酒精浓度检测仪.docx

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酒精浓度检测仪

毕业论文

酒精浓度检测仪设计

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。

第三章系统硬件设计

1．1系统整体设计方案

单片机酒精浓度测试仪用MQK2酒精传感器采集气体信号，并通过数模转换器将模拟信号转换成数字信号送至单片机，单片机对数字信号进行分析处理，并将所得的结果显示出来，可以通过键盘设置不同环境下酒精浓度的不同阀值，如果所检测出的酒精浓度超过了所设定的阀值，那么单片机就能控制蜂鸣器发出声音报警。

键盘采用3个独立键盘进行数据输入设定；显示部分用5个数码管显示当前数据，数码管分别用2个74HC573锁存器控制段选和位选。

温度采集采用DS18B20,与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

经过软件处理送至数码管显示当前环境温度。

A/D模块

图1、系统方框图

2.4MQK2传感器的特性及性能指标

一、特性

l、对酒精气体有很高的灵敏度。

2、具有良好的重复性和长期的稳定性。

3、抗干扰，对酒精气体有很好的选择性。

二、应用

对酒精气体的检测。

三、特性参数

l、回路电压：

（Vc）5-24V

2、取样电阻：

（RL）0.5-20KΩ

3、加热电压：

（VH）5±0.1V

4、加热功率：

（P）约750mW

5、灵敏度：

R0（air）/RS（100ppmC2H5OH）＞5

6、响应时间：

Tres＜10秒

7、恢复时间：

Trec＜30秒

四、注意事项:

气敏元件开始工作时，需预热3-5分钟后方可正常使用。

不要在

蚀性气体环境下工作。

五、工作环境：

温度-10-+50℃、相对湿度0-90％RH。

六、传感器输出电压与酒精浓度关系

通过测量MQK2输出信号同酒精浓度为近似的线性关系，如图1所示。

图1酒精浓度同输出电压的近似关系

3.1传感器信号采集电路

电路的前端部分MQK2传感器按照常规设计即可，如图2所示。

MQK3外接+5V电压将时，可将电阻丝加热至270℃～300℃.电路将MQK2的阻值变化转换成输出电压的变化,从而可以通过A/D转换成数字信号供单片机处理。

在酒精浓度为0时，其输出电压为3v。

但由于其输出的电压范围超过了AT89S52的输入电压范围，所以在本设计中加入了一个调整电路来使其输出的电压能够满足AT89S52的输入要求。

其调整电路的原理图如图3。

采用LM336～2．5

图2MKQ2酒精传感器电路

作为一个2．5V的基准电压，采用差动输入使得Vout=V酒精-2.5V从而使得传感器信号的输出符合AT89S52的范围。

图3传感器处理电路

3.2A/D转换电路

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。

模数转换采用ADC0804,对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

ADC0804有20个引脚，其中11-18管脚为数字信号输出端，与单片机P1口相连；cs为片选端，接单片机P3.5口，当cs接低电平时ADC0804开始工作，WR接P3.6口，当WR变为低电平再跳变为高电平后启动A/D转换，RD接单片机P3.7口，当RD由低电平跳变为低电平时，单片机读

走A/D转换完的数字信号。

CLK为时钟输入信号线,因ADC0804的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。

INTR为中断控制信号，接单片机外部中断端口，当A/D转换完后向单片机发出中断信号，等待读走数字信号，INTR也空可置不接，因为当启动A/D后一段时间后模数转换完后，等待一段时间后单片机也可以读走数字量。

原理图如图4。

图4A/D转换电路

3.3单片机系统

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于

常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

其电路如图5。

报警电路采用单片机I/O口外接三极管驱动蜂鸣器，发出报警信号，如图6所示。

图5单片机基本电路

图6蜂鸣器电路图7独立键盘电路

键盘分编码键盘和非编码键盘。

键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生键编码号或键值的称为编码键盘，如计算机键盘。

而靠软件编程来识别的称为非编码键盘；在单片机组成的各种系统中，用的最多的是非编码键盘。

非编码键盘有分为：

独立键盘和行列式（又称为矩阵式）键盘。

本设计采用3个独立键盘来输入数字量，如图7。

3个键盘分别接单片机P2.0,P2.1,P2.2。

使用时先将键盘借口初始化，即将P2.0～P2.2全部置1，然后判断是否有键按下，若键盘输入端变为低电平，表明此键盘按下，在软件编程时，注意键盘消抖。

显示部分用4个数码管显示当前数据，数码管分别用2个74HC573锁存器控制段选和位选，锁存器与单片机I/O口连接，位锁存器输出端分别与数码管片选连接，段锁存器输出端接数码管段输入端连接。

锁存器片选输入端为高电平时，I/O口数据输入锁存器，当输入为低电平时，锁存器关闭并将数据保持住。

如图8所示。

段选接单片机P2.6,位选接单片机P2.7。

图8显示电路部分

3.4DS10B20温度采集电路

温度采集采用DS18B20,DS18B20是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种数字化单总线器件，属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

可以分别在93．75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

同时其“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入了全新的概念。

DS18B20“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0．5℃。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，用符号扩展的16位数字量方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。

DS18B20可以直接通过DQ端口向单片机输入温度信号（如图9）。

DQ接单片机P2.4口。

图9DS18B20温度采集系统

DSl8B20数字温度计提供9位（二进制）温度读数,指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出,因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线（和地线）。

DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。

因为每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上。

这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。

DSl8B20的测量范围从-55到+125，增量值为0.5可在ls（典型值）内把温度变换成数字。

DS18B20用9位存贮温值度最高位S为符号。

负温度S=1,正温度S=0。

第四章软件处理部分

4.1酒精测量处理部分

将传感器输出经调整后的模拟电压输入转换器进行A/D转换，采用ADC0804其操作时序图如下

转换时序

读走数字信号时序

图10ADC0804控制信号时序图

MQK2酒精传感器输出电压与酒精浓度近似为线性关系，由图1可得酒精浓度与输出电压函数近似为V=2.78*C+3，C表示酒精浓度,单位为mg/L。

本设计中加入了一个调整电路来使其输出的电压能够满足单片机的输入要求，其输入与输出关系为VOUT=Vin-2.5V。

因此输入模拟电压与呼出气体中的酒精浓度的函数关系为V=2.78*C+0.5。

当开始检测时，采样传感器的输出信号,并准备A/D转换。

每隔50ms采集一个电压值,共采集10个,取其中最大的3个结果,并计算其平均数。

由于传感器信号处理电路中酒精浓度值和输出电压值之间有线性关系,确定电压值和酒精浓度的对应关系,最后输出酒精浓度值。

整个过程流程图如图11所示。

小于

图11酒精浓度检测子程序流程图

大量的统计研究结果表明，如果被测者深吸气后以中等力度呼气达三秒钟上，这时呼出的气就是从肺部深处出来的气体。

呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关系：

BAC（inmg／L）=BrAC（inmg／L）x2200

其中，BAC代表血液酒精浓度，BrAC表示呼气酒精浓度，inmg／L表示以每升中多少毫克为单位。

也就是说，以毫克／升为单位的血液酒精浓度在数值上相当于以毫克／升为单位的呼气酒精浓度乘上系数2200（由于各国的情况不同，在美国此系数采用2000，而欧洲很多国家采用2100）。

由于BrAC受到环境温度、湿度以及被测试者个体差异等多方面影响，其测试结果不如直接检测BAC准确，但是该结果仍可作为判断饮酒程度的重要参考。

我国对酒后驾驶的判定界限为10～30g/100L（血液中的酒精浓度）。

4.2温度处理部分

本系统软件部分主要包括：

DS18B20的初始化子程序、向DS18B20中写数据子程序，从DS18B20中读数据子程序、温度转换子程序和通信子程序。

软件系统流程图如图12所示。

数码管显示

图12DS18B20温度转换软件流程图

DSl820工作过程及时序

DSl820工作过程中的协议如下:

初始化RoM操作命令存储器操作命令处理数据。

1初始化

单总线上的所有处理均从初始化开始。

2ROM操作品令

总线主机检测到DSl820的存在，便可以发出ROM操作命令之一，这些命令如

指令代码

ReadROM（读ROM）[33H]

MatchROM（匹配ROM）[55H]

SkipROM（跳过ROM][CCH]

SearchROM（搜索ROM）[F0H]

Alarmsearch（告警搜索）[ECH]

3存储器操作命令

指令代码

WriteScratchpad（写暂存存储器）[4EH]

ReadScratchpad（读暂存存储器）[BEH]

CopyScratchpad（复制暂存存储器）[48H]

ConvertTemperature（温度变换）[44H]

RecallEPROM（重新调出）[B8H]

ReadPowersupply（读电源）[B4H]

4时序

主机使用时间隙（timeslots）来读写DSl820的数据位和写命令字的位

（1）初始化

时序见图10。

主机总线to时刻发送一复位脉冲（最短为480us的低电平信号），接着在tl时刻释放总线并进入接收状