1、 本科毕业设计 （ 20 届） 酒精浓度检测仪设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要 随着流动人口及各类机动车的大量增加，酗酒滋事、酒后驾车所引发的刑事案件、治安案件及交通事故日见增多。对血液或尿液中酒精含量的检测就会 起到相当关健的作用。因此研制出一种简便、快速、准确的具有法律效力的酒精检测仪器具有非常重大的意义。 为了实现简便、快速、准确的检测酒精浓度，文章详细分析了以 51 单片机为核心的设计方案。它主要由酒精浓度传感器、模数转换器和 51 单片机构成。 酒精传感器将检测到的酒精浓度转化为电信号，然后将电信号传送给模数转换器。经过模
2、数转换器转换后，把转换后得到的数字信号传给单片机。单片机对所输入的数字信号进行分析处理，最后将分析处理的结果通过显示器显示出来。 关键词： MQ3 酒精浓度传感器；模数转换器； C8051F005。 - 2 - Abstract As the mobile population and a significant increase in all types of motor vehicles, alcohol trouble, caused by drunken driving criminal cases, law and order cases and an increasing numb
3、er of traffic accidents. Blood or urine test alcohol content will play a significant role in health related. Therefore developed a simple, rapid and accurate detection of alcohol legally binding instrument has great significance. In order to achieve simple, rapid and accurate detection of alcohol co
4、ncentration, the article analyzes the 51 microcontroller as the core design. It is mainly from the alcohol concentration sensor, ADC and 51 constitute a single chip. Alcohol sensor will detect the alcohol concentration into electrical signals， then signals sent to the ADC. Through the ADC conversion
5、, the converted digital signals to microcontroller obtained. Microcontroller on the input digital signal analysis and processing, the final results of the analysis and processing them through the display. Key Words: Alcohol concentration sensor of MQ3; AD;C8051F005. - 3 - 目 录 1 绪论 .1 1.1 课题 背景 .1 1.
6、2 国内外研究现状 .1 1.3 设计思想及内容 .2 2 系统设计方案论证 .3 2.1 燃 料电池型 .3 2.2 半导体型 .3 2.3 系统总体设计 .4 3 硬件设计 .5 3.1 核心部件的选择 .5 3.1.1 MQ3 型气体传感器 .5 3.1.2 C8051F005 芯片介绍 .6 3.2 各功能模块设计 . 10 3.2.1 MQ3 酒精传感器 . 10 3.2.2 信号调理电路 . 10 3.2.3 C8051F005 基本配置 . 11 3.2.4 数码管模块 . 12 4 系统调试 . 13 4.1 系统硬件调试 . 13 4.1.1 元器件的焊接 . 13 4.1.
7、2 电路测试 . 13 4.2 数据分析处理 . 14 4.3 系统软件设计 . 17 4.3.1 编译语言的选择 . 17 4.3.2 系统主程序设计 . 18 4.3.2 系统软件调试 . 18 4.3.3 实物图 . 19 5 结论 . 21 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 22 1 绪论 1.1 课题 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
8、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 1。 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
9、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%2。 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。 1.2 国内外研究现状 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 3。 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
10、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- 2 - 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 4。 1.3 设计思想及内容 本系统设计采用功能模块化的设计思想，以单片机为控制核心，以实
11、现酒精浓度检测仪的基本控制功能。系统主要功能内容包括： AD 转换、数据显示、控制程序。该系统 以 MQ3 气敏传感器和 C8051F005 单片机为主，监测空气酒精浓度，并通过 数码管 显示空气酒精浓度的监测仪。可监测出空气环境中酒精浓度值，并分析是否超过被要求的值，来提示危害。 本文主要介绍了系统的总体设计、硬件设计和软件设计。在总体设计部分中跟其他一些方案作比较，重点阐述本设计方法的优 点。硬件部分主要介绍了系统的工作原理以及实现方法。在软件部分中主要介绍了采用 C 语言实现。论文最后给出了制作和调试。 - 3 - 2 系统设计方案论证 本设计主要的元件是传感器，下面就介绍现有的酒精浓度
12、传感器。 现有气体酒精浓度检测的设备有五种基本类型 ,分别是 :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。下面主要对燃料电池型和半导体型检测方法的特点及应用进行论述。 2.1 燃料电池型 燃料电池型呼气酒精测试仪采用燃料电池酒精传感器作为气敏元件，它属于电化学类型，因此又称为电化学型。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。但作为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，在燃烧室内充满了特种催化剂，它能使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在二个电极上产生电压，电能消
13、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，这就是燃料电池型呼气酒精测试仪的基本工作原理。比如三达特公司生产的 alcohol sensor5。 但与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性好，精度高，抗干扰性好的明显优点。 但遗憾的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，目前世界上只有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产。因为其材料成本高（相当于半导体酒精传感器的几十倍），所以价格相当昂贵，导致燃料电池型酒精测试仪的价格是半导体型酒精测试仪好几倍的事实 6。 2.2 半导体型 半导体型采用氧化锡半导体作为传感器，这类半导体器件具有气敏特性，当接触的
14、气体中其敏感的气体浓度增加，它对外呈现为电阻值就降低，半导体型呼气酒精测试仪就是利用这个原理做成的。这种半导体在不同工作温度时，对不同的气体敏感程度是不同的，因 此半导体型呼气酒精测试仪中都采用加热元件。把传感器加热到一定的温度，在该温度下，该传感器对酒精具有最高的敏感度。比如 LJJ-5-A 型酒精传感器采用TGS822 半导体元件 7。 - 4 - 2.3 系统总体设计 该系统 利用单片机和合适的酒精浓度传感器设计一套酒精浓度检测电路，要求能正确显示空气中酒精浓度。 根据设计要求，本文提出了由酒精浓度传感器、模数转换器和51 单片机构成的设计方案。 系统总体框图 如图 2-1 所示。 图
15、2-1 系统总体框图 酒精传感器采用 MQ3，具有小巧、准确、方便等特点。信号调理部分采用放大器，把输出 电压进行调整。其中 ADC 是 C8051F005 芯片自有的功能模块，数码管显示、按键、 HD7279 都采用电子综合设计实验板上所有的。 - 5 - 3 硬件设计 3.1 核心部件的选择 3.1.1 MQ3 型气体传感器 气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体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地
16、测量。 在选择传感器的时候，一定要考虑到稳定性 、灵敏度、选择性和抗腐蚀性，本系统选择 MQ3 型酒精传感器。 MQ3 酒精传感器是气敏传感器，其具有很高的灵敏度、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件固定在塑料或者不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。 MQ3 型气敏传感器的结构和外形如图 3-1 所示 8。 图 3-1 MQ3 结构和外形 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 的变化。传感器表面电阻 RS
17、的变化，是通过与其串联的负载电阻 RL 上的有效电压信号 VL 输出面获得的。二者之间的关系表述为： RS/RL=(VC- 6 - VL)/VL，其中 VC 为回路电压， 5V。负载电阻 RL 可调为 0.5 200K，加热电压 Vh 为5V。标准回路如图 3-2 所示。 图 3-2 MQ3 标准回路 为了使传感器能正常工作必须在以下条件下（具体见图 3-3）。 图 3-3 MQ3 具体参数 3.1.2 C8051F005 芯片介绍 单片机自 20世纪 70年代末诞生至今，经历了单片微型计算机 SCM、微控制器 MCU及片上系统 SOC三大阶段，前两个阶段分别以 MCS-51和 80C51为代表。随着在嵌入
