1、本科毕业论文（20 届）基于单片机的酒精测试仪的设计所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期基于单片机的酒精测试仪的设计目录摘要 .1ABSTRACT.2引言 .3第一章 酒精测试仪的发展 .41.1 气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展 .41.2 国内现状与差距 .41.3 市场需求分析 .4第二章 系统硬件设计 .62.1 系统整体设计方案 .62.2 单片机最小系统 .62.3 声光报警电路 .92.4 数码管显示电路 .102.5 MQ-3 传感器电路 .112.6 A/D 转换电路 .122.7 键盘电路 .132.8 总体硬件电路 .14第三章 系统软件设计
2、.153.1 编译语言的选择 .153.2 主程序模块 .153.3 A/D 转换模块 .153.4 按键模块 .17第四章 电路的焊接与调试 .204.1 电路调试 .20结论 .22参考文献 .23致谢 .24附录 1 原理图 .25附录 2 成品图 .26附录 3 源程序 .27苏州大学本科生毕业设计（论文）1摘要该设计对不同浓度酒精的检测和显示，通过适当改进可以用于检测酒后驾车。本文对酒精浓度的测量用 AT89S52 单片机与 MQ-3 型气体传感器，显示了测量数据，同时利用二极管简单对浓度显示的高低，在设计允许值的范围内发出报警。论文主要研究了（1）硬件方面，对 MQ-3 气体传感器
3、参数的检测并将它接入到酒精浓度检测的模块中；在将模拟电压信号放大驱动使发光二极管点亮并报警；在将收集到的模拟电压的信号通过单片机的控制经 A/D 的转换，就可以得到数字电压信号；在用于显示浓度的数码管来显示模块。 （2）软件方面，主要设计了电压到浓度之间线性转换和最终浓度值对数码管显示。 （3）在对传感器进行标定。由于传感器对酒精气体反应很灵敏，所以能在有效范围内测量它显示的浓度值。并且在检测比较低浓度的酒精时误差会比较小，最大的误差值也就为 8.2%左右，所以会满足设计的要求。【关键词】：单片机；A/D 转换；酒精传感器苏州大学本科生毕业设计（论文）2ABSTRACTThe design a
4、nd implementation of different concentrations of alcohol detection and display, through appropriate improvements can be used to detect drunk driving. Achieved with STC12C5A60S2 microcontroller with MQ-3-type gas sensor alcohol concentration measurement, and measurement data display, while taking adv
5、antage of the diode simple concentration level alarm in the design allowable value.Thesis, (1) the hardware, the technical parameters of the MQ-3 gas sensor detection and access to alcohol concentration detection module; analog voltage signals are amplified by light-emitting diodes lit alarm; the co
6、llected analog voltage signal controlled by the microcontroller through the A / D converter, a digital voltage signal; digital display module for displaying concentration. (2) software, digital display of the linear conversion of the voltage to the concentration and the final concentration values. (
7、3) the design of the sensor calibration. Designed sensor responsive alcohol gas, the value of its concentration can be measured within the effective range. Error is small and the detection of low concentrations of alcohol, the maximum error of 8.2% to meet the design requirements.Keywords : Single C
8、hip Computer ; A/D Transformer ; Alcohol Sensor苏州大学本科生毕业设计（论文）3引言随着我国经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，酒后驾车是导致交通事故的一个主要因素，资料显示,我国近几年发生的重大交通事故中, 有将近三分之一是由酒后驾车引起的。由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求的提高, 为了防止机动车辆驾驶人员酒后驾车， 现场实时对人体呼气中酒精含量的检测已日益受到重视， 酒精浓度测试仪逐渐得到广泛应用。此外，酒精测试仪也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度的场合。因此， 酒精浓度检测仪具
9、有十分广阔的现实市场和潜在的市场要求。综观现有的酒精检测器, 系统实现方案上大部分以单片机为基础, 并借助相应的外围电路,将检测结果通过 LED、LCD 等显示方式告知使用者。本设计基于 STC89C51RC 单片机设计的酒精气体浓度探测仪，并具有声光报警功能以及数码管功能显示的酒精浓度测试仪。该仪器可监测出某一环境中酒精浓度含量，并根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警最终达到危害提示。比如，在一些环境要求严格的生产车间，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，此酒精测试仪经过再一步
10、的改进可以使用到酒后驾驶测试上面去， 利用该测试仪来告诫驾驶员请勿酒后驾驶。苏州大学本科生毕业设计（论文）4第一章 酒精测试仪的发展在我们的生活应用方面，目前最为广泛的就是可燃性气体气敏元件传感器，这已经广泛应用于气体泄漏检测和监控，从企业工厂到居民家庭，应用十分的广泛。当今的气体传感器向着低功耗、多功能、集成化的方向发展，国外气体传感器的发展是很快。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展 MEMS 技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。1.1 气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展因为国外气体传感器的发展较快，一方面是因为人们的安全意识不断的增强，对环境的安全性和生
11、活舒适性要求有了提高；另一方面原因是由于传感器的市场增长受到了政府的推动。因此，国外气体传感器的发展较快，据有关数据统计，英国 1997 年2003 年气体传感器的增长高达率为（2730）。当今气体传感器的发展趋势主要集中表现在：一是灵敏度性能，降低功耗成本，缩小尺寸，简化电路，与应用相结合，这也是气体传感器一直不断追求的目标，二是增强性能可靠性，实现和应用电路集成化，多功能化。如美国 GeneralMonitors 公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国 IST 公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能
12、化。1.2 国内现状与差距气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器现已经列为国家重点发展对象，国内已经有一定的基础。（1）烧结型气敏元件仍然是生产的主流，将近 80%燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力。（2）在结构方面使用了补偿结构，差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和 Fe2O3材料用于大量生产气敏元件，新研究开发的 Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料;（3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试;（4）国内气敏元件传感器的产量超过“九五”初期的 400 万支。总体看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快的发展，但与国外仍
13、有较大的差距。1.3 市场需求分析以下面传感器为例，简单的做一下市场分析。（1）可燃性气体传感器苏州大学本科生毕业设计（论文）5这是生活中需求量最大气敏件传感器，包含各种烷类气体，目前大量应用于泄漏报警器和空气清新机等，每年约有 400 万的市场。随着在油田、矿区、化工企业及家庭等生产生活领域广泛都用作气体泄漏报警，非凡是用于家庭气体泄漏报警，如液化石油气、天燃气及其他可燃性气体的检测报警等，预计在 20022006 将会有成倍需求。（2）一氧化碳和氢气气敏元件传感器这两种也是最有需求量较大的气敏元件，用于生产、环保、家庭等，一氧化碳泄漏和不完全燃烧的报警；氢气气敏元件除工业等领域应用外也同一
14、氧化碳气敏元件一样，广泛的应用于家庭管道和煤气泄漏报警。由于我国管道煤气中氢气的含量较高，而氢敏元件较一氧化碳元件价格较低，灵敏度高，因此，用氢敏元件做城市管道煤气泄漏报警更为适宜。由于管道煤气泄漏、灶具不合格导致不完全燃烧而造成 CO 中毒等灾难事故是十分严重的，每年都给我们留下惨痛的后果，仅哈尔滨市 1998 年 11 月 2 日一次管道煤气泄漏事故就造成 36人中毒，7 人死亡。随着城市燃气化的不断扩大、政府立法和人民安全保护意识的不断提高，城市家庭安装气体报警器安装必将很快推广普及、氢气敏元件传感器的需求量将会急剧增加。美国已有 8 个州 16 个城市通过立法要求家庭安装 CO 报警器
15、。据不完全统计，按一间卧室安装一台报警器计算，美国报警器市场应该是 8900 万台，按目前价格计算是 40 亿美元，而且每年可新增 50 万台。早在 1995 年，我国城市燃气用户就达到 2978 万户，用气人口 1200 万人。我国 700 个城市，有液化石油气的城市 666 个，同时兼有人工煤气的城市 270 个，有天然气城市 66 个，国家计划到 2000 年城市人口平均气化率达到 7080。目前大约有 2亿居民、约（40005000）万户使用燃气，按这些燃气用户的 50安装气体报警器计算，需求量就达 2200 万台以上。而随着城市燃气应用的扩大，用气人口增多，报警器需求量必将迅速增加。
16、另一个需要安装气体报警器的是使用燃气热水器非凡是直排式燃气热水器的场所。由于燃气热水器使用不当或质量变坏发生不完全燃烧，造成 CO 中毒现象已经在很多诚实发生，如南京、北京、衡阳等都曾有过报道。据来自中国消费者协会的投诉统计，1998 年全国就有 15 人死于燃气热水器事故，伤 4 人，残 2 人，比 1998 年上升了 190。为防止此事故的事故，安装 CO 报警器是十分重要的。目前我国颁发燃气热水器生产许可证企业 170 家，燃气热水器社会拥有量已在 3500 万台以上，其中 60以上是直排式。为了安全，国家技术监督局已发布强制性标准（GB693294） ，要求燃气热水器必须有防止不安全燃
17、烧的保护装置。要求上述热水器 5 年内安装完 CO 报警（控制）器，仅此每年就需要 600 万台。显然，其需求量是相当大的。苏州大学本科生毕业设计（论文）6第二章 系统硬件设计2.1 系统整体设计方案本次设计采用 MQ-3 酒精传感器采集气体信号，并通过数模转换器将模拟信号转换成数字信号送至单片机，单片机对数字信号进行分析处理，并将所得的结果显示出来，可以通过键盘设置不同环境下酒精浓度的不同阀值，如果所检测出的酒精浓度超过了所设定的阀值，那么单片机就能控制蜂鸣器发出声音报警。键盘采用 3 个独立按键进行数据输入设定；显示部分用 1 个四位一体数码管显示当前数据，数码管用 4 个三极管来控制位选
18、。如图 2-1 所示。单片机按键设置酒精传感器蜂鸣器报警数码管显示A/D 转换器图 2-1 系统方框图2.2 单片机最小系统2.2.1 STC89C51RC 主要功能本设计采用了 STC89C51RC 单片机，STC89C51RC 单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和6 时钟/机器周期可任意选择，最新的 D 版本内部集成 MAX810 专用复位电路。该单片机有如下的特点：（1）增强型 6 时钟/机器周期，12 时钟/机器周期 8051 CPU。（2）工作电压：5.5V - 3.4V（5V 单片机） / 3.
19、8V 2.0V(3V 单片机)。（3）工作频率范围：0 80MHZ，实际工作频率可达 48MHZ。（4）用户应用程序空间 4K / 8K / 13K / 16K / 20K / 32K / 64K 字节。（5）片上集成 1280 字节 / 512 字节 RAM。（6）通用 I/O 口（32/36 个） ，P0 口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程） ，无需专用编程器/仿真器，可通过苏州大学本科生毕业设计（论文）7串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序。（8）EEPROM 功能。（9）看门狗。（
20、10）内部集成 MAX810 专用复位电路（D 版本才有） 。（11）共 3 个 16 位定时器/计数器，其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用。（12）外部中断 4 路，下降沿终端或低电平触发中断，Power Down 模式可由外部中断低电平出发中断方式唤醒。（13）通用异步串行口（UART） ，还可用定时器软件实现多个 UART。（14）工作温度范围：0 -75/-40 - +85。2.2.2 STC89C51RC 引脚功能介绍单片机结构图如图 2-2 所示下：图 2-2 单片机结构图VCC：STC89C51RC 电源正端输入，接+5V。GND：电源地端。XTAL1：系统时钟
21、的反相放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般我们只要在 上 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一 20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。RST：此引脚为 STC89C51RC 的重要引脚，一直是高电平工作，当要对一些晶片重新放置时，我们只要对此引脚的电平提高至高电平并保持两个机器周期以上的时间，STC89C51RC就能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址 0000H 处开始读入程序代码而执行程序。苏州大学本科生毕业设计（论文）8ALE：当访问外部存储
22、器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 PSEN 有效。但在
23、访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现。EA：当 EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，EA 将内部锁定为 RESET；当 EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。PORT0（P0.0P0.7）：端口 0 是一个 8 位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有 8 个位，P0.0 表示位 0，P0.1 表示位 1，依此类推。其他三个 I/O 端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升
24、电路，P0 在当做 I/O 用时可以推动 8 个 LS 的 TTL 负载。如果当 EA 引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器） ，P0 就以多工方式提供地址总线（A0A7）及数据总线（D0D7） 。设计者必须外加一锁存器将端口 0 送出的地址栓锁住成为 A0A7，再配合端口 2 所送出的 A8A15 合成一完整的 16位地址总线，而定址到 64K 的外部存储器空间。PORT2（P2.0P2.7）：端口 2 是具有内部提升电路的双向 I/O 端口，每一个引脚可以推动 4 个 LS 的 TTL 负载，若将端口 2 的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2 除了当做一般 I/
25、O 端口使用外，若是在 STC89C51RC 扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节 A8A15，这个时候 P2 便不能当做 I/O 来使用了。PORT1（P1.0P1.7）：端口 1 也是具有内部提升电路的双向 I/O 端口，其输出缓冲器可以推动 4 个 LS TTL 负载，同样地若将端口 1 的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用 8052 或是 8032 的话，P1.0 又当做定时器 2 的外部脉冲输入脚，而 P1.1 可以有 T2EX 功能，可以做外部中断输入的触发脚位。PORT3（P3.0P3.7）：端口 3 也具有内部提升电路的双向 I/O 端口，其输出缓冲器可以推动 4 个 TTL 负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。其引脚分配如下：P3.0：RXD，串行通信的输入。P3.1：TXD，串行通信的输出。P3.2：INT0，外部中断 0 的输入。
