毕业论文酒精浓度测试仪的设计

  毕业论文酒精浓度测试仪的设计 目 录1 引言 ........................................................ 11.1 本课题设计的目的和意 义..................................... 11.2 国内外发展现状............................................. 11.3 酒精 浓度测试仪科技新动向................................... 22.1 酒精浓度检测仪的原理说 明................................... 42.1.1 酒精浓度检测仪构成部分................................... 42.1.2 酒精浓度检测仪原理....................................... 42.1.3 呼出气体的测量方 法....................................... 42.1.4 数据的显示方法........................................... 52.1.5 关 于气体收集测量方法不同造成的影响....................... 52.2 酒精浓度监测仪的硬件电 路设计............................... 52.2.1 传感器................................................... 62.2.2 A/D 转 换电路 ............................................. 82.2.3 ADC0809 的引脚及功 能 ..................................... 92.2.4 AT89S52 单片机 .......................................... 112.2.5 LCD 显示 ................................................ 152.2.6 键盘.................................................... 152.2.7 声光报警................................................ 173.1 主程序流程 图.............................................. 183.1.1 数据采集子程序.......................................... 183.1.2 数据处理子程序.......................................... 193.1.3 键盘扫描子程 序.......................................... 203.1.4 提示界面键盘子程序...................................... 203.1.5 键盘阈值设定子程序...................................... 203.1.6 显示子程 序.............................................. 203.1.7 报警子程序.............................................. 213.2 调试分析.................................................. 223.2.1 硬件调试................................................ 223.2.2 软件调试................................................ 233.3 软件与硬件结合调 试........................................ 233.4 调试故障及缘由分析........................................ 234 结论........................................................ 24参 考 文 献.................................................... 25致 谢......................................................... 261 引言1.1 本课题设计的目的和意义 酒后驾车是导致交通事故的一个重要的因素，为避免机动车辆驾驶人员酒后驾车， 现场测试人体呼气中酒精含量已经受到重视，所以酒精浓度测试仪正在慢慢的得到 广泛的关注与应用。 当酒精在人体血液内达到一定浓度时，就会麻痹神经，造成大 脑反应迟缓，肢体不受控制等症状。人对外界的反应能力及控制能力就会下降，处 理紧急状况的能力也随之下降。对于酒后驾车者而言，其血液中酒精含量越高，发 生撞车的几率越大。根据世界组织的事故调查，大约 50—69的交通事故与酒后驾驶 有关，酒后驾驶已经被列为车祸致死的根本原因1。从工厂企业到居民家庭，酒精泄 露的检测、监控以及对酒后驾车的监测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必 不可少的。现如今，由于人们安全意识逐渐加强，对环境安全性和生活舒适性要求 的提高，再加上气体传感器已经向低功耗、多功能、集成化方向的发展。因此，酒 精浓度测试仪具有十分广阔的现实市场和潜在的市场需求。 为实现对人权的尊 重，对生命的关爱，使更多人的生命权、健康权及幸福美满的家庭能得到更优秀的保 护，要设计一款酒精浓度测试仪。1.2 国内外发展现状 对气体中的酒精含量进行 检测的设备有五种类型。分别是:燃料电池型(电化学)、半导体型、红外线型、 气体色谱分析型和比色型2。但由于价格和使用方便的原因，目前常用的只有燃料电 池型(电化学型)和半导体型两种类型3。 燃料电池是当前全世界都在广泛研究的 环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，还能不产生污染，酒精传感器只 是燃料电池的一个分支。燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室 内充满特种催化剂，使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电 极上产生电压，电能消耗在外接负载上，电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比。与半导体型相比，燃料 4电池型呼气酒精测试仪具有稳定性好，精度高，抗干扰性好的优点 。但是由于燃料电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，加上材料成本高，因此价格相当昂贵，是半导体酒精传感器的几十倍5。 第 1 页 共 26 页 受 20 世纪信息技术的快速发展的影响，传感技术逐渐走向成熟，在生活生产中的得到了广泛的应用。由于传感器在各个领域都有着举足轻重的作用，因此，高精度，高可靠性，微型化，微功耗无源化和智能数字化成为其发展方向6。气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是: (1)烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量 90,以上;接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力;电化学气体传感器有了试制产品。 (2)在工艺方面引入了

  面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏;在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构;在气敏材料方面 SnO2 和Fe2O3 材料已用于批量生产气敏元件，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产量已超过“九五”初期的 400 万支。产量超过20 万支的主要厂家有 5 家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司(合资) ，其中前四家都超过 100 、北京电子管厂(特种电器厂)万支，据行业协会统计，1998 年全国气敏元件总产量已超过 600 万支。 总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后 10 年。1.3 酒精浓度测试仪科技新动向 为检查醉酒驾车警察常常使用一种便携式的酒精呼吸检测仪通过检测驾驶者呼出的气体判断驾驶者是否饮酒。但我国警方目前使用的酒精呼吸检测仪只能初步显示驾驶员是否饮酒有醉驾嫌疑的驾驶员还需要接受血检以确定其体内酒精含量是否超标。目前英国内政部已推出一种超级酒精呼吸检测仪能根据体温、呼吸频率等情况当场判断出驾驶者体内的酒精含量。 奔驰、大众、宝马等厂家也研制出一些预防酒后驾车的车内设备其中包括 。驾驶者在发动引擎前须向车内一种小型酒精检测装置吹气如果酒“酒精锁” 第 2 页 共 26 页精浓度超过标准值引擎将无法启动。另外一种酒精锁则是一种情景对话设备。这种设备会询问驾驶者的家庭地址等问题如果驾驶者在酒后意识不清醒不能正确答对所的问题就无法启动汽车。 一些新的光学手段也可应用于对付醉驾。俄罗斯圣彼得堡一家激光公司发明了激光酒精检测仪可对驾驶员是否饮酒进行远距离探测。检测时检测仪发射一束激光透过挡风玻璃对车内空气进行仔细的检测如果空气中酒精含量超过百万分之一仪器就会报警。 还有一些更新锐的检测技术正在研究之中。比如英国布里斯托尔大学的研究人员试图通过检验测试驾驶员眼睛的动作来识别是否醉驾。正常状态下驾驶员转动方向盘时会提前0.185s左右将目光转向一边。而饮酒将明显缩短这个时间差。2小杯伏特加酒就会使时间差降到0.15s以下4小杯伏特加会完会消除这一时间差。 第 3 页 共 26 页2 酒精浓度监测仪的硬件电路设计2.1 酒精浓度检测仪的原理说明2.1.1 酒精浓度检测仪构成部分 酒精浓度检测仪主要是用来检测酒精浓度的，它主要由酒精传感器、模数转换器、单片机、LCD 显示、键盘以及声音报警构成。 本课题选择 MQ-3 型酒精传感器.MQ-3 型气敏传感器灵敏度较高，响应速度 快7 。AT89S52 是低功耗、高性能、采用 CMOS 工艺的 8 位单片机，其片内具有 8KB的可在线编程的 Flash 存储器8。 ADC0809 为 8 路 8 位的 A/D 转换器，具有转换起停控制端，转换时间为 100μs，模拟输入电压值范围是 0,5V，5V 电压供电11。三位数码管显示具体数值。 能对 64 个按键键盘阵列不断扫描， 8279 对键盘部分提供一种扫描工作方式，自动消抖，自动识别出闭合的键并得到键号，能对双键或 N 键同时按下做处理。 LJDl28X64 液晶显示模块是 128X64 点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置 8192 个中文汉字16X16 点阵、128 个字符8X16 点阵及64X256 点阵显示 RAMGDRAM。2.1.2 酒精浓度检测仪原理 人饮酒后酒精通过消化系统被人们的身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。大量的统计研究根据结果得出如果被测者深吸气后以中等力度呼气达三秒钟以上这时呼出的气就是从肺部深处出来的气体。呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关 系 :BACmg/LBrACmg/L2200BACblood alcoholconcentration为血液酒精浓度BrACbreath alcoholconcentration为呼气酒精浓度二者具有固定的比例关系。mg/L是物理单位为毫克每升。该检测仪正是在这个关系上进行了数值理论?扑?。2.1.3 呼出气体的测量方法 对人呼出气体的测量不同于对其它气体的测量。因为人呼出一口气的时间仅一秒种左右，而且传感器感受到的乙醇气体浓度有一个从低到高再到低的过程，在这样的一个过程中，浓度有一个最大值10。 第 4 页 共 26 页2.1.4 数据的显示方法 如果采用即时显示，检测者在短短的一秒钟内既要观察被检者呼气方式是不是正确，又要观察读数并读取最大值(眼睛会应接不暇，极易漏读、误读。用微型计算机处理，可以在一秒种内采样数百次，对每次的结果逐一作比较，保留最大值，在测量过程结束后将最大值显示出来供检测者读取，并能长时间锁存，供被检者和其他有关人员察看。 综上所述，在酗酒检测仪中采用单片微型计算机可以集模数转换、非线性校正、结果处理、存储、译码显示于一身，从而使电路结构紧密相连、功能强、性能价格比高，并使检测仪智能化，因此有着十分突出的优点11。采用微机的数字化气体检测仪，采用同一电路结构，只要更换传感器和程序存储器，就可以适用于多种气体的检测，这也是其优点之一。2.1.5 关于气体收集测量方法不同造成的影响 对人体呼出气体的测量方式及其对测量结果的影响对人体呼出气体做测量的方式基本上分为三种。 第一种是密闭式的测量。被测者将呼出气体吹入一塑料袋中，然后将传感器探头深入袋内测量。测量过程中塑料是密闭的，袋中气体不溢出。第二种是连续气流式的测量。传感器装在一个气室中。被测者通过吹管将气从气室一端吹入，经过传感器后从气室另一端排出。测量过程 L 中要求气流不中断并保持一定的压力。第三种是开启或半开启式的测量。被测者将气体直接吹向传感器来测试。要达到定量测量的目的，应采用前面两种方法，而且以第二种方法为好。但这两种方法都要用到辅助的器具，如塑料袋和吹管。从卫生的角度，每次测试后要更换一次辅助器具。这在大量普查中不仅繁琐，而且要耗费大量辅助器具，显然是很不经济的。我们采用开启式和精确式测量相结合的方法。在普查时用开启式进行定性测量，被测者如果饮了酒，仪器就会报警，接着进行复测，采用精确式进行定量测量(根据超标与否判罚。对未饮酒者，不进行复测。这样做才能够节省大量辅助器具，又达到定量检的目的12。2.2 酒精浓度监测仪的硬件电路设计 硬件设计时，考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量，传感器输出的是 0-5 伏的电压值且 电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出 第 5 页 共 26 页电压值经过 ADC0809 采集数据送入单片机做处理。此外，还需接人 LCD 显示，8279 键盘,显示器接口芯片，声光报警电路等。 图 2.1 硬 件 方 案 总 体 框 图2.2.1 传感器 国外气体传感器发展非常迅速，一种原因是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高;另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。目前，气体传感器的发展的新趋势集中表现为:一是提升灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测(0.1,10)×10,6 硫化氢低功耗气体传感器，美国 IST 提供了寿命达 10 年以上的气体传感器，美国 FirstAlert公司推出了生物模拟型(光化反应型)低功耗 CO 气体传感器等。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。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、多功能化14。 由于本课题直接测量的是呼气中的酒精浓度，所以采用气敏传感器。考虑到周围空气中的气体成分可能会影响传感器测量的准确性，所以传感器只能对酒精气体敏感，对其他气体不敏感，故选用 MQ3 型气敏传感器。它具备极高的灵敏度、良好的选择性、长期的常规使用的寿命和可靠的稳定性。 第 6 页 共 26 页 图 2.2 酒精浓度同输出电压的近似函数关系 图 2.3 传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系 MQ3 型气敏传感器是由微型 Al2O3，陶瓷管和 SnO2 敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。传感器的标准回路有两部分所组成。其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻值的变化。传感器的表面电阻 RS的变化，是通过与其串联的负载电阻 RL 上的有效电压信号 VRL 输出面获得的。二者之间的关系表述为:RS,RLVC-VRL,VRL，其中 VC 为回路电压为 10V。负载电阻 RL 可调为 0(5-200K。加热电压 Uh 为 5v。上述这些参数使得传感器输出电压为 0-5V。为了使测量的精度达到最高，误差最小，需要找到比较合适的温度 15一般在测量前需将传感器预热 5 分钟 。 第 7 页 共 26 页 表 2.1 标准工作条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Vc 回路电压 10V AC OR DC Vh 加热电压 5V AC OR DC Rl 负载电压 可调 0.5--200K Rh 加热器电阻 33Ω?5 温室 Ph 加热功耗 , 800mW 表 2.2 酒精传感器的环境条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Tao 使用温度 —20?50? 推荐使用范围 20ppm1000ppm 乙醇 Tas 存储温度 —20?70? Ra 相对湿度 ?95RH O2 氧气浓度 21?1 不小于 18 氧气浓度影响灵敏度2.2.2 A/D 转换电路 在单片机应用系统中，被测量对象的有关变化量，如温度、压力、流量、速度等非电物理量，须经传感器转换成连续变化的模拟电信号(电压或电流)，这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中用软件做处理。实现模拟量转换成数字量的器件称为 A/D 转换器(ADC)。 A/D 转换器大致分有三类:一是双积分 A/D 转换器，优点是精度高，抗干扰性好，价格实惠公道，但速度慢;二是逐次逼近式 A/D 转换器，精度、速度、价格适中;三是并行 A/D 转换器，速度快，价格也昂贵。 在本设计中选用的是 ADC0809 属于第二类，是 8 位 A/D 转换器。每采集一次需 100μs。ADC0809 具有 8 路模拟信号输入端口，地址线 脚)可决定那一路 模拟信号进行 A/D 转换。22 脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6 脚为测试控制，当输入一个 2μs 的高电平脉冲时，就开始A/D 转换。7 引脚为 A/D 转换结束标志，当 A/D 转换结束时，7 脚输出高电平。9 第 8 页 共 26 页脚为 A/D 转换数据输出允许端，当 OE 脚为高电平时，A/D 转换数据输出。10 脚为 0809 的时钟输入端。 模数转换电路的作用是将传感器电路输出的模拟量信号转换为适合单片机处理的数字信号，并输入给单片机。本课题采用的是 ADC0809 A,D 转换芯片。ADC0809 是 8 路 8 位逐次比较式 A/D 转换器，它能分时地对 8 路模拟量信号进行 A,D 转换，结果为 8 位 2 进制数据。其由5V 电源供电，片内有带锁存功能的 8路选 1 的模拟开关，由 A，B，C 的编码来决定选择通道。0809 完成一次转换需要 1001xS 左右。输出具有 TTI 三态锁存缓冲器，可以直接连到 MCS 一 5l 单片机数据总线V 的模拟信号进行转换。2.2.3 ADC0809 的引脚及功能 根据 A/D 转换器的转换原理可将 A/D 转换器分为两大类。一类是直接型 A/D转换器，另一类是间接型 A/D 转换器。该设计中的 ADC0809 属于直接 A/D 转换器中的逐次比较型 A/D 转换器。逐次比较型 A/D 转换器在精度、速度、和价格上都适中，是最常用的 A/D 转换器件。芯片采用的是 ADC0809，以下介绍 ADC0809 的引脚及功能。芯片如图 2.8 所示。 图 2.4 ADC0809 的引脚 ADC0809 是一种逐次比较式 8 路模拟输入、8 位数字量输出的 A/D 转换器。由图可见，ADC0809 共有 28 个引脚，采用双列直插式封装。主要引脚功能有:1IN0-IN7 是 8 路模拟信号输入端。2D0-D7 是 8 位数字量输入端。3A、B、C 与 ALE 控制 8 路模拟通道的切换，A、B、C 分别与 3 根地址线 分别对应 IN0-IN7 通道的地址。位编码对应 8 个通道地址端口。 A、必须要格外注意的是:ADC0809 虽然有 8 路模拟通道可以同时输入 8 路模拟信号，但每个瞬间只能换 1 路，各路之间的切换由软件改变 C、A、B 引脚上的代码来实现。4OE、START、CLK 为控制信号端，OE 为输出允许端，START 为启动信号输入端，CLK 为时钟信号输入端。5VR和 VR-为参考电压输入端。 ADC0809 的结构及转换原理如下:ADC0809 的结构框图如图 2.5。ADC0809采用逐次比较的方法完成 A/D 转换的，由单一的5V 电源供电。片内有锁存功能的 8 路选 1 的模拟开关，由 C、B、A 引脚的功能来决定所选的通道。0809 完成一次转换需 100μs 左右，输出具有 TTL 三态锁存缓冲器，可直接连接到 MCS-51的数据总线上。通过适当的外接电路，0809 可对 0-5V 的模拟信号进行转换。 图 2.5 ADC0809 的结构框图 .

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