宋剑、周正豪-酒精测试仪论文.doc

宋剑、周正豪-酒精测试仪论文

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酒精测试仪
姓名：宋剑 周正豪
摘要:2000年以来，随着中国经济的高速发展，人民生活水平的迅速提高,中国逐渐步入“汽车社会”,酒后驾车行为所造成事故越来越多,对社会的影响也越来越大，酒精正在成为越来越凶残的“马路杀手”.据有关资料统计，全世界每年因车祸丧生的人数就超过60万人，留下永久性伤残者在400万以上，一般受伤者则不计其数.在许多国家，车祸已成为第一位意外死亡原因。 此外,因为交通事故造成的经济损失也相当惊人。据事故调查统计，大约50％—60%的车祸与饮酒有关。中国公安部门在2009年8月，在全国各地加强查处酒后驾驶的力度，以减少由酒后驾驶造成的恶性交通事故。要查处就涉及到检测人体内的酒精含量和使用设备来进行检测的问题。 本文研究设计了一种用于公共场所具有检测及超限报警功能的酒精浓度智能测试仪。其设计方案基于89C51单片机，MQ3酒精浓度传感器。系统将传感器输出的4~20mA的标准信号通过以AD0832为核心的A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理,最后由LCD显示酒精浓度值。文中详细介绍了数据采集子系统、数据处理过程以及数据显示子系统和报警电路的设计方法和过程。系统对于采样地点超出规定的酒精浓度时二极管报警电路提醒监测人员.同时,操作人员对于具体报警点的上限值可以通过单片机编程进行设置。 个人收集整理，勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途
关键词：酒精浓度传感器（MQ3）；MCU；A/D转换器;软件设计；硬件设

引言：随着中国经济的高速发展，人民生活水平的迅速提高，中国逐渐步入“汽车社会"，酒后驾驶行为所造成事故越来越多,对社会的影响也越来越大，酒精正在成为越来越凶残的“马路杀手”。越来越多的交通事故在我们的身边发生，让人心痛，经济的发展,每个人都希望人的安全意识也该发展。此外，由交通事故造成的经济损失也相当惊人.据事故调查统计，超过半数的车祸与饮酒有关。在全国各地加强查处酒后驾驶的力度，以减少由酒后驾驶造成的恶性交通事故。要查处就涉及到检测人体内的酒精含量和使用设备来进行检测的问题. 本文研究设计了一种用于公共场所具有检测及超限报警功能的酒精浓度智能测试仪。其设计方案基于89C52单片机，MQ3酒精浓度传感器.系统将传感器输出信号通过A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，最后由LCD显示酒精浓度值。从而让驾车的人知道自己该在什么情况下可以开车,这是一个在现代生活很实用,很负责的一个设计,给社会带来福音。
1。 绪论
1。1 ）酒精浓度检测仪开发背景 酒精的重要作用，是逐渐使得脑部及神经系统反应迟钝--这也是许多人喜欢适量饮酒的主要原因。喝一、两杯酒对人有镇定或松弛的作用。即使是少量的酒精，也没有刺激振奋的作用,这跟许多人的想法正好相反。然而,酒精有时会造成抑制力明显减弱，这会导致创造力的出现，或者是有时候会导致实际的侵略攻击性行为。 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. 受到酒精影响的司机通常会有如下特征：对信号灯反应慢；逆向行驶;摇摆不定、突然转向、飘忽不定或在道路中线驾驶;乱踩刹车；转弯幅度大；蛇形；没有原因就停车；开车速度极慢；突然转弯或违法转弯;天黑时不开前灯。据统计，驾驶员酒后开车，其发生交通事故的比率为没有饮酒情况下的16倍.由日常道路交通安全违法行为和交通肇事案例来看,机动车驾驶员酒后驾车约占38.6％；而摩托车交通肇事中，酒后驾驶的比例则高达72。3％. 酒后驾驶让人付出了惨痛的代价，为了避免类似事故的发生，酒精浓度检测仪随之产生。个人收集整理，勿做商业用途文档为个人收集整理，来源于网络
1。2） 酒精浓度检测仪的发展
以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型，即：燃料电池型(电化学)、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型。但由于价格和使用方便的原因，目前（截止2009年8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（2009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。
1。3） 酒精浓度检测仪设计内容
本论文主要完成酒精浓度检测仪软件设计，设计内容包括A/D转换器程序、控制程序、超标报警、键盘检测、数据显示等。 本系统采用单片机为控制核心,以实现便携式酒精浓度检测仪的基本控制功能.系统主要功能内容包括：数据处理、时间设置、开始测量、超标报警、键盘检测 本系统设计采用功能模块化的设计思想，本论文内容分为以下几个章节:设计器件简介和选择；硬件的设计；软件设计和系统调试。
2. 方案器件简介
硬件设计部分主要包括:MCU、A/D、时钟芯片、LCD、外围扩展数据RAM等芯片的选择,以下做一些器件的比较
2.1） MCU选择的简介
本系统采用单片机为控制核心。单片机/MCU主要有51基本型和52增强型，而相比之下52型比51型功能更为强大，ROM和RAM存储空间更大，52还兼容51指令系统。基于本系统设计内容的需要，综合考虑后，我们选择单片机STC89C52为控制核心；主要基于考虑STC89C52是无法解密低功耗，超低价高速，高可靠强抗静电，强抗干扰，功能强大的单片机
2。2 ）数模转换器的简介
实现A/D转换的基本方法很多,有计数法、逐次逼近法、双斜积分法和并行转换法.由于逐次逼近式A/D转换具有速度，分辨率高等优点,而且采用这种方法的ADC芯片成本低，所以我们采用逐次逼近式A/D转换器。逐次逼近型ADC包括1个比较器、一个模数转换器、1个逐次逼近寄存器（SAR）和1个逻辑控制单元。逐次逼近型是将采样信号和已知电压不断进行比较，一个时钟周期完成1位转换,依次类推,转换完成后，输出二进制数。这类型ADC的分辨率和采样速率是相互牵制的.优点是分辨率低于12位时，价格较低,采样速率也很好。
2.3 ）时钟芯片的简介
DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片,内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路.提供秒分时日日期。月年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线:1 RES 复位,2 I/O 数据线，3 SCLK串行时钟.时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低,保持数据和时钟信息时功率小于1mW.DS1302 是由DS1202 改进而来,增加了以下的特性.双电源管脚用于主电源和备份电源供应Vcc1，为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器.它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。
2.4 )液晶显示器的简介
带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面.

硬件设计：

酒精测试仪原理图

A/D转换设计
正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线,分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1 个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号.在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能。
ADC0832 具有以下特点：
• 8位分辨率；
• 双通道A/D转换；
• 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
• 5V电源供电时输入电压在0～5V之间；
• 工作频率为250KHZ，转换时间为32μS;
• 一般功耗仅为15mW；
• 8P、14P—DIP(双列直插）、PICC 多种封装；
• 商用级芯片温宽为0度 to +70度，工业级芯片温宽为−40度 to +85度；芯片接口说明：
• CS_ 片选使能，低电平芯片使能。
• CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/—使用。
• CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/—使用。
• GND 芯片参考0 电位（地）。
• DI 数据信号输入,选择通道控制。
• DO 数据信号输出，转换数据输出。
• CLK 芯片时钟输入。
• Vcc/REF 电源输入及参考电压输入(复用).
正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI.但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意.当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束.此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲,DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1 个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号.在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能

LCD1602液晶显示设计
LCD1602液晶显示模块与计算机的接口电路有两种方式。它与单片机的接口方法分为直接访问方式和间接控制方式。 直接访问方式是把液晶模块作为存储器或I/O设备直接接在单片机的总线上，单片机以访问存储器或I/O设备的方式操作液晶显示模块的工作。间接控制方式则不使用单片机的数据系统，而是利用它的I／0口来实现与显示模块的联系。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。这种访问方式不占用存储器空间,它的接口电路与时序无关,其时序完全靠软件编程实现.本系统采用间接控制方式：。•单5V电源电压，低功耗、长寿命、高可靠性
•内置192种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符）
•具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个5×8点阵字符或4个5×11点阵字符
•显示方式:STN、半透、正显
•驱动方式:1/16并口,1/5串口
•背光方式：底部LED
•通讯方式：4位或8位并口可选
•标准的接口特征:适配MC51和M6800系统MPU的操作时序
LCD1602液晶显示屏的主要技术参数如下表所示：（表2-3）
表2-3 LCD1602液晶主要参数
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）
LCD1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16×1，16×2，20×2和40×2行等的液晶显示模块,模块组件内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。
LCD1602液晶显示屏外形尺寸
LCD1602液晶显示屏分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚,是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如图3。2所示：

1602液晶显示屏采用标准的16脚接口，其中各接口的功能如下表（2-4）所示：
表2-4 LCD1602的16管脚功能

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
数据/命令选择端，0：输入指令，1：输入数据
5
R/W
0/1
输入
读/写选择端，0：向LCD写入指令或数据，1：从LCD读取信息
6
E
1→0
输入
使能信号，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
第1脚：VSS为地电源.
第2脚:VDD接5V正电源。
第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高,对比度过高时会使屏幕显示不清晰，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：RS为数据/命令选择端，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：R/W为读写选择端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作.当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：背光源正极。
第16脚：背光源负极

按键设计
⑴本系统应用有人机对话功能，该功能即能随时发出各种控制命令和数据输入以及和LCD连接显示运行状态和运行结果。键盘分为：独立式和矩阵式两类每一类按其编码方法又可以分为编码和非编码两种.由于本系统只有UP、DOWN 、OK 、CANCEL 4个控制命令,所需按键较少，所以本系统选择独立式按键。电路图见图4。5：

图4.5 按键电路图
⑵独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键占有一根I/O口线。各根I/O口线之间不会相互影响。在此电路中，按键输入部采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平，(STC89C52 .P1口内部接有上拉电阻）所以就不需要再外接上拉电阻。
⑶键盘抖动的消除：抖动的消除大致可以分为硬件削抖和软件削抖.
①硬件削抖是采用硬件电路的方法对键盘的按下抖动及释放抖动进行削抖，经过削抖电路后使按键的电平信号只有两种稳定状态.
②软件削抖的基本原理是当检测出键盘闭合时，先执行一个延时子程序产生数毫秒的延时，待接通时的前沿抖动消失后再判别是否有健按下。当按键释放时,也要经过数毫秒延时，待后沿抖动消失后再判别键是否释放.
③由于应用硬件削抖还需要外加器件，成本相对较高,所以本系统选择软件延时削抖的方法。
电源电路设计
在本次设计中,需要一个比较大的电压源和一个5V的单片机供电源,为了实现便携式，设用一个9V的电压源，一般6节电池和一个9V的电池都可以提供，因而需要一个电压转换吧9V转换成5V,设用选用了，ASM117稳压芯片.工作原理如图4。11低压层直流稳压电源电路原理图。该电路是由基准电压、电压放大和电流放大等3个环节组成。其中，基准电压由TL431产生,按图中电路连接，当通过R0的电流在0．5~10 mA时可获得稳定的2．5 V基准输出.

图4.11 低压层直流稳压电源电路原理图

输出电压的具体数值由运算放大器UA确定，采用同相放大器的优越性在于其输入阻抗极大，可很好地将TL431输出的2．5 V电压与后级电路隔离，使其不受负载变化的影响；运放与电阻R3和R2组成比例放大环节，可对基准电压按要求进行比例放大输出但输出电压最大不能超过运放的电源电压
软硬件的调试
系统硬件调试
元器件的焊接
焊接前应对整个电路板进行检查。首先，用万用表对印制的电路板线路进行检查，该过程是在焊接元器件之前的必要工作，主要是检查印制的电路板线路是否有断路的情况，如果检查没有问题，则可以对元器件进行焊接.焊接前对电阻、电容的量值要进行测量、筛选，选择与电路中参数值一致的元器件,在选择芯片时，要注意芯片与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在焊接时,应将印制的电路板认真对照原理图,查看元器件的引脚焊接是否正确。
电路测试
电路板焊接完成后,需要对每个元器件的引脚逐个进行检查，一方面是检查有没有引脚虚焊或与其他信号线短路，另一方面是对器件引脚功能的再检查，查看设计是否正确。检查电路焊接没有问题后，则可以进行上电测试.上电测试是调试的关键部分，按照系统方案设计的模块化思想，应该分模块测试系统。首先还是应该测试电源部分，系统上电以后，测试各个电源端口和器件的电源部分是否工作正常，同时应注意系统中有无器件过热情况，如果有的话，可能是相应的器件损坏或电路中有短路，需要认真检查之后再加电。如果没有问题,则可以进行功能的检测.
由于系统硬件较复杂，硬件电路装配、焊接完成后，可能不能正常工作.为了方便调试，采用分块调试的方法。在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成芯片的损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在5V～5.5V之间属正常范围。
系统软件调试
硬件调试完成以后，软件调试就非常重要。系统软件调试时也要分模块来进行调试，这样才能使进程有条不紊的进行下去，而不至于出现混乱.
首先,检查LCD1602液晶显示屏。LCD1602显示屏上电后,检查是否可以正常显示，第一行显示英文字符，第二行显示时间，此时，按下按键即可对时间进行调整。
其次，调试存储模块。检查存储模块是否能够读写信息，当存入一个数据的时候，从LCD1602中，读出来，看是否与之前存入的数据一致，而可认为存储模块正常工作。
再次，调试单片机与数模转换模块，在LCD模块调试成功之后就可以调试数模转换模块,在模拟的测试一个电压，若LCD1602能够正常显示记录的数据,则调试成功。
最后调试传感模块，根据传感器的要求，输入一个9V高电压和一个5V电压，则传感能通过AD的转换，在LCD1602显示正常的电压，则调试成功,之后进行程序的运算，使LCD实现酒精浓度数值
系统整体调试
在软件和硬件的分别调试成功后，然后进行程序的捎入单片机中，进行整块系统的调试，提供9V的电压,使单片机和传感器，和各个元件都能正常工作后，要对传感的最大值和最小值的调试，最小值调试,即把传感器裸露在空气中，环境为无酒精环境,调节滑动变阻器，使LCD1602显示为0，进行多次断电,最终没有数据变化，数值为零，即对传感器的最小值调试成功；传感器的最大值为5V即相对应的浓度为1000PPM,在目前条件找不到如此浓度的酒精,进而,对一般数值的酒精浓度调试，就是在三个相同的容器下，倒入不同量的酒精，然后进行稀释，然后进行测量，在大致的估计得浓度下，看是否有很大偏差，没有就说明,整体调试成功。

附录:
＃include 〈reg52.h>
#include ”lcd1602.h”
#include ”adc0832。h"
#include ”myfun。h”
#include 〈stdio.h>
unsigned char Fresh_Flag；

void Time0_init(）
｛
TMOD = 0x01；
TH1 = 0xF8;
TL1 = 0x30;
TR0 = 1;
ET0 = 1;
EA = 1;
}
void main（）
{
Time0_init（）；
lcd1602_init（）;
while(1）
｛ // 10ms 刷新测量数据和显示数据一次
if（Fresh_Flag==1)
{
Fresh_Flag = 0;
Refresh_Dis_Buffer（0);
// Refresh_Dis_Buffer（1）；
｝

｝
｝

void Timer0(） interrupt 1
{
unsigned char Time_Count;
TH1 = 0xF8; // 2ms
TL1 = 0X30;
if (++Time_Count==5） // 10ms
{
Time_Count = 0;
Fresh_Flag = 1； //测量数据和显示数据标志位
}
｝