基于AT89S51單片機酒精濃度探測儀的設計與實現(xiàn)畢業(yè)設計

1、武漢理工大學畢業(yè)設計（論文）基于AT89S51單片機酒精濃度探測儀的設計與實現(xiàn)學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權省級優(yōu)秀學士論文評選機構將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據進行檢索，可以采用影印、縮印或掃

2、描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于1、保密囗，在 年解密后適用本授權書2、不保密囗 。（請在以上相應方框內打“”）作者簽名： 年 月 日導師簽名： 年 月 日畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期：

3、使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本

4、聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日武漢理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）任務書學生姓名 黃制兵 專業(yè)班級 電子信息科學與技術0502指導教師 徐曉英 易迎彥 工作單位 理學院物理系設計（論文）題目：基于AT89S5

5、1單片機酒精濃度探測儀的設計與實現(xiàn)設計（論文）主要內容：要求設計并實現(xiàn)一個基于AT89S51單片機的酒精濃度探測儀系統(tǒng)，其中酒精傳感器采用MQ-3型，利用該傳感器將酒精氣體濃度信號轉化為電信號，選擇適當?shù)姆糯笃鞣糯笃潆妷盒盘?，驅動發(fā)光二極管顯示酒精濃度的高度，同時利用模數(shù)轉換芯片將模擬信號進行轉化，并由單片機控制，最后用數(shù)碼管顯示。要求完成的主要任務：1、查閱不少于15篇的相關資料，其中英文文獻不少于2篇，完成開題報告。2、掌握C51系列單片機原理及編程技術，熟悉ADC0809的工作原理及特性；熟悉數(shù)碼管顯示技術。3、用protel繪制其原理圖，完成整體電路的安裝與調試，并對實驗結果進行分析。

6、4、完成不少于5000字的英文文獻翻譯。5、完成不少于12000字的畢業(yè)論文。必讀參考資料：1 張培仁基于匯編語言編程MCS-51單片機原理與應用M北京：清華大學出版社，20032 吳桂秀傳感器應用制作入門M浙江科學技術出版社，2004指導教師簽名 系主任簽名 院長簽名（章）武漢理工大學本科學生畢業(yè)設計(論文)開題報告1、目的及意義（含國內外的研究現(xiàn)狀分析）從18世紀產業(yè)革命以來，到20世紀信息技術的快速發(fā)展，傳感技術逐漸走向成熟，在現(xiàn)實生產生活中的應用也漸漸在普及。傳感器應用廣泛，在各個領域都有著舉足輕重的作用，所以傳感器不斷向高精度，高可靠性，微型化，微功耗無源化和智能化數(shù)字化發(fā)展，以便更

7、好的服務于我們的生產和生活。氣體與人類的日常生活密切相關，檢測氣體是保護和改善我們居住環(huán)境的必要工作，要檢測氣體就少不了用到氣體傳感器。本設計基于AT89S51單片機設計的酒精濃度探測儀，可用來檢測酒精氣體濃度，最主要的用途是檢測司機的酒精含量。開車司機只要將嘴對著傳感頭使勁吹氣，儀器就能發(fā)上顯示出酒精濃度的高低，從而判斷該司機是否酒后駕車，避免事故的發(fā)生。當然，最好的辦法是在車內安裝這種測試儀，司機一進入車內檢測儀就檢測司機的酒精含量，如果超出允許值，系統(tǒng)控制引擎無法啟動，這樣就可從根本上解決酒后駕車問題。酒精濃度探測儀在生產中也有重要的應用，比如，在一些環(huán)境要求嚴格的生產車間，用這種酒精濃

8、度探測儀，可隨時檢測車間內的酒精氣體濃度，當酒精氣體濃度高于允許限定值時要及時通風換氣，做到安全生產。當然，依照同樣的原理也可設計檢測其他氣體的探測儀，與我們的生活息息相關的是檢測有毒氣體。傳感頭是酒精濃度探測儀中感受酒精的重要部分。目前，所設計的該類傳感器多選用以二氧化錫為基本材料，添加不同物質制成的氣敏傳感器。本設計所選用的MQ-3氣敏傳感器的敏感部分是由二氧化錫的N型半導體微晶燒結層構成，靈敏度高，響應速度快，可靠性好。也有選擇以其他氧化物為基本材料制成的傳感器，如選二氧化鈦作為氣體傳感材料。雖然目前的二氧化鈦薄膜有電阻值高，工作溫度高，敏感性差的缺點，但是二氧化鈦薄膜具有良好的電學性能

9、，優(yōu)異的光學性能，化學穩(wěn)定性高，機械強度高，且可用于多種氣體的檢測。單片機在整個傳感器中起操作和相應數(shù)據處理并送顯示的作用，是傳感器的核心部分。目前，氣敏傳感器已有較高的精度，可達萬分之一以上。隨著新材料發(fā)展和新加工技術的提高，有了高可靠性和低功耗的氣體傳感器。智能化數(shù)字化的氣體傳感器克服了目前氣敏傳感器人工測試帶來的效率低，誤差大和操作人員長時間工作等問題。2、基本內容和技術方案敏感部分由二氧化錫的N型半導體微晶燒結層構成的MQ-3型氣敏傳感器，當其表面吸附有被測氣體酒精分子時，表面導電電子比例就會發(fā)生變化，從而其表面電阻會隨著被測氣體的濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復使用

10、。MQ-3型氣敏傳感器靈敏度高，響應速度快。AT89S51單片機是一般控制應用的8位單片機。芯片內部有時鐘振蕩器，只讀存儲器為4K字節(jié)，外部可擴充至64K字節(jié)，128字節(jié)的隨機存儲器，外部可擴充至64K字節(jié)。32條雙向輸入輸出線，每條均可以單獨做I/O的控制。5個中斷向量源。2個獨立的16位定時器。1個全雙工串行通信端口。選用的開發(fā)平臺為MedWin單片機集成開發(fā)環(huán)境。發(fā)光二極管顯示選用集成驅動器LM3914。內部有10個電壓比較器，可驅動10個發(fā)光二極管。相鄰分壓端之間的電壓差是?？蛇x擇點狀顯示也可選擇條狀顯示。ADC0809為8路8位的A/D轉換器，具有轉換起?？刂贫耍D換時間為100s，

11、模擬輸入電壓值范圍是0+5V，+5V電壓供電。三位數(shù)碼管顯示具體數(shù)值。根據以上內容選定技術方案。氣體傳感器遇到酒精氣體后，阻值發(fā)生變化，所要測的電壓發(fā)生相應的變化。變化的電壓值送LM3914放大比較，驅動相應的發(fā)光二極管發(fā)光，顯示酒精濃度的高低。單片機不斷采集經ADC0809模數(shù)轉換后的變化的電壓值，經數(shù)據處理交數(shù)碼管顯示。3、進度安排第1-3周：查閱相關文獻資料，明確研究內容，了解研究所需理論知識和設計所需的元器件。確定方案，完成開題報告。第4-6周：畫出流程圖，編寫程序。第7-10周：建立系統(tǒng)模型，畫出電路圖，并對軟件進行仿真調試。第11-13周：完成硬件電路的安裝，并進行硬件電路的調試。

12、第14-15周：完成并提交論文，對論文進行修改定稿。第16周：完成并修改畢業(yè)論文。第17周：準備論文答辯。4、指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日目 錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 設計背景11.2 氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀11.3 設計酒精氣體傳感器的意義21.4 本文主要研究工作22 硬件電路設計與實現(xiàn)42.1 單片機開發(fā)流程42.2 硬件系統(tǒng)框圖42.3 信號采集電路52.4 信號轉換電路82.5 發(fā)光二極管顯示報警電路142.6 數(shù)碼管顯示電路162.7 系統(tǒng)整體電路圖183 軟件編程203.1 開發(fā)環(huán)境203.2 程序流程203.3 程序代碼編寫224 電路調試與測試

13、結果284.1 電路調試284.2 濃度與顯示之間的關系295 結束語33參考文獻34附 錄35致 謝38摘 要本設計實現(xiàn)了對不同濃度酒精的檢測和顯示，通過適當改進可以用于檢測酒后駕車。本文用AT89S51單片機與MQ-3型氣體傳感器實現(xiàn)了對酒精濃度的測量，并對測量數(shù)據進行顯示，同時利用二極管簡單顯示濃度的高低，在設計允許值時發(fā)出報警。論文主要研究了（1）硬件方面，MQ-3氣體傳感器技術參數(shù)的檢測和將它接入到酒精濃度檢測模塊中；將模擬電壓信號放大驅動發(fā)光二極管點亮報警；將采集到的模擬電壓信號通過單片機控制經A/D轉換，得到數(shù)字電壓信號；用于顯示濃度的數(shù)碼管顯示模塊。（2）軟件方面，主要研究了電

14、壓到濃度的線性轉換和最終濃度值的數(shù)碼管顯示。（3）對設計的傳感器進行了標定。設計的傳感器對酒精氣體反應靈敏，能在有效范圍內測量它的濃度值。并且在檢測低濃度酒精時誤差較小，%滿足設計要求。本文的特色在于標準的確定。對于流動空氣，樣品的穩(wěn)定性和水蒸氣的影響，提出了解決方案和驗證方法。對不同的區(qū)間濃度和電壓轉換關系做線性化處理，簡化了硬件電路的設計。設計的傳感器可以檢測不同濃度的酒精氣體，改進之后對解決酒后駕車事故和特殊場合酒精檢測都可以使用。關鍵詞：氣體傳感器，模數(shù)轉換，單片機AbstractDifferent concentrations of alcohol solution are dete

15、cted and showed in the design. The design can be used to the detection of drunk driving through improvement. In this thesis, the concentration of alcohol can be measured and displayed by using the gas sensor based on AT89S51 MCU and MQ-3. At the same time the concentration is displayed by LED, and t

16、he system allow to alarm in the certain value. In the thesis Major researches are three points. (1) In the hardware, detecting the technology parameters MQ-3 gas sensor, and connecting it to a testing part of the alcohol gas concentration; Analog voltage signal amplification to drive light-emitting

17、diode light to alarm; conversing the voltage signal through the A/D conversion at the control of the single-chip, obtaining the digital voltage signal; displaying the concentration in the digital tube display module.(2)In the Software, linear conversion between the concentration of the alcohol and t

18、he voltage and the digital display of the final concentration value.(3) The designed sensor is calibrated. The design of gas sensor is responsive to the alcohol, can measure concentration in the effective range of its concentration. And in the low concentration of alcohol in the test the error is sm

19、all with the maximum error %, meeting requirements of the design. The characteristics of the thesis are to determine the standard. The solutions and verification methods are proposed about the flow of air samples, the sample stability and water vapor. The conversion between voltage and concentration

20、 in different range is treated as linear relationship. The design of sensor can detect different the alcohol gas with different concentration. It plays an important role to solve the drunk-driving accidents and alcohol testing for special occasions after improvement.Key Words: Gas sensor, A/D conver

21、sion, Single-chip Microcomputer1 緒論1.1 設計背景 我國傳感器市場的增長率超過15%，2003年銷售額為186億元人民幣，2006年銷售額為283億元人民幣，預計2007年為325億元人民幣，2008年為374億元人民幣。我國傳感器4大類中，工業(yè)和汽車電子產品占市場份額的33.5%。近年來，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉型的發(fā)展階段，新型傳感器的特點是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網絡化，它將不僅促進系統(tǒng)產業(yè)的改造，而且可導致建立新型工業(yè)和軍事變革，是21世紀新的經濟增長點1。 由于氣體與人類的日常生活密切相關，對氣體的檢測已經是保護和改善生態(tài)

22、居住環(huán)境不可缺少的手段，氣體傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。氣體傳感器是把氣體中的特定成分檢測出來，并轉化為電信號的一類器件，用來對有害氣體，易燃易爆氣體等進行安全檢測和報警，對生產生活中需要了解的氣體進行檢測，分析，研究等。近年來，我國氣敏傳感器產業(yè)有了較快的發(fā)展，但與國外相比，從技術水平，產業(yè)化及應用等領域均存在著不小的差距。目前，氣敏傳感器領域還存在一些問題。一是元件的穩(wěn)定性差。由于元件電阻和靈敏度隨時間而不斷變化，漂移大給檢測結果的可靠性帶來不穩(wěn)定的因素。二是選擇性差。由于在檢測氣體時，往往還存在著其它的干擾氣體(如煙酒等)，使氣敏元件發(fā)生交叉響應，產生誤報。三是催化劑中毒。摻有催化劑的氣

23、敏元件接觸某些氣體后，活性組分被毒化，將會改變元件的選擇性，降低其敏感度和穩(wěn)定性，另外催化劑本身也存在著不穩(wěn)定性問題。靈敏度問題。四是SnO2元件有時由于靈敏度過大導致誤報，但是在檢測某些低濃度氣體時靈敏度卻難以達到要求2。1.2 氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀氣敏元件性能與敏感功能材料的種類、結構及制作工藝密切相關。用金屬氧化敏感材料制作的半導體式氣敏元件具有靈敏度高，結構簡單，體小質輕，堅固耐用等優(yōu)點而得到廣泛的應用，目前仍以SnO2材料為主3。SnO2是一種廣普型的氣敏材料，圍繞SnO2為基體材料的氣敏材料的制備及其氣敏元件制備的研究課題十分活躍。純SnO2的氣敏特性不甚好，尤其是它的熱穩(wěn)定性不高

24、。為改善其氣敏特性，常在SnO2基體中摻入貴金屬或其他金屬氧化物。盡管SnO2基傳感材料具有許多優(yōu)點，作為材料也存在一定缺點。通過控制氣敏材料微粒大小，顆粒納米化，摻雜其它添加劑或催化劑，利用過濾設備或透氣膜來獲得選擇性，控制工作溫度及環(huán)境濕度影響，改進制備等方法可以改善SnO2傳感器的氣敏性能4。納米科學技術(NanoST)是研究尺寸在100nm的物質組成體系的運動規(guī)律和相互作用以及可能的實際應用中的技術問題的科學技術。納米技術的發(fā)展，不僅為傳感器提供了優(yōu)良的敏感材料，而且為傳感器制作提供了許多新型方法。納米固體材料具有龐大的界面，提供了大量氣體通道，從而大大提高了靈敏度，工作溫度大大降低，

25、大大縮小了傳感器的尺寸。當然，在己獲得明顯進展的納米傳感領域中尚存在很多問題，從敏感材料到制作技術都很不成熟，其性能也有不盡人意的地方5。氣敏傳感器在家用電器中也有相當廣泛的應用。吸油煙機等產品上常用MQ-3型半導體氣敏傳感器，它采用旁熱式結構，陶瓷管內裝有高阻抗加熱絲，管外涂有梳狀金屬電極，金屬電極之外涂有SnO2材料，使SnO2燒結體位于兩電極之間6。氣敏傳感器工作時，加熱器通電加熱，若無被檢氣體侵入時，氣敏元件的阻值基本不變當氣敏元件表面產生吸附作用，其阻值將隨氣體濃度的變化變化。當被檢氣體濃度增大到一定值時，氣敏元件的阻值將隨之下降到某一值，使電壓比較器的狀態(tài)發(fā)生變化，輸出控制信號經電

26、流放大后，控制繼電器或雙向晶閘管接通電動機電源使吸排油煙機工作7。1.3 設計酒精濃度探測儀的意義本設計基于AT89S51單片機設計的酒精氣體濃度探測儀，可用來檢測酒精氣體濃度，最主要的用途是檢測司機的酒精含量。酒后駕車發(fā)生事故的機率高達27%。隨著攝入酒精量的增加，選擇反應錯誤率顯著增加，當血液中酒精含量由0.5增至1，發(fā)生車禍的可能性便增加5倍，如果增至1.5，可能性再增加6倍。機動車駕駛人員“酒后駕車” 及“醉酒駕車”極易發(fā)生道路交通事故, 嚴重危害了道路交通安全和人民生命財產安全。人飲酒后, 酒精通過消化系統(tǒng)被人體吸收, 經過血液循環(huán), 約有90%的酒精通過肺部呼氣排出, 因此測量呼氣

27、中的酒精含量, 就可判斷其醉酒程度。開車司機只要將嘴對著傳感頭使勁吹氣，儀器就能發(fā)上顯示出酒精濃度的高低，從而判斷該司機是否酒后駕車，避免事故的發(fā)生。當然，最好的辦法是在車內安裝這種測試儀，司機一進入車內檢測儀就檢測司機的酒精含量，如果超出允許值，系統(tǒng)控制引擎無法啟動，這樣就可從根本上解決酒后駕車問題。 酒精氣體濃度探測儀在生產生活中也有重要的應用，比如，在一些環(huán)境要求嚴格的生產車間，用這種酒精濃度探測儀，可隨時檢測車間內的酒精氣體濃度，當酒精氣體濃度高于允許限定值時，發(fā)出警報，提醒人們及時通風換氣，做到安全生產。1.4 本文主要研究工作本文以AT89S51單片機為核心，設計了用于測量酒精濃度

28、的探測儀，主要研究工作包括以下3個方面。（1）硬件電路方面，對氣體傳感器MQ-3按檢測電路，接上一定阻值的負載電阻，檢測它的技術參數(shù)，確定MQ-3所接負載電阻的大小，完成信號采樣電路的設計；采樣到的模擬電壓電信號通過A/D轉換，得到可供單片機處理的數(shù)字信號，再由單片機作相應的數(shù)據處理；發(fā)光二極管報警顯示和3個單位8段共陰數(shù)碼管濃度值顯示。（2）軟件方面，標準的確定是該部分要做的主要工作。因為原始的采樣值是一個間接的負載分壓值，需要將它轉化為被測酒精濃度值。通過多個樣品的測量確定多個濃度區(qū)間的轉換標準，并將每個區(qū)間的轉換關系近似線性化處理，然后通過軟件編程的方法來實現(xiàn)。（3）為了盡量減少設計的氣

29、體傳感器的測量誤差，在測量酒精溶液樣品時要考慮并解決3個主要問題。一是外界環(huán)境流動空氣對傳感器的影響和對氣體樣品的稀釋，二是樣品的穩(wěn)定性對測量帶來的誤差，三是水蒸氣對測量的影響。針對這3個主要問題提出以下解決方案和驗證方法。測量樣品時，將探頭盡量放入塑料瓶內，可以在一定程度上消除流動空氣的影響，同時應選擇空氣流動較小的室內環(huán)境來測量。水蒸氣對MQ-3的影響很小，這一點可以通過對只裝有純凈水的塑料瓶的多次測量來驗證。用相同容量的塑料瓶配制好不同濃度的酒精溶液后，將它密封并放置一段時間，待其穩(wěn)定后再測量。再通過反復多次測量多組數(shù)據，求其平均值的方法來縮小測量誤差。2 硬件電路設計與實現(xiàn)2.1 單片

30、機開發(fā)流程（1）可行性調研?？尚行哉{研的目的，是分析完成這個項目的可能性。進行這方面的工作，可參考國內外有關資料，看是否有人進行過類似的工作。如果有，則可分析他人是如何進行這方面工作的，有什么有點和缺點，有什么值得借鑒的；如果沒有，則需要作進一步的調研，此時的重點應放在能否實現(xiàn)這個環(huán)節(jié)，首先從理論上進行分析，探討實現(xiàn)的可能性，所需求的客觀條件是否具備，然后結合實際情況，再決定能否立項的問題。（2）系統(tǒng)總體方案的設計。在進行可行性調研后，如果可以立項，下一步工作就是系統(tǒng)總體方案的設計。工作的重點應放在該項目的技術難度上，此時可參考這一方面更詳細、更具體的資料，根據系統(tǒng)的不同部分和要實現(xiàn)的功能，參

31、考國內外同類產品的性能，提出合理而可行的技術指標，編寫出設計任務書，從而完成系統(tǒng)總體方案設計。（3）設計方案細化，確定軟硬件功能。一旦總體方案確定下來，下一步的工作就是將該項目細化，即需明確哪些部分用硬件來完成，哪些部分用軟件來完成。由于硬件結構與軟件方案會相互影響，因此，從簡化電路結構、降低成本、減少故障率、提高系統(tǒng)的靈活性與通用性方面考慮，提倡軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件來完成；但也應考慮軟件代硬件的實質是以降低系統(tǒng)的實時性、增加處理進行為代價的，而且軟件設計費用、研制周期也將增加，因此系統(tǒng)的軟硬件功能分配應根據系統(tǒng)的要求及實際情況而合理安排，統(tǒng)一考慮。在確定軟硬件功能的基礎上，設計者的工

32、作就開始涉及到具體的問題，如儀器的體積及與具體技術指標相對應的硬件實現(xiàn)方案，軟件的總體規(guī)劃等。在確定人員分工、安排工作進度、規(guī)定接口參數(shù)后，就比須考慮硬件軟件的具體問題了。（4）一個單片機應用系統(tǒng)經過調研、總體設計、硬件軟件設計、制版、元件安裝后，在系統(tǒng)的程序存儲器中放入編制好的應用程序，系統(tǒng)即可運行。但一次性成功的幾乎是不是不可能的。由于單片機在執(zhí)行程序時人工是無法控制的，為了能夠調試程序，檢查硬件、軟件運行情況，這就需要借助某種開發(fā)工具模擬用戶實際的單片機，并且能隨時觀察運行的中間過程而不改變運行中有的數(shù)據性能和結果，從而進行模擬現(xiàn)場的真實調試。2.2 硬件系統(tǒng)框圖基于AT89S51單片機

33、用MQ-3型氣體傳感器實現(xiàn)酒精氣體濃度的檢測，需要信號采集模塊用于對酒精濃度信號的采集，該信號是通過MQ-3氣體傳感器和負載電壓得到分壓電信號。信號轉換模塊用來把采集到得模擬電壓信號轉換位可以用單片機處理的數(shù)字信號。數(shù)碼管顯示模塊是對單片機處理后的數(shù)字信號的顯示，用來顯示酒精的濃度。報警模塊是對設定值提供報警功能，該功能用發(fā)光二極管顯示。根據各功能模塊的設計，可得到它的系統(tǒng)總框圖，如圖1所示。酒精氣敏傳感器LM3914發(fā)光二極管ADC0809單片機數(shù)碼管圖1 系統(tǒng)總框圖2.3 信號采集電路 氣體傳感器的選擇根據被檢測氣體的不同，氣敏傳感器可分為以下三類:（1）可燃性氣體氣敏傳感器。目前該類氣敏

34、傳感器需求量最大，包含各種無機和有機類氣體檢測，主要用于抽油煙機、泄露報警器和空氣清新劑等方面，并已經形成生產規(guī)模，在油田、礦區(qū)、化工、企業(yè)及家庭等生產和生活領域廣泛用作氣體泄露報普，特別是用于家庭氣體泄露報警，需求量不斷增加，使該類傳感器有著廣泛的發(fā)展空間。（2）CO和H2氣敏傳感器。CO氣敏元件可用于工業(yè)生產、環(huán)保、汽車、家庭等CO泄露和不完全燃燒檢測報警；H2氣敏元件除應用于工業(yè)等領域外，主要用于家庭管道煤氣泄露報警。由于我國管道煤氣中H2含量很高，而氫敏元件較氧化碳元件價格低，靈敏度高，因此，用氫敏元件做城市管道煤氣泄露報警更為適宜。（3）毒性氣體傳感器。毒性氣體傳感器又稱為環(huán)境有毒有

35、害氣體傳感器，主要用于檢測煙氣、尾氣、廢氣等環(huán)境污染氣體，雖然SnO2氣敏傳感器對CO，H2S等有毒有害氣體敏感，但應用最多的仍是電解式化學傳感器。 傳感器的分類方式有很多種，以上是根據被檢測氣體的性質進行的分類，也有根據元件的物理特性進行分類的。一個新型的氣體檢測系統(tǒng)應該包括：（1）基于一種或幾種傳感技術的氣體傳感器。（2）組合了氣體傳感器和采樣調理電路的探頭。（3）配有人機接口軟件的中心監(jiān)測和控制系統(tǒng)。（4）在一些應用中，與其它安全系統(tǒng)和儀器的接口。本設計中的酒精氣體傳感器采用河南漢威電子的MQ-3型,它屬于MQ系列氣敏元件的一種。如圖2所示：圖2 MQ-3特點:檢測范圍為10ppm200

36、0ppm ；靈敏度高，輸出信號為伏特級；響應速度快，小于10秒；功耗小于0.75W，尺寸：D17*H10。 MQ-3型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物（二氧化錫）的N型半導體微晶燒結層構成。當其表面吸附有被測氣體酒精分子時，表面導電電子比例就會發(fā)生變化，從而其表面電阻會隨著被測氣體濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復使用。MQ-3的靈敏度特性曲線如 圖3所示。圖3 MQ-3靈敏度特性曲線檢測電路如圖4所示，當電源開關S斷開時，傳感器加熱電流為零，實測A，B之間電阻大于20M。S接通，則f，f之間電流由開始時155mA降至153mA而穩(wěn)定。加熱開始幾秒鐘后A，B之間電阻迅速下降至

37、10K以下，然后又逐漸上升至120K以上后并保持著。此時如果將酒精溶液樣品靠近MQ-3傳感器，我們立即可以看到數(shù)字萬用表顯示值馬上由原來大于120K降至10K以下。移開小瓶過1分鐘左右后，A，B之間電阻恢復至大于120K。這種反應可以重復試驗，但要注意使空氣恢復到潔凈狀態(tài)。經實驗的反復檢測，MQ-3傳感器可以正常工作使用，對不同濃度的酒精溶液有不同的變化，響應時間和恢復時間都正常，可以開始作信號采樣模塊電路的設計。圖4 MQ-3檢測電路 信號采樣電路信號的采樣模塊電路如圖5所示。MQ-3的加熱電阻兩端即H引腳接至+5V直流穩(wěn)壓電源，用于電阻絲對敏感體電阻的加熱。MQ-3的兩個A引腳相連，作為敏

38、感體電阻的一個電極。MQ-3的兩個B引腳也連接在一起，作為敏感體電阻的另一個電極。將電極斷A接到電源正極，電極端B接兩個270并聯(lián)的電阻。MQ-3型氣敏傳感器與電位器串聯(lián)構成分壓電路，采樣點為電位器的分壓。MQ-3型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物SnO2的N型半導體微晶燒結層構成。當其表面吸附有被測氣體酒精分子時，表面導電電子比例就會發(fā)生變化，從而其表面電阻會隨著被測氣體濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復使用。當氣敏傳感器的敏感體電阻阻值發(fā)生改變時，對應的電位器的分壓值也會發(fā)生相應的變化，即一個電壓值對應著一個被測酒精氣體濃度。對酒精氣體濃度的采樣就可以轉化為對電位器分壓的

39、采樣。 在采樣硬件電路中實際要考慮到MQ-3的實際技術參數(shù)，即加熱電阻和敏感體電阻的大小，該部分應與電源正極相連。負載電阻要根據MQ-3實際的技術參數(shù)而選擇阻值合適的電阻。應為實驗所用的MQ-3在預熱5到10分鐘后，它的敏感體電阻只有120K，所以負載電阻選用兩個270并聯(lián)，構成采樣部分的分壓電阻。圖5 采樣模塊2.4 信號轉換電路單片微機是單片微型計算機的譯名簡稱，在國內也常稱為“單片微機”或“單片機”。它包括中央處理器CPU，隨機存儲器RAM，只讀存儲器ROM，中斷系統(tǒng)，定時器/計數(shù)器，串行口和I/O口等等?，F(xiàn)在，單片微機已不僅指單片計算機，還包括微計算機，微處理器，微控制器和嵌入式控制器

40、，單片微機已是它們的俗稱8。AT89S51是美國ATMEL公司生產的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4K的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器，既可在線編程也可以用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，可靈活應用于各種控制領域。AT89S51提供以下標準功能：4KBFlash閃存存儲器，128B內部RAM，32個I/O口線，看門狗，兩個數(shù)據指針，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。根據實際需要，本次設計選用的是

41、以8051為核心單元Atmel公司的低耗AT89S51單片機。AT89S51芯片有40條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖6所示。下面說明各引腳功能。 圖6 AT89S51芯片管腳VCC：運行和程序校驗時接電源正端。GND：接地。XTAL1：輸入到單片機內部振蕩器的反相放大器。XTAL2：反相放大器的輸出，輸入到內部時鐘發(fā)生器。P0口：8位漏極開路的。使用片外存儲器時，作低八位地址和數(shù)據分時復用，能驅動8個LSTTL上拉電阻。P1口：8位、準雙向I/O口。P2口：8位、準雙向I/O口。當使用片外存儲器（ROM及RAM）時，輸出高8位地址?？梢则寗?個LSTTL負載。低電平有效，輸出，片外存儲器讀選

42、通。RST：復位輸入信號，高電平有效。在振蕩器工作時，在RST上作用兩個機器周期以上的高電平，將器件復位。/VCC：片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。高電平時選擇片內程序存儲器，低電平時程序存儲器全部在片外而不管片內是否有程序存儲器。ALE/PROG：地址鎖存允許信號，輸出。ALE以1/6的振蕩頻率固定速率輸出，可作為對外輸出的時鐘或用作外部定時脈沖。單片機最小系統(tǒng)的設計包括電源，晶振和復位電路三個部分。這是使單片機正常工作的必要外圍電路部分。針對不同型號的單片機在最小系統(tǒng)設計上會有一些差別。對于選用的AT89S51單片機，根據美國ATMEL公司提供的技術資料，可以對它的最小系統(tǒng)作恰當?shù)?/p>

43、設計，如圖8所示9。對于電源部分，技術資料中性能參數(shù)里。因此，單片機的引腳40對應的VCC接到+5V電源的正極，引腳10對應的GND接到+5V電源的接地端，為AT89S51單片機提供正常的工作電壓。對于晶振部分，AT89S51單片機中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳19對應的XTAL1和18對應的XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器。如圖8所示，石英晶體及電容C1和C2接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)諧振電路。石英晶體的兩端分別接到引腳XTAL1 和引腳XTAL2，同時石英晶體的兩端分別接一個電容C1和C2

44、，電容的另一端接地。對于外接電容C1和C2的大小雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小還是會對振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度和溫度穩(wěn)定性帶來一定的影響。根據技術資料的推薦，使用石英晶體推薦電容容量為30pF±10pF，使用陶瓷諧振器推薦電容容量為40pF±10pF。因為電路中接的是石英晶體，所以設計中接的兩個電容C1和C2的容量都為33pF。對于復位電路部分，AT89S51技術資料給出，當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平將使單片機復位。復位是單片機的初始化操作，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，可以按復

45、位鍵以重新啟動，所以復位電路的設計很有必要。復位操作有上電自動復位、按鍵電平復位和外部脈沖復位三種方式，本設計選用按鍵電平復位方式。如圖7所示，10F的電容C3與270的電阻并聯(lián)后再與一個10K的電阻串聯(lián)，電容的正極端接到電源的正極，電容的另一端接至引腳RST。設計中選用的石英晶體大小為MHz,但復位鍵按下后，電容和電阻選用的參數(shù)值能夠保證給復位端RST提供大于2個機器周期的高電平復位信號10。圖7 AT89S51單片機最小系統(tǒng)設計電路ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉換器，內部結構如圖8所示，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型A/D轉換器、逐次逼近寄存器、

46、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨工作。輸入輸出與TTL兼容。 圖8 ADC0809內部結構ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖9所示。下面說明各引腳功能。 圖9 ADC0809芯片IN0IN7：8路模擬量輸入端。 2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。如表1所示。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 START：A/D轉換啟動信號，輸入，高電平有效。 EOC：A/D轉換結束信號，輸出，當A/D轉換結束時，

47、此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準電壓。 Vcc：電源，單一+5V。 GND：地。 ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉換結束，結果數(shù)據已

48、存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據總線上。當檢測到酒精氣味時，氣體傳感器的A-B間電阻變小，則ADC0809的模擬輸入端IN0的電壓變大。采用查詢方式對輸入模擬信號進行A/D轉換，然后將數(shù)據通過三位八段數(shù)碼管顯示。表1 ADC0809通道地址ADDC ADDB ADDA 選通通道0 0 0IN00 0 1IN10 1 0IN20 1 1IN31 0 0IN41 0 1IN51 1 0IN61 1 1IN7ADC0809芯片內部沒有時鐘脈沖源，可以用單片機提供的地址鎖存控制輸入信號ALE經D觸發(fā)器二分頻后，作為 ADC0809的時

49、鐘輸入。ALE端信號的頻率是單片機時鐘頻率的1/6。單片機的時鐘頻率是MHz，則ALE端輸出信號的頻率為MHz，再二分頻后為Hz，符合ADC0809對時鐘頻率的要求。由于ADC0809具有三態(tài)輸出數(shù)據瑣存器，其8位數(shù)據輸出端可以直接與數(shù)據總線相連。地址選通端ADDA，ADDB，ADDC分別與單片機地址總線的低三位A0，A1，A2相連，用于選通IN0-IN7中的某一通道。由于ALE和START連在一起，ADC0809在鎖存通道地址的同時啟動A/D轉換。在讀取A/D轉換結果時，OE產生的正脈沖信號用于打開三態(tài)輸出鎖存器。ADC0809的EOC信號與單片機的相連，作為A/D轉換是否結束的狀態(tài)信號供單

50、片機查詢。ADC0809與AT89S51單片機的接口電路如圖10所示11。單片機引腳進過或非門后于模數(shù)轉換芯片的ALE端和START端子用導線相連接，用于對模數(shù)轉換芯片寫入數(shù)據的寫信號。單片機的RD端P3.7與P2.7進過或非門后于模數(shù)轉換芯片的OE端子用導線相連接，作為單片機讀取模數(shù)轉換數(shù)據的讀信號。單片機引腳P3.3與模數(shù)轉換芯片的EOC端經過或非門后的輸出端用導線相連接，用于單片機對模數(shù)轉換是否結束的查詢，模數(shù)轉換結束后可以查詢到P3.3為高電平，為單片機讀取數(shù)據作準備。單片機的ALE端口接到D觸發(fā)器的時鐘信號輸入端CK，D觸發(fā)器的反相輸出端與觸發(fā)信號輸入端用導線相連，D觸發(fā)器的清零和復

51、位端為低電平有效，分別接高電平，D觸發(fā)器的正向輸出端與模數(shù)轉換芯片的CLK端子用導線相連接，為模數(shù)轉換芯片提供正常的時鐘信號。把模數(shù)轉換芯片的A2A1A0端分別用導線連接到地址鎖存器的低三位，用于選擇模數(shù)轉換的通道。模數(shù)轉換芯片的IN0端子用導線與信號采樣部分的負載電阻端相連，作為要模數(shù)轉換的輸入端。單片機引腳連接到模數(shù)轉換芯片的數(shù)據輸出端D0D1D2D3D4D5D6D7端，用于讀取模數(shù)轉換后的數(shù)據。地址地址鎖存芯片74LS373的輸入端低三位分別與單片機引腳P0.0P0.2連接，用于鎖存選擇模數(shù)轉換通道的地址。圖10 ADC0809與單片機AT89S51接口電路2.5 發(fā)光二極管顯示報警電路

52、發(fā)光二極管集成驅動芯片LM3914的管腳圖如圖11所示。其內部的緩沖放大器最大限度的提高了該集成電路的輸入電阻（5腳），電壓輸入信號經過緩沖器（增益為零）同時送到10個電壓比較器的異相（-）輸入端。10個電壓比較器的同相輸入（+）端分別接到10個等值電阻（1K）串聯(lián)回路的10個分壓端。因為與串聯(lián)回路相接的內部參考電壓為1.2V，所以相鄰分壓端之間的電壓差為1.2V/10=0.12V。為了驅動LED1發(fā)光，集成電路LM3914的1腳輸出應該為低電平，因此要求電壓比較器異相（-）端的輸入電壓應大于0.12V。同理，要使LED2發(fā)光，異相端輸入電壓應大于0.12*2=0.24V；要使LED10發(fā)光，

53、異相端輸入電壓應大于0.12*10=1.2V。LM3914的9腳為點，條方式選擇端，當9腳與11腳相接為點狀顯示；當9腳與3腳相接，則為條狀顯示。本系統(tǒng)采用條狀顯示方式，即將引腳9和引腳3都接到電源的正極。圖11 LM3914管腳圖如圖12所示，LM3914的3和9引腳接電源正極，使發(fā)光二極管成柱狀顯示，7和8引腳接一個2K的電阻，控制發(fā)光二極管的亮度，5引腳為采樣信號的輸入端，10到18引腳和1引腳分別接發(fā)光二極管的負極端，4和2引腳與發(fā)光二極管的正極間接一個10F的電容，作為發(fā)光二極管的虛電源，驅動要反光的二極管點亮。當檢測到酒精氣味時，氣敏傳感器的A-B間電阻變小，LM3914的5端電位

54、升高，通過比較放大，驅動發(fā)光二極管依次發(fā)光，從而區(qū)分出酒精含量的高低，直觀的看出所測的酒精濃度達到了哪個水平值，起到報警的作用。輸入靈敏度可以通過負載電阻的調節(jié)來實現(xiàn)，即對地電阻調小時靈敏度下降；反之，靈敏度增加。改變7腳與8腳之間電阻的阻值可以調節(jié)發(fā)光二極管的顯示亮度，當阻值增加亮度減弱，反之加強。圖12 發(fā)光二極管顯示2.6 數(shù)碼管顯示電路發(fā)光二極管一般是砷化鎵半導體二極管，在發(fā)放光二極管兩端加上正向電壓，則發(fā)光二極管發(fā)光。數(shù)碼管是由若干發(fā)光二極管組合而成的，有共陰極和共陽極兩種結構形。8段共陰數(shù)碼管由abcdefg、dg這8個發(fā)光二極管組成。把8個發(fā)光二極管的陰極連接在一起構成共陰極端，

55、接進電路時，共陰極端接地，給要發(fā)光顯示的二極管的陽極端接高電平可使該發(fā)光二極管導通點亮。如圖13所示。圖13 8段共陰數(shù)碼管結構圖用單片機驅動數(shù)碼管有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，靜態(tài)顯示就是顯示驅動電路具有輸出鎖存功能，單片機將所要顯示的數(shù)據送出后就可以驅動數(shù)碼管顯示數(shù)據，直到下一次顯示數(shù)據需要更新時再傳送一次新的數(shù)據就可以了。靜態(tài)顯示數(shù)據穩(wěn)定，占用CPU時間少。動態(tài)顯示需要時刻對顯示器件進行數(shù)據刷新，顯示數(shù)據有閃爍感，占用的CPU時間多。這兩種顯示方式各有利弊；靜態(tài)顯示雖然數(shù)據穩(wěn)定，占用很少的CPU 時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅動電路，使用的硬件較多；動態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的CPU時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。設計選用3個單位8段共陰數(shù)碼管來顯示輸出的數(shù)據，因為電路硬件相對較簡單，所以選擇靜態(tài)顯示方法。選用3個移位寄存器74LS164驅動數(shù)碼管發(fā)光點亮。電路連接如圖14所示。移位寄存器在電路中一是驅動數(shù)碼管點亮，二是對輸入的串行數(shù)據并行輸出，起到串并轉換的作用。移位寄存器74LS164串行數(shù)據輸入端與前一位的并行輸出最高位相連，第一位移位寄存器的數(shù)據輸入端與單片機的數(shù)據輸出端P1.7連接。單片機引腳P1.6用于給移位寄存器提供