1、目 录1 前 言 11.1 选题的依据及意义 11.2 研究概况及发展趋势综述 .22 基于单片机酒精溶度测试系统的组成及原理 32.1 系统设计要求 32.2 系统功能 33 基于单片机酒精溶度测试系统的硬件设计 53.1 系统总体电路设计及工作原理 .53.2 酒精浓度转换电路设计 .53.3 89C52 单片机系统 83.4 AD 采样电路的设计 163.5 液晶显示模块 183.5 声光报警模块 194 基于单片机酒精溶度测试系统的软件设计 204.1 编译语言的选择 204.2 软件功能分析 204.3 主程序模块 215 系统调试 325.1 系统硬件调试 325.2 系统软件调试
2、 34总 结 .36参考文献 .37致 谢 .38附 录 .39附录一 原理图 .39附录二 PCB 图 41附录三 实物图 .43附录四 程序清单 .44南昌航空大学学士论文11 前 言1.1 选题的依据及意义根据 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（GDP）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，
3、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，麻痹神经，造成大脑反应迟缓，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。在中国，每年由于酒后驾车引发的交通事故达数万起，其危害触目惊心，已成为交通事故的第一大“杀手” 。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
4、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 研究概况及发展趋势综述受 20 世纪信息技术的快速发展的影响，传感技术逐渐走向成熟，在生活生产中的得到了广泛的应用。由于传感器在各个领域都有着举足轻重的作用，因此，高精度，高可靠性，微型化，微功耗无源化和智能数字化成为其发展方向。为检查醉驾，警察常常使用一种便携式的酒精呼吸检测仪, 通过检测驾驶者呼出的气体判断驾驶者是否饮酒。而目前使用的酒精呼吸检测仪只能初步显示驾
5、驶员是否饮酒, 有醉驾嫌疑的驾驶员还需要接受血检, 以确定其体内酒精含量是否超标。为简化其流程，英国内政部已推出一种超级酒精呼吸检测仪, 能根据体温、呼吸频率等情况, 当场判断出驾驶者体内的酒精含量。由此可见，高精度，高可靠性与微型化是酒精浓度检测仪的主要发展方向。至今为止，对气体中酒精含量进行检测的设备有燃料电池型（电化学） 、半导体型、红外线型、气体色谱分析型和比色型五种类型。但由于价格和使用方便的原因，目前（截止 2011 年 10 月）常用的只有燃料电池型（电化学型）和半导体型两种。燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染，酒精传感器只
6、是燃料电池的一个分支。燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满特种催化剂，使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比。与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性好，精度高，抗干扰性好的优点。但是由于燃料电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，目前（2012 年）只有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产，加上材料成本高，因此价格相当昂贵，是半导体酒精传感器的几十倍。南昌航空大学学士论文32 基于单片机酒精溶度测试系统的组成及原理2.1 系统设计要求设计一个基于单片机的酒精浓
7、度检测系统，检测结果用 LED 或 LCD 显示器显示。基于 STC89C52 单片机，MQ-3 酒精浓度传感器，本设计设计一种具有检测及超限报警功能的酒精浓度测试系统。具体技术要求如下：1、设计 51 单片机最小系统电路；2、设计 LCD 显示电路； 3、设计信号采集转换电路；4、设计实时时钟电路； 5、设计声光报警电路。2.2 系统功能本设计采用自动检测技术和计算机技术, 对人呼出的酒精气体的质量浓度进行自动测量、自动显示、声光报警, 并给出数字提示。电路结构主要由酒精传感器、测量电路、模数转换电路、单片机、驱动显示器、声光报警电路等部分组成, 系统框图如图2.1所示。具体的工作过程是:
8、呼出气体中的酒精质量浓度信号经酒敏传感器转换为 0 5V 的 电压信号, 并且该电压 信号的大 小与气体 中的酒精 质量浓度 大小成正 比, 经过A /D 转换后传送 给单片 机, 经单片 机内部 的一 些运算, 比较程序处 理后输出 给 LCD 显示 和声光报警电 路进行 报 警。设 计 中 选 用 由 美 国 ATMEL 公 司 生 产 的STC89C52作为 智能 检测 装置 的核 心 器件, STC89C52的P1口与AD0804的8位输出端相连，用来接收转换好的8位数据；P0口与LCD现实模块相连，有内部程序来控制各引脚电平，使LCD显示器能做出相应的显示；P2口与声光报警模块相连，
9、用来执行报警等操作。被测环境 气敏传感器A/D 转换电路 STC89C52键盘声光报警液晶显示图 2.1 硬件方案总体框图本课题分为两部分：硬件设计部分和软件设计部分。硬件部分为利用 MQ3 气敏传感器测量空气中酒精浓度，并转换为电压信号经 A/D 转换后传给单片机系统，由单片机及其外围电路进行信号的处理，显示浓度值以及超阈值声光报警。软件部分用 C 语言进行编程，程序采用模块化设计思想。各个子程序的功能相对独立，便于调试和修改。而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、A/D 转换电路、声光报警电路、LCD 显示电路，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍；程序的设计使用 C 语
10、言编程。其模块框图如图 2.2 所示。图 2.2 系统程序模块框图主程序AD 采样程序模块中断服务模块LCD显示模块声光报警模块键值扫描模块南昌航空大学学士论文53 基于单片机酒精溶度测试系统的硬件设计3.1 系统总体电路设计及工作原理根据自动检测系统的组成结构，该酒精溶度检测仪应该包含酒精气体传感器、信号处理电路和执行指示机构等部分。对于酒精气体传感器，只要是一般性的还原性气体传感器都能够使用，本设计考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量，传感器输出的是 0-5 伏的电压值并且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出电压值经过 ADC0804 采集数据送入单片机进行处理。酒精浓
11、度监测仪的硬件电路设计主要包括：传感器测量电路、89C51 单片机系统、A/D 转换电路、声光报警电路、LCD 显示电路。酒精浓度监测仪硬件模块电路框图如图 3.1。图 3.1 硬件模块电路框图3.2 酒精浓度转换电路设计由于本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度，再转换为血液中的酒精含量浓度，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 MQ3 型气敏传感器。其有很高的灵敏度、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
12、件固酒精浓度测试系统的硬件设计信号采集A/D转换单片机控制LCD显示声光报警定在塑料或不锈钢的腔体内，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值的变化。传感器的表面电阻 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 输出面获得的。二者之间的关系表述为：RSRL=(VC-VRL)VRL，其中 VC 为回路电压为 10V。负载电阻 RL 可调为 05-200K。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、标准回路、传
13、感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系图如图 3.2 所示，传感器集成模块电路如图 3.3 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，一般在测量前需将传感器预热 20s。图 3.2 传感器电路、结构及关系图南昌航空大学学士论文7图 3.3 MQ-3 传感器电路原理图为了更好地使用酒精传感器 MQ-3，现将 MQ-3 的标准工作条件和环境条件进行介绍，如表一和表二所示表一 酒精传感器 MQ-3 标准工作条件符号 参数名称 技术条件 备注Vc 回路电路 10V AC OR DCVh 加热电压 5V AC OR DCRL 负载电阻 可调 0.5200KRh 加热器电阻 335% 室温Ph 加热功耗 阈值黄、红灯不亮，报警器不想黄灯亮，红灯不亮，报警器不响黄灯不亮，红灯亮，报警器响返回NYAD 转换子程序图 4.7 报警模块流程图4.3.5 时钟模块本次毕设用单片机内部的定时器 1 作为系统时钟，初始时间可以自己设定，然后通过单片机送给液晶显示，其具体软件流程图如图 4.8。
