便攜式酒精測試儀的設(shè)計(jì)

1、摘要 i 摘摘 要要 近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民的生活水平提高,越來越多的人有了自己的私家車,而 酒后駕車造成的交通事故也頻頻發(fā)生機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T“酒后駕車”極易發(fā)生道路交通事 故,嚴(yán)重危害了道路交通安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全人飲酒后,酒精通過消化系統(tǒng)被人體 吸收,經(jīng)過血液循環(huán),約有 90%的酒精通過肺部呼氣排出, 因此測量呼氣中的酒精含量,就 可判斷其醉酒程度 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同濃度酒精的檢測和顯示,通過適當(dāng)改進(jìn)可以用于檢測酒后駕車 本文用 at89s51 單片機(jī)與 mq-3 型氣體傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)酒精濃度的測量,并對(duì)測量數(shù)據(jù) 進(jìn)行顯示,同時(shí)利用二極管簡單顯示濃度的高低,在設(shè)計(jì)允許值時(shí)發(fā)出報(bào)警

2、 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:傳感器;酒精探測儀;單片機(jī);模-數(shù)轉(zhuǎn)換 abstract ii abstract in recent years, as chinas economic development, peoples living standards improve, more and more people have their own private cars and traffic accidents caused by drunk driving is also frequent. driver drives very easy to happen traffic accident afte

3、r drinking which endanger traffic safety and people safety of life and property seriously. after people drink, the alcohol is absorbed by the human body through the digestive system, through the blood circulation, nearly it have discharge exhaling lung alcohol of 90%. so measure the content of alcoh

4、ol while exhaling , can judge its drunk degree. different concentrations of alcohol solution are detected 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 ga

5、s sensor based on at89s51 mcu and mq-3. at the same time the concentration is displayed by led, and the system allow to alarm in the certain value. keywords: sensor alcohol detector micro controller unit analog to digital convert 目錄 目目 錄錄 摘 要 .i abstract.ii 1 緒論.1 1.1 酒精測試儀設(shè)計(jì)的目的及意義.1 1.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)的原理.1

6、 1.3 傳感器基礎(chǔ)知識(shí).2 1.3.1 傳感器的定義.2 1.3.2 傳感器的分類.2 1.3.3 傳感器的特性.3 2 酒精測試儀總體方案設(shè)計(jì).5 2.1 酒精濃度檢測儀設(shè)計(jì)要求分析.5 2.2 酒精濃度檢測儀設(shè)計(jì)方案.5 3 酒精測試儀的硬件設(shè)計(jì).7 3.1 單片機(jī)模塊電路的設(shè)計(jì).7 3.1.1 單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu).7 3.1.2 單片機(jī)的選擇.8 3.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).11 3.2 酒精傳感器模塊的選擇與設(shè)計(jì).12 3.2.1 氣敏傳感器工作原理.12 3.2.2 氣敏傳感器簡介.13 3.2.3 氣體傳感器向低功耗多功能集成化方向發(fā)展.13 3.2.4 傳感器的選擇 .14

7、3.2.5 mq-3 的檢測.17 3.3 酒精傳感器的工作原理.17 3.3.1 傳感器性能分析.17 3.3.2 呼出酒精氣體濃度與血液酒精濃度關(guān)系.20 目錄 3.4 a/d 轉(zhuǎn)換電路.21 3.4.1 adc0809 的引腳及功能.22 3.4.2 adc0809 的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換原理.23 3.4.3 adc0809 的工作原理.25 3.4.4 led 顯示電路.25 3.4.5 鍵盤電路.26 3.4.6 報(bào)警電路.27 4 測試儀的軟件設(shè)計(jì).28 4.1 編程語言的選擇.28 4.2 開發(fā)工具.29 4.2.1 單片機(jī)選擇.29 4.2.2 開發(fā)環(huán)境.30 4.2.3 仿真器.30

8、 4.3 主程序框圖.31 4.4 數(shù)據(jù)采集子程序程序框圖.31 4.5 報(bào)警子程序程序框圖.32 結(jié)論.34 致謝.35 參考文獻(xiàn).36 附錄.37 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 1 緒論緒論 1.1 酒精測試儀設(shè)計(jì)的目的及意義 喝酒后,呼出的氣體會(huì)有酒味,表情行為會(huì)有反常遠(yuǎn)古時(shí)代人們利用鼻子作為傳感 器,進(jìn)行簡單的呼出氣體酒精測量19 世紀(jì)末出現(xiàn)了用體液對(duì)酒精進(jìn)行定量分析1927 年,有 科學(xué)家建議使用呼出氣體做酒精濃度分析用足球膽收集呼出氣體后,通過硫酸和重鉻酸 鉀的混合溶液,溶液的顏色會(huì)發(fā)生藍(lán)一綠一黃的變化,同已知酒精濃度的標(biāo)準(zhǔn)試劑色管比 較,就得到相應(yīng)的 bac現(xiàn)在,肺泡氣中酒精的測

9、量技術(shù)有了很大的進(jìn)步,有先進(jìn)微處理器 的酒精測試儀已被商品化越來越多的國家開始禁止酒后駕車精確的呼出氣體酒精測 試和傳統(tǒng)的法醫(yī)血液酒精分析相比有許多優(yōu)點(diǎn),例如,進(jìn)行無毒的采樣,能進(jìn)行現(xiàn)場處理, 這樣為交警節(jié)省了時(shí)間,使交通控制更高效,能避免運(yùn)輸和貯存有艾滋病病毒和肝炎病毒 的血樣 本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的便攜式酒精氣體探測儀,可用來檢測酒精氣體濃度,最主要 的用途是檢測司機(jī)的酒精含量酒后駕車發(fā)生事故的機(jī)率高達(dá) 27%隨著攝入酒精量的 增加,選擇反應(yīng)錯(cuò)誤率顯著增加,當(dāng)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(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T“酒后駕車”

10、 及“醉酒駕 車”極易發(fā)生道路交通事故, 嚴(yán)重危害了道路交通安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全人飲酒后, 酒精通過消化系統(tǒng)被人體吸收, 經(jīng)過血液循環(huán), 約有 90%的酒精通過肺部呼氣排出, 因 此測量呼氣中的酒精含量, 就可判斷其醉酒程度開車司機(jī)只要將嘴對(duì)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(jī)是否酒后駕車,避免事故的發(fā)生 當(dāng)然,最好的辦法是在車內(nèi)安裝這種測試儀,司機(jī)一進(jìn)入車內(nèi)檢測儀就檢測司機(jī)的酒精 含量,如果超出允許值,系統(tǒng)控制引擎無法啟動(dòng),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(chǎn)生活中也有重要的應(yīng)用,比如,在一些環(huán)境要求嚴(yán)格的生 產(chǎn)車間,用這種酒精濃度探測

11、儀,可隨時(shí)檢測車間內(nèi)的酒精氣體濃度,當(dāng)酒精氣體濃度高于 允許限定值時(shí),發(fā)出警報(bào),提醒 1.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)的原理 “數(shù)據(jù)采集”是指將溫度壓力流量位移等模擬量采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后,再由計(jì)算機(jī) 進(jìn)行存儲(chǔ)處理顯示或打印的過程相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 從嚴(yán)格意義上說, 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該是用計(jì)算機(jī)控制的多路數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測或巡回檢測,并且能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí) 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 行存儲(chǔ)處理分析計(jì)算,以及從檢測的數(shù)據(jù)中提取可用的信息,供顯示記錄打印或描繪 的系統(tǒng)總之,不論在哪個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中,數(shù)據(jù)的采集與處理越及時(shí),工作效率就越高,取得的 經(jīng)濟(jì)效益就越大 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù),具體地說,就是傳感器從被測對(duì)象獲取有

12、用信息,并將其輸出信 號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào),然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理,得出所需的數(shù)據(jù) 同時(shí),將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示儲(chǔ)存或打印,以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視,其中一部 分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來進(jìn)行某些物理量的控制 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)輸入通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)輸出及顯示這 五個(gè)部分組成輸入通道要實(shí)現(xiàn)對(duì)被測對(duì)象的檢測采樣和信號(hào)轉(zhuǎn)換等工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與 管理要用存儲(chǔ)器把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來,建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫,并進(jìn)行管理和調(diào)用數(shù)據(jù) 處理就是從采集到的原始數(shù)據(jù)中,刪除干擾噪聲無關(guān)信息和不必要的信息,提取出反映 被測對(duì)象特征的重要信息另外,就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以便

13、于檢索;或者把數(shù)據(jù)恢復(fù) 成原來的物理量形式,以可輸出的形態(tài)在輸出設(shè)備上輸出,如打印顯示繪圖等數(shù)據(jù)輸 出及顯示就是把數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)男问竭M(jìn)行輸出和顯示 1.3 傳感器基礎(chǔ)知識(shí) 1.3.1 傳感器的定義 國家標(biāo)準(zhǔn) gb7665-87 對(duì)傳感器下的定義是:“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī) 律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”傳感器是一種檢測 裝置,能感受到被測量的信息,并能將檢測感受到的信息,按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其 他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸處理存儲(chǔ)顯示記錄和控制等要求它是實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié) 1.3.2 傳感器的分類 目前對(duì)傳感器尚無一個(gè)統(tǒng)一的

14、分類方法,但比較常用的有如下三種: (1) 按傳感器的物理量分類,可分為位移力速度溫度流量氣體成份等傳感器 (2) 按傳感器工作原理分類,可分為電阻電容電感電壓霍爾光電光柵熱電偶等 傳感器 (3) 按傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì)分類,可分為:輸出為開關(guān)量(“1”和“0” 或 “開”和“關(guān)”) 的開關(guān)型傳感器;輸出為模擬型傳感器;輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器 電阻式傳感器 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 電阻式傳感器是將被測量,如位移形變力加速度濕度溫度等這些物理量轉(zhuǎn)換式 成電阻值這樣的一種器件主要有電阻應(yīng)變式壓阻式熱電阻熱敏氣敏濕敏等電阻式 傳感器件 電阻應(yīng)變式傳感器 傳感器中的電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)

15、變效應(yīng),即在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變,從而使 電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類,金屬應(yīng)變片有金屬絲 式箔式薄膜式之分半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高(通常是絲式箔式的幾十倍)橫向效 應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn) 壓阻式傳感器 壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上經(jīng)擴(kuò)散電阻而 制成的器件其基片可直接作為測量傳感元件,擴(kuò)散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式當(dāng)基片 受到外力作用而產(chǎn)生形變時(shí),各電阻值將發(fā)生變化,電橋就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出 用 作壓阻式傳感器的基片(或稱膜片)材料主要為硅片和鍺片,硅片為敏感 材料而制成的硅 壓阻傳感器越來越受到人們的重視,尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳

16、感器應(yīng)用 最為普遍 熱電阻傳感器 熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度 有關(guān)的參數(shù)在溫度檢測精度要求比較高的場合,這種傳感器比較適用目前較為廣泛的 熱電阻材料為鉑銅鎳等,它們具有電阻溫度系數(shù)大線性好性能穩(wěn)定使用溫度范圍寬 加工容易等特點(diǎn)用于測量 -200c +500c 范圍內(nèi)的溫度 1.3.3 傳感器的特性 (1)傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào),傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相 互關(guān)系因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無關(guān),所以它們之間的關(guān)系,即傳感器的靜態(tài) 特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程,或以輸入量作橫坐標(biāo),把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱

17、坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有:線性度靈敏度分辨 力和遲滯等 (2)傳感器的動(dòng)態(tài)特性 所謂動(dòng)態(tài)特性,是指傳感器在輸入變化時(shí),它的輸出的特性在實(shí)際工作中,傳感器的 動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來表示這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的 響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得,并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之 間存在一定的關(guān)系,往往知道了前者就能推定后者最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和 正弦信號(hào)兩種,所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 (3)傳感器的線性度 通常情況下,傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線在實(shí)際工作

18、中,為使儀 表具有均勻刻度的讀數(shù),常用一條擬合直線近似地代表實(shí)際的特性曲線線性度(非線性 誤差)就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標(biāo)擬合直線的選取有多種方法如將零輸入和滿 量程輸出點(diǎn)相連的理論直線作為擬合直線;或?qū)⑴c特性曲線上各點(diǎn)偏差的平方和為最小 的理論直線作為擬合直線,此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線 (4)傳感器的靈敏度 靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化y 對(duì)輸入量變化x 的比值它 是輸出-輸入特性曲線的斜率如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系,則靈敏度 s 是 一個(gè)常數(shù)否則,它將隨輸入量的變化而變化 靈敏度的量綱是輸出輸入量的量綱之比例如,某位移傳感器,在位移變化 1mm 時(shí), 輸

19、出電壓變化為 200mv,則其靈敏度應(yīng)表示為 200mv/mm當(dāng)傳感器的輸出輸入量的量 綱相同時(shí),靈敏度可理解為放大倍數(shù)提高靈敏度,可得到較高的測量精度但靈敏度愈高, 測量范圍愈窄,穩(wěn)定性也往往愈差 (5)傳感器的分辨力 分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力也就是說,如果輸入量從 某一非零值緩慢地變化當(dāng)輸入變化值未超過某一數(shù)值時(shí),傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化, 即傳感器對(duì)此輸入量的變化是分辨不出來的只有當(dāng)輸入量的變化超過分辨力時(shí),其輸出 才會(huì)發(fā)生變化 通常傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨力并不相同,因此常用滿量程中能使輸出量 產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標(biāo)上述指

20、標(biāo)若用滿量程的 百分比表示,則稱為分辨率 (6)傳感器的遲滯特性 遲滯特性表征傳感器在正向(輸入量增大)和反向(輸入量減小)行程之間輸出-輸入特 性曲線不一致的程度,通常用這兩條曲線之間的最大差值max 與滿量程輸出 fs 的百 分比表示,遲滯可由傳感器內(nèi)部元件存在能量的吸收造成 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 2 酒精測試儀總體方案設(shè)計(jì)酒精測試儀總體方案設(shè)計(jì) 2.1 酒精濃度檢測儀設(shè)計(jì)要求分析 設(shè)計(jì)的酒精濃度測試儀應(yīng)具有如下特點(diǎn): (1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心,外圍電路帶有 led 顯示以及鍵盤響應(yīng)電路,無 需要其他計(jì)算機(jī),用戶就可以與之進(jìn)行交互工作,完成數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)計(jì)算分析等過 程

21、 (2)系統(tǒng)具有低功耗小型化高性價(jià)比等特點(diǎn) (3)從便攜式的角度出發(fā),系統(tǒng)成功使用了數(shù)碼管顯示器以及小鍵盤由單片機(jī)系統(tǒng)控 制鍵盤和 led 顯示來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作,界面友好 (4)軟件設(shè)計(jì)簡單易懂 2.2 酒精濃度檢測儀設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)時(shí),考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉(zhuǎn)換為電量,傳感器輸出的是 0-5 伏的電 壓值且電壓值穩(wěn)定,外部干擾小等因此,可以直接把傳感器輸出電壓值經(jīng)過 a/d 轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理此外,還需接人 led 顯示,4*4 鍵盤,報(bào)警電路等其 總體框圖如圖 2-1 所示 被測 環(huán)境 氣敏傳感 器 a/d 轉(zhuǎn)換 電路 單片機(jī) 聲光報(bào)警電路 led 顯示 鍵盤

22、圖 2-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 單片機(jī)酒精濃度測試儀用 mq3 酒精傳感器采集氣體信號(hào),并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模 擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送至單片機(jī),單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理,并將所得的結(jié)果顯 示出來,可以通過鍵盤設(shè)置不同環(huán)境下酒精濃度的不同閥值,如果所檢測出的酒精濃度超 過了所設(shè)定的閥值,那么單片機(jī)就能控制蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警鍵盤采用 3 個(gè)獨(dú)立鍵盤進(jìn) 行數(shù)據(jù)輸入設(shè)定;顯示部分用 5 個(gè)數(shù)碼管顯示當(dāng)前數(shù)據(jù),數(shù)碼管分別用 2 個(gè) 74hc573 鎖 存器控制段選和位選 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 3 酒精測試儀的硬件設(shè)計(jì)酒精測試儀的硬件設(shè)計(jì) 3.1 單片機(jī)模塊電路的設(shè)計(jì)

23、本硬件由五部分組成:單片機(jī)模塊,模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,酒精傳感器模塊,溫度傳感模塊本 系統(tǒng)由單片機(jī) at89s51 控制,其直接控制三個(gè)模塊:數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將酒精傳感器采集到模 擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸送到單片機(jī)控制處理,溫度傳感器 ds18b20 可以將采集到的溫度信 號(hào)直接以數(shù)字信號(hào)的形式傳到單片機(jī),lcd 顯示模塊可以將經(jīng)過單片機(jī)處理過的酒精氣 體濃度和溫度的具體量化值顯示 單片機(jī)是一種集成電路芯片,采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)運(yùn)算, 邏輯運(yùn)算數(shù)據(jù)傳送中斷處理)的微處理器(cpu),隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ram),只讀程序 存儲(chǔ)器(rom),輸入輸出電路(i/o 口),可能還包括定時(shí)計(jì)數(shù)器,串

24、行通信口(sci),顯示驅(qū)動(dòng) 電路(lcd 或 led 驅(qū)動(dòng)電路),脈寬調(diào)制電路(pwm),模擬多路轉(zhuǎn)換器及 a/d 轉(zhuǎn)換器等電 路集成到一塊單塊芯片上,構(gòu)成一個(gè)雖小然而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)這些電路能在軟件的控 制下準(zhǔn)確迅速高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù) 3.1.1 單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu) 51 單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示它把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集 成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上按功能劃分,它有如下功能部件組成: （1）微處理器(cpu) （2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ram) （3）程序存儲(chǔ)器(rom/eprom) （4）4 個(gè) 8 位并行 i/o 口(p0 口p1 口p2 口p3 口)

25、 （5）一個(gè)串行口 （6）2 個(gè) 16 位定時(shí)器計(jì)數(shù)器 （7）中斷系統(tǒng) （8）特殊功能寄存器(sfr) 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 圖 3-1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖 3.1.2 單片機(jī)的選擇 at89s51 是低功耗高性能采用 cmos 工藝的 8 位單片機(jī),其片內(nèi)具有 8kb 的可 在線編程的 flash 存儲(chǔ)器該單片機(jī)采用了 atmel 公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù),與 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)型 80c51 單片機(jī)的指令系統(tǒng)和引腳完全兼容;片內(nèi)的 flash 存儲(chǔ)器可在線重新 編程,或者使用通用的非易失性存儲(chǔ)器編程;通用的 8 位 cpu 與在線可編程 flash 集成在 一塊芯片上,從而使 at89

26、s52 功能更加完善,應(yīng)用更加靈活;具有較高的性能價(jià)格比,使其 在嵌入式控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景掌握 mcs-51 單片機(jī),應(yīng)首先了解 mcs-51 的 引腳,熟悉并牢記各引腳的功能,mcs-51 系列中各種型號(hào)芯片的引腳是互相兼容的制作 工藝為 hmos 的 mcs-51 的單片機(jī)都采用 40 只引腳的雙列直插封裝方式,如圖 3-2 所 示 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 rst (txd) p3.1 (int0) p3.2 (int1) p3.3 t0 p3.4 t1 p3.5 (wr) p3.6 (rd)

27、p3.7 xtal1 xtal2 gnd vcc p0.0 (ad0) p0.1 (ad1) p0.2 (ad2) p0.3 (ad3) p0.4 (ad4) p0.5 (ad5) p0.6 (ad6) p0.7 (ad7) ea/vpp psen p2.7 (a15) p2.6 (a14) p2.5 (a13) p2.4 (a12) p2.3 (a11) p2.2 (a10) p2.1 (a9) p2.0 (a8) pdip (rxd) p3.0 ale/prog 圖 3-2 at89c51 芯片管腳圖 40 只引腳按其功能來分,可分為如下 3 類: (1)電源及時(shí)鐘引腳:vccvssxta

28、l1xtal2 電源引腳接入單片機(jī)的工作電源vcc 接+5v 電源,vss 接地 時(shí)鐘引腳 xtal1xtal2 外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成了 1 個(gè)晶體振蕩器,它 為單片機(jī)提供了時(shí)鐘控制信號(hào)2 個(gè)時(shí)鐘引腳也可外接獨(dú)立的晶體振蕩器xtal1 接外 部的一個(gè)引腳該引腳內(nèi)部是一個(gè)反相放大器的輸入端這個(gè)反相放大器構(gòu)成了片內(nèi)振 蕩器如果采用外接晶體振蕩器時(shí),此引腳接地xtal2 接外部晶體的另一端,在該引腳 內(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的輸出端若采用外部時(shí)鐘振蕩器時(shí),該引腳接受時(shí)鐘振蕩器的 信號(hào),即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端 (2)控制引腳:psenaleeareset(rst)此類引腳提供

29、控制信號(hào),有的還具有復(fù)用 功能 rst/vpd 引腳:reset(rst)是復(fù)位信號(hào)輸入端,高電平有效當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行時(shí),在 此引腳加上持續(xù)時(shí)間大于 2 個(gè)機(jī)器周期(24 個(gè)振蕩周期)的高電平時(shí),就可以完成復(fù)位操 作在單片機(jī)工作時(shí),此引腳應(yīng)為0.5v 低電平vpd 為本引腳的第二功能,即備用電源的 輸入當(dāng)主電源發(fā)生故障,降低到某一規(guī)定值的低電平時(shí),將+5v 電源自動(dòng)接入 rst 端,為 內(nèi)部 ram 提供備用電源,以保證片內(nèi) ram 的信息不丟失,從而使單片機(jī)在復(fù)位后能正 常進(jìn)行 ale/prog 引腳:ale 引腳輸出為地址鎖存允許信號(hào),當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后 ale 引腳不斷輸出正脈沖信號(hào)當(dāng)單

30、片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí),ale 輸出信號(hào)的負(fù)跳沿用 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 于單片機(jī)發(fā)出的低 8 位地址經(jīng)外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號(hào)即使不訪問外部鎖存器, ale 端仍有正脈沖信號(hào)輸出,此頻率為時(shí)鐘振蕩器頻率的 1/6prog 為該引腳的第二功 能在對(duì)片內(nèi) eprom 型單片機(jī)編程寫入時(shí),此引腳作為編程脈沖輸入端 psen 引腳:程序存儲(chǔ)器允許輸出控制端在單片機(jī)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí),此引腳 輸出脈沖負(fù)跳沿作為讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)此引腳接外部程序存儲(chǔ)器的 oe(輸 出允許端) ea/vpp 引腳:ea 功能為片內(nèi)程序存儲(chǔ)器選擇控制端當(dāng) ea 引腳為高電平時(shí),單 片機(jī)訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)

31、器,但在 pc 值超過 0fffh 時(shí),即超出片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的 4kb 地 址范圍時(shí)將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序當(dāng) ea 引腳為低時(shí),單片機(jī)只訪問外 部程序存儲(chǔ)器,不論是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 (3)i/o 口引腳:p0p1p2p3,為四個(gè) 8 位 i/o 口的外部引腳p0 口p1 口p2 口p3 口 是 3 個(gè) 8 位準(zhǔn)雙向的 i/o 口,各口線在片內(nèi)均有固定的上拉電阻當(dāng)這 3 個(gè)準(zhǔn)雙向 i/o 口 作輸入口使用時(shí),要向該口先寫 1,另外準(zhǔn)雙向口 i/o 口無高阻的“浮空”狀態(tài) 由于單片機(jī)具有體積小質(zhì)量輕價(jià)格便宜耗電少等突出特點(diǎn),所以本系統(tǒng)采用 89c51 單片機(jī),硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖 1

32、 所示89c51 內(nèi)部有 4kb 的 eprom,128 字節(jié)的 ram,所以一般都要根據(jù)所需存儲(chǔ)容量的大小來擴(kuò)展 rom 和 ram本電路 ea 接高電 平,沒有擴(kuò)展片外 rom 和 ram mcs 單片機(jī)都采用 40 引腳的雙列直插封裝方式40 條引腳說明如下: 主電源引腳 vss 和 vcc (1)vss 接地 (2)vcc 正常操作時(shí)為+5 伏電源 外接晶振引腳 xtal1 和 xtal2 (1)xtal1 內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端,是外接晶體的一個(gè)引腳當(dāng)采用外部 振蕩器時(shí),此引腳接地 (2)xtal2 內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端是外接晶體的另一端當(dāng)采用外部振 蕩器時(shí),此引腳

33、接外部振蕩源 控制或與其它電源復(fù)用引腳 rst/vpd,ale/和/vpp (1)rst/vpd 當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí),在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平(由低到高跳 變),將使單片機(jī)復(fù)位在 vcc 掉電期間,此引腳可接下圖 8051 引腳排列圖上備用電源,由 vpd 向內(nèi)部提供備用電源,以保持內(nèi)部 ram 中的數(shù)據(jù) (2) ale/正常操作時(shí)為 ale 功能(允許地址鎖存)提供把地址的低字節(jié)鎖存到外部鎖 存器,ale 引腳以不變的頻率(振蕩器頻率的)周期性地發(fā)出正脈沖信號(hào)因此,它可用作 對(duì)外輸出的時(shí)鐘,或用于定時(shí)目的但要注意,每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),將跳過一個(gè) ale 脈沖,ale 端可以驅(qū)動(dòng)(

34、吸收或輸出電流)八個(gè) lsttl 電路對(duì)于 eprom 型單片機(jī), 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 在 eprom 編程期間,此引腳接收編程脈沖(功能) (3)外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端,在從外部程序存儲(chǔ)取指令(或數(shù)據(jù))期間, 在 每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)兩次有效, 同樣可以驅(qū)動(dòng)八 lsttl 輸入 (4)/vpp /vpp 為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和外部程序存儲(chǔ)器選擇端當(dāng) /vpp 為高電平時(shí),訪 問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器,當(dāng)/vpp 為低電平時(shí),則訪問外部程序存儲(chǔ)器 對(duì)于 eprom 型單片機(jī),在 eprom 編程期間,此引腳上加 21 伏 eprom 編程電源 (vpp) 輸入/輸出引腳 p0.0 - p0.

35、7,p1.0 - p1.7,p2.0 - p2.7,p3.0 - p3.7 (1)p0 口(p0.0 - p0.7)是一個(gè) 8 位漏極開路型雙向 i/o 口,在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí),它是 分時(shí)傳送的低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)總線,p0 口能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)八個(gè) lsttl 負(fù)載 (2)p1 口(p1.0 - p1.7)是一個(gè)帶有內(nèi)部提升電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 i/o 口能驅(qū)動(dòng)(吸收或 輸出電流)四個(gè) lsttl 負(fù)載 (3)p2 口(p2.0 - p2.7)是一個(gè)帶有內(nèi)部提升電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 i/o 口,在訪問外部存儲(chǔ) 器時(shí),它輸出高 8 位地址p2 口可以驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)四個(gè) lsttl 負(fù)載

36、 (4)p3 口(p3.0 - p3.7)是一個(gè)帶有內(nèi)部提升電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 i/o 口能驅(qū)動(dòng)(吸收或 輸出電流)四個(gè) lsttl 負(fù)載 3.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)主要擅長系統(tǒng)控制,而不適合做復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理,在設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)通 常選用 at89c5lat89c52at89s51at89s52(s 系列芯片支持 isp 功能)等型號(hào)的 8 位 dip-40 封裝的單片機(jī)作為 mcu,一個(gè)典型的單片機(jī)最小系統(tǒng)一般由時(shí)鐘電路復(fù)位電 路鍵盤電路顯示電路部分組成,有時(shí)也外擴(kuò)片外 ram 和 rom 以及外部擴(kuò)展接口等電 路 3.1.3.1 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 單片機(jī)內(nèi)部具有一個(gè)高增益反

37、相放大器,用于構(gòu)成振蕩器通常在引腳 xtall 和 xtal2 跨接石英晶體和兩個(gè)補(bǔ)償電容構(gòu)成自激振蕩器,系統(tǒng)時(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)如圖 2 所示, 可以根據(jù)情況選擇 6mhz8mhz 或 12mhz 等頻率的石英晶體,補(bǔ)償電容通常選擇 20- 30pf 左右的瓷片電容 3.1.3.2 復(fù)位電路 單片機(jī)小系統(tǒng)采用上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位兩種方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位操作上 電復(fù)位要求接通電源后,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作手動(dòng)復(fù)位要求在電源接通的條件下,在單片 機(jī)運(yùn)行期間,用按鈕開關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位上電自動(dòng)復(fù)位通過電容 c3 充電來實(shí)現(xiàn)手 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 動(dòng)按鍵復(fù)位是通過按鍵將電阻 r2 與 vcc 接通

38、來實(shí)現(xiàn) 3.1.3.3 鍵盤電路 系統(tǒng)利用 p1 口的 p1.0-p1.3 設(shè)置了 4 個(gè)獨(dú)立按鍵 s2s5,當(dāng)鍵按下時(shí),p1 口相應(yīng)的引 腳置為低電平,且與此鍵相連的發(fā)光二極管點(diǎn)亮此外,通過 8279 鍵盤顯示控制芯片還可 以擴(kuò)展編碼鍵盤和顯示,利用 8279 擴(kuò)展的一個(gè) 28=16 鍵編碼鍵盤及 8 個(gè) led 電路 3.1.3.4 顯示電路 系統(tǒng)設(shè)置了 8 個(gè)共陽極 led 數(shù)碼管 led1-led2,單片機(jī) p0 口提供段碼信號(hào),低電 平有效,p0 口輸出端通過限流電阻 r00r07 與數(shù)碼管的段碼數(shù)據(jù)線相連,用來送出 led 數(shù)碼管的段碼數(shù)據(jù)信號(hào)單片機(jī) p2 口提供位選信號(hào),當(dāng) p2

39、 口某位輸出低電平時(shí),與此相 連的開關(guān)三極管導(dǎo)通,對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管點(diǎn)亮,使用三極管用來增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力 此外,為 了擴(kuò)展 lcd 顯示,系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè) lcd 接口,如圖 7,一個(gè)用于 40 點(diǎn)矩陣 lcd 顯示,一 個(gè)用于 12864 點(diǎn)陣式 lcd 顯示 3.2 酒精傳感器模塊的選擇與設(shè)計(jì) 3.2.1 氣敏傳感器工作原理 氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件,它是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā) 生變化這一機(jī)理來進(jìn)行檢測的人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如 sno2znofe2o3mgoniobatio3 等都具有氣敏效應(yīng) 氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器接觸燃 燒式

40、氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等,其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器它的應(yīng)用 主要有:一氧化碳?xì)怏w的檢測瓦斯氣體的檢測煤氣的檢測氟利昂(r11r12)的檢測呼 氣中乙醇的檢測人體口腔口臭的檢測等等它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換 成電信號(hào),根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信 息,從而可以進(jìn)行檢測監(jiān)控報(bào)警;還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測控制和 報(bào)警系統(tǒng)半導(dǎo)體氣敏傳感器對(duì)于低濃度氣體具有很高的靈敏度,具有嗅覺功能,能自動(dòng) 檢測瓦斯?jié)舛纫坏┩咚钩?氣敏傳感器即可自動(dòng)報(bào)警,然后采取先抽后采的原則,即可 防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生 半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測氣體在半

41、導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件 阻值變化來檢測氣體的種類和濃度的當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài),在氣體接觸半導(dǎo) 體表面而被吸附時(shí),被吸附的分子首先在表面自由擴(kuò)散,失去運(yùn)動(dòng)能量,一部分分子被蒸發(fā) 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 掉,另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處時(shí),如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子 的離解能,吸附分子將向器件釋放電子,而形成正離子吸附如 h2co碳?xì)浠衔锏?被 稱為還原型氣體當(dāng)還原型氣體吸附到 n 型半導(dǎo)體上時(shí),載流子增多,使半導(dǎo)體電阻值下 降 3.2.2 氣敏傳感器簡介 氣敏傳感器是酒精檢測系統(tǒng)的核心,通常安裝在探測頭內(nèi)從本質(zhì)上講氣敏傳感器是 一種將某種氣體的體積

42、分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器探測頭通過氣敏傳感器對(duì)氣體 樣品進(jìn)行調(diào)理,通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體干燥或制冷處理樣品抽吸,甚至對(duì)樣品進(jìn) 行化學(xué)處理,以便化學(xué)傳感器進(jìn)行更快速的測量 目前普遍使用的氣敏傳感器有燃料電池型(電化學(xué)型)和半導(dǎo)體型兩種他們能夠制 造便攜型呼氣酒精濃度測試器,適合于現(xiàn)場使用與半導(dǎo)體傳感器相比,燃料電池酒精傳 感器具有穩(wěn)定性好精度高抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)由于燃料電池酒精傳感器的結(jié)構(gòu)要求很 精密,制造難度大,目前世界上只有美國德國英國等少數(shù)幾個(gè)國家能夠生產(chǎn) 本測試器采用 mqk2 酒精濃度傳感器,檢測人體呼出氣體中酒精濃度并且輸出電壓 信號(hào)mqk2 酒精濃度傳感器主要由氣敏元件和電阻

43、絲組成, mqk2 傳感器外接+5v 電 壓時(shí),能將電阻絲加熱到 270300,電路將 mqk2 傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)化成輸出電 壓的變化,從而可以通過 a/d 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量供單片機(jī)處理 根據(jù)分析,乙醇濃度增加時(shí)元件電阻 r 減小反之異亦反,所以呼出氣體中的氣態(tài)乙 醇逐漸擴(kuò)散后元件電阻 r 敏感的變化 在應(yīng)用方面,目前最廣泛的是可燃性氣體氣敏元件傳感器,已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測 和監(jiān)控,從工廠企業(yè)到居民家庭,應(yīng)用十分廣泛 一是氣體傳感器向低功耗多功能集成化方向發(fā)展 國外氣體傳感器發(fā)展很快二 是增強(qiáng)可靠性,實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化,多功能化,發(fā)展 mems 技術(shù),發(fā)展現(xiàn)場適用的 變送器和智能型傳感

44、器 3.2.3 氣體傳感器向低功耗多功能集成化方向發(fā)展 國外氣體傳感器發(fā)展很快,一方面是由于人們安全意識(shí)增強(qiáng),對(duì)環(huán)境安全性和生活舒 適性要求提高;另一方面是由于傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)因此,國外氣 體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展,據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)猜測,美國 1996 年2002 年氣體傳感器年均 增長率為(2730)% 目前,氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為:一是提高靈敏度和工作性能,降低功耗和成 本,縮小尺寸,簡化電路,與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合,這也是氣體傳感器一直追求的目標(biāo)如日本費(fèi) 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 加羅公司推出了檢測(0.110)10-6 硫化氫低功耗氣體傳感器,美國 ist 提供

45、了壽命達(dá) 10 年以上的氣體傳感器,美國 firstalert 公司推出了生物模擬型(光化反應(yīng)型)低功耗 co 氣 體傳感器等二是增強(qiáng)可靠性,實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化,多功能化,發(fā)展 mems 技術(shù), 發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型傳感器如美國 generalmonitors 公司在傳感器中嵌入微 處理器,使氣體傳感器具有控制校準(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能,實(shí)現(xiàn)了智能化;還有前已涉及的 美國 ist 公司的具有微處理器的“megagas”傳感器實(shí)現(xiàn)了智能化多功能化 3.2.4 傳感器的選擇 傳感器千差萬別,即便對(duì)于相同種類的測定量也可采用不同工作原理的傳感器,因此, 要根據(jù)需要選用最適宜的傳感器 (1)

46、測量條件 如果誤選傳感器,就會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性為此,要從系統(tǒng)總體考慮,明確使用的目的 以及采用傳感器的必要性,絕對(duì)不要采用不適宜的傳感器與不必要的傳感器測量條件列 舉如下,即測量目的,測量量的選定,測量的范圍,輸入信號(hào)的帶寬,要求的精度,測量所需要 的時(shí)間,過輸入發(fā)生的頻繁程度 (2) 傳感器的性能 選用傳感器時(shí),要考慮傳感器的下述性能,即精度,穩(wěn)定性,響應(yīng)速度,模擬信號(hào)或者數(shù) 字信號(hào),輸出量及其電平,被測對(duì)象特性的影響,校準(zhǔn)周期,過輸人保護(hù) (3) 傳感器的使用條件 傳感器的使用條件即為設(shè)置的場所,環(huán)境(濕度溫度振動(dòng)等),測量的時(shí)間,與顯示器 之間的信號(hào)傳輸距離,與外設(shè)的連接方式,供電電源容

47、量 根據(jù)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傳感器需求量最大,包含各種無機(jī)和有機(jī)類 氣體檢測,主要用于抽油煙機(jī)泄露報(bào)警器和空氣清新劑等方面,并已經(jīng)形成生產(chǎn)規(guī)模,在 油田礦區(qū)化工企業(yè)及家庭等生產(chǎn)和生活領(lǐng)域廣泛用作氣體泄露報(bào)普,特別是用于家庭 氣體泄露報(bào)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(chǎn)環(huán)保汽車家庭等 co 泄露 和不完全燃燒檢測報(bào)警;h2 氣敏元件除應(yīng)用于工業(yè)等領(lǐng)域外,主要用于家庭管道煤氣泄 露報(bào)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(jià)格低,靈敏度高

48、, 因此,用氫敏元件做城市管道煤氣泄露報(bào)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(duì) co,h2s 等有毒有害氣體敏 感,但應(yīng)用最多的仍是電解式化學(xué)傳感器 傳感器的分類方式有很多種,以上是根據(jù)被檢測氣體的性質(zhì)進(jìn)行的分類,也有根據(jù)元 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 件的物理特性進(jìn)行分類的 一個(gè)新型的氣體檢測系統(tǒng)應(yīng)該包括: (1)基于一種或幾種傳感技術(shù)的氣體傳感器 (2)組合了氣體傳感器和采樣調(diào)理電路的探頭 (3)配有人機(jī)接口軟件的中心監(jiān)測和控制系統(tǒng) (4)在一些應(yīng)用中,與其它安全系統(tǒng)和儀器的接口

49、 本設(shè)計(jì)中的酒精氣體傳感器采用河南漢威電子有限公司的 mq-3 型,它屬于 mq 系 列氣敏元件的一種如圖 3-3 所示: 圖 3-3 mq-3 外形 特點(diǎn):檢測范圍為 10ppm2000ppm ;靈敏度高,輸出信號(hào)為伏特級(jí);響應(yīng)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(dǎo)體微晶燒結(jié) 層構(gòu)成當(dāng)其表面吸附有被測氣體酒精分子時(shí),表面導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化,從而其 表面電阻會(huì)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(fù)使用 本系統(tǒng)直接測量的是呼氣中的酒精濃度,再轉(zhuǎn)換為血液中的酒精含量濃度

50、,故采用氣 敏傳感器考慮到周圍空氣中的氣體成分可能影響傳感器測量的準(zhǔn)確性,所以傳感器只能 對(duì)酒精氣體敏感,對(duì)其他氣體不敏感,故選用 mq-3 型氣敏傳感器其有很高的靈敏度良 好的選擇性長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性mq-3 型氣敏傳感器由微型 al2o3,陶瓷 管和 sno2 敏感層測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內(nèi),加 熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件傳感器的標(biāo)準(zhǔn)回路有兩部分組成其一 為加熱回路,其二為信號(hào)輸出回路,它可以準(zhǔn)確反映傳感器表面電阻值的變化傳感器的 表面電阻 rs 的變化,是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻 rl 上的有效電壓信號(hào) vrl 輸出面獲 得的負(fù)載電阻

51、 rl 可調(diào)為 0.5-200k加熱電壓 uh 為 5v上述這些參數(shù)使得傳感器輸出 電壓為 0-5vmq-3 型氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)和外形標(biāo)準(zhǔn)回路傳感器阻值變化率與酒精濃 度外界溫度的關(guān)系圖如圖 3-4 所示 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 圖3-4 mq3 原理圖 mq-3 的靈敏度特性曲線如 圖 3-5 所示: 靈敏度特性曲線 圖 3-5 靈敏度特性曲線 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 3.2.5 mq-3 的檢測 如圖 3-6 所示,當(dāng)電源開關(guān) s 斷開時(shí),傳感器加熱電流為零,實(shí)測 a,b 之間電阻20m 歐s 接通,則 f,f 之間電流由開始時(shí) 155ma 降至 153ma 而穩(wěn)定加熱開始

52、幾秒鐘后 a,b 之間電阻迅速下降至 1m 歐以下,然后又逐漸上升至 20m 歐以上后并保持著此時(shí)如果 將內(nèi)盛酒精棉花的小瓶瓶口靠近傳感器,我們立即可以看到數(shù)字萬用表顯示值馬上由原 來大于 20m 歐降至 1m 歐以下移開小瓶過 15-40s 后,a,b 之間電阻恢復(fù)至大于 20m 歐 這種反應(yīng)可以重復(fù)試驗(yàn),但要注意使空氣恢復(fù)到潔凈狀態(tài) 圖 3-6 mq-3 檢測圖 3.3 酒精傳感器的工作原理 3.3.1 傳感器性能分析 qm3 氣體傳感器的敏感材料是金屬氧化物,最具代表性的是 sno2金屬氧化物晶體 如 sno2 在空氣中被加熱到一定高的溫度時(shí),氧被吸附在的帶一個(gè)負(fù)電荷的晶體表面然 后,晶

53、體表面的供與電子被轉(zhuǎn)移到吸附的氧上,結(jié)果在一個(gè)空間電荷層留下正電荷這樣, 表面勢能形成一個(gè)勢壘,從而阻礙電子流動(dòng) 在傳感器的內(nèi)部,電流流過 sno2 微晶的結(jié)合部位(晶粒邊界)在晶粒邊界,吸附的氧 形成一個(gè)勢壘阻止載流子自由移動(dòng),傳感器的電阻即緣于這種勢壘還原性氣體出現(xiàn)時(shí), 帶有負(fù)電荷的氧的表面濃度降低,導(dǎo)致晶粒邊界的勢壘降低降低了的勢壘使傳感器的阻 值減小了傳感器阻值和還原性氣體濃度之間的關(guān)系可由下面的一定范圍氣體濃度方程 表示:rs=ac- 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 這里:rs=傳感器電阻 a=常數(shù) c=氣體濃度 =rs 曲線的斜率 費(fèi)加羅氣體傳感器的氣敏素子,使用在清潔空氣中電導(dǎo)率

54、低的 sno2當(dāng)存在檢知對(duì) 象氣體時(shí),傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中氣體濃度增加而增大使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率 的變化,轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)tgs822 傳感器對(duì)酒精有機(jī)溶劑靈敏 度高,在酒精檢測器等方面得到廣泛使用相同特性的 tgs823,采用了陶瓷底座,可以在 200的高溫氣氛中使用 表3-1 qm3性能參數(shù)一覽表 qm3型號(hào) 素子類型8系列 塑料sus雙重金屬網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)封裝 對(duì)象氣體酒精有機(jī)溶劑 檢測范圍505000ppm 加熱器電壓vh5.0+0.2v dc/ac 回路電壓vcmax 24vps15mw 可變ps15mw負(fù)載電壓 加熱器電壓 rl rh38+3.0 (室溫) 加熱器

55、功率ph660+50mw vh=5.0v 傳感器電阻rs300ppm乙醇中 1-10k rs(etoh:300ppm) 標(biāo)準(zhǔn)回路 條件 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件 下的電學(xué)特性 靈敏度(rs的變化率)0.4+0.1 rs(etoh:50ppm) 20+2, 65+5%rh 試驗(yàn)氣體條件 回路條件 vc=10.0+0.1v dc/ac vh=5.0+0.05v dc/ac 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn) 條件 預(yù)熱條件七天以上 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 下圖3-7中縱坐標(biāo)也以傳感器電阻比(rs/ro)表示,這里的rs,ro 定義如下: rs=含300ppm 乙醇各種溫/濕度下的電阻值 ro=含 300ppm 乙醇2065%r

56、.h.下的電阻值 圖3-7不同濃度氣體對(duì)應(yīng)的阻值 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 3.3.2 呼出酒精氣體濃度與血液酒精濃度關(guān)系 表 3-2 血液與呼氣酒精含量換算一覽表 序 號(hào) 呼出氣體中酒精 濃度 mg/l 呼出氣體中酒精 濃度 106 血液中酒精 濃度 mg/100ml 10.022711.855 20.045423.6910 30.068135.5315 40.090947.4320 50.113659.2825 60.136371.1330 70.159183.0235 80.181894.8640 90.2045106.7145 100.2272118.5650 110.25001

57、30.4555 120.2727141.2660 130.2954154.1565 140.3181166.0070 150.3409177.8975 160.3636189.7280 170.3863201.1585 180.4091213.4390 190.4318225.3395 200.4515237.12100 210.6618355.68150 220.9091474.24200 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 車輛駕駛?cè)藛T血液中的酒精含量大于或等于 80mg/100ml 的駕駛行為由表 3-3 血液 酒精含量臨界值可以進(jìn)行定量的分析車輛駕駛?cè)藛T酒后駕駛后血液中的酒精濃度,進(jìn)而 對(duì)

58、于該司機(jī)的酒駕行為類別進(jìn)行定性,如血液酒精濃度低于 20 mg/100ml,則認(rèn)為是飲酒 駕駛,可以對(duì)其酌情處理;如若血液酒精濃度超過了 20 mg/100ml 且低于 80 mg/100ml,則 認(rèn)為是醉酒駕駛,應(yīng)按照國家交通法規(guī)對(duì)其處理 表 3-3 血液酒精含量臨界值一覽表 行為類別對(duì)象臨界值(mg/100ml) 飲酒駕駛車輛駕駛?cè)藛T20 醉酒駕駛車輛駕駛?cè)藛T80 3.4 a/d 轉(zhuǎn)換電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,被測量對(duì)象的有關(guān)變化量,如溫度壓力流量速度等非電物 理量,須經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬電信號(hào)(電壓或電流),這些模擬電信號(hào)必須轉(zhuǎn)換 成數(shù)字量后才能在單片機(jī)中用軟件進(jìn)行處理模數(shù)轉(zhuǎn)換電

59、路的功能是將連續(xù)變化的模擬 量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量,是架起模擬系統(tǒng)跟數(shù)字系統(tǒng)之間連接的橋梁對(duì)于本系統(tǒng)而言, 就是用于快速高精度地對(duì)輸入的酒精濃度信號(hào)進(jìn)行采樣編碼,將其轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所能夠 處理的數(shù)字量模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì) 量根據(jù)a/d 轉(zhuǎn)換器的工作原理可將a/d 轉(zhuǎn)換器分成兩大類:一類是直接型a/d轉(zhuǎn)換器; 另一類是間接型a/d 轉(zhuǎn)換器在直接型a/d 轉(zhuǎn)換器中,輸入的模擬電壓被直接轉(zhuǎn)換成數(shù) 字代碼,不經(jīng)任何中間變量在間接型a/d 轉(zhuǎn)換器中,首先把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成某種 中間變量(時(shí)間頻率脈沖寬度等等),然后再把這個(gè)中間變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼輸出 實(shí)現(xiàn)模擬量

60、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為a/d轉(zhuǎn)換器(adc) a/d轉(zhuǎn)換器大致分有三類:一是雙積分a/d轉(zhuǎn)換器,優(yōu)點(diǎn)是精度高,抗干擾性好,價(jià)格便 宜,但速度慢;二是逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器,精度速度價(jià)格適中;三是-a/d轉(zhuǎn)換器 該設(shè)計(jì)中選用的是adc0809屬第二類,是8位a/d轉(zhuǎn)換器0809具有8路模擬信號(hào)輸入 端口,地址線(23-25腳)可決定那一路模擬信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換22腳為地址鎖存控制,當(dāng)輸入 為高電平時(shí),對(duì)地址信號(hào)進(jìn)行鎖存6腳為測試控制,當(dāng)輸入一個(gè)2s的高電平脈沖時(shí),就開 始a/d轉(zhuǎn)換7引腳為a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志,當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),7腳輸出高電平9腳為a/d轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)輸出允許端,當(dāng)oe腳為高電平時(shí),