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1、必读参考资料：1 张培仁基于汇编语言编程MCS-51单片机原理与应用M北京：清华大学出版社，20032 吴桂秀传感器应用制作入门M浙江科学技术出版社，2004目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 设计背景11.2 气敏传感器的研究现状11.3 设计酒精气体传感器的意义21.4 本文主要研究工作22 硬件电路设计与实现42.1 单片机开发流程42.2 硬件系统框图42.3 信号采集电路52.4 信号转换电路82.5 发光二极管显示报警电路142.6 数码管显示电路162.7 系统整体电路图183 软件编程203.1 开发环境203.2 程序流程203.3 程序代码编写224 电路调
2、试与测试结果284.1 电路调试284.2 浓度与显示之间的关系295 结束语33参考文献34附 录35致 谢38摘 要本设计实现了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。本文用AT89S51单片机与MQ-3型气体传感器实现了对酒精浓度的测量。论文主要研究了（1）硬件方面，MQ-3气体传感器技术参数的检测和将它接入到酒精浓度检测模块中；将模拟电压信号放大驱动发光二极管点亮报警；将采集到的模拟电压信号通过单片机控制经A/D转换，得到数字电压信号；用于显示浓度的数码管显示模块。（2）软件方面，主要研究了电压到浓度的线性转换和最终浓度值的数码管显示。（3）对设计的传感器进行了标
3、定。设计的传感器对酒精气体反应灵敏，能在有效范围内测量它的浓度值。并且在检测低浓度酒精时误差较小，最大误差为8.2%满足设计要求。本文的特色在于标准的确定。对于流动空气，样品的稳定性和水蒸气的影响，提出了解决方案和验证方法。对不同的区间浓度和电压转换关系做线性化处理，简化了硬件电路的设计。设计的传感器可以检测不同浓度的酒精气体，改进之后对解决酒后驾车事故和特殊场合酒精检测都可以使用。1 绪论1.1 设计背景 我国传感器市场的增长率超过15%，2003年销售额为186亿元人民币，2006年销售额为283亿元人民币，预计2007年为325亿元人民币，2008年为374亿元人民币。我国传感器4大类中
4、，工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段，新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它将不仅促进系统产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新的经济增长点1。 由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段，气体传感器发挥着极其重要的作用。气体传感器是把气体中的特定成分检测出来，并转化为电信号的一类器件，用来对有害气体，易燃易爆气体等进行安全检测和报警，对生产生活中需要了解的气体进行检测，分析，研究等。近年来，我国气敏传感器产业有了较快的发展，但与国外相比
5、，从技术水平，产业化及应用等领域均存在着不小的差距。目前，气敏传感器领域还存在一些问题。一是元件的稳定性差。由于元件电阻和灵敏度随时间而不断变化，漂移大给检测结果的可靠性带来不稳定的因素。二是选择性差。由于在检测气体时，往往还存在着其它的干扰气体(如烟酒等)，使气敏元件发生交叉响应，产生误报。三是催化剂中毒。掺有催化剂的气敏元件接触某些气体后，活性组分被毒化，将会改变元件的选择性，降低其敏感度和稳定性，另外催化剂本身也存在着不稳定性问题。灵敏度问题。四是SnO2元件有时由于灵敏度过大导致误报，但是在检测某些低浓度气体时灵敏度却难以达到要求2。1.2 气敏传感器的研究现状气敏元件性能与敏感功能材
6、料的种类、结构及制作工艺密切相关。用金属氧化敏感材料制作的半导体式气敏元件具有灵敏度高，结构简单，体小质轻，坚固耐用等优点而得到广泛的应用，目前仍以SnO2材料为主3。SnO2是一种广普型的气敏材料，围绕SnO2为基体材料的气敏材料的制备及其气敏元件制备的研究课题十分活跃。纯SnO2的气敏特性不甚好，尤其是它的热稳定性不高。为改善其气敏特性，常在SnO2基体中掺入贵金属或其他金属氧化物。尽管SnO2基传感材料具有许多优点，作为材料也存在一定缺点。通过控制气敏材料微粒大小，颗粒纳米化，掺杂其它添加剂或催化剂，利用过滤设备或透气膜来获得选择性，控制工作温度及环境湿度影响，改进制备等方法可以改善Sn
7、O2传感器的气敏性能4。纳米科学技术(NanoST)是研究尺寸在0.1100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米技术的发展，不仅为传感器提供了优良的敏感材料，而且为传感器制作提供了许多新型方法。纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度，工作温度大大降低，大大缩小了传感器的尺寸。当然，在己获得明显进展的纳米传感领域中尚存在很多问题，从敏感材料到制作技术都很不成熟，其性能也有不尽人意的地方5。气敏传感器在家用电器中也有相当广泛的应用。吸油烟机等产品上常用MQ-3型半导体气敏传感器，它采用旁热式结构，陶瓷管内装有高阻抗加热丝
8、，管外涂有梳状金属电极，金属电极之外涂有SnO2材料，使SnO2烧结体位于两电极之间6。气敏传感器工作时，加热器通电加热，若无被检气体侵入时，气敏元件的阻值基本不变当气敏元件表面产生吸附作用，其阻值将随气体浓度的变化变化。当被检气体浓度增大到一定值时，气敏元件的阻值将随之下降到某一值，使电压比较器的状态发生变化，输出控制信号经电流放大后，控制继电器或双向晶闸管接通电动机电源使吸排油烟机工作7。1.3 设计酒精浓度探测仪的意义本设计基于AT89S51单片机设计的酒精气体浓度探测仪，可用来检测酒精气体浓度，最主要的用途是检测司机的酒精含量。酒后驾车发生事故的机率高达27%。随着摄入酒精量的增加，选
9、择反应错误率显著增加，当血液中酒精含量由0.5增至1，发生车祸的可能性便增加5倍，如果增至1.5，可能性再增加6倍。机动车驾驶人员“酒后驾车” 及“醉酒驾车”极易发生道路交通事故, 严重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。人饮酒后, 酒精通过消化系统被人体吸收, 经过血液循环, 约有90%的酒精通过肺部呼气排出, 因此测量呼气中的酒精含量, 就可判断其醉酒程度。开车司机只要将嘴对着传感头使劲吹气，仪器就能发上显示出酒精浓度的高低，从而判断该司机是否酒后驾车，避免事故的发生。当然，最好的办法是在车内安装这种测试仪，司机一进入车内检测仪就检测司机的酒精含量，如果超出允许值，系统控制引擎无法启动，
10、这样就可从根本上解决酒后驾车问题。 酒精气体浓度探测仪在生产生活中也有重要的应用，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。1.4 本文主要研究工作本文以AT89S51单片机为核心，设计了用于测量酒精浓度的探测仪，主要研究工作包括以下3个方面。（1）硬件电路方面，对气体传感器MQ-3按检测电路，接上一定阻值的负载电阻，检测它的技术参数，确定MQ-3所接负载电阻的大小，完成信号采样电路的设计；采样到的模拟电压电信号通过A/D转换，得到可供单片机处理的数字信号，再由单片机作
11、相应的数据处理；四位共阳数码管浓度值显示。（2）软件方面，标准的确定是该部分要做的主要工作。因为原始的采样值是一个间接的负载分压值，需要将它转化为被测酒精浓度值。通过多个样品的测量确定多个浓度区间的转换标准，并将每个区间的转换关系近似线性化处理，然后通过软件编程的方法来实现。（3）为了尽量减少设计的气体传感器的测量误差，在测量酒精溶液样品时要考虑并解决3个主要问题。一是外界环境流动空气对传感器的影响和对气体样品的稀释，二是样品的稳定性对测量带来的误差，三是水蒸气对测量的影响。针对这3个主要问题提出以下解决方案和验证方法。测量样品时，将探头尽量放入塑料瓶内，可以在一定程度上消除流动空气的影响，同
12、时应选择空气流动较小的室内环境来测量。水蒸气对MQ-3的影响很小，这一点可以通过对只装有纯净水的塑料瓶的多次测量来验证。用相同容量的塑料瓶配制好不同浓度的酒精溶液后，将它密封并放置一段时间，待其稳定后再测量。再通过反复多次测量多组数据，求其平均值的方法来缩小测量误差。2 硬件电路设计与实现2.1 单片机开发流程（1）可行性调研。可行性调研的目的，是分析完成这个项目的可能性。进行这方面的工作，可参考国内外有关资料，看是否有人进行过类似的工作。如果有，则可分析他人是如何进行这方面工作的，有什么有点和缺点，有什么值得借鉴的；如果没有，则需要作进一步的调研，此时的重点应放在能否实现这个环节，首先从理论
13、上进行分析，探讨实现的可能性，所需求的客观条件是否具备，然后结合实际情况，再决定能否立项的问题。（2）系统总体方案的设计。在进行可行性调研后，如果可以立项，下一步工作就是系统总体方案的设计。工作的重点应放在该项目的技术难度上，此时可参考这一方面更详细、更具体的资料，根据系统的不同部分和要实现的功能，参考国内外同类产品的性能，提出合理而可行的技术指标，编写出设计任务书，从而完成系统总体方案设计。（3）设计方案细化，确定软硬件功能。一旦总体方案确定下来，下一步的工作就是将该项目细化，即需明确哪些部分用硬件来完成，哪些部分用软件来完成。由于硬件结构与软件方案会相互影响，因此，从简化电路结构、降低成本
14、、减少故障率、提高系统的灵活性与通用性方面考虑，提倡软件能实现的功能尽可能由软件来完成；但也应考虑软件代硬件的实质是以降低系统的实时性、增加处理进行为代价的，而且软件设计费用、研制周期也将增加，因此系统的软硬件功能分配应根据系统的要求及实际情况而合理安排，统一考虑。在确定软硬件功能的基础上，设计者的工作就开始涉及到具体的问题，如仪器的体积及与具体技术指标相对应的硬件实现方案，软件的总体规划等。在确定人员分工、安排工作进度、规定接口参数后，就比须考虑硬件软件的具体问题了。（4）一个单片机应用系统经过调研、总体设计、硬件软件设计、制版、元件安装后，在系统的程序存储器中放入编制好的应用程序，系统即可
15、运行。但一次性成功的几乎是不是不可能的。由于单片机在执行程序时人工是无法控制的，为了能够调试程序，检查硬件、软件运行情况，这就需要借助某种开发工具模拟用户实际的单片机，并且能随时观察运行的中间过程而不改变运行中有的数据性能和结果，从而进行模拟现场的真实调试。2.2 硬件系统框图基于AT89S51单片机用MQ-3型气体传感器实现酒精气体浓度的检测，需要信号采集模块用于对酒精浓度信号的采集，该信号是通过MQ-3气体传感器和负载电压得到分压电信号。信号转换模块用来把采集到得模拟电压信号转换位可以用单片机处理的数字信号。数码管显示模块是对单片机处理后的数字信号的显示，用来显示酒精的浓度。根据各功能模块的设计，可得到它的系统总框图，如图1所示。酒精气敏传感器LM3914发光二极管ADC0832单片机数码管图1 系统总框图2.3 信号采集电路2.3.1 气体传感器的选择根据被检测气体的不同，气敏传感器可分为以下三类:（1）可燃性气体气敏传感器。目前该类气敏传感器需求量最大，包含各种无机和有机类气体检测，主要用于抽油烟机、泄露报警器和空气清新剂等方面，并已经形成生产规模，在油田、矿区、化工、企业及家庭等生产和生活领域广泛用作气体泄露报普，特别是用于家庭气体泄露报警，需求量不断增加，使该类传感器有着广泛的发展空间。（2）CO和H2气敏传感器。CO
