精品汽车驾驶员酒精浓度监控系统设计毕业论文设计.docx

1、精品汽车驾驶员酒精浓度监控系统设计毕业论文设计(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)前 言随着电子技术的迅速发展，特别是随大规模集成电路产生而出现的微型计算机，给人类生活带来了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张他说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并已走人家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪影。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志

2、之一。我国传感器市场的增长率超过15%，2003年销售额为186亿元人民币，2006年销售额为283亿元人民币，预计2007年为325亿元人民币，2008年为374亿元人民币。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。随着汽车工业的发展，汽车肇事越来越受到各国的重视，在世界各国交通事故的法医调查研究中，酒后驾驶是导致交通事故的重要原因。虽然各国对酒后驾车执行了严格的规

3、定，但酒后驾车仍然具有一定的普遍性。针对这种现象，本文设计一种基于MCS51单片机的控制系统，通过高灵敏度的呼气式酒精传感器检测司机的酒精摄入量。当司机体内酒精含量超标时，控制系统会自动切断汽车启动系统，使汽车无法正常启动。从而更好的保障交通秩序和人们的出行安全。构建和谐的交通环境。1 绪论1.1 课题来源来源于生产社会实际1.2 研究的目的、意义、应解决的主要问题大学四年学了许多关于硬件的课程，像电路学、电子技术，但是多半是理论性的居多，实际上做电路的只有电工电子实验课上才有，而且几乎都涉及不到日程生活中的应用。本次毕业论文课题恰好提供了一次机会可以让我学以致用，加上我们学习了8051单片机

4、的基础知识，因此我便朝着这个方向前进。但由于我们是主攻硬件方面的知识，在计算机软件方面还得学习很多跟课题相关的知识。随着汽车工业的发展，汽车肇事越来越受到各国的重视，在世界各国交通事故的法医调查研究中，酒后驾驶是导致交通事故的重要原因。虽然各国对酒后驾车执行了严格的规定，但酒后驾车仍然具有一定的普遍性。针对这种现象，本设计基于80C51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

5、。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

6、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。1.3 国内外发展现状、发展趋势及面临挑战日产汽车公司日前对外宣布,一款新的概念车应用了可以预防酒后驾驶的技术,这项技术可以数倍减少酒后驾驶引发的交通事故。该技术可以有效测试司机的清醒程度,采用多种预防措施防止酒后驾驶,并在危险时刻对汽车采取紧急制动。概念车在司机和乘客的座位上也安装了酒精气味传感器,用来监测汽车座舱内空气中的酒精含量。当酒精气味被传感器探测到时,导航系统也会发出“酒后驾驶”的警报音,导航系统显示屏同时自动显示“不要酒后驾驶!”的文字提示。为了

7、取得“安全驾驶环境”,日产汽车对大量交通事故信息进行了采集分析。日产汽车公司在防止酒后驾驶的技术上做出了一系列努力。今年6月,日产提出自动导航系统开启提醒司机“不要酒后驾驶”的信息警报。7月,日产汽车公司再次与地方政府合作测试一种新型呼气测醉器,该装置用检查呼吸的手段发现驾驶员血液酒精含量是否超标,并通过紧急制动装置阻止酒后驾车人启动汽车。目前日产汽车已经开始着手启动智能传输系统项目,目的是为了更有效地减少交通事故。日产汽车计划到2015年在日本用于车辆交通事故的保险赔付比1995年减少一半。国内目前也有很多汽车厂商着手研究该产品，使用该产品的机动车，一旦驾驶员酒后操作，系统将自动发出警示，首

8、先是报警铃响提示，然后在液晶显示屏上自动显示“严禁驾驶”字样，并有“为了你和他人的幸福，请不要开车”等语音提示；如驾驶员一意孤行仍要开车，该产品的终端控制系统将发挥作用，使机动车断电，无法启动；直到酒精含量减少到测试标准之下，该系统则解除强制监控，自动恢复机动车行驶功能。前景：像安全带一样普及。1.4 设计方案本文以80C51单片机为核心，设计了用于测量酒精浓度的探测仪，主要研究工作包括以下3个方面。（1）硬件电路方面，对气体传感器MQ-3按检测电路，接上一定阻值的负载电阻，检测它的技术参数，确定MQ-3所接负载电阻的大小，完成信号采样电路的设计；采样到的模拟电压电信号通过AD转换，得到可供单

9、片机处理的数字信号，再由单片机作相应的数据处理, 控制汽车点火器打开或者关闭；发光二极管报警显示和3个单位8段共阴数码管浓度值显示。（2）软件方面，标准的确定是该部分要做的主要工作。因为原始的采样值是一个间接的负载分压值，需要将它转化为被测酒精浓度值。通过多个样品的测量确定多个浓度区间的转换标准，并将每个区间的转换关系近似线性化处理，然后通过软件编程的方法来实现。（3）为了尽量减少设计的气体传感器的测量误差，在测量酒精溶液样品时要考虑并解决3个主要问题。一是外界环境流动空气对传感器的影响和对气体样品的稀释，二是样品的稳定性对测量带来的误差，三是水蒸气对测量的影响。针对这3个主要问题提出以下解决

10、方案和验证方法。测量样品时，将探头尽量放入塑料瓶内，可以在一定程度上消除流动空气的影响，同时应选择空气流动较小的室内环境来测量。水蒸气对MQ-3的影响很小，这一点可以通过对只装有纯净水的塑料瓶的多次测量来验证。用相同容量的塑料瓶配制好不同浓度的酒精溶液后，将它密封并放置一段时间，待其稳定后再测量。再通过反复多次测量多组数据，求其平均值的方法来缩小测量误差。2 系统硬件设计2.1 单片机开发流程（1）可行性调研。可行性调研的目的，是分析完成这个项目的可能性。进行这方面的工作，可参考国内外有关资料，看是否有人进行过类似的工作。如果有，则可分析他人是如何进行这方面工作的，有什么优点和缺点，有什么值得

11、借鉴的；如果没有，则需要作进一步的调研，此时的重点应放在能否实现这个环节，首先从理论上进行分析，探讨实现的可能性，所需求的客观条件是否具备，然后结合实际情况，再决定能否立项的问题。（2）系统总体方案的设计。在进行可行性调研后，如果可以立项，下一步工作就是系统总体方案的设计。工作的重点应放在该项目的技术难度上，此时可参考这一方面更详细、更具体的资料，根据系统的不同部分和要实现的功能，参考国内外同类产品的性能，提出合理而可行的技术指标，编写出设计任务书，从而完成系统总体方案设计。（3）设计方案细化，确定软硬件功能。一旦总体方案确定下来，下一步的工作就是将该项目细化，即需明确哪些部分用硬件来完成，哪

12、些部分用软件来完成。由于硬件结构与软件方案会相互影响，因此，从简化电路结构、降低成本、减少故障率、提高系统的灵活性与通用性方面考虑，提倡软件能实现的功能尽可能由软件来完成；但也应考虑软件代硬件的实质是以降低系统的实时性、增加处理进行为代价的，而且软件设计费用、研制周期也将增加，因此系统的软硬件功能分配应根据系统的要求及实际情况而合理安排，统一考虑。在确定软硬件功能的基础上，设计者的工作就开始涉及到具体的问题，如仪器的体积及与具体技术指标相对应的硬件实现方案，软件的总体规划等。在确定人员分工、安排工作进度、规定接口参数后，就比须考虑硬件软件的具体问题了。（4）一个单片机应用系统经过调研、总体设计

13、、硬件软件设计、制版、元件安装后，在系统的程序存储器中放入编制好的应用程序，系统即可运行。但一次性成功的几乎是不可能的。由于单片机在执行程序时人工是无法控制的，为了能够调试程序，检查硬件、软件运行情况，这就需要借助某种开发工具模拟用户实际的单片机，并且能随时观察运行的中间过程而不改变运行中有的数据性能和结果，从而进行模拟现场的真实调试。2.2 硬件系统框图基于80C51单片机用MQ-3型气体传感器实现酒精气体浓度的检测，需要信号采集模块用于对酒精浓度信号的采集，该信号是通过MQ-3气体传感器和负载电压得到分压电信号。信号转换模块用来把采集到得模拟电压信号转换位可以用单片机处理的数字信号。数码管

14、显示模块是对单片机处理后的数字信号的显示，用来显示酒精的浓度。报警模块是对设定值提供报警功能，该功能用发光二极管显示。根据各功能模块的设计，可得到它的系统总框图，如图1所示。图1 系统总框图2.3 信号采集电路2.3.1 气体传感器的选择根据被检测气体的不同，气敏传感器可分为以下三类:（1）可燃性气体气敏传感器。目前该类气敏传感器需求量最大，包含各种无机和有机类气体检测，主要用于抽油烟机、泄露报警器和空气清新剂等方面，并已经形成生产规模，在油田、矿区、化工、企业及家庭等生产和生活领域广泛用作气体泄露报普，特别是用于家庭气体泄露报警，需求量不断增加，使该类传感器有着广泛的发展空间。（2）CO和H

15、2气敏传感器。CO气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等CO泄露和不完全燃烧检测报警；H2气敏元件除应用于工业等领域外，主要用于家庭管道煤气泄露报警。由于我国管道煤气中H2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露报警更为适宜。（3）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，虽然SnO2气敏传感器对CO，H2S等有毒有害气体敏感，但应用最多的仍是电解式化学传感器。 传感器的分类方式有很多种，以上是根据被检测气体的性质进行的分类，也有根据元件的物理特性进行分类的。一个新型的气体检测系统应该

16、包括：（1）基于一种或几种传感技术的气体传感器。（2）组合了气体传感器和采样调理电路的探头。（3）配有人机接口软件的中心监测和控制系统。（4）在一些应用中，与其它安全系统和仪器的接口。本设计中的酒精气体传感器采用河南汉威电子有限公司的MQ-3型,它属于MQ系列气敏元件的一种。如图2所示：图2 MQ-3特点:检测范围为10ppm2000ppm ；灵敏度高，输出信号为伏特级；响应速度快，小于10秒；功耗小于0.75W，尺寸：D17*H10。 MQ-3型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物（二氧化锡）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

17、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。MQ-3的灵敏度特性曲线如 图3所示。图3 MQ-3灵敏度特性曲线检测电路如图4所示，当电源开关S断开时，传感器加热电流为零，实测A，B之间电阻大于20M。S接通，则f，f之间电流由开始时155mA降至153mA而稳定。加热开始几秒钟后A，B之间电阻迅速下降至10K以下，然后又逐渐上升至120K以上后并保持着。此时如果将酒精溶液样品靠近MQ-3传感器，我们立即可以看到数字万用表显示值马上由原来大于120K降至10K以下。移开小瓶过1分钟左右后，A，B之间电阻恢复至大于120K。这种反应可以重复试验，但要注意使空气恢复到洁

18、净状态。经实验的反复检测，MQ-3传感器可以正常工作使用，对不同浓度的酒精溶液有不同的变化，响应时间和恢复时间都正常，可以开始作信号采样模块电路的设计。图4 MQ-3检测电路2.3.2 信号采样电路信号的采样模块电路如图5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。将电极端A接到电源正极，电极端B接两个270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SnO

19、2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。应为实验所用的MQ-3在预热5到10分钟后，它的敏感体电阻只有120K，所以负载电阻

20、选用两个270并联，构成采样部分的分压电阻。图5 采样模块2.4 信号转换电路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IO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8。80C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4K的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，

21、既可在线编程也可以用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，可灵活应用于各种控制领域。80C51提供以下标准功能：4KBFlash闪存存储器，128B内部RAM，32个IO口线，看门狗，两个数据指针，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。根据实际需要，本次设计选用的是以8051为核心单元Atmel公司的低耗80C51单片机。80C51芯片有40条引脚，采用双列直插式封装，如图6所示。下面说明各引脚功能。 图6 80C51芯片管脚VCC：运行和程序校验时接电源正端。GND：接地。XTAL1：输入到单片机内部振荡器的反相放大器。XTAL2

22、：反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。P0口：8位漏极开路的。使用片外存储器时，作低八位地址和数据分时复用，能驱动8个LSTTL上拉电阻。P1口：8位、准双向IO口。P2口：8位、准双向IO口。当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。可以驱动4个LSTTL负载。P3口：8位、准双向IO口，具有内部上拉电路，提供各种替代功能。P3.0RXD串行口输入口，P3.1TXD串行口输出口，P3.2外部中断0输入，P3.3外部中断1输入，P3.4T0定时器计数器0的外部输入，P3.5T1定时器计数器1的外部输入，P3.6低电平有效，输出，片外存储器写选通，P3.7低电平有效，输出，片外存

23、储器读选通。RST：复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。VCC：片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。高电平时选择片内程序存储器，低电平时程序存储器全部在片外而不管片内是否有程序存储器。ALEPROG：地址锁存允许信号，输出。ALE以16的振荡频率固定速率输出，可作为对外输出的时钟或用作外部定时脉冲。单片机最小系统的设计包括电源，晶振和复位电路三个部分。这是使单片机正常工作的必要外围电路部分。针对不同型号的单片机在最小系统设计上会有一些差别。对于选用的80C51单片机，根据美国ATMEL公司提供的技术资料，可以对它的最小系统作恰当的设

24、计，如图8所示。对于电源部分，技术资料中性能参数里给出的标准工作电压是4.05.5V。因此，单片机的引脚40对应的VCC接到+5V电源的正极，引脚10对应的GND接到+5V电源的接地端，为80C51单片机提供正常的工作电压。对于晶振部分，80C51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8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

25、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30pF10pF，使用陶瓷谐振器推荐电容容量为40pF10pF。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33pF。对于复位电路部分，80C51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

26、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7所示，10F的电容C3与270的电阻并联后再与一个10K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。图7 80C51单片机最小系统设计电路ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图8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AD转换器、逐次逼近寄存器、三态

27、输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。 图8 ADC0809内部结构ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图9所示。下面说明各引脚功能。 图9 ADC0809芯片IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8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。如表1所示。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START：AD转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC：AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一

28、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AD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。 ADC0809的工作过程是：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 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信

29、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。当检测到酒精气味时，气体传感器的A-B间电阻变小，则ADC0809的模拟输入端IN0的电压变大。采用查询方式对输入模拟信号进行AD转换，然后将数据通过三位八段数码管显示。表1 ADC0809通道地址ADDC ADDB ADDA 选通通道0 0 0IN00 0 1IN10 1 0IN20 1 1IN31 0 0IN41 0 1IN51 1 0IN61 1 1IN7ADC0809芯片内部没有时钟脉冲源，可以用单片机提供的地址锁存控制输入信号ALE经D触发器二分频后，作为 ADC0809的时钟输入。ALE端信号

30、的频率是单片机时钟频率的16。单片机的时钟频率是11.0952MHz，则ALE端输出信号的频率为1.8492MHz，再二分频后为0.9246MHz，符合ADC0809对时钟频率的要求。由于ADC0809具有三态输出数据锁存器，其8位数据输出端可以直接与数据总线相连。地址选通端ADDA，ADDB，ADDC分别与单片机地址总线的低三位A0，A1，A2相连，用于选通IN0-IN7中的某一通道。由于ALE和START连在一起，ADC0809在锁存通道地址的同时启动AD转换。在读取AD转换结束时，OE产生的正脉冲信号用于打开三态输出锁存器。ADC0809的EOC信号与单片机的P3.3相连，作为AD转换是

31、否结束的状态信号供单片机查询。ADC0809与80C51单片机的接口电路如图10所示。单片机引脚P3.6与P2.7进入或非门后与模数转换芯片的ALE端和START端子用导线相连接，用于对模数转换芯片写入数据的写信号。单片机的RD端P3.7与P2.7进入或非门后与模数转换芯片的OE端子用导线相连接，作为单片机读取模数转换数据的读信号。单片机引脚P3.3与模数转换芯片的EOC端经过或非门后的输出端用导线相连接，用于单片机对模数转换是否结束的查询，模数转换结束后可以查询到P3.3为高电平，为单片机读取数据作准备。单片机的ALE端口接到D触发器的时钟信号输入端CK，D触发器的反相输出端与触发信号输入端

32、用导线相连，D触发器的清零和复位端为低电平有效，分别接高电平，D触发器的正向输出端与模数转换芯片的CLK端子用导线相连接，为模数转换芯片提供正常的时钟信号。把模数转换芯片的A2A1A0端分别用导线连接到地址锁存器的低三位，用于选择模数转换的通道。模数转换芯片的IN0端子用导线与信号采样部分的负载电阻端相连，作为要模数转换的输入端。单片机引脚P0.0P0.7连接到模数转换芯片的数据输出端D0D1D2D3D4D5D6D7端，用于读取模数转换后的数据。地址地址锁存芯片74LS373的输入端低三位分别与单片机引脚P0.0P0.2连接，用于锁存选择模数转换通道的地址。图10 ADC0809与单片机80C51接口电路2.5 发光二极管显示报警电路发光二极管集成驱动芯片LM3914的管脚图如图11所示。其内部的缓