便攜式酒精含量測試儀硬件電路設(shè)計

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第4頁共4頁摘要隨著交通行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，以及汽車保有量的增加，汽車給人類帶來舒適和便捷的同時，也給人類帶來了交通事故頻發(fā)等交通安全隱患，如酒后駕駛、無照駕駛、違規(guī)駕駛等，嚴(yán)重威脅著人類生命和財產(chǎn)安全。目前全世界絕大多數(shù)國家都采用呼氣酒精測試儀對駕駛?cè)藛T進行現(xiàn)場檢測，以確定被測量者體內(nèi)酒精含量的多少，以確保駕駛員的生命財產(chǎn)安全。便攜式酒精含量測試儀是基于單片機的可編程的智能儀器。本課題采用MQ2酒精氣敏傳感器和單片機系統(tǒng)實現(xiàn)測試人體呼出氣體中酒精含量,并且通過LCD液晶實時顯示。可設(shè)定濃度閾值,并具有超值報警功能。本課題分為兩部分:硬件設(shè)計部分和軟件設(shè)計部分。硬件部分為利用MQ2氣敏傳感器測量空氣中酒精濃度,并轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳給單片機系統(tǒng),由單片機及其外圍電路進行信號的處理,顯示濃度值，當(dāng)超閾值時報警。軟件部分用C語言進行編程,程序采用模塊化設(shè)計思想。本儀器的特點有：（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單片機為控制核心，外圍電路帶有LCD顯示以及鍵盤響應(yīng)電路，無需要其他計算機，用戶就可以與之進行交互工作，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、計算、分析等過程。（2）系統(tǒng)具有低功耗、小型化、靈敏度高、測量直觀、高性價比、對酒精快速響應(yīng)，預(yù)熱時間短等特點。（3）軟件系統(tǒng)采用C語言編寫，在兼顧實時性處理的同時也能很方便地進行數(shù)據(jù)處理。關(guān)鍵詞:單片機；LCD；MQ2；傳感器；酒精含量；轉(zhuǎn)換AbstractWiththedevelopmentoftransportindustryandtheincreasingofcars,vehiclebringsnotonlycomfortandconvenienceforhumanity,butalsohighfrequencyoftrafficaccidentsandothersafetyproblems,suchasdrunkdriving,whichseriouslythreatentohumanlifeandproperty.Currentlymostcountriesaroundtheworldusebreathalcoholtesterfieldofdriverstestingtodeterminealcoholcontentwasmeasuredbyhowmuch,inordertoensurethedriver'slifeandproperty.Portablealcoholtesterisbasedonthesinglechipprogrammableintelligentinstruments.ThesubjectusedMQ2alcoholgassensorandSCMsystemtotesthumanbreathalcohol,andReal-timethroughtheLCDliquidcrystaldisplay.Thethresholdcanbesettoset,andalarmfunctionwhenExceedthevalue.Thissubjectisdividedintotwoparts:hardwaredesignandsoftwaredesign.HardwareistheuseofgassensorMQ2alcoholconcentrationinair,andConvertedtovoltagesignalbytheA/DconversionpassaftertheSCMsystem,BytheMCUanditsperipheralcircuitsforsignalprocessing，showedconcentration,whensuper-thresholdvalue.DesigningsoftwarewithClanguageprogramming,andmodulardesignprocess.Thisinstrumentfeatures:(1)DataAcquisitionSystemusingSCMastheControlcenter,theexternalcircuitwithLCDdisplayandkeypadtorespondtothecircuit,noneedforothercomputeruserscaninteractwiththework,thecompletionofdatacollection,storage,computing,analysisprocess.2highsensitivity,directmeasurementoflowpowerconsumption.(2)Systemwithlowpowerconsumption,smallsize,highsensitivity,measurementofdirectandcost-effective,rapidresponsetoalcohol,warm,andshorterperiod(3)ThesoftwaresystemusingClanguage,inbothreal-timeprocessingwhilealsoveryconvenientfordataprocessing.Keywords:SCM;LCD;MQ2;sensor;alcoholcontent;conversion目錄引言 1§1傳感器的簡述 1§1.1傳感器的定義 1§1.2傳感器的分類 2§1.3氣體感器 2§1.4氣體傳感器的選擇 2傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 3§2便攜式酒精含量測試儀硬件電路設(shè)計 4§2.1課題要求 4§2.2硬件總體設(shè)計思路介紹 4§2.3硬件設(shè)計總體框架介紹 5§2.4硬件電路主要器件的選擇 5§2.5氣體傳感氣及放大電路介紹 5§ 5§ 7§ 7§ 8§2.6模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809連接電路介紹 9§2.6.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809功能及管腳簡介： 9§ 10§2.7單片機AT89S52最小系統(tǒng)連接電路介紹 11§ 11§2.7.2本課題單片機最小系統(tǒng)連接電路介紹 12§2.8LCD顯示電路介紹 13§ 13§ 14§2.9報警系統(tǒng)電路介紹 15§2.10系統(tǒng)其他電路簡介 15§示電路介紹 15§ 16§程序下載口電路介紹 16§ 16§ 17§ 17§2.11本章小結(jié) 17§3便攜式酒精含量測試儀軟件設(shè)計 18§3.1主程序流程圖及設(shè)計 18§3.2A/D轉(zhuǎn)換流程圖及設(shè)計 18§3.3本章小結(jié) 19§4便攜式酒精含量測試儀軟硬件調(diào)試及測試過程 19§ 20§4.2調(diào)試故障及分析 20§4.3酒精濃度檢測的原理及依據(jù) 20§ 20§ 21§4.4測試儀校準(zhǔn) 22§ 22§4.4.2溫度校準(zhǔn)： 24§4.5數(shù)據(jù)測試及分析： 25§4.5.1測試方案及測試數(shù)據(jù)： 25§4.6本章小結(jié) 26§5結(jié)論與展望 26§5.1結(jié)論 26§5.2創(chuàng)新點： 27§5.3展望： 27謝辭·····························································································································28參考文獻····················································································································29附錄·····························································································································30XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)報告用紙第40頁共40頁引言隨著汽車制造業(yè)的發(fā)展，全球汽車擁有量的增加，據(jù)德國一家調(diào)研機構(gòu)預(yù)測，全球汽車（包括個人用車和商用車）保有量最遲到2010年將突破10億量。隨著汽車保有量的增加，交通事故也在不斷的增加，全世界每年約有120萬人死于道路交通事故，受傷者多達5000萬人，同時全球道路交通事故每年造成的直接經(jīng)濟損失為5180億美元，可見道路交通安全問題已成為全球性的主題。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，公路建設(shè)也得到了前所未有的發(fā)展機遇。隨著公路運輸業(yè)的發(fā)展，截至2008年12月，全國機動車保有量已超過1.6億量，其中汽車駕駛過億。隨著汽車使用量的增加和道路交通事業(yè)的發(fā)展，也給社會帶來了負面影響。為了能夠有效的防止酒后駕駛造成的此類危害，研究一種酒精含量測試儀來測量駕駛員呼氣中酒精濃度是否超標(biāo)是非常必要的，降低交通事故的發(fā)生率。駕駛員酒后駕車就像一顆顆流動的“炸彈”，隨時隨地都有可能爆炸，威脅著我們的安全。據(jù)調(diào)查研究中顯示，酒精對駕駛員有很大的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）酒精能麻醉人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使其功能失調(diào)，反應(yīng)遲鈍，動作不協(xié)調(diào)，飲后駕駛?cè)说呐袛嗄芰筒僮髂芰γ黠@下降，因為低濃度血中酒精可導(dǎo)致認知和駕駛能降低，特別是對光、聲、圖像、畫面的反應(yīng)時間延長，眼、手、腳之間的配合功能發(fā)生障礙，無法正確判斷車速和車距。（2）酒精使駕駛?cè)说囊庾R模糊，注意力減弱或分散。駕駛?cè)嗽谥袠猩窠?jīng)系統(tǒng)被麻醉情況下，無法集中注意力，視野范圍縮小，視像模糊，對處于視野邊緣的危險隱患難以發(fā)現(xiàn)。（3）酒精涉入一定量后使人的危險感受性下降,在酒精的麻痹下，人的觸覺敏感度降低，危險感受性也會隨著酒精作用而降低，因而容易對自己的能力過高估計，對周圍人的勸告不予理睬，駕車行駛在路上也不會感覺有危險的存在，易于我行我素，橫沖直撞。§1傳感器的簡述§1.1傳感器的定義傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。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)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)?！?.2傳感器的分類根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理器和化學(xué)傳感器兩大類。傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。按照應(yīng)用的對象分類為：濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器生物傳感器等以其輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為：模擬傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。數(shù)字傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。開關(guān)傳感器——當(dāng)一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號。§1.3氣體感器氣體器是一種將某種氣體體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。氣體器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計算機等利用的信息的裝置。氣體感器一般被歸為化學(xué)傳感器氣“氣體傳感器”包括：半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、熱導(dǎo)式氣體傳感器、紅外線氣體傳感器等。本課題采用的傳感器MQ2是半導(dǎo)體氣體傳感器?！?.4氣體傳感器的選擇一、根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。要進行—項具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。二、靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但是，傳感器的靈敏度高，外界噪聲也容易混入，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。三、響應(yīng)特性（反應(yīng)時間）。傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。四、線性范圍。傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。理論上，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。§1.5傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢發(fā)展現(xiàn)狀：在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中，傳感器和檢測儀表是不可或缺的一部分，從以下兩方面來看，傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備如在其上增加了必要的傳感器，配備精密測量部件(附件)，則其功能和精度可以提高，便于用戶操作和維護，安全等級也可以提高，設(shè)備可以增值。傳感器行業(yè)發(fā)展迅速，傳感器市場近些年一直持續(xù)增長，勢頭良好，主要應(yīng)用于工業(yè)制造、汽車產(chǎn)品、電子通訊和專用設(shè)備，其中工業(yè)制造和汽車產(chǎn)品達到市場份額的三分之一。傳感器給我國的迅速發(fā)展帶來了無限商機，國外傳感器大企業(yè)紛紛進入我國市場，這為我國工業(yè)設(shè)備制造商和汽車制造業(yè)等傳感器最終消費者帶來了很大便利，但也對國內(nèi)傳感器行業(yè)施加了很大壓力。發(fā)展趨勢：（1）傳感器的集成化和多功能化；只有將傳感器集成化，即將傳感器、信號處理器、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等產(chǎn)品一體化，作為投入市場的初始產(chǎn)品，才能獲取行業(yè)的重視，滿足市場需求。（2）新材料的研發(fā)隨著材料行業(yè)對傳感器敏感材料進一步的開發(fā)，傳感器新敏感材料不斷推出，高新材料已廣泛用于新型傳感器制造研發(fā)中，如光纖傳感器，光纖傳感器可分為傳感型和傳光型兩大類。（3）傳感器的數(shù)字化和智能化；傳感器的數(shù)字化和智能化的出現(xiàn)是傳感器產(chǎn)業(yè)又一次突破，也成為當(dāng)今傳感器行業(yè)發(fā)展的重要發(fā)展方向之一。智能傳感器將微處理、通信總線接口、信息檢測、信息處理和信息傳輸?shù)裙δ芤惑w化，實現(xiàn)傳感器的多種測量、多種變量的特性。數(shù)字傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，利用純數(shù)字電路進行測量，抗干擾性強。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，使傳感器的數(shù)字化和智能化得到了最大意義的體現(xiàn)，具有更大的發(fā)展?jié)摿涂臻g?！?便攜式酒精含量測試儀硬件電路設(shè)計§2.1課題要求設(shè)計一個便攜式駕駛員酒精含量測試儀，測試人體呼出氣體中酒精含量。它對酒精快速響應(yīng)，預(yù)熱時間短，靈敏度高，測量直觀，功耗低。測試儀可以采用氣體傳感器作為敏感單元,把氣體中含有的乙醇氣態(tài)濃度轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)電子電路放大以及微處理器處理,由LCD直觀顯示被測氣體中的乙醇濃度。設(shè)計要求：（1）偵測濃度:危險濃度為大于0.4mg/L，安全濃度為小于0.25mg/L,介于兩者之間是警戒濃度。（2）顯示方式:使用LCD顯示測量出來的酒精濃度值，并使用綠色LED亮指示安全狀態(tài)，橙色LED亮指示警戒狀態(tài)，紅色LED亮指示危險狀態(tài)。（3）使用環(huán)境:0（4）使用電池:3VDC(AAA電池×2)（5）暖機時間:20秒內(nèi)（6）測試時間：6秒§2.2硬件總體設(shè)計思路介紹思路從課題的要求出發(fā)，要求是測試酒精氣體的濃度，必然要用到酒精傳感器。設(shè)計出來的儀器要對酒精快速響應(yīng)，預(yù)熱時間短，這就對酒精傳感器的性能指標(biāo)有一定的要求，首先這個酒精傳感器本身就很好的靈敏度，和檢測到的酒精氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)快。測量直觀要求儀器有一個顯示器，能直接從顯示器上讀取測試結(jié)果，這時選擇一個LCD液晶做顯示器。又考慮到酒精傳感器采集到的電信號是微弱模擬信號，而單片機所能處理的是數(shù)字信號，所以還要運用運放和一塊A/D轉(zhuǎn)換芯片，把酒精傳感器采集到的模擬電信號放大，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，再送到單片機進行信號處理，經(jīng)單片機運算處理的數(shù)字電信號最后送到LCD液晶進行顯示。以下是對本課題重點難點分析：課題重點:（1）掌握整個測試儀的工作過程、每個環(huán)節(jié)的原理。（2）單片機、酒精傳感器、運放等器件的選用。（3）測量標(biāo)定。課題難點：（1）酒精傳感器、運放、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機、LCD顯示的集成電路設(shè)計（2）采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、以及顯示數(shù)據(jù)的程序的編寫。（3）酒精氣體的采集過程。（4）測試數(shù)據(jù)時，精度達到要求?！?.3硬件設(shè)計總體框架介紹。圖2.1硬件設(shè)計總體框§2.4硬件電路主要器件的選擇在滿足上訴測試要求的前提下，選擇自己熟悉并且常用的器件，方便調(diào)試，而且容易買到，還要考慮到總體的成本，選擇比較經(jīng)濟的器件，價格控制在一定范圍內(nèi)。本課題選擇的主要器件如下：（1）單片機：AT89S52（2）運算放大器：OP07（3）A/D:0809（4）酒精傳感器：MQ—2（5）LCD:1602圖2.MQ2結(jié)構(gòu)與外形圖2.（6）晶振（7）電容、電阻§2.5氣體傳感氣及放大電路介紹氣體傳感器是氣體檢測系統(tǒng)的核心，通常安裝在探測頭內(nèi)。從本質(zhì)上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調(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，甚至對樣品進行化學(xué)處理，以便化學(xué)傳感器進行更快速地測量。在選擇傳感器的時候，一定要考慮到穩(wěn)定性、靈敏度、選擇性和抗腐蝕性，本課題選擇MQ2型酒精傳感器?！?.5.1MQ-2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖所示,電路連接圖如圖2.所示，由微型AL2O3陶瓷管、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制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有６只針狀管腳，其中４個用于信號取出，２個用于提供加熱電流。具有廣泛的探測范圍；高靈敏度、快速響應(yīng)恢復(fù)；優(yōu)異的穩(wěn)定性，壽命長；簡單的驅(qū)動電路等特點；可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。回路有兩部分組成：其一為加熱回路；其二為信號輸出回路，它可以準(zhǔn)確反映傳感器表面電阻的變化。傳感器表面電阻RS的變化，是通過與其串聯(lián)的負載電阻RL上的有效電壓信號VRL輸出面獲得的。二者之間的關(guān)系表述為：RS/RL=(VC－VRL)/VRL，其中VC為回路電壓，負載電阻RL可調(diào)為～200K，Uh為加熱電壓。工作條件：使用溫度在-10℃-50℃范圍；儲存溫度在-20℃-70℃范圍；相對濕度要求小于95%RH；氧氣濃度在21%(標(biāo)準(zhǔn)條件)。回路電壓要求≤15V（ACorDC），加熱電壓要求是5.0V±0.2V，負載電阻要可調(diào)，加熱電阻是31Ω±3Ω；加熱功耗MQ2靈敏度特性曲線：本靈敏度曲線圖條件：溫度：20℃、相對濕度：65%、氧氣濃度：21%RL=5kΩRs：元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。R0:元件在潔凈空氣中圖2.3MQ2靈敏度特性曲線§2.5.OP07芯片是一種低噪聲，雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。主要特點：超低偏移，150μV最大；；低失調(diào)電壓漂移0.5μV/℃；超穩(wěn)定，時間2μV/month最大；高電源電壓范圍：±3V至±22V。管腳介紹：1和8為偏置平衡，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳6為輸出，7接電源。圖2.4OP07管腳圖§2.5.3圖2.5MQ2與放大器OP07連接電路工作原理：圖2.5是酒精傳感器MQ2與放大器OP07連接電路，MQ2氣體傳感器接觸到酒精昧后，就會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，A（1和3角連接在一起）、B（4和6角連接在一起）間的電阻值減少，B點的電位升高，酒味越濃，B點電位越高。此信號電壓經(jīng)靈敏度調(diào)節(jié)電位器RP滑動臂取出，加至放大器OP07的2、3腳，由放大器OP07的6腳輸出被放大的模擬電信號，這個模擬電信號將被提供給ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換。§2.5.當(dāng)用本儀器進行濃度測量時，要考慮到溫度對測量值的影響，所以本課題設(shè)計了一個測量溫度的電路，電路中選用LM35作為溫度傳感器溫度傳感器LM35是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。由于它采用內(nèi)部補償，所以輸出可以從0℃開始。該器件采用塑料封裝TO992，工作電壓4～30V，在上述電壓范圍以內(nèi)，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的（約50μA），所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。這么小的電流也使得該芯片在某些應(yīng)用中特別適合，比如在電池供電的場合中，輸出可以由第三個引腳取出，無需校準(zhǔn)。

目前，已有兩種型號的LM35可以提供使用。LM35DZ輸出為0℃～100℃，而LM35CZ輸出可覆蓋－40℃～圖：圖2.6LM35與放大器OP07連接電路§2.6模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809連接電路介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的功能是將連續(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。對于本系統(tǒng)而言，就是用于快速、高精度地對輸入的酒精濃度信號進行采樣編碼，將其轉(zhuǎn)換成單片機所能夠處理的數(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系統(tǒng)的質(zhì)量§2.6.1ADC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行模—數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)其頻率為500KHZ時，其轉(zhuǎn)換速度為128us。AD0809的數(shù)據(jù)輸出公式為：Vout=Vin*5/256,其中Vin為輸入模擬電壓，Vout為輸出數(shù)據(jù)。ADC0809主要特性：（1）8路輸入通道，8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。（2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。（3）轉(zhuǎn)換時間為100μs（4）單個＋5V電源供電（5）模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。（6）工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度（7）低功耗，約15mW。管腳介紹：圖2.7ADC0809管腳圖ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，管腳圖如圖2.7所示。下面簡要說明本課題應(yīng)用到的引腳功能。IN0～IN7：8路模擬信號輸入端；2-1～2-8：8位數(shù)字信號輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。START：A／D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。EOC：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)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（-）為基準(zhǔn)電壓。VCC為電源，單一＋5V；GND是接地?！?.6.圖2.8ADC0809連接電路圖工作原理：首先從ADD-A、ADD-B、ADD-C三根地址線輸入3位地址，并使ALE=1為高電平，將輸入的地址存入地址鎖存器中，以便選通一個模擬通道。此地址經(jīng)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(fù)位。脈沖的下降沿啟動A／D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過～輸出到數(shù)據(jù)總線上，以便能將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字電信號傳遞給單片機進行數(shù)據(jù)處理?！?.7單片機AT89S52最小系統(tǒng)連接電路介紹單片機也被稱為微控制器，是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能。本課題采用較常用且較經(jīng)濟的AT89S52單片機，AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程存儲器?！?.7.1標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。管腳介紹：P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動4個。TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。晶振特性：AT89S52單片機有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構(gòu)成自激振蕩器。存儲器結(jié)構(gòu)：MCS-51器件有單獨的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都可以64K尋址。程序存儲器：如果EA引腳接地，程序讀取只從外部存儲器開始。數(shù)據(jù)存儲器：AT89S52有256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。高128字節(jié)與特殊功能寄存器重疊?！?.7.圖2.9單片機最小系統(tǒng)連接電路工作原理：本單片機最小系統(tǒng)連接電路如圖2.9，本系統(tǒng)包括單片機AT89S52接口電路、晶振電路、復(fù)位電路、分頻電路。單片機AT89S52接口電路中，P00~P02口分別控制ADC0809的三根地址線A、B、C，用于給三根地址線賦值，選通轉(zhuǎn)換通道；P03口用于控制系統(tǒng)報警，當(dāng)所測試的濃度超過閾值時，輸出一個低電平，紅色指示燈會發(fā)光，蜂鳴器會發(fā)出聲音。P04口用于控制ADC0809的地址鎖存，當(dāng)ALE=1為高電平，將輸入的地址存入地址鎖存器中。P05口用于控制ADC0809啟動轉(zhuǎn)換START，當(dāng)START=1時候，ADC0809開始轉(zhuǎn)換模擬信號。P06用于控制ADC0809的使能端，保證其正常工作。P20~P27作為數(shù)據(jù)線，在單片機和ADC0809之間用于傳遞ADC0809轉(zhuǎn)換好的被測電壓數(shù)字信號。P10~P17作為數(shù)據(jù)線，在單片機和液晶LCD1602之間用于傳遞單片機處理過的被測電壓數(shù)字信號。P32口、P33口、P34口分別為INT0、INT1、T0，作為中斷；P35口、P36口、P37口分別為E、R/W、RS，用來控制液晶，對液晶寫入控制命令。單片機的18號、19號管腳用于連接晶振電路，使單片機工作。單片機31號管腳是EA/VPP，是訪問外部程序存儲器控制信號，當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)該接VCC；9號管腳是單片機復(fù)位；30號管腳是ALE/PROG，地址鎖存控制信號ALE是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，用來作為ADC0809的時鐘使用。分頻電路由兩塊74LS74芯片串聯(lián)而成，實現(xiàn)4分頻，得到一個500K的時鐘信號，作為ADC0809的時鐘。復(fù)位電路包含了單片機上電復(fù)位和按鍵復(fù)位（高電平復(fù)位）。P0口和P2口分別加上一個排阻，作為上拉電阻，提高驅(qū)動能力。§2.8LCD顯示電路介紹§2.8.1功能介紹：液晶顯示器在一個電路系統(tǒng)中用于顯示數(shù)據(jù)，本課題的硬件電路中采用1602LCD液晶作為顯示器。1602LCD具有40通道點陣LCD驅(qū)動;可選擇當(dāng)作行驅(qū)動或列驅(qū)動;輸入/輸出信號:輸出,能產(chǎn)生20×2個LCD驅(qū)動波形;輸入,接受控制器送出的串行數(shù)據(jù)和控制信號;通過單片機控制將所測的頻率信號讀數(shù)顯示出來。LCD1602顯示容量為16××4.35（W×H）mm。管腳介紹：信號說明1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14引腳（無背光）或16引腳（帶背光）接口，各引腳接口說明見表1。編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2DateI/O2VDD電源正極10D3DateI/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4DateI/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（V/L）12D5DateI/O5R/W讀/寫選擇端（H/L）13D6DateI/O6E使能信號14D7DateI/O7D0DateI/O15BLA背光源正極8D1DateI/O16BLK背光源負極表1：LCD1602引腳介紹（1）2組電源一組是模塊的電源一組是背光板的電源均為5V供電。（2）VL是調(diào)節(jié)對比度的引腳調(diào)節(jié)此腳上的電壓可以改變黑白對比度（3）RS是很多液晶上都有的引腳是命令/數(shù)據(jù)選擇引腳該腳電平為高時表示將進行數(shù)據(jù)操作；為低時表示進行命令操作。（4）RW也是很多液晶上都有的引腳是讀寫選擇端該腳電平為高是表示要對液晶進行讀操作；為低時表示要進行寫操作。（5）E同樣很多液晶模塊有此引腳通常在總線上信號穩(wěn)定后給一正脈沖通知把數(shù)據(jù)讀走，在此腳為高電平的時候總線不允許變化。（6）D0—D78位雙向并行總線，用來傳送命令和數(shù)據(jù)。（7）BLA是背光源正極，BLK是背光源負極?！?.8.圖2.101602LCD與單片機接口電路工作原理：圖2.10為1602LCD與單片機接口電路，其中D0～D7八位雙向并行總線與單片機的P1口相連，用來傳送命令和數(shù)據(jù)。RS與單片機P37口相連，作為命令/數(shù)據(jù)選擇引腳；R/W與單片機P36口相連，作為讀寫選擇端；E與單片機P35相連，用于控制信號讀?。籚O是用來調(diào)節(jié)背光。其余管腳功能在上一段文章中已經(jīng)描述，這里就不再贅述。§2.9報警系統(tǒng)電路介紹圖2.11報警系統(tǒng)電路工作原理：報警系統(tǒng)電路，通過單片機程序控制,判斷是否報警。當(dāng)濃度超過閾值時（本課題閾值為0.4mg/L），管腳輸出一個低電平,使LED1（紅色發(fā)光二極管）導(dǎo)通發(fā)光，同事使三極管9012導(dǎo)通，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音。說明：本次課題要求用三個LED燈，在三個濃度階段分別發(fā)光?？紤]到本儀器的應(yīng)用更加方便，設(shè)計上做了一下改進：增加一個蜂鳴器，發(fā)出聲音，報警更加直觀、明顯。當(dāng)濃度小于0.25mg/L時候，為安全濃度，在液晶顯示器上顯示“save”；當(dāng)濃度介于0.25mg/L和0.4mg/L兩者之間時，是警戒濃度。在液晶顯示器上顯示“warning”。當(dāng)濃度超過0.4mg/L時，LED1發(fā)出紅光，蜂鳴器報警。§2.10系統(tǒng)其他電路簡介§2.10.電路設(shè)計中采用1K電阻和一個LED彩燈，電路設(shè)計圖見圖2.12。圖2.12電源指示電路§2.10.圖2.13為系統(tǒng)電源1，提供5V電壓，圖2.14為系統(tǒng)電源2，提供正負9V電源，電路中的電容起到濾波作用。圖2.13系統(tǒng)電源1圖2.14系統(tǒng)電源2§2.10.3方便電路調(diào)試和程序下載，本電路設(shè)計中設(shè)計了一個專門用來下來51單片機程序的下載口，下載程序時不用從電路上拔下單片機AT89S52，直接就可以下載程序，做到方便調(diào)試。下載電路見圖2.15。圖2.15下載口電路§2.10.對單片機輸出的時鐘信號進行4分頻，作為ADC0809的時鐘信號。分頻電路設(shè)計如圖2.16。圖2.16分頻電路§2.10.圖2.17按鍵控制電路§2.10.。圖2.18穩(wěn)壓電路§2.11本章小結(jié)本章在選擇便攜式酒精含量測試儀硬件設(shè)計的方案基礎(chǔ)上，對該系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計，并詳細的介紹了便攜式酒精含量測試儀硬件設(shè)計中各個硬件模塊功能。本章主要結(jié)論：在詳細介紹酒精傳感器MQ2、ADC0809、及AT89S52單片機結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)性能特點；詳細闡述了便攜式酒精含量測試儀的各個功能模塊的硬件電路功能，主要包括傳感器及信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機處理電路、液晶顯示電路、聲光報警電路等；設(shè)計了整個硬件電路的功能，達到了本研究的硬件要求標(biāo)準(zhǔn)?！?便攜式酒精含量測試儀軟件設(shè)計在設(shè)計了硬件電路的基礎(chǔ)上，本設(shè)計中的軟件主要采用Keil編譯器進行編寫，采用各個子模塊組成整個程序。便攜式酒精含量測試儀的程序的主要任務(wù)是：對傳感器的輸出信號進行采集、轉(zhuǎn)換、計算處理，并能夠顯示該輸出信號，并能夠在該信號超過規(guī)定限值時，聲音和發(fā)光報警。軟件總體設(shè)計主要包括主程序設(shè)計和各個子程序的設(shè)計?！?.1主程序流程圖及設(shè)計主程序流程圖如圖2.19所示。首先系統(tǒng)上電后要對系統(tǒng)各模塊進行初始化設(shè)置，P0～P3都賦予高電平；對ADC0809寫控制字，以及LCD顯示初始化；之后是數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、計算等過程；單片機對傳感器檢測的酒精氣體濃度輸出信號進行A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過計算處理后，將呼出氣體酒精濃度值與報警限設(shè)定值進行比較，判斷是否發(fā)出聲音和發(fā)光報警。同時送入LCD1602液晶顯示模塊顯示酒精氣體的濃度值。圖2.19主程序流程圖§3.2A/D轉(zhuǎn)換流程圖及設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換流程圖如圖2.20所示，開始的時候輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中，選擇A/D轉(zhuǎn)換通道；START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動A／D轉(zhuǎn)換，之后判斷是否轉(zhuǎn)換完畢；ADC0809正在進行轉(zhuǎn)換時候，EOC總是低電平，當(dāng)其轉(zhuǎn)換完畢后，EOC變成高電平，告知完成了本次轉(zhuǎn)換；判斷是否轉(zhuǎn)換完畢，其實就是判斷EOC是否為高電平；EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)讀出存入鎖存器，本次轉(zhuǎn)換結(jié)束。圖2.20A/D轉(zhuǎn)換流程圖圖2.20§3.3本章小結(jié)以上主要介紹了便攜式酒精含量測試儀軟件設(shè)計的主程序流程和A/D轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計流程。本課題程序不是很復(fù)雜，所以設(shè)計比較容易著手。程序設(shè)計具有思路清晰、簡潔實用等特點?！?便攜式酒精含量測試儀軟硬件調(diào)試及測試過程在系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過對軟硬件的結(jié)合調(diào)試，便攜式酒精含量測試儀的方案設(shè)計得到了肯定，通過實驗得知，能夠檢測到酒精氣體濃度，讀回電壓值，經(jīng)過換算處理，較為直觀的顯示出酒精濃度值。當(dāng)檢測到氣體酒精含量超標(biāo)時，能夠驅(qū)動聲光報警。§首先把硬件電路設(shè)計好，寫好軟件后，需要通過硬件看看能否得到所需要實現(xiàn)課題要求的功能，所以需要二者結(jié)合調(diào)試。本次設(shè)計主要進行的調(diào)試工作是：數(shù)據(jù)采集調(diào)試及信號放大調(diào)試、驅(qū)動聲光報警等方面的調(diào)試。在調(diào)試的實際過程中，首先將編寫好的程序下載到目標(biāo)板上進行分塊調(diào)試；然后組成整個應(yīng)用程序，進行整體調(diào)試從而完成整個設(shè)計的程序調(diào)試工作。調(diào)試前的準(zhǔn)備工作：（1）PC機；（2）數(shù)字萬用表；（3）12V電源（可調(diào)）；（4）不同濃度的酒精溶液等。本次硬件設(shè)計選用DXP2004；軟件設(shè)計環(huán)境選用Keil.平臺。用自己所編制的程序來調(diào)試和檢驗?zāi)繕?biāo)板上的電路（硬件調(diào)試）；利用USB數(shù)據(jù)線將自己設(shè)計的目標(biāo)程序燒寫到目標(biāo)板上的單片機AT89S52。單片機中（程序固化）。§4.2調(diào)試故障及分析在調(diào)試過程中，出現(xiàn)以下故障：（1）Keil不能識別單片機AT89S52，單片機不能下載程序；可能是檢查晶振不工作或單片機線路故障；經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)是晶振被損壞，換一個晶振就解決了這個問題。（2）用萬用表測傳感器輸出電壓，變化范圍不大。原因可能是滑動變阻器阻值不夠大，導(dǎo)致傳感器電路靈敏度。經(jīng)調(diào)試，換一個適當(dāng)?shù)?、更大的滑動變阻器，再去測輸出電壓，電壓變化范圍就變大了，達到了測試要求。（3）傳感器輸出電壓不穩(wěn)定，在同濃度酒精情況下測試電壓，測試值也不同。可能是傳感器沒有預(yù)熱充分以及測試儀電源不穩(wěn)定導(dǎo)致。檢查調(diào)節(jié)電源電壓，保證供電電壓穩(wěn)定，同時使傳感器預(yù)熱5分鐘，等傳感器充分預(yù)熱以及系統(tǒng)功能穩(wěn)定后，在進行電壓測試。（4）液晶LDC無顯示，可能是程序不對或者是LCD硬件電路問題。經(jīng)檢查，有一根數(shù)據(jù)線斷開了，用焊錫連上即可。§4.3酒精濃度檢測的原理及依據(jù)§檢測原理利用便攜式酒精含量測試儀來判斷人體內(nèi)血液酒精濃度的依據(jù)為：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，可以判斷人的醉酒程度。另外更重要的依據(jù)是人體呼氣中的酒精含量與血液中的酒精含量有如下關(guān)系：BAC(inmg/L)=BrAC(inmg/L)×2200，上式中，BAC是血液酒精濃度的英文縮寫，BrAC則是呼氣酒精濃度的縮寫，括號中的inmg/L表示以每升中多少毫克為單位。即以mg/L為單位的血液酒精濃度在數(shù)值上相當(dāng)于以mg/L為單位的呼氣酒精濃度乘以系數(shù)2200（由于各國的情況不同，在美國此系數(shù)采用2000，而歐洲很多國家采用2100）。基于這種關(guān)系，根據(jù)駕駛員呼出氣體中的酒精含量來確定被測量者體內(nèi)酒精含量的多少，研究表明，當(dāng)駕駛員呼氣中酒精濃度超過0.25mg/L時，駕駛員就會在復(fù)雜技巧上出現(xiàn)障礙、駕駛能力變壞，肇事率是無酒精狀態(tài)的2倍，駕駛員駕車容易肇事，以此標(biāo)準(zhǔn)來衡量司機是否能夠安全駕駛，當(dāng)駕駛員呼氣中酒精濃度超過0.40mg/L時，駕駛員出現(xiàn)多話、感覺障礙，肇事率是無酒精狀態(tài)的6倍。這時駕車就比較危險了，需進行報警。呼出氣體中酒精含量檢測的方法為：被測者對準(zhǔn)傳感器進行吹氣7秒即可?！鞕z測依據(jù)到底身體中的酒精濃度要達到多少才需要禁止其駕駛車輛？由于人種的不同，對酒精的代謝速率也不一樣，再加上各國的社會風(fēng)俗習(xí)慣不同，因此訂定的標(biāo)準(zhǔn)也不完全一樣。以下表2和表3分別是世界各國法定酒精濃度限制和體內(nèi)酒精濃度與肇事率的關(guān)系。國家呼吸酒精濃度限制血中酒精濃度限制瑞典及0.50mg/L20及100mg/dL英國35ug/100dL80mg/dL德國35ug/100dL80mg/dL荷蘭220ug/L50mg/dL法國0.25mg/L50mg/dL美國及/210L80及100mg/dL加拿大/210L80mg/dL日本0.25mg/L50mg/dL表2：世界各國法定酒精濃度限制表3：體內(nèi)酒精濃度與肇事率的關(guān)系呼氣中酒精濃度（血液中酒精濃度）行為表現(xiàn)或狀態(tài)肇事率0.25mg/L(0.05%；50mg/dL)復(fù)雜技巧障礙、駕駛能力變壞2倍0.40mg/L(0.08%；80mg/dL)多話、感覺障礙6倍0.50mg/L(0.10%；100mg/dL)說話含糊、腳步不穩(wěn)7倍0.55mg/L(0.11%；110mg/dL)平衡感與判斷力障礙度升高10倍0.75mg/L(0.15%；150mg/dL)明顯酒醉、步履蹣跚25倍0.85mg/L(0.17%；170mg/dL)惡心、步履蹣跚50倍1.50mg/L(0.30%；300mg/dL)呆滯木僵、可能昏迷、迷醉無法開車2.00mg/L(0.40%；400mg/dL)呼吸中樞痲痹、漸近死亡無法開車2.50mg/L(0.50%；500mg/dL)

致死§4.4測試儀校準(zhǔn)§傳感器濃度校準(zhǔn)根據(jù)上兩個表又在網(wǎng)上和圖書館查閱資料，了解到一種校準(zhǔn)方法：密閉容器中，一定溫度下，酒精溶液揮發(fā)到容器空氣中后，酒精水溶液濃度與空氣中酒精濃度是有一定關(guān)系的。利用這個關(guān)系進行計算，配置出標(biāo)準(zhǔn)的酒精溶液，就能對測試儀進行校準(zhǔn)。當(dāng)要是用來校準(zhǔn)空氣中0.25mg/L和0.40mg/L兩個點時，根據(jù)資料中的數(shù)據(jù)，計算出要分別配置/L和/L的酒精水溶液，由于條件限制，這個是比較難達到精度要求的，而且還要在一定溫度下密閉容器里進行校準(zhǔn)，操作比較困難。資料中的數(shù)據(jù)時通過實驗得到的，而且在于國家計量檢定規(guī)程誤差范圍內(nèi)的，以下為資料數(shù)據(jù)：圖2.21酒精水溶液與空氣中濃度關(guān)系按照由于確實沒有一個適的標(biāo)準(zhǔn)，來準(zhǔn)確校準(zhǔn)這個測試儀，顯示出空氣中的具體濃度值。就只有在相同的環(huán)境及下，用多個已知不同濃度的酒精液體進行定標(biāo)，在某個濃度的酒精液體揮發(fā)氣體中，測量這時候傳感器采集回來的電壓值，從而實現(xiàn)直觀顯示該酒精溶液的濃度值。（1）校準(zhǔn)方案的思路是定量配制多個濃度的酒精溶液，使得測量誤差控制在一定濃度范圍內(nèi)，濃度范圍經(jīng)過多次分段后，可以把每一段當(dāng)成是線性來處理；這幾種溶液的濃度已知，且有一定的濃度差配制；在每個濃度的酒精溶液揮發(fā)氣體中，測量五次，求得本濃度下傳感器采集到的平均電壓值。擬合出濃度與電壓關(guān)系的分段函數(shù)，求出各段方程，就可以定標(biāo)了。（2）準(zhǔn)備實驗器材：95%（按體積比例）濃度的酒精溶液一瓶（100mL）,75%濃度的酒精溶液一瓶（100mL）,20mL注射器一支（充當(dāng)量筒用，度量準(zhǔn)確），小空瓶若干；特別說明下小瓶子的選擇，實驗表明：瓶口口徑最好和傳感器大小差不多，容積最好在100mL左右，這樣在傳感器與酒精氣體接觸時能夠充分接觸，減小誤差；瓶口太大，酒精氣體容易跑掉，導(dǎo)致結(jié)果偏低；瓶口太小，傳感器接觸面積不夠大，測試結(jié)果也是偏低；瓶子容積太大，揮發(fā)出來的酒精氣體被瓶中空氣稀釋，測試結(jié)果也會不準(zhǔn)。（3）接下來就是配制各種濃度的溶液，本次試驗中配制了95%、75%、55%、35%、20%、10%、5%七種濃度的酒精溶液，其中95%、75%是現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)濃度的酒精溶液；取15mL、濃度95%的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液，加水11mL，就配制成了26mL、濃度55%的酒精溶液；取30mL、濃度75%的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液，加水34mL，就配制成了64mL、濃度35%的酒精溶液；取10mL、濃度95%的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液，加水37.5mL，就配制成了mL、濃度20%的酒精溶液；取10mL、濃度75%的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液，加水65mL，就配制成了75mL、濃度10%的酒精溶液。取20mL、濃度10%的酒精溶液，加水20mL，就配制成了40mL、濃度5%的酒精溶液。（4）預(yù)熱測試儀，利用上述方法測量傳感器采集到經(jīng)放大器放大的模擬電壓值。實驗數(shù)據(jù)如表4：表4：不同酒精濃度下傳感器輸出電壓測量值V0%5%10%20%35%55%75%95%第一次0第二次0第三次0第四次0第五次0數(shù)據(jù)分析：由于操作、預(yù)熱未充分、酒精揮發(fā)等原因，有個別數(shù)值偏差很大，屬于不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，如10%濃度下的3.06V；35%濃度下的3.69V計算平均值時因剔除。同一濃度下，測量了幾次后，測量值會略變小，這是酒精揮發(fā)的原因，在誤差允許的范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。通過以上數(shù)據(jù)，計算出電壓平均值如表5：表5：不同酒精濃度下傳感器輸出電壓測量平均值濃度（%）0%5%10%20%35%55%75%95%電壓平均值（V）0根據(jù)表5中的實驗數(shù)據(jù)，利用“幾何畫板”繪圖工具，繪制出了濃度與電壓關(guān)系圖，如圖2.22： 圖2.22酒精濃度與電壓關(guān)系曲線圖以上數(shù)據(jù)的計算結(jié)果根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算保留了三位小數(shù)，是較為準(zhǔn)確的。在濃度為35%和95%之間曲線變化是比較線性的，所以EF，F(xiàn)G，GH擬合成一段，即EH；根據(jù)圖中數(shù)據(jù)計算出各個線段的線性方程是：線段AB（0%～5%）：y=0.464x，(這里的y表示V；x表示濃度數(shù)值，不含百分號)；線段BC（5%～10%）：y=0.092x+1.86；線段CD（10%～20%）：y=0.049x+2.29；線段DE（20%～35%）：y=0.037x+2.54；線段EH（35%～95%）：y=0.005x+3.65；接下來的工作就是根據(jù)以上方程對測試儀進行定標(biāo)。§溫度校準(zhǔn)：由于溫度對酒精傳感器MQ2在測濃度時有影響，所以利用溫度傳感器LM35設(shè)計了一個測量環(huán)境溫度的裝置，這是需要對測溫裝置進行校準(zhǔn)。由于有標(biāo)準(zhǔn)的溫度計，這個工作相對就比較容易了，只需要適當(dāng)調(diào)節(jié)測溫電路的放大倍數(shù)，得出的電壓值與溫度計進行對比，就能得出一定的關(guān)系了，而且LM35的線性度比較好，校準(zhǔn)方便。§4.5數(shù)據(jù)測試及分析：§測試方案及測試數(shù)據(jù)：測試方案：配制幾種濃度的溶液，在每個濃度下測試5次。酒精溶液A是用5%濃度的酒精溶液加一定量的水稀釋而成，濃度大約是2.5%；酒精溶液B是用75%濃度的酒精溶液加一定量水稀釋而成，濃度大約是15%；酒精溶液C是用95%濃度的酒精溶液加一定量水稀釋而成，濃度大約是40%；酒精溶液C是用95%濃度的酒精溶液加一定量水稀釋而成，濃度大約是85%。測試數(shù)據(jù)如表6：表6：不同濃度酒精溶液測試數(shù)據(jù)酒精溶液A酒精溶液B酒精溶液C酒精溶液D第一次2.6%16.4%38.5%84.6%第二次2.2%16.3%38.4%84.6%第三次2.1%16.1%38.5%83.5%第四次2.1%15.7%37.5%83.9%第五次1.7%15.7%38.3%83.7%表7：環(huán)境溫度測試次數(shù)12345溫度（攝氏度）數(shù)據(jù)分析：分析表6數(shù)據(jù)可知，測試結(jié)果與配制的溶液濃度有偏差，這個可能是由于配制的溶液是大約配成，濃度時落在一定范圍。而分析某個濃度下的五個測試值，在一個較小的范圍內(nèi)波動；得出結(jié)論：測試儀的測定是比較穩(wěn)定的，較準(zhǔn)確；測試結(jié)果符合預(yù)期效果，沒有出現(xiàn)較大誤差。造成誤差的原因歸結(jié)起來有幾個：測試儀自身的誤差、采集氣體時的操作偏差、讀數(shù)誤差、酒精氣體揮發(fā)導(dǎo)致濃度改變的誤差。說明：酒精濃度在0%~5%時候，電壓變化較大，本儀器在這個濃度范圍內(nèi)出現(xiàn)的誤差可能會較大。減小誤差的方法：前提是自己要有嚴(yán)謹態(tài)度和很強的鉆研精神，遇到問題多去想辦法，認真做事。定標(biāo)時候盡可能做到：配制標(biāo)準(zhǔn)溶液時，濃度做到盡可能準(zhǔn)確，選用的量具、容器要合適；測定標(biāo)數(shù)據(jù)的時候，使測試儀預(yù)熱充分，傳感器充分接觸氣體，得到較為準(zhǔn)確的定標(biāo)數(shù)據(jù)；利用定標(biāo)數(shù)據(jù)擬合出濃度與電壓曲線的時候，利用專業(yè)的畫圖工具，能夠較為精確的描點，求出斜率以及線性方程；測試某酒精濃度的時候，方法和測定表數(shù)據(jù)一樣?！?.6本章小結(jié)在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，本章主要對便攜式酒精含量測試儀進行了實際調(diào)試。該系統(tǒng)達到了設(shè)計目的，即能夠檢測到酒精濃度，讀回電壓，顯示呼氣中酒精濃度值，當(dāng)氣體中酒精含量超標(biāo)時，聲光報警提示。本章主要結(jié)論：（1）通過分析測試儀測試原理、依據(jù)以及對酒精濃度的檢測方法，擬定了酒精濃度與測試儀輸出電壓關(guān)系曲線；（2）通過分析ADC0809轉(zhuǎn)換的要求，設(shè)定OP07放大器對酒精傳感器輸出模擬信號放大，使電壓在0到5V內(nèi)，從而能夠使ADC0809正常工作；（3）對LCD1602液晶顯示模塊進行調(diào)試，使其能夠正確、動態(tài)顯示環(huán)境溫度和酒精濃度值?！?結(jié)論與展望本課題針對目前酒后駕車造成交通事故頻繁的現(xiàn)象，從燃燒型氣體傳感器的工作機制出發(fā)，設(shè)計并制作出一種便攜式酒精含量測試儀，能夠比較方便的測出被測者呼氣中的酒精濃度。在此基礎(chǔ)上了設(shè)計了基于單片機AT89S52的便攜式酒精含量測試儀，并對該測試儀的構(gòu)成、工作原理及硬件電路和軟件系統(tǒng)進行了闡述，最后通過實驗證該測試儀達到了本次設(shè)計的目的。§5.1結(jié)論（1）從便于攜帶、實用、經(jīng)濟等方面出發(fā)，設(shè)計酒精含量測試儀的方案，并對方案進行了優(yōu)化設(shè)計；依據(jù)方案設(shè)計思想，設(shè)計了基于AT89S52單片機的硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了聲光音報警、液晶顯示酒精濃度和環(huán)境溫度等功能。聲光報警模塊功能為當(dāng)檢測到酒精濃度超過設(shè)定的閾值時，紅色LED發(fā)光，并且蜂鳴器發(fā)出聲音報警。（2）在Keil軟件開發(fā)平臺上編寫了整個軟件系統(tǒng)，主要包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、液晶顯示子程序、酒精濃度計算子程序等；（3）通過測試儀軟硬件的結(jié)合調(diào)試，通過實驗，在酒精濃度與測試儀輸出電壓關(guān)系曲線的基礎(chǔ)上，對測試儀進行校準(zhǔn)、測試出數(shù)據(jù)。（4）通過本次畢業(yè)設(shè)計，收獲很多，基本上把4年所學(xué)知識都回顧了一遍；自身的鉆研精神得到加強，以及解決問題的能力大有提升。§5.2創(chuàng)新點：（1）本次課題采用試驗方法，較為準(zhǔn)確的得出對測試儀的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。（2）采用了專業(yè)的畫坐標(biāo)圖工具，準(zhǔn)確描點、擬合出了酒精濃度與測試儀輸出電壓關(guān)系曲線，并求出了個線段的線性方程，有利于測試儀校準(zhǔn)。（3）設(shè)計了一個溫度測試裝置，測量環(huán)境溫度?！?.3展望：（1）由于客觀條件所限，不能標(biāo)準(zhǔn)儀器校準(zhǔn)測試儀，本測試儀不能準(zhǔn)確測出酒精揮發(fā)到空氣中后的濃度，只測得酒精溶液的濃度。期望以后能有條件，對設(shè)計出來的測試儀進行校準(zhǔn)。.（2）由于經(jīng)費原因，所購買的元器件在精度、靈敏度、分辨率等方面不是非常好；如單片機，要是選擇更高速的微處理芯片，例如DSP芯片，將大大提高酒精檢測儀的數(shù)據(jù)處理能力；再如ADC0809的分辨率只是8位，不是足夠高，在濃度較高情況下，電壓隨濃度的變化不大。（3）性能良好的酒精含量測試儀可安裝到汽車當(dāng)中去，便于讓駕駛員知道自己呼氣中酒精濃度是否超標(biāo)；也可以提供給交通警察使用，檢查是否是酒后駕駛或醉酒駕駛。謝辭本篇論文是在導(dǎo)師朱望純的悉心指導(dǎo)下完成的。在本論文的選題、論文工作的進展、實驗的操作乃至論文的撰寫過程中，朱望純老師都給予了我細心的指導(dǎo)和不懈的支持。他淵博的學(xué)識、開拓的思維方式以及對科學(xué)一絲不茍、嚴(yán)謹求實的作風(fēng)不僅授我以文，而且教我做人，做人要多站在別人的角度來評價自己。在這畢業(yè)設(shè)計過程中，朱望純給我無微不至的關(guān)懷，為我提供良好的實驗儀器、器材，還在工作繁忙之際還能抽出時間來指導(dǎo)我的課題，解決我的課題中的關(guān)鍵難題，他語重心長的指導(dǎo)和鼓勵，我將終生難忘。感謝徐翠鋒老師在我畢業(yè)設(shè)計調(diào)試過程中給出的寶貴建議。感謝秦廣敏同學(xué)在撰寫論文時給予的熱情幫助和寶貴意見他基本功扎實，、忘我的工作精神，使我受益良多。感謝蘇泳銘同學(xué)、廖興亮同學(xué)在我的測試過程中給予的幫助，是我能順利完成數(shù)據(jù)測試工作。感謝我的父母和親人，感謝他們這么多年對我的關(guān)愛，對我學(xué)業(yè)的鼓勵和全力支持。最后，深深地感謝每一位關(guān)心和支持我的人，祝他們永遠幸福。參考文獻[1]張紅潤．傳感器應(yīng)用設(shè)計300例上[M]．北京：北京航空航天大學(xué)，2008．[2]張紅潤．傳感器應(yīng)用設(shè)計300例下[M]．北京：北京航空航天大學(xué)，2008．[3]趙繼文．傳感器應(yīng)用電路設(shè)計[M]．北京：科學(xué)出版社，2002．[4]何希才．常用傳感器應(yīng)用電路的設(shè)計與實踐[M]．北京：科學(xué)出版社，2007．[5]何希才．使用傳感器接口電路實例[M]．北京：中國電力出版社，2007．[6]白駒，雷曉平．單片計算機及其應(yīng)用[M]．成都：電子科技大學(xué)出版社，2005．[7]何立民．MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M]．北京：北航出版社，1990．[8]黃冰．微機原理及應(yīng)用[M]．重慶：重慶大學(xué)出版社，2003．[9]譚浩強．C語言程序設(shè)計第三版[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005．[10]陳成新.一種校準(zhǔn)呼氣酒精測試儀的新方法[J].計量學(xué)報，2006,27（2）：1~3.[11]莊明科，白海峰.駕駛?cè)藛T風(fēng)險駕駛行為分析及相關(guān)因素研究[J].北京大學(xué)學(xué)報，2007，（04）:1.[12]陸蓉.液晶顯示器（LCD）顯示驅(qū)動原理及其應(yīng)用[J].電子制作，2005（5）：51～52.[13]張元敏.基于AT89C52的遠程智能語音防盜報警系統(tǒng)設(shè)計[J].安防科技，2008（10）：38～41.[14]中華人民共和國公安部安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA307-2001呼出氣體酒精含量探測器[S].[15]蔡美琴.MCS-51系列單片機系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2004.附錄本附錄含便攜式酒精含量測試儀硬件電路原理圖、PCB圖，以及軟件的程序。1原理圖：2PCB圖：3程序：/*=========================================================SMC1602A(16*2)模擬口線接線方式連接線圖:|LCM51|LCM51|LCM51|||DB0P1.0|DB4P1.4|RWP3.6||DB1P1.1|DB5P1.5|RSP3.7||DB2P1.2|DB6P1.6|EP3.5||DB3P1.3|DB7P1.7|[注:AT89S51使用12M晶體震蕩器]=========================================================*/#include<reg51.H>//AD0809接口定義#defineAD_dataP2sbitAD_ALE=P0^4;sbitAD_START=P0^5;sbitAD_EN=P0^6;sbitAlarm=P0^3;sbitAD_EOC=P3^3;//1602液晶接口定義#defineLCD_dataP1sbitRS=P3^7;sbitRW=P3^6;sbitLCDE=P3^5;//報警管腳定義//變量定義unsignedcharFlage=0; //轉(zhuǎn)化標(biāo)置位unsignedcharAlcohol_NUM=0;//AD轉(zhuǎn)化的酒精數(shù)字量unsignedcharTemp_NUM=0;//AD轉(zhuǎn)化的溫度數(shù)字量unsignedcharm,n,ms;unsignedcharconstline1[]={"Alcohol:"};unsignedcharconstline2[]={"mg/L"};unsignedcharconstline3[]={"T:C`"};unsignedcharconstline4[]={"Safe"};unsignedcharconstline5[]={"warning"};unsignedcharconstline6[]={"Error!"};unsignedcharTemptab[]={0,0,'.',0};unsignedcharAlctab[]={'0','.',0,0};unsignedcharad_data[8];//八通道數(shù)據(jù)待存數(shù)組第一通道數(shù)據(jù)為溫度數(shù)據(jù)，第二通道為酒精濃度數(shù)據(jù)unsignedcharcodetd[]={0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0c,0x0d,0x0e,0x0f};//通道先擇數(shù)組//函數(shù)定義voiddelay5ms(void);voiddelay50us(void);voiddelaynms(unsignedintx);voidwr_com(unsignedcharcomm);voidwr_data(unsignedchardat);unsignedcharrd_bf(void);voidLCD_init(void);voidDisplayOneChar(unsignedcharX,unsignedcharY,unsignedcharDData);voidDisplayListChar(unsignedcharX,unsignedcharY,unsignedchar*DData);voidAlcohol_count(void);//酒精濃度計算voidTemp_count(void); 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RW=0;}////////////////////////////////////////////////////unsignedcharrd_bf()//*****忙狀態(tài)檢查*******//{ unsignedchari; LCDE=0; RS=0; RW=0; RS=0; RW=1; LCDE=1; i=LCD_data; LCDE=0; return(i);}////////////////////////////////////////////////////////// voidLCD_init()//**********初始化程序，必須按照產(chǎn)品的資料介紹的過程進行********//{ wr_