A/D区的VREF连到W2的输出VREF端。

（5）EXIC1上插上74LS02芯片，将有关线路按图连好。

（6）将A/D区D0-D7用排线与BUS1区XD0-XD7相连。

（7）将BUS3区P3.0用连到数码管显示区DATA插孔。

（8）将BUS3区P3.1用连到数码管显示区CLK插孔。

（9）单脉冲发生/SP插孔连到数码管显示区CLR插孔。

（10）仿真实验系统在"P....."状态下。

（11）以连续方式从起始地址06D0运行程序，在数码管上显示当前采集的电压值转换后的数字量，调节W1数码管显示将随着电压变化而相应变化，典型值为0-00H，2.5V-80H，5V-FFH。

3.3.1.4ADC0809简介

ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

3.3.1.4.1主要特性

1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位。

　　2）具有转换起停控制端。

　　3）转换时间为100μs

　　4）单个＋5V电源供电

　　5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

　　6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度

　　7）低功耗，约15mW。

3.3.1.4.2内部结构

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图4所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成，有三条地址输入线。

该芯片内部还有便于和微机数据总线相连的三态输出锁存器。

图4ADC0809内部结构

3.3.1.4.3外部特性

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如下图所示：

各引脚功能如下：

IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

D0～D7：

8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路

ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

EOC：

A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：

基准电压。

Vcc：

电源，单一+5V。

GND：

地。

3.3.1.5ADC0809的应用

3.3.1.5.1ADC0809的工作过程

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。

为此可采用下述三种方式：

（1）定时传送方式

对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。

可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

（2）查询方式

A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。

因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。

（3）中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

当检测到酒精气体时，气体传感器的电阻变小，则ADC0809的模拟输入端IN0的电压变大。

采用查询方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受，然后将数据通过三位8段数码管显示。

表1ADC0809通道地址

ADDC