基于AT89S51單片機(jī)酒精濃度探測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 . . . 基于AT89S51單片機(jī)酒精濃度探測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)（論文）主要容：要求設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于AT89S51單片機(jī)的酒精濃度探測(cè)儀系統(tǒng)，其中酒精傳感器采用MQ-3型，利用該傳感器將酒精氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，選擇適當(dāng)?shù)姆糯笃鞣糯笃潆妷盒盘?hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管顯示酒精濃度的高度，同時(shí)利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并由單片機(jī)控制，最后用數(shù)碼管顯示。要求完成的主要任務(wù)：1、查閱不少于15篇的相關(guān)資料，其中英文文獻(xiàn)不少于2篇，完成開(kāi)題報(bào)告。2、掌握C51系列單片機(jī)原理與編程技術(shù)，熟悉ADC0809的工作原理與特性；熟悉數(shù)碼管顯示技術(shù)。3、用protel繪制其原理圖，完成整體電路的安裝與

2、調(diào)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。4、完成不少于5000字的英文文獻(xiàn)翻譯。5、完成不少于12000字的畢業(yè)論文。必讀參考資料：1培仁基于匯編語(yǔ)言編程MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用M：清華大學(xué)，20032 吳桂秀傳感器應(yīng)用制作入門M科學(xué)技術(shù)，2004本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告1、目的與意義（含國(guó)外的研究現(xiàn)狀分析）從18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命以來(lái)，到20世紀(jì)信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳感技術(shù)逐漸走向成熟，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中的應(yīng)用也漸漸在普與。傳感器應(yīng)用廣泛，在各個(gè)領(lǐng)域都有著舉足輕重的作用，所以傳感器不斷向高精度，高可靠性，微型化，微功耗無(wú)源化和智能化數(shù)字化發(fā)展，以便更好的服務(wù)于我們的生產(chǎn)和生活。氣體與人類的日常生活密

3、切相關(guān)，檢測(cè)氣體是保護(hù)和改善我們居住環(huán)境的必要工作，要檢測(cè)氣體就少不了用到氣體傳感器。本設(shè)計(jì)基于AT89S51單片機(jī)設(shè)計(jì)的酒精濃度探測(cè)儀，可用來(lái)檢測(cè)酒精氣體濃度，最主要的用途是檢測(cè)司機(jī)的酒精含量。開(kāi)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，最好的辦法是在車安裝這種測(cè)試儀，司機(jī)一進(jìn)入車檢測(cè)儀就檢測(cè)司機(jī)的酒精含量，如果超出允許值，系統(tǒng)控制引擎無(wú)法啟動(dòng)，這樣就可從根本上解決酒后駕車問(wèn)題。酒精濃度探測(cè)儀在生產(chǎn)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(cè)儀，可隨時(shí)檢測(cè)車間的酒精氣體濃度，當(dāng)酒精氣體濃度

4、高于允許限定值時(shí)要與時(shí)通風(fēng)換氣，做到安全生產(chǎn)。當(dāng)然，依照同樣的原理也可設(shè)計(jì)檢測(cè)其他氣體的探測(cè)儀，與我們的生活息息相關(guān)的是檢測(cè)有毒氣體。傳感頭是酒精濃度探測(cè)儀中感受酒精的重要部分。目前，所設(shè)計(jì)的該類傳感器多選用以二氧化錫為基本材料，添加不同物質(zhì)制成的氣敏傳感器。本設(shè)計(jì)所選用的MQ-3氣敏傳感器的敏感部分是由二氧化錫的N型半導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成，靈敏度高，響應(yīng)速度快，可靠性好。也有選擇以其他氧化物為基本材料制成的傳感器，如選二氧化鈦?zhàn)鳛闅怏w傳感材料。雖然目前的二氧化鈦薄膜有電阻值高，工作溫度高，敏感性差的缺點(diǎn)，但是二氧化鈦薄膜具有良好的電學(xué)性能，優(yōu)異的光學(xué)性能，化學(xué)穩(wěn)定性高，機(jī)械強(qiáng)度高，且可用于多種

5、氣體的檢測(cè)。單片機(jī)在整個(gè)傳感器中起操作和相應(yīng)數(shù)據(jù)處理并送顯示的作用，是傳感器的核心部分。目前，氣敏傳感器已有較高的精度，可達(dá)萬(wàn)分之一以上。隨著新材料發(fā)展和新加工技術(shù)的提高，有了高可靠性和低功耗的氣體傳感器。智能化數(shù)字化的氣體傳感器克服了目前氣敏傳感器人工測(cè)試帶來(lái)的效率低，誤差大和操作人員長(zhǎng)時(shí)間工作等問(wèn)題。2、基本容和技術(shù)方案敏感部分由二氧化錫的N型半導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成的MQ-3型氣敏傳感器，當(dāng)其表面吸附有被測(cè)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(cè)氣體的濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。MQ-3型氣敏傳感器靈敏度高，響應(yīng)速度快。AT89S51

6、單片機(jī)是一般控制應(yīng)用的8位單片機(jī)。芯片部有時(shí)鐘振蕩器，只讀存儲(chǔ)器為4K字節(jié)，外部可擴(kuò)充至64K字節(jié)，128字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器，外部可擴(kuò)充至64K字節(jié)。32條雙向輸入輸出線，每條均可以單獨(dú)做I/O的控制。5個(gè)中斷向量源。2個(gè)獨(dú)立的16位定時(shí)器。1個(gè)全雙工串行通信端口。選用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為MedWin單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。發(fā)光二極管顯示選用集成驅(qū)動(dòng)器LM3914。部有10個(gè)電壓比較器，可驅(qū)動(dòng)10個(gè)發(fā)光二極管。相鄰分壓端之間的電壓差是0.12V?？蛇x擇點(diǎn)狀顯示也可選擇條狀顯示。ADC0809為8路8位的A/D轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換起停控制端，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s，模擬輸入電壓值圍是0+5V，+5V電壓供電。三位數(shù)碼

7、管顯示具體數(shù)值。根據(jù)以上容選定技術(shù)方案。氣體傳感器遇到酒精氣體后，阻值發(fā)生變化，所要測(cè)的電壓發(fā)生相應(yīng)的變化。變化的電壓值送LM3914放大比較，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光，顯示酒精濃度的高低。單片機(jī)不斷采集經(jīng)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換后的變化的電壓值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理交數(shù)碼管顯示。3、進(jìn)度安排第1-3周：查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，明確研究容，了解研究所需理論知識(shí)和設(shè)計(jì)所需的元器件。確定方案，完成開(kāi)題報(bào)告。第4-6周：畫(huà)出流程圖，編寫(xiě)程序。第7-10周：建立系統(tǒng)模型，畫(huà)出電路圖，并對(duì)軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。第11-13周：完成硬件電路的安裝，并進(jìn)行硬件電路的調(diào)試。第14-15周：完成并提交論文，對(duì)論文進(jìn)行修改定稿。第16

8、周：完成并修改畢業(yè)論文。第17周：準(zhǔn)備論文答辯。4、指導(dǎo)教師意見(jiàn) 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日14 / 22目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 設(shè)計(jì)背景11.2 氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀11.3 設(shè)計(jì)酒精氣體傳感器的意義21.4 本文主要研究工作22 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)42.1 單片機(jī)開(kāi)發(fā)流程42.2 硬件系統(tǒng)框圖42.3 信號(hào)采集電路52.4 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路82.5 發(fā)光二極管顯示報(bào)警電路142.6 數(shù)碼管顯示電路162.7 系統(tǒng)整體電路圖183 軟件編程203.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境203.2 程序流程203.3 程序代碼編寫(xiě)224 電路調(diào)試與測(cè)試結(jié)果284.1 電路調(diào)試284.2 濃度與顯示

9、之間的關(guān)系295 結(jié)束語(yǔ)33參考文獻(xiàn)34附錄35致38摘 要本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同濃度酒精的檢測(cè)和顯示，通過(guò)適當(dāng)改進(jìn)可以用于檢測(cè)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(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)利用二極管簡(jiǎn)單顯示濃度的高低，在設(shè)計(jì)允許值時(shí)發(fā)出報(bào)警。論文主要研究了（1）硬件方面，MQ-3氣體傳感器技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)和將它接入到酒精濃度檢測(cè)模塊中；將模擬電壓信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮報(bào)警；將采集到的模擬電壓信號(hào)通過(guò)單片機(jī)控制經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字電壓信號(hào)；用于顯示濃度的數(shù)碼管顯示模塊。（2）軟件方面，主要研究了電壓到濃度的線性轉(zhuǎn)換和最終濃度值的數(shù)碼管顯示。（3）對(duì)

10、設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行了標(biāo)定。設(shè)計(jì)的傳感器對(duì)酒精氣體反應(yīng)靈敏，能在有效圍測(cè)量它的濃度值。并且在檢測(cè)低濃度酒精時(shí)誤差較小，最大誤差為8.2%滿足設(shè)計(jì)要求。本文的特色在于標(biāo)準(zhǔn)的確定。對(duì)于流動(dòng)空氣，樣品的穩(wěn)定性和水蒸氣的影響，提出了解決方案和驗(yàn)證方法。對(duì)不同的區(qū)間濃度和電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系做線性化處理，簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的傳感器可以檢測(cè)不同濃度的酒精氣體，改進(jìn)之后對(duì)解決酒后駕車事故和特殊場(chǎng)合酒精檢測(cè)都可以使用。關(guān)鍵詞：氣體傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)AbstractDifferent concentrations of alcohol solution are detected and showed in t

11、he 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 gas sensor based on AT89S51 MCU and MQ-3. At the same time the concentration is displayed by LED,and the system allow to ala

12、rm in the certain value. In the thesis Major researches are three points.(1)In the hardware, detecting the technology parameters MQ-3 gas sensor, and connecting it to a testing part of the alcohol gas concentration; Analog voltage signal amplification to drive light-emitting diode light to alarm; co

13、nversing the voltage signal through the A/D conversion at the control of the single-chip, obtaining the digital voltage signal; displaying the concentration in the digital tube display module.(2)In the Software,linear conversion between the concentration of the alcohol and the voltage and the digita

14、l display of the final concentration value.(3) The designed sensor is calibrated. The design of gas sensor is responsive to the alcohol, can measure concentration in the effective range of its concentration. And in the low concentration of alcohol in the test the error is small with the maximum erro

15、r8.2%, meeting requirements of the design. The characteristics of the thesis are to determine the standard.The solutions and verification methods are proposed about the flow of air samples, the sample stability and water vapor. The conversion between voltage and concentration in different range is t

16、reated as linear relationship. The design of sensor can detect different the alcohol gas with different concentration.It plays an important role to solve the drunk-driving accidents and alcohol testing for special occasions after improvement.Key Words: Gas sensor, A/D conversion,Single-chip Microcom

17、puter1 緒論1.1 設(shè)計(jì)背景 我國(guó)傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)率超過(guò)15%，2003年銷售額為186億元人民幣，2006年銷售額為283億元人民幣，預(yù)計(jì)2007年為325億元人民幣，2008年為374億元人民幣。我國(guó)傳感器4大類中，工業(yè)和汽車電子產(chǎn)品占市場(chǎng)份額的33.5%。近年來(lái)，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段，新型傳感器的特點(diǎn)是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，它將不僅促進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè)和軍事變革，是21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)1。 由于氣體與人類的日常生活密切相關(guān)，對(duì)氣體的檢測(cè)已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少的手段，氣體傳感器發(fā)揮著極其重要的作

18、用。氣體傳感器是把氣體中的特定成分檢測(cè)出來(lái)，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一類器件，用來(lái)對(duì)有害氣體，易燃易爆氣體等進(jìn)行安全檢測(cè)和報(bào)警，對(duì)生產(chǎn)生活中需要了解的氣體進(jìn)行檢測(cè)，分析，研究等。近年來(lái)，我國(guó)氣敏傳感器產(chǎn)業(yè)有了較快的發(fā)展，但與國(guó)外相比，從技術(shù)水平，產(chǎn)業(yè)化與應(yīng)用等領(lǐng)域均存在著不小的差距。目前，氣敏傳感器領(lǐng)域還存在一些問(wèn)題。一是元件的穩(wěn)定性差。由于元件電阻和靈敏度隨時(shí)間而不斷變化，漂移大給檢測(cè)結(jié)果的可靠性帶來(lái)不穩(wěn)定的因素。二是選擇性差。由于在檢測(cè)氣體時(shí)，往往還存在著其它的干擾氣體(如煙酒等)，使氣敏元件發(fā)生交叉響應(yīng)，產(chǎn)生誤報(bào)。三是催化劑中毒。摻有催化劑的氣敏元件接觸某些氣體后，活性組分被毒化，將會(huì)改變?cè)?/p>

19、選擇性，降低其敏感度和穩(wěn)定性，另外催化劑本身也存在著不穩(wěn)定性問(wèn)題。靈敏度問(wèn)題。四是SnO2元件有時(shí)由于靈敏度過(guò)大導(dǎo)致誤報(bào)，但是在檢測(cè)某些低濃度氣體時(shí)靈敏度卻難以達(dá)到要求2。1.2 氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀氣敏元件性能與敏感功能材料的種類、結(jié)構(gòu)與制作工藝密切相關(guān)。用金屬氧化敏感材料制作的半導(dǎo)體式氣敏元件具有靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體小質(zhì)輕，堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，目前仍以SnO2材料為主3。SnO2是一種廣普型的氣敏材料，圍繞SnO2為基體材料的氣敏材料的制備與其氣敏元件制備的研究課題十分活躍。純SnO2的氣敏特性不甚好，尤其是它的熱穩(wěn)定性不高。為改善其氣敏特性，常在SnO2基體中摻入貴金屬或其

20、他金屬氧化物。盡管SnO2基傳感材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，作為材料也存在一定缺點(diǎn)。通過(guò)控制氣敏材料微粒大小，顆粒納米化，摻雜其它添加劑或催化劑，利用過(guò)濾設(shè)備或透氣膜來(lái)獲得選擇性，控制工作溫度與環(huán)境濕度影響，改進(jìn)制備等方法可以改善SnO2傳感器的氣敏性能4。納米科學(xué)技術(shù)(NanoST)是研究尺寸在0.1100nm的物質(zhì)組成體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以與可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題的科學(xué)技術(shù)。納米技術(shù)的發(fā)展，不僅為傳感器提供了優(yōu)良的敏感材料，而且為傳感器制作提供了許多新型方法。納米固體材料具有龐大的界面，提供了大量氣體通道，從而大大提高了靈敏度，工作溫度大大降低，大大縮小了傳感器的尺寸。當(dāng)然，在己獲得明顯進(jìn)展

21、的納米傳感領(lǐng)域存在很多問(wèn)題，從敏感材料到制作技術(shù)都很不成熟，其性能也有不盡人意的地方5。氣敏傳感器在家用電器中也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。吸油煙機(jī)等產(chǎn)品上常用MQ-3型半導(dǎo)體氣敏傳感器，它采用旁熱式結(jié)構(gòu)，瓷管裝有高阻抗加熱絲，管外涂有梳狀金屬電極，金屬電極之外涂有SnO2材料，使SnO2燒結(jié)體位于兩電極之間6。氣敏傳感器工作時(shí)，加熱器通電加熱，若無(wú)被檢氣體侵入時(shí)，氣敏元件的阻值基本不變當(dāng)氣敏元件表面產(chǎn)生吸附作用，其阻值將隨氣體濃度的變化變化。當(dāng)被檢氣體濃度增大到一定值時(shí)，氣敏元件的阻值將隨之下降到某一值，使電壓比較器的狀態(tài)發(fā)生變化，輸出控制信號(hào)經(jīng)電流放大后，控制繼電器或雙向晶閘管接通電動(dòng)機(jī)電源使吸排油

22、煙機(jī)工作7。1.3 設(shè)計(jì)酒精濃度探測(cè)儀的意義本設(shè)計(jì)基于AT89S51單片機(jī)設(shè)計(jì)的酒精氣體濃度探測(cè)儀，可用來(lái)檢測(cè)酒精氣體濃度，最主要的用途是檢測(cè)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” 與“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(guò)消化系統(tǒng)被人體吸收, 經(jīng)過(guò)血液循環(huán), 約有90%的酒精通過(guò)肺部呼氣排出, 因此測(cè)量呼氣中的酒精含量, 就可判斷其醉酒程度。開(kāi)車司機(jī)只要將嘴對(duì)

23、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，最好的辦法是在車安裝這種測(cè)試儀，司機(jī)一進(jìn)入車檢測(cè)儀就檢測(cè)司機(jī)的酒精含量，如果超出允許值，系統(tǒng)控制引擎無(wú)法啟動(dòng)，這樣就可從根本上解決酒后駕車問(wèn)題。 酒精氣體濃度探測(cè)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(cè)儀，可隨時(shí)檢測(cè)車間的酒精氣體濃度，當(dāng)酒精氣體濃度高于允許限定值時(shí)，發(fā)出警報(bào)，提醒人們與時(shí)通風(fēng)換氣，做到安全生產(chǎn)。1.4 本文主要研究工作本文以AT89S51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了用于測(cè)量酒精濃度的探測(cè)儀，主要研究工作包括以下3個(gè)方面。（1）硬件電路方面，

24、對(duì)氣體傳感器MQ-3按檢測(cè)電路，接上一定阻值的負(fù)載電阻，檢測(cè)它的技術(shù)參數(shù)，確定MQ-3所接負(fù)載電阻的大小，完成信號(hào)采樣電路的設(shè)計(jì)；采樣到的模擬電壓電信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，得到可供單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；發(fā)光二極管報(bào)警顯示和3個(gè)單位8段共陰數(shù)碼管濃度值顯示。（2）軟件方面，標(biāo)準(zhǔn)的確定是該部分要做的主要工作。因?yàn)樵嫉牟蓸又凳且粋€(gè)間接的負(fù)載分壓值，需要將它轉(zhuǎn)化為被測(cè)酒精濃度值。通過(guò)多個(gè)樣品的測(cè)量確定多個(gè)濃度區(qū)間的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，并將每個(gè)區(qū)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系近似線性化處理，然后通過(guò)軟件編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。（3）為了盡量減少設(shè)計(jì)的氣體傳感器的測(cè)量誤差，在測(cè)量酒精溶液樣品時(shí)要考慮并解決3個(gè)主要

25、問(wèn)題。一是外界環(huán)境流動(dòng)空氣對(duì)傳感器的影響和對(duì)氣體樣品的稀釋，二是樣品的穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量帶來(lái)的誤差，三是水蒸氣對(duì)測(cè)量的影響。針對(duì)這3個(gè)主要問(wèn)題提出以下解決方案和驗(yàn)證方法。測(cè)量樣品時(shí)，將探頭盡量放入塑料瓶，可以在一定程度上消除流動(dòng)空氣的影響，同時(shí)應(yīng)選擇空氣流動(dòng)較小的室環(huán)境來(lái)測(cè)量。水蒸氣對(duì)MQ-3的影響很小，這一點(diǎn)可以通過(guò)對(duì)只裝有純凈水的塑料瓶的多次測(cè)量來(lái)驗(yàn)證。用一樣容量的塑料瓶配制好不同濃度的酒精溶液后，將它密封并放置一段時(shí)間，待其穩(wěn)定后再測(cè)量。再通過(guò)反復(fù)多次測(cè)量多組數(shù)據(jù)，求其平均值的方法來(lái)縮小測(cè)量誤差。2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1 單片機(jī)開(kāi)發(fā)流程（1）可行性調(diào)研?？尚行哉{(diào)研的目的，是分析完成這個(gè)項(xiàng)目

26、的可能性。進(jìn)行這方面的工作，可參考國(guó)外有關(guān)資料，看是否有人進(jìn)行過(guò)類似的工作。如果有，則可分析他人是如何進(jìn)行這方面工作的，有什么有點(diǎn)和缺點(diǎn)，有什么值得借鑒的；如果沒(méi)有，則需要作進(jìn)一步的調(diào)研，此時(shí)的重點(diǎn)應(yīng)放在能否實(shí)現(xiàn)這個(gè)環(huán)節(jié)，首先從理論上進(jìn)行分析，探討實(shí)現(xiàn)的可能性，所需求的客觀條件是否具備，然后結(jié)合實(shí)際情況，再?zèng)Q定能否立項(xiàng)的問(wèn)題。（2）系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行可行性調(diào)研后，如果可以立項(xiàng)，下一步工作就是系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。工作的重點(diǎn)應(yīng)放在該項(xiàng)目的技術(shù)難度上，此時(shí)可參考這一方面更詳細(xì)、更具體的資料，根據(jù)系統(tǒng)的不同部分和要實(shí)現(xiàn)的功能，參考國(guó)外同類產(chǎn)品的性能，提出合理而可行的技術(shù)指標(biāo)，編寫(xiě)出設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，

27、從而完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。（3）設(shè)計(jì)方案細(xì)化，確定軟硬件功能。一旦總體方案確定下來(lái)，下一步的工作就是將該項(xiàng)目細(xì)化，即需明確哪些部分用硬件來(lái)完成，哪些部分用軟件來(lái)完成。由于硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)相互影響，因此，從簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、降低成本、減少故障率、提高系統(tǒng)的靈活性與通用性方面考慮，提倡軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來(lái)完成；但也應(yīng)考慮軟件代硬件的實(shí)質(zhì)是以降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、增加處理進(jìn)行為代價(jià)的，而且軟件設(shè)計(jì)費(fèi)用、研制周期也將增加，因此系統(tǒng)的軟硬件功能分配應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求與實(shí)際情況而合理安排，統(tǒng)一考慮。在確定軟硬件功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者的工作就開(kāi)始涉與到具體的問(wèn)題，如儀器的體積與與具體技術(shù)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的硬件實(shí)

28、現(xiàn)方案，軟件的總體規(guī)劃等。在確定人員分工、安排工作進(jìn)度、規(guī)定接口參數(shù)后，就比須考慮硬件軟件的具體問(wèn)題了。（4）一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)研、總體設(shè)計(jì)、硬件軟件設(shè)計(jì)、制版、元件安裝后，在系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器中放入編制好的應(yīng)用程序，系統(tǒng)即可運(yùn)行。但一次性成功的幾乎是不是不可能的。由于單片機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)人工是無(wú)法控制的，為了能夠調(diào)試程序，檢查硬件、軟件運(yùn)行情況，這就需要借助某種開(kāi)發(fā)工具模擬用戶實(shí)際的單片機(jī)，并且能隨時(shí)觀察運(yùn)行的中間過(guò)程而不改變運(yùn)行中有的數(shù)據(jù)性能和結(jié)果，從而進(jìn)行模擬現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)調(diào)試。2.2 硬件系統(tǒng)框圖基于AT89S51單片機(jī)用MQ-3型氣體傳感器實(shí)現(xiàn)酒精氣體濃度的檢測(cè)，需要信號(hào)采集模塊用于對(duì)

29、酒精濃度信號(hào)的采集，該信號(hào)是通過(guò)MQ-3氣體傳感器和負(fù)載電壓得到分壓電信號(hào)。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊用來(lái)把采集到得模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換位可以用單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。數(shù)碼管顯示模塊是對(duì)單片機(jī)處理后的數(shù)字信號(hào)的顯示，用來(lái)顯示酒精的濃度。報(bào)警模塊是對(duì)設(shè)定值提供報(bào)警功能，該功能用發(fā)光二極管顯示。根據(jù)各功能模塊的設(shè)計(jì)，可得到它的系統(tǒng)總框圖，如圖1所示。酒精氣敏傳感器LM3914發(fā)光二極管ADC0809單片機(jī)數(shù)碼管圖1 系統(tǒng)總框圖2.3 信號(hào)采集電路2.3.1 氣體傳感器的選擇根據(jù)被檢測(cè)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(wú)機(jī)和有機(jī)類氣體檢測(cè)，主要用于抽

30、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)與家庭等生產(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(cè)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(guó)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，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(cè)煙氣、尾氣、廢氣等環(huán)境污染氣體，

31、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(cè)氣體的性質(zhì)進(jìn)行的分類，也有根據(jù)元件的物理特性進(jìn)行分類的。一個(gè)新型的氣體檢測(cè)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(cè)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。本設(shè)計(jì)中的酒精氣體傳感器采用漢威電子的MQ-3型,它屬于MQ系列氣敏元件的一種。如圖2所示：圖2 MQ-3特點(diǎn):檢測(cè)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；

32、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(cè)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(cè)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。MQ-3的靈敏度特性曲線如 圖3所示。圖3 MQ-3靈敏度特性曲線檢測(cè)電路如圖4所示，當(dāng)電源開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，傳感器加熱電流為零，實(shí)測(cè)A，B之間電阻大于20M。S接通，則f，f之間電流由開(kāi)始時(shí)155mA降至153mA而穩(wěn)定。加熱開(kāi)始幾秒鐘后A，B之間電阻迅速下降至10K以下，然后又逐漸上升至120K以上后并保持著。此時(shí)如果將酒

33、精溶液樣品靠近MQ-3傳感器，我們立即可以看到數(shù)字萬(wàn)用表顯示值馬上由原來(lái)大于120K降至10K以下。移開(kāi)小瓶過(guò)1分鐘左右后，A，B之間電阻恢復(fù)至大于120K。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)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)的反復(fù)檢測(cè)，MQ-3傳感器可以正常工作使用，對(duì)不同濃度的酒精溶液有不同的變化，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間都正常，可以開(kāi)始作信號(hào)采樣模塊電路的設(shè)計(jì)。圖4 MQ-3檢測(cè)電路2.3.2 信號(hào)采樣電路信號(hào)的采樣模塊電路如圖5所示。MQ-3的加熱電阻兩端即H引腳接至+5V直流穩(wěn)壓電源，用于電阻絲對(duì)敏感體電阻的加熱。MQ-3的兩個(gè)A引腳相連，作為敏感體電阻的一個(gè)電極。MQ-3的兩個(gè)B引腳也連接在一起，

34、作為敏感體電阻的另一個(gè)電極。將電極斷A接到電源正極，電極端B接兩個(gè)270并聯(lián)的電阻。MQ-3型氣敏傳感器與電位器串聯(lián)構(gòu)成分壓電路，采樣點(diǎn)為電位器的分壓。MQ-3型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物SnO2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(cè)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(cè)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。當(dāng)氣敏傳感器的敏感體電阻阻值發(fā)生改變時(shí)，對(duì)應(yīng)的電位器的分壓值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，即一個(gè)電壓值對(duì)應(yīng)著一個(gè)被測(cè)酒精氣體濃度。對(duì)酒精氣體濃度的采樣就可以轉(zhuǎn)化為對(duì)電位器分壓的采樣。 在采樣硬件電路中實(shí)際要考慮到MQ-3的實(shí)際技術(shù)

35、參數(shù)，即加熱電阻和敏感體電阻的大小，該部分應(yīng)與電源正極相連。負(fù)載電阻要根據(jù)MQ-3實(shí)際的技術(shù)參數(shù)而選擇阻值合適的電阻。應(yīng)為實(shí)驗(yàn)所用的MQ-3在預(yù)熱5到10分鐘后，它的敏感體電阻只有120K，所以負(fù)載電阻選用兩個(gè)270并聯(lián)，構(gòu)成采樣部分的分壓電阻。圖5 采樣模塊2.4 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路單片微機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的譯名簡(jiǎn)稱，在國(guó)也常稱為“單片微機(jī)”或“單片機(jī)”。它包括中央處理器CPU，隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，只讀存儲(chǔ)器ROM，中斷系統(tǒng)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，串行口和I/O口等等?，F(xiàn)在，單片微機(jī)已不僅指單片計(jì)算機(jī)，還包括微計(jì)算機(jī)，微處理器，微控制器和嵌入式控制器，單片微機(jī)已是它們的俗稱8。AT89S51是美國(guó)ATME

36、L公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片含4K的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)與引腳。它集Flash程序存儲(chǔ)器，既可在線編程也可以用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程與通用8位微處理器于單片芯片中，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4KBFlash閃存存儲(chǔ)器，128B部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片振蕩器與時(shí)鐘電路。根據(jù)實(shí)際需要，本次設(shè)計(jì)選用的是以8051為核心單元Atmel公司的低耗AT89S51單片機(jī)。

37、AT89S51芯片有40條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖6所示。下面說(shuō)明各引腳功能。 圖6 AT89S51芯片管腳VCC：運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)接電源正端。GND：接地。XTAL1：輸入到單片機(jī)部振蕩器的反相放大器。XTAL2：反相放大器的輸出，輸入到部時(shí)鐘發(fā)生器。P0口：8位漏極開(kāi)路的。使用片外存儲(chǔ)器時(shí)，作低八位地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用，能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL上拉電阻。P1口：8位、準(zhǔn)雙向I/O口。P2口：8位、準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（ROM與RAM）時(shí)，輸出高8位地址。可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。P3口：8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有部上拉電路，提供各種替代功能。P3.0RXD串行口輸入口，P3.1TXD串行口輸出口，P3.2外部中斷0輸入，P3.3外部中斷1輸入，P3.4T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入，P3.5T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入，P3.6低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器寫(xiě)選通，P3.7低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器讀選通。RST：復(fù)位輸入信號(hào)，高電平有效。在振蕩器工作時(shí)，在RST上作用兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，將器件復(fù)位。/VCC：片外程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許信號(hào)，低電平有效。高電平時(shí)選擇片程序存儲(chǔ)器，低電平時(shí)程序存儲(chǔ)器全部在片外而不管片是否有程序存儲(chǔ)器。ALE/PROG：地址鎖存允